一种测量透明微球内混合气体压强的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种测量透明微球内混合气体压强的装置和方法，所述的装置和方法是通过光学干涉测量得到微球的径向膨胀增量，通过压强平衡计算混合气体气压，实现了微球内任意组分混合气体压强的快速、无损和精确测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学精密测量
，具体涉及一种测量透明微球内混合气体压强的装置和方法。
技术介绍
在聚变能源利用、高温高密度科学研究和国防军事领域中，空心微球均有着广泛应用，微球内的燃料气体的压强关系到聚变效率、聚变过程压缩的对称性等重要物理过程，是非常重要的物理参数。微球内混合气体随着时间的推移，气体总量逐渐减少，所以混合气体压强是动态参数，必须采用实时测量手段测量该参数。1992年美国国家标准局的Michael. C. Drake等人在《J. Appl. Phys.》期刊中发表了《Nondestructive analysis of laser fusion microsphere target using rotational Raman spectroscopy》，公开了一种基于拉曼散射光谱分析的微球内氘气的测量方法，该方法基于拉曼活性气体的散射特性测量气体的压强。该方法的不足之处是：只能测量拉曼活性气体，不能测量非拉曼活性的气体。2000年美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Salazar等人在《Fusion Technology》期刊中发表了《Pressure testing of micro balloons by bursting》，公开了一种破坏性的微球内气体压强测量方法及装置。其方法是将微球置于密闭容器中，在真空状态下的密闭容器内压碎微球，微球内的气体充满密闭容器，采用精密气压传感器测量此时气压，通过已知的密闭容器的体积和微球的体积，可计算出微球内气体的压强。该方法的不足之处是：测量过程中破坏了被测对象，被测对象不能重复利用。2007年美国通用原子能机构的Steinman等人在《Fusion science and technology》期刊中发表了《Developments in capsule gas fill half-life determination》，公开了一种基于微球充气前后，通过测量微球内部气体光程变化的气压测量方法。该方法的不足之处是：只能测量单一组分的气体。可见现有方法的共性问题在于缺少一种非破坏、适用性强的微球内混合气体压强的测量装置和方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的一个技术问题是提供一种测量透明微球内混合气体压强的装置，本专利技术所要解决的另一个技术问题是提供一种测量透明微球内混合气体压强的方法。本专利技术的一种测量透明微球内混合气体压强的装置，其特点是，包括干涉光路、反光板、五轴位移台、计算机、图像采集卡和五轴位移台控制器；所述的干涉光路包括面阵探测器、聚光镜、分光镜Ⅰ、透镜、点光源、分光镜Ⅱ、物镜Ⅰ、物镜Ⅱ、反射镜；所述的点光源发射的光线通过透镜入射至分光镜Ⅰ，在分光镜Ⅰ处反射，再由分光镜Ⅱ分为参考光和测量光，其中参考光被分光镜Ⅱ反射后经物镜Ⅱ聚焦到反射镜，测量光在分光镜Ⅱ处透射后经物镜Ⅰ聚焦到微球，反射镜和微球分别返回的光在分光镜Ⅱ汇合并发生干涉形成干涉光，干涉光经分光镜Ⅰ透射至聚光镜并聚焦至面阵探测器形成干涉图像，干涉图像通过图像采集卡传输至计算机；所述的五轴位移台上固定有反光板，反光板上放置微球，五轴位移台控制器控制五轴位移台带动反光板运动，图像采集卡控制面阵探测器采集图像。所述的五轴位移台为五自由度运动机构，实现X轴、Y轴、Z轴、俯仰和滚转运动，五轴位移台为压电陶瓷位移台、步进电机位移台、手动位移台中的一种或两种以上组合。所述的反光板为凹槽结构，凹槽的内表面为反射率90%以上的金属涂层，凹槽的左右凸起限制微球的运动。所述的反射镜由均匀分布在圆周上的多个不同反射率的反射镜组合而成，圆周的圆心上垂直圆周平面布置旋转轴，旋转轴带动反射镜转动，测量时根据测量光信号强度，选择相匹配的反射镜。本专利技术的一种测量透明微球内混合气体压强的方法，包括以下步骤：a.将空心结构的微球的内部抽至真空；b.将微球置于反光板上，将反光板放置在五轴位移台上，五轴位移台带动反光板水平移动，将微球移动至物镜Ⅰ的下方，控制五轴位移台调节水平，使物镜Ⅰ的光轴垂直于反光板；c.五轴位移台带动反光板沿Z轴方向移动，使物镜Ⅰ的焦面高于微球外表面的上顶点5μm，定义此时的五轴位移台位置为Z轴初始位置；d.开启点光源，计算机通过图像采集卡控制面阵探测器采集一幅干涉图像Ⅰ0；e.五轴位移台控制微球沿Z轴向上步进移动，每移动一个步长后，计算机通过图像采集卡控制面阵探测器采集干涉图像Ⅰ1~干涉图像Ⅰn，直至物镜Ⅰ的焦面超过微球外表面的下顶点；f.将微球取出，采用充气技术向微球内充入混合气体；g.重复步骤b~步骤e，直至充气后的微球的干涉图像II0~干涉图像IIm采集完毕；h.抽取干涉图像Ⅰ0~干涉图像Ⅰn每幅图像中的微球的中心点P1的灰度值和微球以外的反光板上的固定点Q1的灰度值，以Z轴初始位置为原点，Z轴位置为横坐标，以灰度值为纵坐标分别绘制 P1和Q1的灰度曲线，通过二次拟合寻峰算法在P1点的灰度曲线中得到微球外表面上顶点的Z轴坐标z1、微球内表面上顶点的Z轴坐标z2、微球内表面下顶点的Z轴坐标z3、微球外表面下顶点的Z轴坐标z4；在Q1点的灰度曲线中得到Q1点的Z轴坐标z5，计算微球的壳层的光学厚度t，t=z2-z1，微球的内直径d1，d1= z3-z2，微球外表面下顶点与Q1点在Z轴方向的光程差l1，l1=z4-z5；i.抽取干涉图像Ⅱ0~干涉图像Ⅱm每幅图像中的微球的中心点P2的灰度值和微球以外的反光板上的固定点Q2的灰度值，以Z轴初始位置为原点，Z轴位置为横坐标，以灰度值为纵坐标分别绘制 P2和Q2的灰度曲线，通过二次拟合寻峰算法在P2点的灰度曲线中得到充气后的微球外表面上顶点的Z轴坐标z6、微球内表面上顶点的Z轴坐标z7、微球内表面下顶点的Z轴坐标z8、微球外表面下顶点的Z轴坐标z9；在Q2点的灰度曲线中得到Q2的Z轴坐标z10，计算微球内直径长度对应的光程d2，d2= z8- z7，微球外表面下顶点与Q2点在Z轴方向的光程差l2，l2=z9-z10；j.利用l1=2(n1-1)t0，l2=2(n1-1)t0+(n-1)d1，t=n1t0，可解得微球的壳层折射率n1，微球壳层厚度t0和混合气体的折射率n；k.利用n= d2/( d1+ΔL)，解得微球充气后的直径膨胀量ΔL；l.通过已知的微球壳层杨氏模量E，泊松比μ，外部环境气压Patm和测量得到的微球的直径膨胀量ΔL、内直径d1和壳层厚度t0，通过静压状态方程计算出微球内部混合气体的气体压强P。所述的微球的壳层材料为玻璃或透明的碳氢聚合物中的一种。所述的充气技术是高压气体渗透充气技术。所述的混合气体为两种以上的混合气体，混合气体的压强P大于等于10倍环境气压Patm。所述的静压状态方程如下：微球在内部混合气体和外部大气环境共同作用下的位移方程为： (1)微球在内部混合气体和外部大气环境共同作用下的压强方程为： (2)其中，为微球径向方向半径的位移增量；r为球半径；为微球表面的压强；式(1)的解析式为： 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量透明微球内混合气体压强的装置，其特征在于，所述的装置包括干涉光路、反光板(10)、五轴位移台(11)、计算机(14)、图像采集卡(15)和五轴位移台控制器(16)；所述的干涉光路包括面阵探测器(1)、聚光镜(2)、分光镜Ⅰ(3)、透镜(4)、点光源(5)、分光镜Ⅱ(6)、物镜Ⅰ(7)、物镜Ⅱ(12)、反射镜(13)；所述的点光源(5)发射的光线通过透镜(4)入射至分光镜Ⅰ(3)，在分光镜Ⅰ(3)处反射，再由分光镜Ⅱ(6)分为参考光和测量光，其中参考光被分光镜Ⅱ(6)反射后经物镜Ⅱ(12)聚焦到反射镜(13)，测量光在分光镜Ⅱ(6)处透射后经物镜Ⅰ(7)聚焦到微球(8)，反射镜(13)和微球(8)分别返回的光在分光镜Ⅱ(6)汇合并发生干涉形成干涉光，干涉光经分光镜Ⅰ(3)透射至聚光镜(2)并聚焦至面阵探测器(1)形成干涉图像，干涉图像通过图像采集卡(15)传输至计算机(14)；所述的五轴位移台(11)上固定有反光板(10)，反光板(10)上放置微球(8)，五轴位移台控制器(16)控制五轴位移台(11)带动反光板(10)运动，图像采集卡(15)控制面阵探测器(1)采集图像。

【技术特征摘要】
1.一种测量透明微球内混合气体压强的装置，其特征在于，所述的装置包括干涉光路、反光板(10)、五轴位移台(11)、计算机(14)、图像采集卡(15)和五轴位移台控制器(16)；所述的干涉光路包括面阵探测器(1)、聚光镜(2)、分光镜Ⅰ(3)、透镜(4)、点光源(5)、分光镜Ⅱ(6)、物镜Ⅰ(7)、物镜Ⅱ(12)、反射镜(13)；所述的点光源(5)发射的光线通过透镜(4)入射至分光镜Ⅰ(3)，在分光镜Ⅰ(3)处反射，再由分光镜Ⅱ(6)分为参考光和测量光，其中参考光被分光镜Ⅱ(6)反射后经物镜Ⅱ(12)聚焦到反射镜(13)，测量光在分光镜Ⅱ(6)处透射后经物镜Ⅰ(7)聚焦到微球(8)，反射镜(13)和微球(8)分别返回的光在分光镜Ⅱ(6)汇合并发生干涉形成干涉光，干涉光经分光镜Ⅰ(3)透射至聚光镜(2)并聚焦至面阵探测器(1)形成干涉图像，干涉图像通过图像采集卡(15)传输至计算机(14)；所述的五轴位移台(11)上固定有反光板(10)，反光板(10)上放置微球(8)，五轴位移台控制器(16)控制五轴位移台(11)带动反光板(10)运动，图像采集卡(15)控制面阵探测器(1)采集图像。2.根据权利要求1所述的一种测量透明微球内混合气体压强的装置，其特征在于：所述的五轴位移台(11)为五自由度运动机构，实现X轴、Y轴、Z轴、俯仰和滚转运动，五轴位移台(11)为压电陶瓷位移台、步进电机位移台、手动位移台中的一种或两种以上组合。3.根据权利要求1所述的一种测量透明微球内混合气体压强的装置，其特征在于：所述的反光板(10)为凹槽结构，凹槽的内表面为反射率90%以上的金属涂层，凹槽的左右凸起限制微球(8)的运动。4.根据权利要求1所述的一种测量透明微球内混合气体压强的装置，其特征在于：所述的反射镜(13)由均匀分布在圆周上的多个不同反射率的反射镜组合而成，圆周的圆心上垂直圆周平面布置旋转轴，旋转轴带动反射镜转动，测量时根据测量光信号强度，选择相匹配的反射镜。5.一种测量透明微球内混合气体压强的方法，其特征在于，包括以下步骤：a.将空心结构的微球(8)的内部抽至真空；b.将微球(8)置于反光板(10)上，将反光板(10)放置在五轴位移台(11)上，五轴位移台(11)带动反光板(10)水平移动，将微球(8)移动至物镜Ⅰ(7)的下方，控制五轴位移台(11)调节水平，使物镜Ⅰ(7)的光轴垂直于反光板(10)；c.五轴位移台(11)带动反光板(10)沿Z轴方向移动，使物镜Ⅰ(7)的焦面高于微球(8)外表面的上顶点5μm，定义此时的五轴位移台位置为Z轴初始位置；d.开启点光源(5)，计算机(14)通过图像采集卡(15)控制面阵探测器(1)采集一幅干涉图像Ⅰ0；e.五轴位移台(11)控制微球(8)沿Z轴向上步进移动，每移动一个步长后，计算机(14)通过图像采集卡(15)控制面阵探测器(1)采集干涉图像Ⅰ1~干涉图像Ⅰn，直至物镜Ⅰ(7)的焦面超过微球(8)外表面的下顶点；f.将微球(8)取出，采用充气技术向微球(8)内充入混合气体(9)；g.重复步骤b~步骤e，直至充气后的微球(8)的干涉图像II0~干涉图像IIm采集完毕；h.抽取干涉图像Ⅰ0~干涉图像Ⅰn每幅图像中的微球(8)的中心点P1的灰度值和微球(8)以外的反光板(10)上的固定点Q1的灰度值，以Z轴初始位置为原点，Z轴位置为横坐标，以灰度值为纵坐标分别绘制 P1和Q1的灰度曲线，通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宗伟，马小军，孟婕，王琦，陈雪，叶成钢，唐兴，高党忠，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：四川;51