CN107843410A - 一种用于激光装置打靶精度测试的测试靶及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于激光装置打靶精度测试的测试靶及测试方法，属于激光惯性约束聚变技术领域，所述测试靶包括靶面，所述靶面包括金箔层和碳氢膜层，所述金箔层共设2层，所述碳氢膜层位于2层金箔层之间，且激光装置发射的激光束同时呈对称式入射至金箔层表面，所述金箔层上设有多个第一凹槽和多个第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽交错设置形成多个交叉点作为靶孔，所述第一凹槽和第二凹槽的槽深与金箔层的层厚相等，本发明采用金箔层、碳氢膜层、金箔层逐层堆叠的平面靶结构，各激光束可以同时打在测试靶的正反两面，能够在一次试验中完成甚多束激光束的打靶精度测试，节省打靶精度的测试时间，提高打靶精度的测试效率。
Description
技术领域
本发明属于激光惯性约束聚变技术领域，具体地说涉及一种用于激光装置打靶精度测试的测试靶及测试方法。
背景技术
在惯性约束聚变中，不仅需要将燃料加热到很高的热核反应温度，还需要将高温等离子体在聚变反应时间内约束在一起，而激光驱动惯性约束聚变则是依靠靶丸的向心聚爆压缩来提高燃料的密度进而约束高温等离子体的。所谓向心聚爆，就是多路激光同时对称地照射到球形对称的靶丸表面时，烧蚀层吸收激光能量，在靶丸周围形成等离子体，等离子体向四周飞散的同时产生反作用力，将靶丸球壳向靶心压缩，进而使靶丸燃料的密度和温度增加，最终达到燃烧条件。因此，多路激光的打靶精度在惯性约束聚变试验中起着至关重要的作用，直接关系到ICF物理试验的成败。打靶精度越高，辐射场越均匀，压缩地也越充分，反之亦然。激光装置会对束靶耦合误差RMS值有严格的规定，当光束中心与预先选择的定位点之间的均方根偏差量超过规定数值时就会影响辐射场的均匀性，进而影响实验精度。为了准确评估装置的打靶精度，需要对其进行打靶精度测试，进而修正光束引导的偏差，最终使装置的打靶精度满足指标。
目前，打靶精度测试使用的是八孔靶或九孔靶，每次试验对8束激光进行打靶精度测试。若需要对甚多束激光进行打靶精度测试，则需要进行多次试验，如对48束激光进行测试，需要进行6次试验，而为了提高打靶精度测试的精度，每次试验又需要至少重复三次以上，即使用八孔靶或者九孔靶完成48束激光的打靶精度测试，需要进行18次实验，大大增加打靶精度的测试时间。同时，不同批次的试验会造成测试结果的偏差，这种偏差是由试验本身带来的，主要是表现在制靶的工艺上，无法保证试验条件的完全一致性，即使两次参数一致，但由于试验本身存在的不确定性，也会产生误差。
发明内容
发明人经过长期实践发现：减少试验次数是避免试验误差的有效手段，能够有效提高打靶精度测试的精度，针对现有技术的种种不足，发明人对测试靶结构进行改进，提出一种用于激光装置打靶精度测试的测试靶及测试方法，能够在一次测试中同时完成甚多束激光的打靶精度测试。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于激光装置打靶精度测试的测试靶，包括靶面，所述靶面包括金箔层和碳氢膜层，所述金箔层共设2层，所述碳氢膜层位于2层金箔层之间，且激光装置发射的激光束同时呈对称式入射至金箔层表面；
所述金箔层上设有多个第一凹槽和多个第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽的延伸方向不同，且两者交错设置形成多个交叉点作为靶孔，所述第一凹槽和第二凹槽的槽深与金箔层的层厚相等，相邻2个交叉点的中心距不小于入射至金箔层表面的激光束光斑直径的2倍。
进一步，所述第一凹槽和第二凹槽垂直交错设置，且位于每层金箔层上的交叉点个数不少于入射至该层的激光束束数。
进一步，所述第一凹槽和第二凹槽非垂直交错设置，且位于每层金箔层上的交叉点个数不少于入射至该层的激光束束数。
进一步，所述金箔层厚度不小于30μm，所述碳氢膜层厚度不小于1000μm，所述第一凹槽和第二凹槽的槽宽小于入射至金箔层表面的激光束光斑直径。
进一步，所述激光束共有48束，所述第一凹槽和第二凹槽的个数均为5个，且两者垂直交错设置，位于每层金箔层上的交叉点个数为25个。
进一步，所述激光束共有60束，所述第一凹槽和第二凹槽非垂直交错设置，所述第一凹槽个数为5个，所述第二凹槽的个数均为6个，位于每层金箔层上的交叉点个数为30个。
另，本发明还提供一种用于激光装置打靶精度测试的测试靶的测试方法，包括如下步骤：
S1：将靶面中心作为坐标原点，获取靶孔中心坐标，建立靶平面坐标系；
S2：各激光束分别瞄准不同的靶孔，进行打靶，利用针孔相机获取靶孔中心在针孔相机上的坐标以及含光斑的X光图像，建立以针孔相机的CCD中心为坐标原点的针孔相机坐标系，求解焦斑中心坐标，通过靶孔中心坐标和靶孔中心在针孔相机上的坐标关系，建立靶平面坐标系与针孔相机坐标系之间的转换关系；
S3：根据所建立的靶平面坐标系和针孔相机坐标系之间的转换关系，将焦斑中心坐标转换得到靶平面坐标系焦斑中心坐标，根据靶孔中心坐标和靶平面坐标系焦斑中心坐标，求得打靶精度。
进一步，所述步骤S2中，利用靶面传感器监视测试靶，所述靶面传感器以第一凹槽和第二凹槽为导向进行移动，以引导各激光束分别瞄准不同的靶孔。
进一步，根据靶面传感器的最小分辨率、针孔相机的最小分辨率以及用于刻穿金箔层形成第一凹槽和第二凹槽的激光束光斑直径，确定三者中的最大值，所述最大值不大于所述第一凹槽和第二凹槽的槽宽，且所述槽宽小于入射至金箔层表面的激光束光斑直径。
本发明的有益效果是：
1、采用金箔层、碳氢膜层、金箔层逐层堆叠的平面靶结构，各激光束可以同时打在测试靶的正反两面，能够在一次试验中完成甚多束激光束的打靶精度测试，节省打靶精度的测试时间，提高打靶精度的测试效率。
2、金箔层能够与激光相互作用产生等离子体，等离子体区域会同时发射出高能(>1.5kev)X光，而碳氢膜层与激光作用产生的等离子体不会发射出高能X光，且其能够阻挡激光穿过，将金箔层刻穿形成第一凹槽和第二凹槽，不仅可以作为靶面传感器移动时的导向参考，还可以在数据处理时减少误差。
附图说明
图1是测试靶的侧视图；
图2是实施例一中一种测试靶的俯视图；
图3是实施例一中另一种测试靶的俯视图；
图4是实施例二中一种测试靶的俯视图；
图5是针孔相机获取的含光斑的X光图像；
图6是利用测试靶进行打靶精度测试的示意图。
附图中：1-金箔层、2-碳氢膜层、3-金箔层、4-第一凹槽、5-第二凹槽、6-靶孔、7-测试靶、8-针孔相机、9-激光束。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
实施例一：
如图1-3所示，一种用于激光装置打靶精度测试的测试靶，包括靶面，所述靶面依次包括金箔层1、碳氢膜层2和金箔层3，也就是说，所述金箔层共设2层，所述碳氢膜层2位于2层金箔层之间，激光装置发射的激光束同时呈对称式入射至金箔层1和金箔层3表面，即激光束同时呈对称式入射至测试靶的正反面，能够在一次试验中同时完成甚多束激光束的打靶精度测试，节省打靶精度的测试时间，提高打靶精度的测试效率。
在打靶精度测试过程中，金箔层1和金箔层3能够与激光相互作用产生等离子体，等离子体区域会同时发射出高能(>1.5kev)X光，这就要求金箔层1和金箔层3的厚度至少为1μm，此外，由于甚多束激光束同时入射至靶面，要求测试靶的尺寸比较大，为了避免影响靶面的平整度，发明人经过反复试验，优选金箔层1和金箔层3的厚度不小于30μm。同时，碳氢膜层2与激光作用产生的等离子体不会发射出高能X光，且其能够阻挡激光穿过，为了支撑测试靶，发明人经过反复试验，优选碳氢膜层2的厚度不小于1000μm。此外，在保证靶面平整度、支撑测试靶的前提下，且同时兼顾成本，实际测试过程中可对金箔层和碳氢膜层2的厚度进行适当增加。
所述金箔层1和金箔层3上设有多个第一凹槽4和多个第二凹槽5，所述第一凹槽4和第二凹槽5的延伸方向不同，且两者交错设置形成多个交叉点作为靶孔6。当所述第一凹槽4和第二凹槽5垂直交错设置时，由于两者交错形成的靶孔6呈现对称式，激光束的打靶位置较难辨识，位于每层金箔层上的交叉点个数不少于入射至该层的激光束束数，既可以达到靶孔6与激光束一一对应的目的，多余的靶孔6可对打靶位置进行标记定位。作为优选，位于每层金箔层上的交叉点个数多于入射至该层的激光束束数，且两者的差至少为1。当所述第一凹槽4和第二凹槽5非垂直交错设置时，由于两者交错形成的靶孔6呈现非对称式，激光束的打靶位置容易辨识，位于每层金箔层上的交叉点个数不少于入射至该层的激光束束数。作为优选，位于每层金箔层上的交叉点个数等于入射至该层的激光束束数。
所述第一凹槽4和第二凹槽5的槽深与金箔层的层厚相等，也就是说，预先使用刻字激光束刻穿金箔层1、金箔层3以形成第一凹槽4和第二凹槽5，同时，在实际的打靶精度测试试验中，第一凹槽4和第二凹槽5的槽宽小于入射至金箔层表面的激光束光斑直径。此外，现有九孔靶的靶孔尺寸为100μm，在打靶精度测试试验中，光斑稍微偏移便使得针孔相机记录的图像上光斑和靶孔的边缘不清晰，中心判读难度加大，误差也大。为了避免多束激光束的光斑重叠，导致难以分辨光斑中心，相邻2个交叉点(靶孔6)的中心距不小于入射至金箔层表面的激光束光斑直径的2倍。
本实施例中，所述激光束共有60束，激光束同时呈对称式入射至金箔层1和金箔层3表面，且金箔层1和金箔层3的厚度均为50μm，所述碳氢膜层2厚度为1100μm，也就是说，各有30束激光束分别入射至金箔层1和金箔层3表面。如图2所示，所述第一凹槽4与第二凹槽5呈非垂直交错式，所述第一凹槽4个数为4个，且4个第一凹槽4的朝向相同，所述第二凹槽5的个数均为8个，且8个第二凹槽5的朝向相同，位于金箔层1和金箔层3上的交叉点(靶孔6)个数均为32个，多余的2个靶孔6对打靶位置进行标记定位。如图3所示，所述第一凹槽4与第二凹槽5呈非垂直交错式，所述第一凹槽4个数为5个，且5个第一凹槽4的朝向不同，所述第二凹槽5的个数均为6个，且6个第二凹槽5的朝向相同，位于金箔层1和金箔层3上的交叉点(靶孔6)个数均为30个。
实施例二：
本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：
如图4所示，所述激光束9共有48束，所述第一凹槽4和第二凹槽5呈垂直交错式，且两者的个数均为5个，位于金箔层1和金箔层3上的交叉点个数均为25个，且每层金箔层的右下角空出1个交叉点，作为标识。金箔层1和金箔层3的厚度均为30μm，所述碳氢膜层2厚度为1000μm，入射至金箔层表面的激光束光斑直径为800μm，相邻2个靶孔6的中心距为1600μm，所述测试靶的尺寸为8mm×8mm。
激光束9与金箔层1、金箔层3作用激发出等离子体，等离子体区域会同时发射出高能(>1.5kev)X光，由于激光脉冲只有几百皮秒，激光束9产生的等离子体的扩散效应对等离子体分布轮廓的影响可以忽略，因此，等离子体产生的X光即代表激光束9打在测试靶上的位置。
如图6所示，利用用于激光装置打靶精度测试的测试靶进行打靶精度测试的方法，包括如下步骤：
首先，将测试靶7置于靶室中，将靶面中心作为坐标原点，利用显微镜获取靶孔中心坐标r0i，建立靶平面坐标系。
其次，将两台针孔相机8的成像系统分别安装在靶室合适位置，将测试靶7成像在针孔相机8像面，通过针孔相机8测量测试靶7上大于1.5keV的X光发光位置，利用靶面传感器监视测试靶7，所述靶面传感器以第一凹槽4和第二凹槽5为导向进行移动，以引导各激光束9分别瞄准不同的靶孔，进行打靶。
利用针孔相机8获取靶孔中心在针孔相机8上的坐标，建立以针孔相机8的CCD中心为坐标原点的针孔相机坐标系，通过靶孔中心坐标和靶孔中心在针孔相机上的坐标关系，通过数学拟合方法，建立靶平面坐标系与针孔相机坐标系之间的转换关系p。利用针孔相机8获取含光斑的X光图像，如图5所示，白色表示焦斑。利用二值化图像处理方法得到焦斑轮廓，计算完整边缘的闭合曲线所围区域中心，获得由闭合曲线和中心十字组成的焦斑模板，将得到的焦斑模板人工套在针孔相机获取的含光斑的X光图像上，上、下、左、右移动焦斑模板使二者边缘重合，此时，焦斑模板十字中心即为焦斑中心位置，得到焦斑中心坐标r’i。
最后，根据所建立的靶平面坐标系和针孔相机坐标系之间的转换关系，将焦斑中心坐标转换得到靶平面坐标系焦斑中心坐标ri，且ri＝r′i×p，根据靶孔中心坐标和靶平面坐标系焦斑中心坐标，求得打靶精度Δr，且其中，N表示激光束9的束次，表示第i束次打靶对应的焦斑中心位置矢量坐标，单位为μm，表示第i束次打靶对应的靶孔中心位置矢量坐标，单位为μm。
根据靶面传感器的最小分辨率、针孔相机8的最小分辨率以及用于刻穿金箔层1、金箔层3的激光束光斑直径，确定三者中的最大值，所述最大值不大于所述第一凹槽4和第二凹槽5的槽宽，且所述槽宽小于入射至金箔层1、金箔层3表面的激光束光斑直径。本实施例中，靶传感器的最小分辨率为5μm，针孔相机8的最小分辨率为2.5μm，刻穿金箔层1、金箔层3的激光束光斑直径15μm，所以，第一凹槽4和第二凹槽5的槽宽为15μm，其槽深为30μm，针孔相机8的小孔直径为10.5μm，物距为100mm，放大倍数为10。靶面传感器的显微物镜是决定靶成像质量的关键器件，其既要保证合适的成像范围，又要有很高的光学分辨率，靶面传感器所选CCD的像面大小为6.4mm×4.8mm，显微物镜的放大倍率为1.2×，靶面传感器的视场为Φ4mm，而测试靶大小为8mm×8mm，因此，需要上下左右四个方向移动CCD来监视测试靶7。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (9)
1.一种用于激光装置打靶精度测试的测试靶，包括靶面，其特征在于，所述靶面包括金箔层和碳氢膜层，所述金箔层共设2层，所述碳氢膜层位于2层金箔层之间，且激光装置发射的激光束同时呈对称式入射至金箔层表面；
所述金箔层上设有多个第一凹槽和多个第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽的延伸方向不同，且两者交错设置形成多个交叉点作为靶孔，所述第一凹槽和第二凹槽的槽深与金箔层的层厚相等，相邻2个交叉点的中心距不小于入射至金箔层表面的激光束光斑直径的2倍。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光装置打靶精度测试的测试靶，其特征在于，所述第一凹槽和第二凹槽垂直交错设置，且位于每层金箔层上的交叉点个数不少于入射至该层的激光束束数。
3.根据权利要求1所述的一种用于激光装置打靶精度测试的测试靶，其特征在于，所述第一凹槽和第二凹槽非垂直交错设置，且位于每层金箔层上的交叉点个数不少于入射至该层的激光束束数。
4.根据权利要求2-3任一所述的一种用于激光装置打靶精度测试的测试靶，其特征在于，所述金箔层厚度不小于30μm，所述碳氢膜层厚度不小于1000μm，所述第一凹槽和第二凹槽的槽宽小于入射至金箔层表面的激光束光斑直径。
5.根据权利要求4所述的一种用于激光装置打靶精度测试的测试靶，其特征在于，所述激光束共有48束，所述第一凹槽和第二凹槽的个数均为5个，且两者垂直交错设置，位于每层金箔层上的交叉点个数为25个。
6.根据权利要求4所述的一种用于激光装置打靶精度测试的测试靶，其特征在于，所述激光束共有60束，所述第一凹槽和第二凹槽非垂直交错设置，所述第一凹槽个数为5个，所述第二凹槽的个数均为6个，位于每层金箔层上的交叉点个数为30个。
7.一种用于激光装置打靶精度测试的测试靶的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将靶面中心作为坐标原点，获取靶孔中心坐标，建立靶平面坐标系；
S2：各激光束分别瞄准不同的靶孔，进行打靶，利用针孔相机获取靶孔中心在针孔相机上的坐标以及含光斑的X光图像，建立以针孔相机的CCD中心为坐标原点的针孔相机坐标系，求解焦斑中心坐标，通过靶孔中心坐标和靶孔中心在针孔相机上的坐标关系，建立靶平面坐标系与针孔相机坐标系之间的转换关系；
S3：根据所建立的靶平面坐标系和针孔相机坐标系之间的转换关系，将焦斑中心坐标转换得到靶平面坐标系焦斑中心坐标，根据靶孔中心坐标和靶平面坐标系焦斑中心坐标，求得打靶精度。
8.根据权利要求7所述的一种测试方法，其特征在于，所述步骤S2中，利用靶面传感器监视测试靶，所述靶面传感器以第一凹槽和第二凹槽为导向进行移动，以引导各激光束分别瞄准不同的靶孔。
9.根据权利要求8所述的一种测试方法，其特征在于，根据靶面传感器的最小分辨率、针孔相机的最小分辨率以及用于刻穿金箔层形成第一凹槽和第二凹槽的激光束光斑直径，确定三者中的最大值，所述最大值不大于所述第一凹槽和第二凹槽的槽宽，且所述槽宽小于入射至金箔层表面的激光束光斑直径。
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