基于AFM的靶丸表面轮廓仪设计及其测量精度分析

    激光聚变靶丸表面扰动缺陷引起的流体力学不稳定(如Rayleigh-Taylor不稳定等)是导致热核聚变反应效率降低、打靶实验失败的重要因素[1].靶丸圆周长度与扰动波长的比率定义为模数,计算机模拟和某些实验数据证明,模数为10~30的表面扰动量尤为重要[2],而局部、小范围的表面测量无法给出此模数区间的信息.因此,精密测试靶丸表面的整体几何特征,如形状精度(圆度、球度)、模数-功率谱特征曲线等不但可为激光打靶实验数值仿真、理论分析提供重要依据,而且对激光靶设计和改进有着十分重要的意义.

    目前,靶丸表面轮廓度仪是获得靶丸表面轮廓模数-功率谱特征的最有效测试手段.美国LLNL实验室及通用原子公司(GA)在1995年前后基于精密轴系及AFM系统建立了第一代靶丸表面轮廓度仪[3)4],此后,他们对系统进行不断改进,形成了集表面轮廓测量仪Spheremapper和壁厚测量仪Wallmapper功能为一体的SM/WM测量系统,并一直延用至今[5].由于国外对此类检测设备及关键技术的封锁,笔者基于商用AFM,开发设计了一套靶丸表面轮廓测量仪[6)7],本工作主要对该系统进行回转轴系的结构设计,分析其所能达到的测量精度,并进行实验验证.

    1 靶丸表面轮廓仪原理与结构设计

    笔者所建立的靶丸表面轮廓仪使用的是DI公司D3100型原子力显微镜(AFM),控制器为NanoscopeⅢ型,最大扫描范围80Lm,测量高度范围约5Lm,且测量的表面高度数据可通过其SAM口(信号访问单元)实时访问.由于AFM的扫描范围有限,还需要一个回转运动来实现对靶丸完整圆周轮廓的测量,为此笔者设计了一套回转轴系.图1为靶丸表面轮廓仪的工作原理图.

    系统的工作过程如下:靶丸吸附在精密回转轴系前端,经过调心后使试件表面高度变化在AFM测头量程范围内.主控计算机通过RS232串口向单片机控制器发送电机控制指令及速度参数;单片机执行相应指令,以输出对电机的控制电压;驱动器接受电压并调节电机平稳运行在指定速度下;角度位置信息由旋转编码器记录并输出到单片机,以实时跟踪气浮轴系的位置,这样靶丸就在气浮轴系的带动下平稳转动.另一方面,使用AFM系统对靶丸进行接触式测量,单片机按照角度脉冲信号对SAM口信号进行A/D采样转换,将测量结果保存下来并传送到主控计算机,以进行数据的分析和处理.

    由于AFM系统具有很高的测量精度,因此保证测量精度的关键在于回转轴系的设计.首先考虑回转精度选用了气浮轴承结构,但受AFM系统工作台面的尺寸及测头高度的限制,同时兼顾空气轴承圆周方向气压均匀及均化,笔者设计了直径120 mm的空气轴承,圆周上布置了双列(每列6个)气浮嘴.其次,电机的选择也很重要,既要求其平稳的低速性能,又考虑到负压吸附气路的设计方便,选用中空结构.基于这些特点,选用了成都精密电机厂的J85LYX05A永磁式直流力矩电机及相应测速机组.另外,对于旋转编码器的选择,要求编码器的结构尺寸尽可能小,中空结构,且角度分辨率高.经反复比对,选用了长春第一光学有限公司生产的ZKT-42-500BM-G5E型光电编码器,其输出脉冲5 000 p/r,同时其绝对角度误差[0. 0144b.最后,依据上述选择,设计了轴系的各机械部件,结构示意见图2.