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解決方案

建設(shè)一間超快激光實驗室,還真不是一件簡單的事

星之球科技 來源:光電匯OESHOW2017-11-23 我要評論(0 )   

每一位老板在進(jìn)入自己獨立科研時代所面臨的第一件事就是組建自己的實驗室。

 
 
每一位老板在進(jìn)入自己獨立科研時代所面臨的第一件事就是組建自己的實驗室。我老板來自于光學(xué)領(lǐng)域,所以本文以超快激光實驗室的建設(shè)歷程為例,供同行參考。
 
老板于2014年全職回國,之后開始著手組建實驗室,在經(jīng)歷一番波折之后,籌集到了千八百萬的啟動經(jīng)費。這部分錢看著挺多,但在建造實驗室的過程中才發(fā)現(xiàn)其實錢用得很快。很多意想不到的事情在不經(jīng)意間就會釀成不小的錯誤,影響了實驗室的建設(shè)進(jìn)度。下面簡單從4個方面回顧一下實驗室的建設(shè)歷程。
 
一選址
 
建設(shè)超快光學(xué)實驗室首先面臨的問題就是選址(其實就是挑選房間)。我所在的研究所位于郊區(qū),大樓接近二十層,空置區(qū)較多,但考慮到光學(xué)實驗室的精密性以及穩(wěn)定性要求,底層顯然是最佳選擇。很多人可能會說光學(xué)平臺不是都有氣浮嗎?誠然,氣浮確實能夠使得平臺穩(wěn)定工作,但一旦遇上更高精度的光學(xué)實驗,中高層帶來的不確定性影響因素還是會大一些。
 
實驗室的選址最終定在了一樓。為何沒有選擇地理位置更好的負(fù)一樓,主要原因還是錢的問題,省下來的錢最終拿來買了一些光學(xué)周邊配件。比如護(hù)目鏡、光功率計等。
 
選好地址之后,接下來就是裝修。光學(xué)實驗室對潔凈度和溫度要求較高,一般建設(shè)為千級無塵間。所謂千級無塵,即千級無塵車間,是指微塵數(shù)量被嚴(yán)格控制在每立方米1000個以內(nèi),這也就是業(yè)內(nèi)俗稱的1 k級別。建成后大致如下:
 
圖1 千級無塵室建成效果圖
 
由于沒有建設(shè)經(jīng)驗,因此選擇施工商也比較盲目。通過網(wǎng)上招標(biāo)的方式最終選擇了一家深圳的施工商。事實證明,由于地處異地,施工商需要從當(dāng)?shù)卣胰诉^來施工,大部分工人又都不愿意來干這樣的小工程。所以光找工人就花了接近兩個月的時間。施工過程中也遇到過很多問題,比如工期一拖再拖,吊頂少訂了一扇過濾網(wǎng)等,不勝枚舉。其中辛酸,冷暖自知,此處一筆帶過。因此,在選擇施工商時,最好還是選擇本地施工商較為靠譜,施工材料不夠訂起來也快。招當(dāng)?shù)毓と烁苫钜脖容^方便。
 
在超凈間建設(shè)期間有兩個問題值得引起注意:
 
首先就是拉電的問題。眾所周知很多光學(xué)設(shè)備用電并非普通家庭的220 V,很多時候用的是動力電380 V,因此最好設(shè)置一個獨立配電柜,方便控制。
 


 
圖2 獨立配電柜供電系統(tǒng)
 
管道走線盡量不要暴露在室內(nèi),可用管網(wǎng)固定,一來顯得美觀;二來也安全,避免有時候做實驗不小心掛住。箭頭所示處皆為走線布置。左圖為地面走線;右圖為墻壁走線。
 
 
圖3 電纜走線
 
其次就是通風(fēng)制冷的問題,在建設(shè)千級無塵間時,我們的指標(biāo)是室溫24°C,濕度40%。但在實際實驗過程中,我們需要的環(huán)境為室溫22±2°C。濕度35%±5%。因此還需額外的中央空調(diào)以及干燥機(jī)控制。中央空調(diào)是研究院統(tǒng)一配置,好處是不用自己操心,制冷方便;壞處是工作很不穩(wěn)定,一旦壞了實驗就得立馬停下來。
 
我曾經(jīng)好幾次做實驗做著做著就沒信號了。反應(yīng)過來才發(fā)現(xiàn)激光器已經(jīng)因為高溫(26°C,飛秒激光對室溫要求較高)而停止工作。發(fā)生這樣的情況耽誤一天的實驗尚且是小事,對激光器造成的損傷才是大事。所以老板后來一狠心,干脆自己掏錢買了幾個大空調(diào),關(guān)于空調(diào)改造的細(xì)節(jié)后文再詳細(xì)介紹。
 
最后還有一些需要注意的小細(xì)節(jié)。若實驗室需要常用氮氣、氧氣以及其他氣體等。最好在主實驗室旁邊單獨做個小隔間,方便放置氣瓶以及獨立配電柜等。
 
二布局
 
整體布局對于實驗室的重要性不言而喻,好的布局不禁讓人賞心悅目,而且做實驗的也很方便。當(dāng)然這也要根據(jù)實驗的具體性質(zhì)決定。其實從這里就能看出實驗室建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)的眼光,通常好的布局既要兼顧當(dāng)下即將開展的實驗,也要為今后可能開展的實驗預(yù)留空間。由于我們的實驗室是超快激光實驗室。這里簡單介紹幾種布局供各位參考。
 
首先來看看比較常見的E字形布局,參觀的很多光學(xué)實驗室也都是基于此類布置。這種布置方式的優(yōu)點是整體性好,各個光學(xué)平臺可以連接成一個整體。在工程師將其整體調(diào)節(jié)水平后,即可方便地開展實驗,兩邊的凹槽也方便人員走動,且各個平臺相對激光器的距離較近。避免了激光在空氣中長距離傳播而影響光束品質(zhì)。
 
這種布局目前被廣泛采用,但也并非沒有缺點,如果實驗系統(tǒng)較多,會顯得比較混亂,每個系統(tǒng)的獨立性會受到影響。如果是剛進(jìn)實驗室的小白,不小心動了中間平臺的鏡子,影響的可能就是幾個實驗系統(tǒng)。
 


 
圖4 E字形布局
 
E字形除了上述形式,還有下面的變種形式。我曾經(jīng)參觀的一個超快激光加工實驗室就是此種布局。
 
 


圖5 E字形變種形式
 
接著是另一種相對而言比較少見的布局方式,各個光學(xué)平臺之間彼此分開。這種布局方式比較適用于數(shù)量較多的小型試驗系統(tǒng)。各個系統(tǒng)彼此分開,互不影響。靠近激光器的平臺只需留出前端的一小部分作為激光傳播到后續(xù)平臺的空間即可。當(dāng)然這種方法的缺點也非常明顯,處于后端的實驗平臺接收到的激光品質(zhì)會下降。如果室內(nèi)建設(shè)不達(dá)標(biāo),會對飛秒激光的脈寬影響較大。
 
 
圖6 分割布局形式
 
對于單平臺的實驗布局,主要要求就是簡單方便,電學(xué)類的實驗儀器盡量不要放置在桌面??梢酝ㄟ^搭建腳手架等方式布置。比如:
 
 


圖7 腳手架安裝方式
 
或者比較高大上的吊頂布置,這類布置一般在實驗室建設(shè)初期就預(yù)留好了頂部安裝孔。
 
 


圖8 吊頂安裝方式(來源于網(wǎng)絡(luò))
 
上述兩種情況均適用于比較固定的試驗系統(tǒng)(即電學(xué)儀器)除此之外,使用小推車也是一種不錯的選擇。電學(xué)儀器的移動也更為方便。
 
 


圖9 手推車(圖片來自某寶)
 
最后上一張實驗室的整體布局示意圖:
 
 


圖10 實驗室整體布局圖
 
三 改建
 
南方的夏季相對來得較早,且持續(xù)時間較長。對于超快實驗室的穩(wěn)定運行構(gòu)成了不小的威脅。中央空調(diào)正常運行時尚且不受影響。但一旦出了問題,輕則影響實驗進(jìn)度,這還是小事。一旦影響到激光器系統(tǒng)的運行,就比較麻煩。今年夏季由于研究院的中央空調(diào)頻繁維修。我不止一次遇到激光器因為高溫而停運(26℃)。索性后來老板給力,一狠心決定自建空調(diào)冷卻系統(tǒng)。
 
實驗室的面積為6 m×14 m,包括用來放置罐裝氣體及其他零碎物的小型隔間。
 
 
 
考慮到實驗室的面積及對溫度的要求(大約20℃-23℃),本實驗室需要大約3臺功率為10匹的大型空調(diào)。根據(jù)空調(diào)的功率及總配電箱的位置來選擇電源連接線的直徑及長度。
 
 
在外機(jī)的安裝過程中,需要考慮的因素就比較多,首當(dāng)其沖的就是需要考慮打孔的位置,方便內(nèi)外機(jī)連接。由于本實驗室的外墻為隔熱板與玻璃,因此需要將玻璃敲碎后,換上打孔的鋼化玻璃。又因為鋼化玻璃無法進(jìn)行打孔,因此必須先切割鉆孔后再鋼化處理,過程比較繁瑣。
 
 
對于三臺內(nèi)機(jī)的位置選擇,需要綜合考慮主要熱源及空氣流通的過程途徑區(qū)域以使散熱效率最大化。由于本實驗室的主要熱源來自靠近隔間的激光系統(tǒng),且該系統(tǒng)對溫度的要求也最為苛刻,因此三臺內(nèi)機(jī)以激光系統(tǒng)為起點成等距離排列,整體靠近激光器。
 
尤為需要注意的是內(nèi)機(jī)的搬運過程最好避開實驗室的實驗區(qū)域,可以選擇旁邊實驗室的頂層入口或者隔間的頂層入口,因為搬運過程會攜帶大量灰塵碎屑。這對潔凈度要求極高的實驗室來說是不能接受的。因此整個施工過程都需要避免灰塵的代入,一些容易產(chǎn)生灰塵碎屑的作業(yè)必須在實驗室外完成。
 

此外,頂層的線路排布要求整齊劃一,縱橫分布,切忌雜亂無章。一旦出現(xiàn)問題也方便維修和查找缺漏。

 
 
四總結(jié)
 
讀研以來,算是基本見證了老板建設(shè)實驗室的全過程,中途也學(xué)到了很多,雖然自己以后不一定走這條路,但還是寫出來給有用的人參考。由于實驗較忙,寫得比較倉促隨意,列位看官輕拍。

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超快激光激光實驗室
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