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风刀吹扫去除反射镜表面颗粒受很多因素影响,风刀的偏转角度(Deflection angle)、风刀距镜面的高度(Hight)及风刀与反射镜之间的距离都会影响去除效果。因此,有必要对上述情形进行实验研究,离线判断风刀吹扫去除反射镜表面颗粒效率的各类因素。图2所示为风刀吹扫去除反射镜表面颗粒的边界模型。
图 2 风刀吹扫去除反射镜表面颗粒边界模型
Figure 2. Boundary model of surface contamination of reflector removal by air knife sweeping
高压气体从风刀极窄的出风口喷射时一般存在发散角,根据风刀的出厂参数可以计算其发散角(Divergence angle)约为1.2°,其作用力较为集中。对于颗粒而言,其受到梯度分布的风力作用,当风力达到颗粒的脱附临界值时[11-14],颗粒发生滚动、拉升而被去除。实际吹扫时,风刀的偏转角度会影响风刀气流在镜面的流场分布,直接导致风力的作用面积和方向发生改变,从而影响表面颗粒的去除效率。图3所示为风刀的偏转角度与表面颗粒去除率的关系,风刀距离镜面的高度固定为15 mm。
图 3 不同种类颗粒的去除效率随风刀偏转角度的变化
Figure 3. Removal ratio vs. deflection angle of air knife for different contamination types
由图3可以看出,当风刀的偏转角度相同,不同种类颗粒的去除效果不同,但是在同样的偏转角度下灰尘颗粒的去除效率最大,这是由于灰尘颗粒的密度较小,灰尘颗粒与镜面之间的粘附力较低所致。经过数据分析,就不同种类的颗粒在多种角度下的吹扫效果而言,灰尘颗粒(5种角度)整体平均去除效率最高,可达96.5%,Al2O3和Fe的去除效率次之,SiO2的去除效率最低,平均去除效率不足94%。并且笔者发现风刀偏转0°的(4类污染物)平均去除效率最高,可达96.4%,这是由于在0°时颗粒受到气流的冲扫面积最大,偏转角度增大,气流沿镜面的吹扫长度会减少,并且气流沿镜面长度方向的作用分量减少,故0°下的颗粒去除效率最高。
图4所示为不同种类颗粒的去除效率随风刀距镜面高度的变化情况,此时风刀的角度固定在0°。可以看出,所有颗粒的平均去除效率高于95.5%,并且随着高度的变化,去除效率先增加再减少,当风刀距离镜面高度为10 mm时,平均去除效率最高,可达97%,增幅0.6%,风刀距离镜面高度5 mm和15 mm时,平均去除效率基本持平,达到96.4%。联系上文可以推断出风刀吹扫镜面颗粒的最佳去除效率的边界条件为风刀偏转角度为0°且风刀距离镜面10 mm。
图 4 不同种类颗粒的去除效率随风刀距镜面高度的变化
Figure 4. Removal ratio vs. the installation height of the air knife for different contamination types
根据风刀的出厂参数,已知其出风口速度为最大,故风刀与反射镜之间的距离越近更有利于污染物的去除,因此,文中未对该边界条件进行实验验证,均在同样的距离和压力(与在线的压力相同)下进行实验。
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根据2.1节离线实验结论开展在线实验。主机装置共有48套面朝上45°姿态的反射镜,通过主机装置在线监测系统对其中13块反射镜进行在线监测(未进行风刀吹扫),得到反射镜表面污染物的粒径分布,如图5所示。其中,50 μm以下的颗粒污染物占比78%,占据主导地位,50~100 μm之间的颗粒污染物占比15%,100 μm以上的颗粒污染物占比7%。表面洁净度等级是一种定量描述待关注表面洁净的程度,根据洁净度的相关标准和规范,明确洁净度等级的计算方法为:
$\lg n = 0.926({\lg ^2}{x_1} - {\lg ^2}{x_2})$ ,其中lg为常用对数符号,n为颗粒物个数,0.926为斜线倾角的正切值,x1为洁净度等级,x2为以微米表示的颗粒物尺寸。表面洁净度100级是指在0.1 m2范围内100 μm的颗粒不超过1颗,并且其他低于100 μm的粒子也不超过公式中定义的数目上限,通过风刀吹扫,大量表面大于50 μm的粒子被吹除反射镜表面,从而将表面洁净度等级提高至100级以内。高功率固体激光装置要求光学元件表面的颗粒物洁净度等级满足表面50级的标准[15],详见表1表面颗粒物洁净度等级,图表对比可以发现装置的反射镜表面洁净状况不满足要求,介于表面100~300级之间,根据Miao Xinxiang等人的文献资料[6],当光学元件表面存在超过 60 μm 尺度的颗粒染物时,在约16.9 J/cm2的激光能量密度作用下,光学元件表面即发生损伤。因此,为了保障高功率激光装置的稳定运行,减少元件损伤概率,有必要对反射镜表面污染物进行去除。表 1 颗粒污染物表面洁净度等级
Table 1. Surface cleanliness levels of particles contamination
Cleanliness level Particles size/μm Count/0.1 m−2 Cleanliness level Particles size/μm Count/0.1 m−2 50 5 166 300 25 7450 15 24.6 50 1021 25 7.2 100 95 50 1 300 1 100 15 264 500 50 11800 25 78.4 100 1090 50 10.7 300 11.5 80 2.2 400 2.9 100 1 500 1 200 15 4180 1000 100 42600 25 1230 300 448 50 169 500 38.7 100 15.8 750 4.7 200 1 1000 1 基于主机装置在线洁净风刀吹扫及监测系统,笔者对其中4块反射镜表面的颗粒污染物(颗粒数目递减)进行在线去除实验,以判断风刀吹扫后反射镜表面颗粒的去除情况。在线实验的参数为:风刀吹扫压力为0.55 MPa,风刀出风口速度约为59.9 m/s,在同样的曝光参数下对吹扫前后的反射镜表面颗粒进行数据采集,随后每隔一天对反射镜表面的颗粒进行采集,并持续一周左右,以监测吹扫后反射镜表面的颗粒沉降情况。图6所示为在线吹扫后反射镜表面颗粒数目随时间的变化情况。
图 6 在线吹扫前后反射镜表面颗粒洁净度维持情况,1#2#3#4#分别代表4块反射镜
Figure 6. Maintenance of reflector surface particle cleanliness before and after online sweeping, 1#2#3#4# stand for four reflectors separately
根据图6,风刀吹扫后,4块反射镜表面颗粒的去除效率分别为80.4%、85.2%、85.5%和88.6%,并且50 μm以上颗粒物的占比明显减少,镜面的洁净度可恢复至100级以内,随着时间的变化,反射镜表面的颗粒数目动态浮动,在一周时间内,未见明显变化。这说明,尽管反射镜表面颗粒的基底数目不同,但并不影响风刀的去除效率,这也从侧面说明反射镜表面颗粒及镜面之间的状态基本一致。同时,笔者也发现在线去除效率比离线去除效率低,这主要是因为实验条件不同,在线的反射镜表面颗粒集中在50 μm及以下,而50 μm及以下的颗粒极难去除[6],并且在线的反射镜表面颗粒的种类也是混合型,因此,低于离线实验的去除效率也属于正常。从吹扫后反射镜表面的颗粒沉降来看,颗粒物吹扫后并未大量“飘”回镜面,而是在重力和浮力的作用下,靠近镜面的颗粒时有沉降或脱离镜面,并未发生明显的聚集性沉降,这说明风刀对去除反射镜表面颗粒是有效的。4号反射镜一周后略有增加的趋势,但是不能反映长时间的沉降情况,因此,为了研究吹扫后反射镜表面长时间的沉降规律,专门对某束组反射镜进行长达5个月的表面监测。图7所示为某束组风刀吹扫后反射镜表面颗粒沉降约5个月的变化情况。
可以看到,该反射镜吹扫后的去除效率为79.9%,吹扫后一周内反射镜表面有较明显颗粒沉降,沉降量约为吹扫后镜面颗粒的1.2倍,这可能是由于该反射镜上方管道内壁有较多颗粒污染物,这些颗粒物在外界的震荡或腔内气流的作用下自由沉降至反射镜表面,尤其是当箱体的结构正好阻挡气流时,会直接引起回流,将吹走的颗粒反方向碰撞后重新沉降,这一点也在NIF的文献中得到证实[5]。吹扫一周后随着时间的变化,镜面颗粒数目动态浮动,在近5个月的持续监测下,基本保持不变,总体平均去除率约为55.5%。该结果仍然表明风刀吹扫对于去除反射镜表面颗粒污染物具有积极作用。
上述实验表明:风刀吹扫后反射镜表面颗粒污染物会明显降低,但是随着时间的增加,存在新的颗粒沉降至反射镜表面的概率。因此,为了降低主机反射镜表面颗粒污染带来的光学元件损伤的风险,建议风刀吹扫的频次不低于每周吹扫一次。
Experimental study of particles cleanliness control on the surface of large-aperture reflector
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摘要: 针对高功率固体激光装置反射镜表面的颗粒引起的损伤问题,分别进行离线实验和在线实验,采用风刀及暗场成像系统相结合研究表面颗粒去除率。研究结果表明:当风刀偏转角度为0°且风刀距离大口径反射镜镜面10 mm时,对灰尘颗粒的去除效果最好,可达96.5%,而对相同尺寸的Al2O3颗粒和Fe颗粒效果次之,对SiO2颗粒效果最差,在线平均去除率可达84.9%。通过对反射镜表面颗粒污染物的在线沉积规律研究表明采用风刀吹扫技术一周洁净一次可实现反射镜表面长期洁净,该技术可推广至大口径高能激光装置及未来超大型高功率激光装置中。Abstract: To the damage caused by surface contaminants from the reflector in the high power solid laser facility, the offline experiment and online experiment were carried out respectively, the remove rate of surface contaminants was investigated based on air knife combining dark field imaging technique. Experimental results show that when the deflection angle of the air knife is 0° and the distance between the air knife and the surface of large-aperture reflector is 10 mm, the removal effect of dust particles is the best, up to 96.5%, followed by particles of Al2O3 and Fe with same size, particles of SiO2 with same size is weakest, and the online average removal rate can reach 84.9%. Through the online research on the deposition law of particles pollutants on the surface of the large-aperture reflector, it is shown that the long-term cleanliness of the reflector surface can be realized by using the air knife sweeping technology once a week, which can be extended to large-aperture high-energy laser facility and future super large-scale high power laser facility.
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Key words:
- large-aperture reflector /
- particles contamination /
- cleanliness /
- air knife sweeping
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表 1 颗粒污染物表面洁净度等级
Table 1. Surface cleanliness levels of particles contamination
Cleanliness level Particles size/μm Count/0.1 m−2 Cleanliness level Particles size/μm Count/0.1 m−2 50 5 166 300 25 7450 15 24.6 50 1021 25 7.2 100 95 50 1 300 1 100 15 264 500 50 11800 25 78.4 100 1090 50 10.7 300 11.5 80 2.2 400 2.9 100 1 500 1 200 15 4180 1000 100 42600 25 1230 300 448 50 169 500 38.7 100 15.8 750 4.7 200 1 1000 1 -
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