激光聚变靶丸物态信息立体测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种激光聚变靶丸物态信息立体测量系统包括实验靶和诊断光路，实验靶包括球形靶丸和设置在该球形靶丸中心的立体镜面，诊断光路包括至少两台并联设置的改装线VISAR系统，每台改装线VISAR系统包括系统分光镜和设置在该系统分光镜后端的两组标准具干涉系统，经立体镜面反射回的探测激光经系统分光镜分成两个支路分别进入两组标准具干涉系统中，通过分光镜及带标准具的反射镜后分为两干涉支路，每个干涉支路经道威棱镜转像后各通过一台条纹相机成像。本发明专利技术通过设计一种针对球形靶的前端探测装置，以及改装现有的线成像VISAR系统，能够实现对球形靶内表面三维空间任意角度的冲击波速度等物态信息的VISAR测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于惯性约束聚变中激光干涉诊断领域，具体涉及一种激光聚变靶丸物态信息立体测量系统。
技术介绍
在核能科学应用领域，原子核之间发生聚变，单位质量原子将产生大量能量，这一过程可以作为未来能源的获取之源，激光聚变有着清洁、可控的特点，是该能量的获取方法之一。激光惯性约束聚变主要利用几十甚至几百路激光以直接或间接方式加热靶丸表面，在极短时间内，产生的烧蚀压一方面驱动烧蚀面附近的高温、高密度等离子体向外喷射；另一方面由于作用与反作用关系，产生聚心冲击波，压缩剩余的冷物质及氘氚燃料，最终达到聚变需要的极高温度和密度，燃料在惯性作用下来不及飞散就完成核聚变反应，从而产生巨大能量。理论已证明当对靶丸进行对称的等熵压缩时，激光的能量转换效率最高。对称和等熵的实现则需要解决脉冲时序问题和整形问题，在进行激光烧蚀压缩燃料实验中，若能获得界面的冲击波速度，及时对烧蚀激光脉冲的时序和形状进行调整，便能有效地提高激光能量利用效率。目前常采用基于成像型任意反射面速度干涉仪(Velocity Interferometer System for Any Reflector,简写为VISAR)来测量极端瞬态下的物质运动变化。即使用一探照激光照射极端瞬态下的样品界面，由于光学多普勒效应，反射的激光频率将随界面运动速度变化而变化，然后反射光被分为两支，一支经过标准具延时，一支不经过标准具，最后通过光混频技术，两支光路拍频干涉并成像在记录装置上。通过计算干涉条纹变化，可以实现界面运动状态如冲击波速度、会聚时间等物态信息的诊断。自1972年L.M.Barker对VISAR装置的提出后，以适应高速测速领域的各种需要，VISAR已实现从模型到实体、从单一到多功能的转变，其发展也主要通过精度的改善、多维的引入、光纤化三个方向进行实现。现阶段比较成熟的VISAR系统有Celliers发展的线成像VISAR系统，使用条纹相机成像，可以对测量一条线上冲击波速度，该类VISAR具有高的空间分辨和时间分辨，应用广泛，以其为技术核心，实现了双轴VISAR和X-VISAR；另有面成像VISAR，牺牲一定的时间分辨，使用分幅相机成像，可以实现2维平面成像与测量。然而国内外现有VISAR装置在不同程度上主要针对1维线、2维面的物质运动状态诊断，只能为平面上的物质运动模型提供参数。球形内爆实验是实现激光惯性约束聚变的基础，包括直接驱动和间接驱动，直接驱动是激光直接烧蚀靶丸；间接驱动是激光打在圆柱靶腔上，辐射X射线，由X射线烧蚀靶丸，两者的驱动激光束都是对靶丸进行压缩且都是立体分布的。因此研究激光驱动靶丸辐射流分布、内爆过程、激光烧蚀下球面不对称等问题时，需要知道各个方向的冲击波速度。测量得到的各方向上的冲击波速度也可以用于求解强激波作用冲击材料的状态方程，是激光聚变物理中对材料性能研究、高能量密度物理研究等进行立体分析的重要依据，因此VISAR装置需要反映更多维度的物态信息，才能实现对3维立体的物质运动状态测量。
技术实现思路
为解决以上技术问题，本专利技术提供一种激光聚变靶丸物态信息立体测量系统，能够实现对球形靶内表面三维空间任意角度的物态信息测量。其技术方案如下：一种激光聚变靶丸物态信息立体测量系统，包括实验靶和诊断光路，所述实验靶包括球形靶丸和设置在该球形靶丸中心位置的立体镜面，所述立体镜面能够使探测激光分散到球形靶丸内表面各位置，并沿使其沿入射光路反射进入诊断光路中；所述诊断光路包括至少两台并联设置的改装线VISAR系统，每台所述改装线VISAR系统包括系统分光镜和设置在该系统分光镜后端的两组标准具干涉系统，该标准具干涉系统包括分光镜、带标准具的反射镜和两台条纹相机，在分光镜和两台条纹相机之间各设有一个道威棱镜，所述分光镜与系统分光镜之间设有前反射镜组，在分光镜与道威棱镜之间设有后反射镜组，其中一组标准具干涉系统中带标准具的反射镜的标准具厚度大于另一组准具干涉系统中带标准具的反射镜的标准具厚度；经立体镜面反射回的探测激光经系统分光镜分成两个支路分别进入两组标准具干涉系统中，通过分光镜及带标准具的反射镜后分为两干涉支路，每个干涉支路经道威棱镜转像后各通过一台条纹相机成像。通过在靶丸内安装立体镜面，实现了探测激光从平面测量到立体测量的转变，改装经典线VISAR的部分光路，实现了一台线VISAR对靶丸内表面上任意两条经度线上的双精度测量，通过多台线VISAR的加入，可实现靶丸球面多条经度线位置的物态信息测量，最终实现利用线VISAR对靶丸内表面任意方向冲击波速度的测量。进一步地，为了确保入射激光经球形靶丸内表面反射的光线能够沿原路返回，当入射激光为平行光时，立体镜面为抛面镜，其曲面方程为：其中，l为经立体镜面反射的光线与基准光线的单光程差。当入射激光为会聚光时，所述立体镜面为椭球镜面，其曲面方程为：其中，k为会聚光焦点到球形靶丸中心的距离，c为常数，θ为会聚光焦点到球形靶丸中心连线与球形靶丸中心到反射点间的夹角，为入射光线与球形靶丸中心轴的夹角。进一步地，所述条纹相机前端设有消色差透镜，用于消除透射引起的像差，以便后续成像。更进一步地，所述诊断光路前端设有成像系统加载口，用于加载成像系统来准直光路。更进一步地，所述立体镜面通过机械臂安装在球形靶丸中，以保证立体镜面的可靠安装，并能够实现对立体镜面的三维空间位置调整。进一步地，所述球形靶丸设有锥形诊断口，所述立体镜面正对该锥形诊断口位置设有透射孔，使正入射方向的探测激光直接探测其正对方向的球形靶丸内表面上。立体镜面表面的反射材料为铝，使其能够在靶丸内部较强的X射线照射下仍然保持较高的反射率，以确保立体镜面反射性能稳定。有益效果：采用以上技术方案的激光聚变靶丸物态信息立体测量系统，通过设计一种针对球形靶的前端探测装置，以及改装现有的线成像VISAR系统，能够实现对球形靶内表面三维空间任意角度的冲击波速度等物态信息的VISAR测量。附图说明图1为本专利技术中实验靶的结构示意图；图2为立体镜面的安装结构示意图；图3为光束截面上的一条线与球形靶丸内表面一条经度线间的对应关系图；图4为改装线VISAR系统的光路图；图5为VISAR系统与测量位置的对应关系图；图6为入射光为平行光时光路原理图；图7为入射光为平行光时的收光范围示意图；图8为入射光为会聚光时光路原理图；图9为入射光为会聚光时收光范围的横截面示意图。具体实施方式以下结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明。一种激光聚变靶丸物态信息立体测量系统，包括实验靶和诊断光路两部分。如图1所示，本实施例以间接驱动靶为例，实验靶包括靶腔1a和设置在该靶腔1a中的球形靶丸1，一定时序和形状的脉冲激光束通过靶腔1a两端的开孔入射到靶腔1a内壁上，产生X射线烧蚀球形靶丸1外部的烧蚀材料，进而驱动内部燃料层压缩，最终达到可以发生聚变的状态，靶腔1a和球形靶丸1侧壁的一端开设有锥形诊断口11，探测激光由该锥形诊断口11出入，在球形靶丸1中心位置通过机械臂7安装有立体镜面2，可以进行三维位姿调整，立体镜面2使用铝材料加工而成，也可以做涂层处理以确保镜面具有稳定的反射性能。位于球形靶丸1中心的立体镜面2的作用是将一个方向入射的探测激光分散到球形靶丸1内表面，再将靶丸内表面反射回来的信号光收集并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光聚变靶丸物态信息立体测量系统，包括实验靶和诊断光路，其特征在于：所述实验靶包括球形靶丸(1)和设置在该球形靶丸(1)中心位置的立体镜面(2)，所述立体镜面(2)能够使探测激光分散到球形靶丸(1)内表面各位置，并沿使其沿入射光路反射进入诊断光路中；所述诊断光路包括至少两台并联设置的改装线VISAR系统(3)，每台所述改装线VISAR系统(3)包括系统分光镜(4)和设置在该系统分光镜(4)后端的两组标准具干涉系统(5)，该标准具干涉系统(5)包括分光镜(51)、带标准具的反射镜(52)和两台条纹相机(53)，在分光镜(51)和两台条纹相机(53)之间各设有一个道威棱镜(54)，所述分光镜(51)与系统分光镜(4)之间设有前反射镜组(55)，在分光镜(51)与道威棱镜(54)之间设有后反射镜组(56)，其中一组标准具干涉系统(5)中带标准具的反射镜(52)的标准具厚度大于另一组准具干涉系统(5)中带标准具的反射镜(52)的标准具厚度；经立体镜面(2)反射回的探测激光经系统分光镜(4)分成两个支路分别进入两组标准具干涉系统(5)中，通过分光镜(51)及带标准具的反射镜(52)后分为两干涉支路，每个干涉支路经道威棱镜(54)转像后各通过一台条纹相机(53)成像。...

【技术特征摘要】
1.一种激光聚变靶丸物态信息立体测量系统，包括实验靶和诊断光路，其特征在于：所述实验靶包括球形靶丸(1)和设置在该球形靶丸(1)中心位置的立体镜面(2)，所述立体镜面(2)能够使探测激光分散到球形靶丸(1)内表面各位置，并沿使其沿入射光路反射进入诊断光路中；所述诊断光路包括至少两台并联设置的改装线VISAR系统(3)，每台所述改装线VISAR系统(3)包括系统分光镜(4)和设置在该系统分光镜(4)后端的两组标准具干涉系统(5)，该标准具干涉系统(5)包括分光镜(51)、带标准具的反射镜(52)和两台条纹相机(53)，在分光镜(51)和两台条纹相机(53)之间各设有一个道威棱镜(54)，所述分光镜(51)与系统分光镜(4)之间设有前反射镜组(55)，在分光镜(51)与道威棱镜(54)之间设有后反射镜组(56)，其中一组标准具干涉系统(5)中带标准具的反射镜(52)的标准具厚度大于另一组准具干涉系统(5)中带标准具的反射镜(52)的标准具厚度；经立体镜面(2)反射回的探测激光经系统分光镜(4)分成两个支路分别进入两组标准具干涉系统(5)中，通过分光镜(51)及带标准具的反射镜(52)后分为两干涉支路，每个干涉支路经道威棱镜(54)转像后各通过一台条纹相机(53)成像。2.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：王峰，吴宇际，江少恩，徐涛，理玉龙，彭晓世，杨东，梅雨，魏惠月，查为懿，刘祥明，
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