CN106128514B - 激光聚变靶丸物态信息多轴测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光聚变靶丸物态信息多轴测量系统包括球形靶和诊断光路，球形靶包括球形靶丸和端部嵌入该球形靶丸内的锥筒，锥筒端部设有反射棱台，该反射棱台具有至少4个沿该反射棱台周向对称分布的反射面；诊断光路包括线成像VISAR模块和混合模块，线成像VISAR模块将由球形靶反射的反射光分成两个支路，混合模块将每个支路的反射光分成2束，交叉旋转两两合束后分别通过两台狭缝方向相互垂直的条纹相机成像。本发明能够实现靶丸内表面不同方向点的探测与诊断，减少了条纹相机的使用，节省了实验成本，具有操作性强、时空分辨率高、可成像等优点。

Description

激光聚变靶丸物态信息多轴测量系统

技术领域

本发明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多轴测量系统。

背景技术

原子核之间聚变将产生大量能量，一种比较形象的说法是，一升海水里的氘氚发生核聚变产生的能量相当于300升汽油完全燃烧。因此核聚变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，是实现聚变能利用的方法之一。

激光聚变主要通过激光打靶的方式实现，即利用几十甚至几百路激光直接或间接加热靶丸表面，在极短时间内烧蚀驱动靶丸，使靶丸达到聚变需要的温度和密度，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。在激光打靶过程中，激光对称、等熵压缩靶丸可以使得激光的能量转换效率最高，而对称、等熵的实现则需要对驱动激光的时序和形状进行调整。若能获得烧蚀界面的冲击波速度，则可以反推激光烧蚀靶丸表面的辐射能流分布，进而作为调整烧蚀激光参数的实验依据。

目前常采用基于成像型任意反射面速度干涉仪(Velocity InterferometerSystem 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。

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。

对传统的VISAR测量多维尝试已成为现阶段VISAR发展趋势，比较成熟的有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。两种方式在不同程度上主要针对1维线、2维面的物质运动状态进行诊断，但不能实现三维曲面或立体空间的测量，只能为平面上的物质运动模型提供参数。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种激光聚变靶丸物态信息多轴测量系统，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多轴测量系统，包括球形靶和诊断光路，所述球形靶包括球形靶丸和端部嵌入该球形靶丸内的锥筒，锥筒嵌入球形靶丸的端部设有反射棱台，该反射棱台具有与探测光源正对的前端面和至少4个沿该反射棱台周向对称分布的反射面，所述前端面上设有探测激光过孔，所述激光过孔和反射面均能够使探测激光垂直入射到球形靶丸内壁上并沿入射光路反射；

诊断光路包括线成像VISAR模块和设置在该线成像VISAR模块后端的混合模块，所述线成像VISAR模块将由球形靶反射的反射光分成两个支路，其中一支路经标准具延时，所述混合模块将每个支路的反射光分成2束，其中一束反射光经旋转后与另一支路未经旋转的一束反射光合束，4束反射光两两合束后分别通过两台狭缝方向相互垂直的条纹相机成像，使两像面上均有两个支路的反射光分布，且两像面上的干涉条纹相互垂直。

棱台结构实现了探测光源对球形靶丸内部不同方位的照明，并通过改装现有VISAR，在继承传统线成像VISAR高时空分辨率的同时，实现了两台条纹相机同时对球形靶内表面三维空间任意角度的物态信息测量。

优选地，所述混合模块包括在每个反射光支路上正对设置的一个分光镜和一个合束镜，每个支路上的分光镜与另一支路上的合束镜之间依次设有第一反射镜、道威棱镜、第二反射镜。该结构能够较为可靠地将实现两支路反射光的分光、交叉旋转及合束。

两台所述条纹相机与合束镜之间各设有一个消色差透镜，以便后续成像。

所述反射棱台优选为正四棱台结构，反射面和前端面夹角呈45°，可以实现上、下、左、右、前五个方向的探测，在条纹相机上形成5个对称分布的采样区域，实现5个区域的双灵敏度采集，后续数据处理及分析过程不至于过分复杂，操作性强，易于实现。

根据实际测量需要，所述反射棱台也可以是前后层叠设置的两级棱台结构，每级棱台均为正四棱台，并且两级棱台的倾斜角度不同，这样能够在条纹相机上形成更多的采样区域，提高测量灵敏度。

优选地，所述反射棱台在远离前端面的后端面外缘沿周向分布有向外延伸的卡块，所述锥筒端部外缘分布有与该卡块相适配的卡槽，所述卡块嵌入该卡槽中，以确保将反射棱台可靠地固定在锥筒端部。

所述反射面的材料优选为铝，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，以提高系统稳定性。

有益效果：

采用以上技术方案的激光聚变靶丸物态信息多轴测量系统，能够实现靶丸内表面不同方向点的探测与诊断，对于探测区域具备一定广角，因此可以观测到探测区域可能的空间状态变化，有益于分析球形靶的辐射流不对称性细节，减少了条纹相机的使用，节省了实验成本，具有操作性强、时空分辨率高、可成像等优点。

附图说明

图1为本发明中球形靶的结构示意图；

图2为本发明中反射棱台的结构示意图；

图3为本发明中反射棱台另一种优选结构的示意图；

图4为本发明中锥筒的结构示意图；

图5为本发明诊断光路的示意图；

图6为本发明中混合模块的光路图；

图7和图8分别为两台条纹相机上的光斑分布图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

一种激光聚变靶丸物态信息多轴测量系统，包括球形靶和诊断光路两部分。

图1示出了球形靶的结构，其包括球形靶丸1、圆柱靶腔1a和锥筒2，球形靶丸1置于圆柱靶腔1a中，锥筒2由圆柱靶腔1a一侧穿入，并嵌入球形靶丸1中，在该锥筒2嵌入球形靶丸1的端部设有反射棱台3，锥筒2内部及该锥筒2端部与球形靶丸1内表面之间的线条为探测光路示意。

参见图2，本实施例中反射棱台3采用正四棱台结构，其前端面31与探测光源正对，在该前端面31设有前后贯穿该反射棱台3的探测激光过孔31a，反射棱台3侧面为4个两两对称分布的反射面32，反射面32采用金属材料铝制成，这种材料在靶丸内部较强X射线照射下仍可保持较高的反射率，在反射棱台3的后端面33外缘沿周向均匀分布有多块向外延伸的卡块34。

结合图4可以看出，锥筒2整体呈中空的锥形结构，其端部在对应反射棱台3上卡块34位置设有与之相适应的卡槽21，卡块34嵌入卡槽21中，将反射棱台3可靠固定在锥筒2前端。

探测激光由锥筒2投射到反射棱台3上，正入射方向的探测激光经探测激光过孔31a直接照射到球形靶丸1内表面，4个反射面32反射探测激光，分别照射到锥筒2端部4个侧面，锥筒2端部沿周向开有小孔供反射光穿过，小孔的设置位置尽量避免正对强X射线干扰区。

经探测激光过孔31a和反射面32的探测激光在到达球形靶丸1内表面后，均能够沿入射光路反射。

请参照图5，诊断光路包括传统线成像VISAR模块4和设置在该线成像VISAR模块4后端的混合模块5，线成像VISAR为现有技术，在此不作赘述，其结构及光路可参见专利号为ZL201410000273.6的发明专利等文献，该线成像VISAR能够将球形靶的反射光分为两支，其中一支经标准具延时，另一支不经过标准具。

如图6所示，混合模块5包括分光镜51、第一反射镜52、道威棱镜53、第二反射镜54、合束镜55和消色差透镜56，所述分光镜51、第一反射镜52、道威棱镜53、第二反射镜54、合束镜55和消色差透镜56均为两个。

分光镜51和合束镜55两两正对地设置在两支路反射光的光路中，一支路上的分光镜51与另一的合束镜55之间依次设有第一反射镜52、道威棱镜53和第二反射镜54，每个支路在合束镜55合束后，经消色差透镜56再各通过一台条纹相机57成像。

该混合模块5将两支路反射光交叉旋转再合束，使每台条纹相机57上均有两支路反射光并排分布，由于光路中设置了道威棱镜53对反射光进行旋转，两支路反射光在两台条纹相机57上所形成的干涉条纹方向是互相垂直的，同时两台条纹相机57的狭缝也相互垂直，因此可以对两个方向的数据进行交叉测量。

图7和图8分别为两台条纹相机57上各采样区域的分布和条纹状态，两台条纹相机57的狭缝方向相互垂直，由于反射棱台3采用正四棱台结构，可以获得球形靶丸1内前、上、下、左、右，即ABCDE五个探点，其中BCDE区域的实际照明光斑为梯形，为便于分析，将BCDE区域的照明光束表示为圆形。

由于像点BC和DE是两个相互垂直的方向，所以采集部分也应是相互垂直的，区域A为重叠区域，图7中可对狭缝上BACDAE区域进行诊断测量，图8可用于对狭缝上DAECAB区域进行诊断测量，这样，通过两台条纹相机就可以实现4台条纹相机的功能，每台条纹相机57均能够完成一套测量，配合道威棱镜53转像，对两个方向数据进行交叉测量，实现了5个区域的双灵敏度采集。

为了获得更多的探测点照射，可以增加反射棱台3上反射面32的数量，如图3中采用的两级棱台结构，则可以在BCDE区域外侧再形成4个对称分布的采集区域，只需适当调整后续的数据处理过程即可，实现靶丸内三维空间多角度的物态信息测量。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光聚变靶丸物态信息多轴测量系统，包括球形靶和诊断光路，所述球形靶包括球形靶丸(1)和端部嵌入该球形靶丸(1)内的锥筒(2)，其特征在于：所述锥筒(2)嵌入球形靶丸(1)的端部设有反射棱台(3)，该反射棱台(3)具有与探测光源正对的前端面(31)和至少4个沿该反射棱台(3)周向对称分布的反射面(32)，所述前端面(31)上设有探测激光过孔(31a)，所述激光过孔(31a)和反射面(32)均能够使探测激光垂直入射到球形靶丸(1)内壁上并沿入射光路反射；

诊断光路包括线成像VISAR模块(4)和设置在该线成像VISAR模块(4)后端的混合模块(5)，所述线成像VISAR模块(4)将由球形靶反射的反射光分成两个支路，其中一支路经标准具延时，所述混合模块(5)将每个支路的反射光分成2束，其中一束反射光经旋转后与另一支路未经旋转的一束反射光合束，4束反射光两两合束后分别通过两台狭缝方向相互垂直的条纹相机(57)成像，使两像面上均有两个支路的反射光分布，且两像面上的干涉条纹相互垂直。

2.根据权利要求1所述的激光聚变靶丸物态信息多轴测量系统，其特征在于：所述混合模块包括在每个反射光支路上正对设置的一个分光镜(51)和一个合束镜(55)，每个支路上的分光镜(51)与另一支路上的合束镜(55)之间依次设有第一反射镜(52)、道威棱镜(53)、第二反射镜(54)。

3.根据权利要求2所述的激光聚变靶丸物态信息多轴测量系统，其特征在于：两台所述条纹相机(57)与合束镜(55)之间各设有一个消色差透镜(56)。

4.根据权利要求1所述的激光聚变靶丸物态信息多轴测量系统，其特征在于：所述反射棱台(3)为正四棱台结构。

5.根据权利要求1所述的激光聚变靶丸物态信息多轴测量系统，其特征在于：所述反射棱台(3)为前后层叠设置的两级棱台结构，每级棱台均为正四棱台。

6.根据权利要求4或5所述的激光聚变靶丸物态信息多轴测量系统，其特征在于：所述反射棱台(3)在远离前端面(31)的后端面(33)外缘沿周向分布有向外延伸的卡块(34)，所述锥筒(2)端部外缘分布有与该卡块(34)相适配的卡槽(21)，所述卡块(34)嵌入该卡槽(21)中。

7.据权利要求4或5所述的激光聚变靶丸物态信息多轴测量系统，其特征在于：所述反射面(32)的材料为铝。