李玉海，白清順，盧禮華，張飛虎，袁曉東

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150000；2.中國工程物理研究院 激光聚變研究中心，四川 綿陽621900）

1 引言

能源的匱乏已經(jīng)成為人類共同面臨的挑戰(zhàn)，慣性約束核聚變（Inertial Confinement Fusion，ICF）技術(shù)有望能徹底解決這個(gè)難題［1-4］。終端光學(xué)組件是慣性約束核聚變裝置的核心部分，主要包括大口徑透鏡模塊，用以實(shí)現(xiàn)多束激光聚焦［5-6］。激光的穩(wěn)定傳輸和提升一直受到限制，其主要原因是大口徑透鏡的污染損傷［7-9］。Pry?atel［10-11］等人對(duì)美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）等ICF裝置內(nèi)部進(jìn)行了污染物成分檢測，發(fā)現(xiàn)終端光學(xué)組件中光學(xué)元件表面最主要的污染物是顆粒污染物，有機(jī)污染物的殘留較少。在裝置運(yùn)行過程中，雜散光與機(jī)械構(gòu)件和光學(xué)元件表面相互作用，濺射出的顆粒污染物會(huì)損傷透鏡表面，使損傷閾值降低［12］。針對(duì)光學(xué)元件顆粒污染物的去除，目前普遍采用化學(xué)溶液清洗、激光清洗和等離等體清洗手段，效果良好［13-14］。但是由于在激光作用下透鏡表面不斷被顆粒污染，同時(shí)模塊中的透鏡位置特殊，不易于頻繁拆卸和安裝，所以這對(duì)大口徑透鏡模塊的在線污染物去除和維護(hù)都提出了新的挑戰(zhàn)。學(xué)者們提出了等離子體和低溫清洗等在線污染物清洗方式，能夠有效清洗有機(jī)污染物，但顆粒污染物依然無法去除［15-16］。顆粒污染物是在裝置運(yùn)行中實(shí)時(shí)產(chǎn)生的，必須要及時(shí)地預(yù)防和去除，所以本文提出采用風(fēng)刀技術(shù)在線去除顆粒污染物。國內(nèi)外針對(duì)風(fēng)刀技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，美國勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的光學(xué)元件表面顆粒污染物吹掃實(shí)驗(yàn)表明，風(fēng)刀技術(shù)能夠有效去除直徑大于30μm的顆粒污染物［17］。Peng［18-20］等人通過風(fēng)刀吹掃和隔離實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在層流風(fēng)和風(fēng)刀吹掃下，顆粒污染物的縱向軌跡變化明顯，風(fēng)刀技術(shù)能夠有效地去除光學(xué)元件表面的顆粒污染物。中國工程物理研究院趙龍彪［21］等人通過暗場成像方法對(duì)大口徑光學(xué)元件表面污染物進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)風(fēng)刀吹掃與隔離技術(shù)在去除顆粒污染物方面取得了良好的效果。但是風(fēng)刀技術(shù)在透鏡模塊中的應(yīng)用還未有開展，對(duì)風(fēng)刀在透鏡模塊中污染物去除機(jī)理的研究較少，風(fēng)刀技術(shù)在透鏡模塊中還未能有效去除顆粒污染物。

大口徑透鏡模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響顆粒污染物的運(yùn)動(dòng)軌跡因素較多，需要通過仿真模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)顆粒污染物的去除機(jī)理展開深入研究。本文通過有限元仿真分析層流風(fēng)在透鏡模塊內(nèi)部的流場速度分布狀態(tài)，確定層流風(fēng)風(fēng)速對(duì)顆粒污染物隔離的效果。研究了風(fēng)刀安裝位置對(duì)透鏡表面應(yīng)力的影響，確定風(fēng)刀的合理安裝位置。分析風(fēng)刀的風(fēng)速對(duì)顆粒污染物的隔離與去除效果的影響，并通過風(fēng)刀吹掃實(shí)驗(yàn)分析透鏡模塊的內(nèi)部流場，最終獲得了針對(duì)顆粒污染物有效去除的風(fēng)刀技術(shù)參數(shù)。

2 數(shù)值仿真

本文數(shù)值模擬計(jì)算采用基于壓力求解的Coupled方法，湍流模型為realizablek-ε，該模型能夠滿足雷諾方程的數(shù)學(xué)約束，與湍流實(shí)際情況一致。采用Discrete Phase Model模型進(jìn)行空間中粒子運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬［22］。粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的模型實(shí)質(zhì)是歐拉法監(jiān)視空間流場，觀察顆粒在流場中的運(yùn)動(dòng)，如式（1）所示：

其中：fD是阻力系數(shù)，u是連續(xù)相速度，uP是顆粒速度，ρ是連續(xù)相的密度，ρP是顆粒密度，F(xiàn)是附加質(zhì)量力。

對(duì)透鏡模塊的三維模型進(jìn)行簡化，如圖1所示，透鏡模塊基本尺寸為1962 mm×2020 mm×896 mm，風(fēng)刀的出風(fēng)口尺寸為0.05 mm×305 mm。透鏡模塊潔凈系統(tǒng)工作時(shí)，層流風(fēng)從上端3個(gè)入風(fēng)口持續(xù)吹掃，模塊前后兩側(cè)出風(fēng)口與其它模塊連接，在與風(fēng)刀的共同作用下，將顆粒污染物從底端3個(gè)出風(fēng)口吹出。由于透鏡模塊整體是上下左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，所以截取透鏡模塊垂直X方向上的橫截面作為數(shù)值模擬的二維模型。

圖1 大口徑透鏡模塊模型Fig.1 Model of large-aperture lens module

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 層流風(fēng)風(fēng)速的影響

透鏡模塊中，潔凈的維護(hù)是通過層流風(fēng)將顆粒污染物吹出透鏡模塊，同時(shí)兩側(cè)出口氣流不能過大，否則會(huì)造成與透鏡模塊相連接的其它模塊二次污染。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)刀的風(fēng)速初步設(shè)定為20 m/s，層流風(fēng)風(fēng)速設(shè)定在0.1～1 m/s內(nèi)，模擬結(jié)果如圖2所示。當(dāng)層流風(fēng)速小于0.3 m/s時(shí)，透鏡模塊兩側(cè)出口風(fēng)速能夠形成穩(wěn)定的速度流場，大小基本接近于零，滿足模塊的潔凈要求。隨著層流風(fēng)速的增加，模塊兩側(cè)出口風(fēng)速增加幅度較大，最高可達(dá)1.2 m/s。而風(fēng)速在大于0.6 m/s時(shí)，從圖2中的速度云圖可知模塊內(nèi)部的速度分布不均勻，層流風(fēng)對(duì)模塊兩側(cè)出口氣流產(chǎn)生了擾動(dòng)，可能會(huì)將顆粒污染物吹到透鏡模塊兩側(cè)，這不符合模塊的潔凈要求。通過圖2中風(fēng)刀表面氣流局部放大圖可知，層流風(fēng)風(fēng)速超過0.3 m/s時(shí)，風(fēng)刀的氣流方向逐漸偏離垂直方向，不利于形成穩(wěn)定的流場，對(duì)顆粒污染物的隔離效果減弱。當(dāng)層流風(fēng)速為0.3 m/s時(shí)，風(fēng)刀的氣流方向與透鏡基本平行，能夠起到隔離顆粒污染物的效果，所以層流風(fēng)速應(yīng)控制在0.3 m/s。

圖2 透鏡模塊兩側(cè)出口風(fēng)速Fig.2 Outlet wind speed on both sides of lens module

3.2 風(fēng)刀安裝位置的影響

在風(fēng)刀吹掃過程中氣流會(huì)導(dǎo)致透鏡上表面產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，造成透鏡表面化學(xué)膜損傷，需要通過調(diào)整風(fēng)刀技術(shù)參數(shù)來減小透鏡表面的應(yīng)力集中［23］。一種方法是減小風(fēng)刀氣流速度，但是也降低了風(fēng)刀氣流對(duì)顆粒污染物的隔離效果，與模塊的潔凈要求不符；另一種方法是調(diào)整風(fēng)刀與透鏡之間的距離。通過測量風(fēng)刀當(dāng)前的工作位置，出風(fēng)口距離透鏡上表面為53.73 mm，以該點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿垂直遠(yuǎn)離透鏡方向移動(dòng)5，15，20 mm，如圖3（a）所示。通過圖3中的速度云圖可知，在L=0 mm及5 mm時(shí)風(fēng)刀氣流對(duì)透鏡表面形成的壓力較大，且在透鏡表面形成漩渦，氣流中的顆粒污染物會(huì)造成光學(xué)元件表面的二次污染。由圖3中靜態(tài)壓強(qiáng)可知，隨著風(fēng)刀位置的上移，透鏡上表面的應(yīng)力逐漸減小，應(yīng)力集中的區(qū)域也逐漸向透鏡表面右端移動(dòng)；在L≤5 mm時(shí)，透鏡上表面在0.86 m處壓強(qiáng)最大，在該處形成應(yīng)力集中；在L=15 mm處，透鏡表面壓強(qiáng)降到1 Pa以下，與透鏡邊緣位置壓強(qiáng)大小一致，說明此時(shí)風(fēng)刀對(duì)透鏡表面所造成的壓力已經(jīng)均勻，沒有形成應(yīng)力集中，符合設(shè)計(jì)要求。因此，當(dāng)風(fēng)刀距離透鏡表面15 mm時(shí)，即風(fēng)刀與透鏡的實(shí)際距離為78.73 mm，風(fēng)刀氣流能夠有效地減小透鏡表面的應(yīng)力集中。

圖3 透鏡表面的壓強(qiáng)和氣流Fig.3 Pressure and airflow at surface of lens

3.3 風(fēng)刀氣流對(duì)顆粒污染物隔離效果分析

透鏡表面的潔凈維護(hù)是通過風(fēng)刀的氣流將顆粒污染物隔離，因此需要對(duì)風(fēng)刀氣流參數(shù)進(jìn)行研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中顆粒污染物噴濺的結(jié)果，模擬采用二氧化硅顆粒，從兩側(cè)出口垂直釋放［24］。由3.1節(jié)結(jié)論可知層流風(fēng)風(fēng)速為0.3 m/s，風(fēng)刀風(fēng)速分別設(shè)定為10，20，30，40，50 m/s，通過檢測透鏡表面吸附的顆粒污染物數(shù)量來表示風(fēng)刀氣流的隔離效果。在透鏡模塊兩側(cè)釋放的顆粒直徑在0.001～0.1 mm，采用Rosin-Rammler分布方式，平均直徑為0.01 mm。設(shè)定粒子的出射速度分別為10 m/s和50 m/s，一共釋放8270個(gè)粒子，模擬得到透鏡壁面捕獲的粒子直徑主要集中在5～105μm，說明該范圍內(nèi)的顆粒污染物是透鏡表面造成污染損傷的重點(diǎn)來源，也是本文風(fēng)刀去除的對(duì)象。通過顆粒在垂直透鏡方向上的軌跡變化來表示顆粒污染物被流場隔離的效果。如圖4所示，隨著時(shí)間的增加，顆粒在垂直透鏡方向上的距離逐漸趨于平穩(wěn)或者有所減小，說明透鏡表面的顆粒污染物被有效隔離。當(dāng)顆粒出射速度為10 m/s時(shí)，風(fēng)刀對(duì)于直徑小于90μm的顆粒起到了很好的隔離效果；但是直徑大于90μm的顆粒曲線在空間上有折回，并且隨著時(shí)間增長也逐漸平穩(wěn)，這表明顆粒污染物并沒有被完全隔離。在顆粒出射速度為50 m/s時(shí)，風(fēng)刀氣流速度在20 m/s時(shí)能夠?qū)⒅睆叫∮?0μm的顆粒隔離。在顆粒出射速度為50 m/s時(shí)，直徑大于75μm的顆粒都不能被有效隔離。而風(fēng)刀氣流速度在30 m/s時(shí)，流場能夠很好地隔離直徑小于75μm的顆粒。

圖4 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 Particle motion trajectory

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中采用單塊大口徑透鏡元件進(jìn)行離線實(shí)驗(yàn)，采用風(fēng)刀對(duì)顆粒污染物進(jìn)行吹掃和隔離，通過暗場成像檢測透鏡表面的顆粒污染物，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。暗場成像是使用平行光源照射光學(xué)元件，若光學(xué)元件表面有顆粒污染物，則會(huì)產(chǎn)生散射光，利用光學(xué)成像系統(tǒng)接收，從而在暗場的條件下捕捉到光學(xué)元件表面的顆粒污染物位置。

圖5 透鏡表面吹掃裝置Fig.5 Lens surface flushing device

本次實(shí)驗(yàn)采用的顆粒污染物為二氧化硅、氧化鋁、鋁粉和灰塵4種污染物，分別代表光學(xué)元件、機(jī)械構(gòu)件、純鋁材料和空氣中的污染物。其中，二氧化硅直徑分別為0.0267，0.0322，0.0408，0.0422，0.072，0.0789 mm。風(fēng)速檢測裝置采用VelociCalc 9565-P風(fēng)速儀，分辨率為0.01 m/s，間隔5 s采集數(shù)據(jù)。采用的氣源是恒定的0.6 MPa壓縮空氣，采用EXAIR風(fēng)刀，長度為305 mm，風(fēng)刀的氣流出口寬度為0.05 mm，與模擬中的風(fēng)刀參數(shù)一致。由于透鏡模塊整體對(duì)稱，所以只需要檢測透鏡模塊側(cè)面以及中間區(qū)域的流場就可以近似獲得模塊整體的流場分布情況。由于大口徑透鏡表面不能再添加污染物，所以通過與前一次拍攝得到的照片進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出顆粒污染物的去除率，再通過去除率的趨勢驗(yàn)證仿真結(jié)果。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

由圖6可知，隨著風(fēng)刀與透鏡間距離的增加，氣流速度先逐漸增大再減小，這是因?yàn)橥哥R表面中間為凸起的楔形，由于空間的限制，其表面流場是中間速度較大，兩側(cè)較小，這符合流場的變化規(guī)律。但是在L=0 mm時(shí)，透鏡表面縱向距離50 mm處，透鏡表面的氣流速度呈先增大后減小再增大趨勢，這是因?yàn)轱L(fēng)刀過于靠近透鏡，導(dǎo)致透鏡邊緣的流場變化不穩(wěn)定，與3.2節(jié)中模擬的現(xiàn)象一致，所以需要調(diào)整風(fēng)刀安裝的位置。通過圖6中透鏡表面吸附的顆粒污染物統(tǒng)計(jì)，顆粒直徑在20μm以下的數(shù)目都為零，說明在實(shí)驗(yàn)中該尺寸范圍內(nèi)的顆粒污染物被完全去除。當(dāng)L=15 mm時(shí)，對(duì)于直徑在20～100μm的顆粒污染物去除效率最高，去除823個(gè)顆粒。當(dāng)L=40 mm時(shí)風(fēng)刀氣流的去除效果比L=15 mm時(shí)的差，同時(shí)在透鏡表面形成的流場速度更大，對(duì)透鏡模塊內(nèi)部流場產(chǎn)生較大的擾動(dòng)。所以當(dāng)風(fēng)刀與透鏡表面距離為15 mm時(shí)，對(duì)顆粒污染物的去除效果更好，與3.2節(jié)中風(fēng)刀安裝位置的模擬結(jié)果一致。

圖6 顆粒污染物去除Fig.6 Removal of particulate contaminant

透鏡模塊中主要存在二氧化硅、氧化鋁、鋁粉和灰塵等幾種顆粒污染物，風(fēng)刀在相同條件下對(duì)不同種類顆粒污染物的去除效果如圖7所示。由圖7可知，0 s時(shí)污染物最多，隨著時(shí)間增加顆粒污染物逐漸減少，二氧化硅和灰塵隨著時(shí)間的增加被較快地清除，鋁粉的清除速度較慢，其中氧化鋁衰減最慢，這說明氧化鋁與機(jī)械構(gòu)件的結(jié)合力最強(qiáng)，二氧化硅和灰塵的結(jié)合力相對(duì)較弱。

圖7 顆粒污染物的數(shù)量變化Fig.7 Changes in number of particulate contaminants

Gourdin［17］等在平面反射鏡表面風(fēng)刀吹掃實(shí)驗(yàn)中指出：當(dāng)風(fēng)刀風(fēng)速為76 m/s時(shí)，能夠去除尺寸在65μm以上的二氧化硅和鋁粉顆粒，與本文中風(fēng)刀吹掃顆粒污染物的效果一致。此外，二氧化硅、鋁粉和灰塵在直徑為20～100μm時(shí)，隨著時(shí)間的增長，顆粒污染物的去除速率較快，直徑小于20μm或者大于100μm卻相對(duì)難以清除。

5 結(jié)論

本文提出了一種在線去除大口徑透鏡表面顆粒污染物的風(fēng)刀技術(shù)，通過仿真和實(shí)驗(yàn)獲得了透鏡模塊內(nèi)部層流風(fēng)和風(fēng)刀技術(shù)的有效參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)透鏡表面顆粒污染物的吹掃和隔離。仿真結(jié)果表明，層流風(fēng)在0.3 m/s時(shí)能夠在透鏡模塊內(nèi)形成更穩(wěn)定的流場，對(duì)其它模塊不產(chǎn)生二次污染。風(fēng)刀的氣流速度為30 m/s，風(fēng)刀與透鏡表面距離為78.73 mm時(shí)，風(fēng)刀氣流對(duì)顆粒污染物的隔離效果最好，同時(shí)還能有效降低氣流對(duì)光學(xué)元件表面造成的應(yīng)力集中。通過風(fēng)刀吹掃實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了透鏡表面氣流分布特征，并發(fā)現(xiàn)二氧化硅和灰塵較容易去除，氧化鋁顆粒最難去除，直徑在20～100μm的顆粒污染物容易去除。本文通過實(shí)驗(yàn)研究明確了風(fēng)刀技術(shù)參數(shù)，有效地減少了光學(xué)元件的顆粒污染損傷問題，保證了終端光學(xué)組件中光路的穩(wěn)定傳輸，為大口徑透鏡模塊的在線潔凈和維護(hù)提供一種新方法。