Демпфирующие и пневматические опоры оптических столов

Системы виброизоляции для оптических столов основаны на использовании специализированных опор, которые делятся на два типа: демпфирующие опоры и пневматические опоры, которые, в свою очередь, бывают пассивными и активными.
Демпфирующие опоры работают по принципу широкополосного демпфирования: они не нацелены на какой-либо конкретный резонанс, а поглощают и рассеивают энергию вибраций равномерно в диапазоне частот от единиц до сотен Гц. Для этого применяются специальные материалы, такие как резина или эластомеры. Обычно это доступное решение, подходящее для приложений, не требующих высоких демпфирующих характеристик.
Пневматические опоры обеспечивают значительно более высокий уровень изоляции.

Пассивные пневматические системы не требуют постоянной подачи сжатого воздуха для поддержания изоляции и могут быть заполнены простым воздушным компрессором. Максимальная грузоподъемность стандартных пассивных виброизоляторов составляет до 1 тонны на комплект из четырех опор, в то время как усиленные версии могут выдерживать нагрузки до 2,5 тонн.

Системы виброизоляции имеют естественные резонансы. Пассивные системы обеспечивают превосходную производительность при частотах выше их резонансной частоты, но могут усиливать вибрации на резонансе. Резонансная частота активных систем, как правило, ниже, чем у пассивных — это достигается за счёт особой конструкции.

Для подавления побочных резонансов могут использоваться инерционные демпферы (TMD) — разновидность пассивного демпфирования. Это устройство настраивается на определенную структурную частоту так, чтобы при возбуждении резонанса стола демпфер резонировал в противофазе со структурным движением.

Активные пневматические системы являются наиболее совершенной техникой. Вместо пассивного поглощения вибраций активная система использует обратную связь, позволяя гасить вибрации в реальном времени. Активное демпфирование эффективно защищает оптический стол от вертикальных и горизонтальных вибраций в критическом диапазоне частот до 50 Гц. Эти системы требуют постоянной подачи сжатого воздуха.
Преимущества пассивных систем:

• Превосходная изоляция на низких частотах
• Автоматическое выравнивание
• Компенсация изменений нагрузки
• Более короткое время затухания

Вертикальная виброизоляция в активных системах достигается за счет использования двухкамерной демпфированной пневматической пружины. Стол поддерживается давлением воздуха в камерах пружины.

Для гашения горизонтальных колебаний вертикальный демпфер устанавливается на трёхстержневой подвесной системе. Эта инновационная маятниковая конструкция использует гравитацию для обеспечения восстанавливающей силы после горизонтальных возмущений. Кроме того, изоляция горизонтальных вибраций может достигаться с помощью прикрепления нижней части вертикального демпфера к дополнительному виброгасителю.

Каждая опора активного типа оснащена трехходовым клапаном, который регулирует давление в пневматической системе изоляции для контроля высоты оптического стола. Если стол смещается вертикально, трехходовой клапан позволит давлению в двухкамерном воздушном резервуаре увеличиваться или уменьшаться по мере необходимости, чтобы стол вернулся к исходной высоте. После возмущений система возвращается в исходное положение с миллиметровой точностью.

Коэффициент передачи является мерой эффективности изоляторов при демпфировании вибраций и определяется как отношение амплитуды передаваемой вибрации к амплитуде возбуждающей вибрации. На резонансе система усиливает входную вибрацию, поэтому коэффициент передачи больше единицы.

Демпфирующие и пневматические опоры оптических столов представляют собой критически важные компоненты современных лабораторных систем, обеспечивающие необходимую виброизоляцию для высокоточных экспериментов. Выбор между демпфирующими, пассивными и активными системами определяется требованиями конкретного применения: пассивные системы подходят для большинства стандартных лабораторных задач благодаря своей простоте и экономичности, в то время как активные системы незаменимы для наиболее чувствительных применений.

Современные пневматические опоры обеспечивают эффективность изоляции до 98% на частотах выше 10 Гц при собственных частотах от 1 до 4,4 Гц в зависимости от типа системы. Двухкамерная конструкция с ламинарным демпфированием потока позволяет достичь оптимального баланса между низкой резонансной частотой и эффективным демпфированием. Развитие технологий активного демпфирования открывает новые возможности для создания ультрастабильных платформ для экспериментов следующего поколения в области нанотехнологий, квантовой оптики и прецизионной метрологии.