CN105469837A - 激光聚变背向散射光束模拟装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光聚变背向散射光束模拟装置，以解决现有模拟装置标定精度低且耗时耗力的问题。该模拟装置包括承载板、两个准直孔和相应的监测相机以及万向光束模拟头。万向光束模拟头包括旋转轴正交的两个旋转关节，且其旋转轴轴线的交汇处为模拟靶点。在万向光束模拟头输入光的光路上设置有第一五棱镜，第一五棱镜的出射光路上设置有第一直角棱镜，第一直角棱镜的出射光路上设置有第二五棱镜，第二五棱镜的出射光路上设置有第二直角棱镜，第二直角棱镜的出射光路上设置有第三直角棱镜，第三直角棱镜的出射光路上设置有第四直角棱镜，第四直角棱镜的出射光路上设置有光束模拟镜头。本发明所提供的模拟装置标定精度高、效率高且易安装调试。

Description

激光聚变背向散射光束模拟装置
技术领域
本发明涉及一种光束模拟装置，尤其涉及一种用于在激光聚变靶室内模拟从靶点发出的背向散射光束的模拟装置。
背景技术
激光核聚变是目前普遍采用的一种人工可控核聚变，它在民用和军事上都具有十分重大的研究意义：为人类提供一种取之不尽的清洁核能源；用来研制“干净”(无放射污染)的核武器、发展高能激光武器；部分替代核实验。
因此，激光核聚变受到世界各核大国的高度重视，从20世纪70年代后半叶开始，俄、美、日、法、中、英等国相继开始高功率激光驱动器的研制。美国在此领域的研究处于领先地位，并于2009年正式建成包含192路的超大型激光驱动装置“NIF”；法国正在建设的MLF包含240路激光；日本也在酝酿建造大型激光驱动器，并计划在2015-2020年间完成可应用于发电的基础技术研究。中国也建立了一系列的激光驱动装置(星光系列、神光系列等)，2015年完成建设的国内最大的激光驱动装置“神光－Ⅲ”包含48路激光。
然而，美国NIF在2010年的点火并不顺利，这在世界范围引起了较大的震惊。针对NIF随后的研究发现，激光的背向散射和聚变燃料的瑞利-泰勒不稳定性是问题的根源。在背向散射方面，美国有关方认为在Omega等其它激光聚变装置上已经进行了透彻的研究、清楚了激光打靶的物理过程，因而对NIF装置的背向散射研究重视不足。
国内对背向散射的研究起步也较早，并取得了大量的研究成果，但我们必须吸取美国NIF的教训，高度重视背向散射光的研究。2013年国内紧急启动了基于神光-Ⅲ主机的背向散射光研究项目，共建设8套背向散射测量系统，覆盖激光的四个打靶环角，且每个角度选取2路，形成环-环相互对比、同环相互验证的庞大的、系统性的测量系统。
但是，系统还需要标定后才能使用。因为从靶点发出的背向散射光在经过一系列光学元件到达探测器过程中，每个光学元件对背向散射光都有一定程度的衰减，而衰减系数因波长而异；探测器上的测量值如何反映待测值是一个关键问题。国际上，一般通过对实验前的测量系统进行标定，获得测量值与待测值之间的定量关系，以便由实验值推算待测值。
标定的焦点问题是如何模拟从靶点发出的、具有特定圆锥角的点光源。
美国在标定时采用的是抽样标定的思路：即选用一台点激光器，模拟从靶点发出的某一根光线，使之通过待标系统，得到单点透过率；改变光线方向，获得光学系统口径内多点的标定数据，进而综合得到系统的光谱透过率。这种标定方法的优点是：对标定光源要求很低，只需选择一台波长合适、工作稳定的小激光器即可。缺点是：存在以点盖面的缺陷，标定的不确定度大；另外，每套系统需要单独搭建标定光源，耗时耗力。
国内神光-Ⅲ原型的标定系统借鉴了美国的标定方法，只不过它采用的是一个体积庞大、具有电源箱、水冷箱的激光器，移动不便。因此只能将其光束引向球形真空靶室的靶点，在靶室内架设反射镜控制光束方向，以进行单点标定。上述方案的实施得益于原型装置真空靶室直径小(2.4m)，人员站立其内能够轻松操作。
而神光-Ⅲ主机的靶室直径达6m，虽有设备输送平台，但人员需要进入真空靶室进行高空调试作业，危险且耗时；况且这种抽样标定的不确定因素较大。如果待测光路规模庞大，则这种方法的效率极低。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种标定精度高且易标定的激光聚变背向散射光束模拟装置。
本发明的技术方案是：
本发明所提供的激光聚变背向散射光束模拟装置包括承载板、第一准直孔、第一监测相机、第二准直孔、第二监测相机和控制电缆。其特殊之处在于：还包括万向光束模拟头。该万向光束模拟头包括第一旋转关节和第二旋转关节。第一旋转关节的旋转轴和第二旋转关节的旋转轴正交，第一旋转关节旋转轴和第二旋转关节旋转轴轴线的交汇处为模拟靶点。第一旋转关节的旋转轴的轴线与经第一准直孔和第二准直孔准直后的输入光的光路重合，第一旋转关节可带动整个万向光束模拟头旋转。万向光束模拟头输入光的光路上设置有第一五棱镜；第一五棱镜的出射光路上设置有第一直角棱镜；第一直角棱镜的出射光路上设置有第二五棱镜；第二五棱镜的出射光路上设置有第二直角棱镜；第二直角棱镜的出射光路上设置有第三直角棱镜；第三直角棱镜的出射光路上设置有第四直角棱镜；第四直角棱镜的出射光路上设置有可通过电机切换的第一光束模拟镜头和第二光束模拟镜头，其中第二光束模拟镜头上胶合有遮挡片。
第二旋转关节位于第二五棱镜和第二直角棱镜之间，且第二旋转关节的旋转轴的轴线与第二五棱镜的出射光路重合。
第一五棱镜的两侧均设置有瞄准相机。
上述技术方案中的所有直角棱镜可由五棱镜替代。
上述承载板带有延伸架，万向光束模拟头固定安装在该延伸架上。
本发明的优点是：
(1)标定精度高
本发明将模拟靶点设置在两个旋转关节旋转轴的交点处，保证了在旋转关节转动时模拟靶点的位置不变；在第二光束模拟镜头上胶合遮挡片，无需其它支撑结构，不遮挡有效光束，且第二光束模拟镜头远离激光器，受激光衍射影响小，易于获得轮廓清晰的环形中空锥光束；在第一五棱镜的两侧均设置有瞄准相机，采用这种双目瞄准镜头方式，瞄准的中心与模拟靶点重合，通过双目瞄准镜头的放大成像以及双目瞄准镜头的立体定位功能，能实现10μm的定位精度，以保证模拟靶点位置的准确性；标定时采用模拟的大光束，避免了原来的多点标定所存在的以点盖面的缺陷，数据准确度更高。
(2)标定效率高
在对多个系统进行标定时，本发明的万向光束模拟头可实现模拟光束的自动转向，瞬间完成在待标定系统间的切换。本发明的模拟光束的自动转向功能在大规模背向散射测量系统标定中表现出的效率优势更为显著。
(3)易安装调试
本发明在旋转关节的旋转轴处设置五棱镜可保证光路无偏差运动，极大的降低了模拟系统的安装调试难度。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的万向光束模拟头的内部光路结构示意图；
图3为本发明模拟全孔径背向光束的光路原理示意图；
图4为本发明模拟近背向光束的光路原理示意图。
其中：1-承载板；2-滚轮；3-第一准直孔；4-第一监测相机；5-第二准直孔；6-第二监测相机；7-延伸架；8-万向光束模拟头；9-控制电缆；801-第一五棱镜；802-第一直角棱镜；803-第二五棱镜；804-第二直角棱镜；805-第三直角棱镜；806-第四直角棱镜；807-第一光束模拟镜头；808-第二光束模拟镜头；809-模拟靶点；810-瞄准相机；811-第一旋转关节；812-第二旋转关节；813-遮挡片；814-模拟光束。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明所提供的激光聚变背向散射光束模拟装置包括承载板1、控制电缆9和万向光束模拟头8。承载板1的一端带有延伸架7，万向光束模拟头8固定安装在该延伸架7上。在承载板1上依次设置有第一监测相机4、第一准直孔3、第二监测相机6、第二准直孔5，其中第二准直孔5的位置靠近万向光束模拟头8。第一监测相机4和第二监测相机6用于监视输入光与第一准直孔3和第二准直孔5的同心情况。承载板1的下方安装有4个滚轮，使之更易于在狭长真空舱内装载。
如图2所示，万向光束模拟头8包括第一旋转关节811、第二旋转关节812。
模拟靶点809设置在第一旋转关节811的旋转轴和第二旋转关节812的旋转轴的轴线的交汇处，两个旋转关节转动时模拟靶点809的位置始终保持固定不变。
第一旋转关节811的旋转轴的轴线与经第一准直孔3和第二准直孔5准直后的输入光的光路重合，第一旋转关节811可带动整个万向光束模拟头8旋转；经准直后输入光的光路上设置有第一五棱镜801；第一五棱镜801的出射光路上设置有第一直角棱镜802；第一直角棱镜802的出射光路上设置有第二五棱镜803；第二五棱镜803的出射光路上设置有第二直角棱镜804；第二直角棱镜804的出射光路上设置有第三直角棱镜805；第三直角棱镜805的出射光路上设置有第四直角棱镜806；第四直角棱镜806的出射光路上设置有可通过电机切换使用的第一光束模拟镜头807和胶合有遮挡片813的第二光束模拟镜头808。
第二旋转关节812位于第二五棱镜803和第二直角棱镜804之间，且第二旋转关节812的旋转轴与第二五棱镜803的出射光路重合。
第一五棱镜801的两侧均设置有瞄准相机810，这种双目瞄准镜头类似于一双眼睛，瞄准的中心与模拟靶点809重合。通过瞄准相机810的放大成像以及双目瞄准的立体定位功能，可实现10μm的定位精度，确保模拟靶点809位置的准确性。
本发明的第一光束模拟镜头807可实现全孔径背向光束的模拟，模拟原理如图3所示。第二光束模拟镜头808的镜头中心胶合遮挡片813可获得中空的锥光束，通过控制遮挡片的直径可获得特定中空锥角的锥光束，实现近背向光束的模拟，模拟原理如图4所示。第一光束模拟镜头807和第二光束模拟镜头808可通过电机轻松切换。
由于两个旋转关节运动过程中万向光束模拟头8中的光路相对两个旋转关节静止的难度极大，要求光路必须经过十分苛刻的调试才能达到标定要求。而本发明在第一旋转关节811和第二旋转关节812处均设置五棱镜，利用五棱镜的出射光与入射光始终垂直的物理特性，极大的降低了万向光束模拟头8的调试难度，同时保证了两旋转关节处光路在旋转运动中不会产生偏移。
本发明的工作原理和工作过程是：
如图2所示，穿过第二准直孔5的输入光束依次经过第一五棱镜801、第一直角棱镜802、第二五棱镜803、第二直角棱镜804、第三直角棱镜805、第四直角棱镜806、第一光束模拟镜头807或第二光束模拟镜头808，由第一光束模拟镜头807或第二光束模拟镜头808将光束恰好会聚于模拟靶点809，第一光束模拟镜头807和第二光束模拟镜头808通过电机切换使用。
由于模拟靶点809设置在第一旋转关节811的旋转轴和第二旋转关节812的旋转轴的交汇处，因此无论这两个旋转关节如何旋转，模拟靶点809的位置始终不变，仅会聚于模拟靶点809处的光束的方向发生改变，这些会聚于模拟靶点809处的各路模拟光束814即可看作是从模拟靶点809处发出的、具有不同方向的各路背向散射光。

Claims (4)

1.激光聚变背向散射光束模拟装置，包括承载板、第一准直孔、第一监测相机、第二准直孔、第二监测相机和控制电缆；其特征在于：还包括安装在承载板上的万向光束模拟头；所述万向光束模拟头包括第一旋转关节和第二旋转关节；所述第一旋转关节的旋转轴和第二旋转关节的旋转轴正交；第一旋转关节旋转轴和第二旋转关节旋转轴轴线的交汇处为模拟靶点；
所述第一旋转关节的旋转轴的轴线与经第一准直孔和第二准直孔准直后的输入光的光路重合；所述输入光的光路上设置有第一五棱镜；第一五棱镜的出射光路上设置有第一直角棱镜；第一直角棱镜的出射光路上设置有第二五棱镜；第二五棱镜的出射光路上设置有第二直角棱镜；第二直角棱镜的出射光路上设置有第三直角棱镜；第三直角棱镜的出射光路上设置有第四直角棱镜；第四直角棱镜的出射光路上设置有可通过电机切换的第一光束模拟镜头和第二光束模拟镜头，其中第二光束模拟镜头上胶合有遮挡片；
所述第二旋转关节位于第二五棱镜和第二直角棱镜之间，且第二旋转关节的旋转轴的轴线与第二五棱镜的出射光路重合；
所述第一五棱镜的两侧均设置有瞄准相机。
2.根据权利要求1所述的激光聚变背向散射光束模拟装置，其特征在于：所述直角棱镜由五棱镜替代。
3.根据权利要求1或2所述的激光聚变背向散射光束模拟装置，其特征在于：承载板带有延伸架，万向光束模拟头固定安装在该延伸架上。
4.根据权利要求3所述的激光聚变背向散射光束模拟装置，其特征在于：承载板下方安装有滚轮。
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