CN110006360B - 激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置，属于共焦显微成像、激光惯性约束核聚变及精密光电测量技术领域。本发明将激光共焦技术与三维回转扫描技术结合，利用激光共焦技术对激光聚变靶丸壳层的内、外表面进行精密层析定焦，利用三维回转扫描技术对靶丸进行正交回转驱动，通过对靶丸内外表面各点的定焦信息进行解算和重构获得靶丸的内/外表面曲率半径、内/外表面圆轮廓和三维轮廓、壳层厚度及其三维分布等参数，实现核聚变靶丸几何参数综合测量。本发明能够为激光惯性约束核聚变仿真实验研究、靶丸制备工艺研究和靶丸筛选提供数据基础和检测手段。本发明在激光惯性约束核聚变、高能物理和精密检测领域有广泛的应用前景。

Description

激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置
技术领域
本发明属于共焦显微成像、激光惯性约束核聚变及精密光电测量技术领域,将激光共焦技术与三维回转扫描技术结合，涉及一种激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置，在激光惯性约束核聚变、高能物理和精密检测领域有广泛的应用前景。
技术背景
激光惯性约束核聚变(ICF)是人工模拟核爆和天体演化的重要手段，也是人类探索未来清洁能源的重要方向，因此具有十分重要科研和实用意义。激光惯性约束核聚变实验中，内部填充氘氚(DT)气体的空心激光聚变靶丸是其核心器件，多路激光同时对靶丸进行会聚向心压缩点火引发核爆，激光聚变靶丸的质量是决定激光聚变实验是否成功的关键。美国国家点火装置(NIF)进行的ICF试验失败的一个主要原因是点火过程中靶丸不对称压缩进而导致其中心压力和温度降低以及其内部氘氚(DT)燃料混合不均衡，靶丸壳层和表面的微小缺陷都有可能被放大产生不对称压缩进而导致点火失败。因此精确测量激光聚变靶丸的几何形貌和物理属性参数对于保证激光惯性约束核聚变实验的成功具有重要意义。
目前国际上用于激光聚变靶丸几何形貌参数测量的方法主要采用各类显微镜进行观察，包括扫描电镜法、原子力显微镜法、X射线法、光纤点衍射法和干涉法等，上述方法测量分辨力已达纳米量级，但只能对靶丸外表面轮廓进行无损测量(目前测量内表面是通过破坏性切割后进行测量)，而对于靶丸的内轮廓、壳层厚度等内部几何参数无能为力。
随着激光惯性约束核聚变技术的发展和工程的推进，上述方法已经无法满足激光惯性约束核聚变技术研究对靶丸几何和轮廓参数测量的需求，主要存在如下问题：
1)不能无损测量靶丸内部参数，现有方法需要对靶丸进行破坏性切割，测量后靶丸被破坏无法应用于下一步工艺处理或者打靶实验；
2)不同参数测量过程分离，不能全面揭示靶丸制备和核聚变反应过程中发生的结构变化现象和规律；
3)综合测量能力不足，每种仪器仅能测量一、两种参数，靶丸综合参数测量需在不同仪器上反复装调，效率低下且量值基准不统一。
而激光惯性约束核聚变研究中，靶丸的参数是对核聚变过程进行模拟仿真和对靶丸制备工艺进行提升的基础，因此如何对靶丸几何和轮廓参数进行高精度、无损的综合测量是激光惯性约束核聚变国家重大工程中的关键技术问题。
激光共焦技术具有独特的光学层析成像特性，可实现靶丸的壳层内外表面的高精度层析定焦测量，为靶丸几何和轮廓参数的高精度无损测量提供了思路。
基于此，本发明提出一种激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置，其创新在于：将共焦层析定焦技术与三维回转扫描技术引入到靶丸几何和轮廓参数测量中，在国际上首次实现靶丸内轮廓的无损测量和内/外表面曲率半径、内/外表面圆轮廓和三维轮廓、壳层厚度及其三维分布等几何轮廓参数综合测量。
本发明的一种激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置，
发明内容
本发明的目的是为了解决激光惯性约束核聚变靶丸几何参数高精度综合测量难题，提供一种激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置，以期实现靶丸的内/外表面曲率半径、内/外表面圆轮廓和三维轮廓、壳层厚度及其三维分布等参数，实现核聚变靶丸几何参数综合测量。
本发明能够为激光聚变靶丸参数的综合检测提供有效技术手段，对于靶丸制备、激光核聚变实验仿真、数据分析和技术革新具有重要意义。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。本发明公开的激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法，利用激光共焦技术对聚变靶丸壳层的内、外表面进行精密层析定焦，利用三维回转扫描技术对聚变靶丸进行正交回转驱动，结合激光共焦技术和三维回转扫描技术获得聚变靶丸的几何和轮廓参数综合测量，所述聚变靶丸几何和轮廓参数包括内/外表面曲率半径、内/外表面圆轮廓和三维轮廓、壳层厚度及其三维分布，包括以下步骤：
步骤一、光源系统经过准直透镜准直为平行光束，平行光束通过经分光镜被测量物镜会聚为一点，对聚变靶丸进行照明并被反射，反射光束透过测量物镜后被分光镜反射进入共焦探测系统，在共焦探测系统中光束经过会聚镜会聚后透过位于会聚镜焦点处的针孔，并被分别位于针孔后的光电探测器接收；
步骤二、使计算机控制物镜驱动系统带动测量物镜对聚变靶丸进行轴向扫描，同时计算机采集光电探测器接收到的光强信号进行如下公式的归一化处理即得到共焦曲线，通过差动共焦曲线的依次对聚变靶丸的进行层析定焦，当测量光束会聚点分别与聚变靶丸的内、外表面以及球心位置重合时，IC(x,y,z)的值为最大，监测IC(x,y,z)的强度，依次记录IC(x,y,z)的区域最大位置的z坐标Zo,Zi和Zc，即得到聚变靶丸对应光轴方向的内、外表面测量点以及球心的轴向光学坐标Zo,Zi和Zc；
Figure GDA0002661394060000031
其中I(x,y,z)为光电探测器接收到的光强信号，MAX[I(x,y,z)]为I(x,y,z)的最大值，IC(x,y,z)为归一化共焦信号，通过归一化共焦信号得到的共焦曲线可以有效抑制聚变靶丸表面属性差异影响和系统光源功率飘移，对聚变靶丸进行准确的定焦；
步骤三、对定焦测量得到的聚变靶丸的外表面和球心位置坐标Zo和Zc进行相减即得到聚变靶丸的外表面曲率半径Ro；
步骤四、将聚变靶丸的壳层材料折射率n和外表面曲率半径Ro带入如下公式，计算得到聚变靶丸的壳层光轴方向的厚度t；
Figure GDA0002661394060000032
其中NA为测量物镜的数值孔径。
步骤五、利用聚变靶丸的内、外表面以及球心的光学坐标Zo,Zi和Zc和厚度t计算得到聚变靶丸的内、外表面物理坐标zo,zi和内表面曲率半径Ri：
Figure GDA0002661394060000033
步骤六、利用回转驱动系统驱动聚变靶丸进行水平回转一周，在聚变靶丸水平圆周上的各个点位置重复步骤一致步骤五，依次获得聚变靶丸水平面圆周的内外表面物理坐标点集合(zo,zi)i；
步骤七、利用正交回转系统驱动聚变靶丸进行步进正交回转驱动，每驱动一步重复步骤一致步骤六，依次获得聚变靶丸的内外表面三维物理坐标点集合{[(zo,zi)i]j}；
步骤八、计算机对三维物理坐标点集合{[(zo,zi)i]j}进行三维重构和计算即得到靶丸的内/外表面曲率半径、内/外表面圆轮廓和三维轮廓、壳层厚度及其三维分布。
步骤二所述的共焦曲线对聚变靶丸的内、外表面以及球心等特征位置进行层析定焦包括两种模式：利用共焦曲线的峰值点进行精确识别定焦和利用共焦曲线的整体曲线进行拟合定焦。
步骤八所述的计算过程还通过对三维物理坐标点集合{[(zo,zi)i]j}进行内外表面球面拟合计算得到聚变靶丸的内外表面曲率半径平均值Ri-ve和Ro-ve，修正步骤三和步骤五计算得到的内外表面曲率半径值Ri和Ro以提高测量精度。
共焦探测系统中的光强探测采用放大镜、CCD探测器组成的虚拟针孔替换针孔和光电探测器，通过对CCD探测器探测得到的光斑图像进行区域灰度采集计算获得共焦曲线，降低光路装调精度要求，提高光路设计自由度。
本发明公开的激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量装置包括光源系统、沿着光源出射方向依次放置的准直透镜、分光镜、测量物镜，位于分光镜反射方向的共焦探测系统，位于测量物镜出射方向并且回转轴线与测量光轴同轴的正交驱动系统，回转轴线与测量光轴垂直相交的回转驱动系统，对测量物镜进行轴向驱动的物镜驱动系统和数据进行采集处理的计算机；
光源系统包括激光器、位于激光器出射方向的光源会聚镜、位于光源会聚镜焦点位置的光源针孔。
共焦系统包括会聚镜，位于会聚镜焦点位置的针孔，和位于针孔后的光电探测器。
共焦系统中采用放大镜、CCD探测器组成的虚拟针孔替换针孔和光电探测器。
有益效果：
1、本发明公开的一种激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置，通过激光共焦轴向强度曲线的“峰值点”与测量物镜的焦点精确对应这一特性，对被测聚变靶丸内表面实现精确层析定焦，能够解决靶丸内表面目前难以无损测量的难题。
2、本发明公开的一种激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置，利用激光共焦定焦技术对聚变靶丸内、外表面和球心等特征位置进行精密定位，可实现聚变靶丸内、外曲率半径、壳层厚度等几何参数综合测量。
3、本发明公开的一种激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置，通过归一化处理，能够有效抑制靶丸表面属性差异和系统光源功率飘移的影响；
4、本发明公开的一种激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置，利用激光共焦定焦技术和三维回转扫描技术结合，能够对聚变靶丸内外表面轮廓进行扫描，同时获得聚变靶丸内、外三维轮廓和壳层分布等综合信息。
5、本发明公开的一种激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置，通过多种技术的有机融合，能够实现对聚变靶丸在一台仪器上通过一次装调测量得到多个参数，显著提高测量的精度和效率。
6、本发明公开的一种激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法与装置，通过同一台仪器、采用同一原理对聚变靶丸不同参数进行测量，测量基准统一、测量精度匹配，能够为聚变靶丸的参数换算和表征提供基础。
附图说明
图1为本发明激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法示意图；
图2为本发明激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量装置示意图；
图3为本发明的实施例1的激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法示意图；
图4为本发明的实施例2的激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量装置示意图；
图5为激光共焦轴向强度曲线；
图6为激光共焦靶丸层析定焦曲线；
图7为激光共焦靶丸外表面圆轮廓测量曲线；
图8为激光共焦靶丸内表面圆轮廓测量曲线；
其中：1-光源系统、2-准直透镜、3-分光镜、4-物镜驱动系统、5-测量物镜、6-共焦探测系统、7-会聚镜、8-虚拟针孔、9-针孔、10-光电探测器、11-放大镜、12-CCD探测器、13-聚变靶丸、14-正交驱动系统、15-回转驱动系统、16-计算机、17-共焦曲线、18-激光器、19-光源会聚镜、20-光源针孔、21-光斑图像。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图3所示，光源系统1选用点光源，点光源出射的激发光束经过准直透镜2准直为平行光束，平行光束通过经分光镜3被测量物镜5会聚为一点，对聚变靶丸13进行照明并被反射，反射光束透过测量物镜5后被分光镜3反射进入共焦探测系统6，共焦系统6中采用放大镜11、CCD探测器12组成的虚拟针孔8对光强信号进行探测。
使计算机16控制物镜驱动系统4带动测量物镜5对聚变靶丸13进行轴向扫描，同时计算机16采集光电探测器10接收到的光强信号进行如下公式的归一化处理即可得到共焦曲线17，通过差动共焦曲线17的依次对聚变靶丸13的进行层析定焦，当测量光束会聚点分别与聚变靶丸13的内、外表面以及球心位置重合时，IC(x,y,z)的值为最大，监测IC(x,y,z)的强度，依次记录IC(x,y,z)的区域最大位置的z坐标Zo,Zi和Zc，即得到聚变靶丸13对应光轴方向的内、外表面测量点以及球心的轴向光学坐标Zo,Zi和Zc；
Figure GDA0002661394060000061
其中I(x,y,z)为光电探测器10接收到的光强信号，MAX[I(x,y,z)]为I(x,y,z)的最大值，IC(x,y,z)为归一化共焦信号，通过归一化共焦信号得到的共焦曲线(17)有效抑制聚变靶丸13表面属性差异影响和系统光源功率飘移，对聚变靶丸13进行准确的定焦；
如图6所示，对定焦测量得到的聚变靶丸13的外表面和球心位置坐标Zo和Zc进行相减即可得到聚变靶丸13的外表面曲率半径Ro；
将聚变靶丸13的壳层材料折射率n和外表面曲率半径Ro带入如下公式，计算得到聚变靶丸13的壳层光轴方向的厚度t；
Figure GDA0002661394060000062
其中N为测量物镜5的数值孔径。
利用聚变靶丸13的内、外表面以及球心的光学坐标Zo,Zi和Zc和厚度t计算得到聚变靶丸13的内、外表面物理坐标zo,zi和内表面曲率半径Ri：
Figure GDA0002661394060000071
利用回转驱动系统15驱动聚变靶丸13进行水平回转一周，在聚变靶丸13水平圆周上的各个点位置重复上述采集步骤，依次获得聚变靶丸13水平面圆周的内外表面物理坐标点集合(zo,zi)i；
利用正交回转系统14驱动聚变靶丸13进行步进正交回转驱动，每驱动一步重复上述采集步骤，依次获得聚变靶丸13的内外表面三维物理坐标点集合{[(zo,zi)i]j}；
计算机16对三维物理坐标点集合{[(zo,zi)i]j}进行三维重构和计算即可得到靶丸的内/外表面曲率半径、内/外表面圆轮廓和三维轮廓、壳层厚度及其三维分布。
实验测量得到的靶丸内外圆轮廓分别如图7和图8所示。
实施例2
如图4所示，激光共焦核聚变靶丸13几何参数综合测量装置中，光源系统1、沿着光源出射方向依次放置的准直透镜2、分光镜3、测量物镜5，位于分光镜3反射方向的共焦探测系统6，位于测量物镜5出射方向并且回转轴线与测量光轴同轴的正交驱动系统14，回转轴线与测量光轴垂直相交的回转驱动系统15，对测量物镜5进行轴向驱动的物镜驱动系统4和数据进行采集处理的计算机16；光源系统1包括激光器18、位于激光器18出射方向的光源会聚镜19、位于光源会聚镜19焦点位置的光源针孔20；在共焦探测系统6中光束经过会聚镜7会聚后透过位于会聚镜7焦点处的针孔9，并被分别位于针孔9后的光电探测器10接收；
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围。本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法，其特征在于：利用激光共焦技术对聚变靶丸(13)壳层的内表面与外表面进行精密层析定焦，利用三维回转扫描技术对聚变靶丸(13)进行正交回转驱动，结合激光共焦技术和三维回转扫描技术获得聚变靶丸(13)的几何和轮廓参数综合测量，所述聚变靶丸(13)几何和轮廓参数包括内表面与外表面曲率半径、内表面与外表面圆轮廓和三维轮廓、壳层厚度及其三维分布；
其中，用于实现激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法的装置包括光源系统(1)、沿着光源出射方向依次放置的准直透镜(2)、分光镜(3)、测量物镜(5)，位于分光镜(3)反射方向的共焦探测系统(6)，位于测量物镜(5)出射方向并且回转轴线与测量光轴同轴的正交驱动系统(14)，回转轴线与测量光轴垂直相交的回转驱动系统(15)，对测量物镜(5)进行轴向驱动的物镜驱动系统(4)和数据进行采集处理的计算机(16)；光源系统(1)包括激光器(18)、位于激光器(18)出射方向的光源会聚镜(19)、位于光源会聚镜(19)焦点位置的光源针孔(20)；共焦系统(6)包括会聚镜(7)，位于会聚镜(7)焦点位置的针孔(9)，和位于针孔(9)后的光电探测器(10)；共焦系统(6)中采用放大镜(11)、CCD探测器(12)组成的虚拟针孔(8)替换针孔(9)和光电探测器(10)；
激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法包括以下步骤：
步骤一、光源系统(1)经过准直透镜(2)准直为平行光束，平行光束通过经分光镜(3)被测量物镜(5)会聚为一点，对聚变靶丸(13)进行照明并被反射，反射光束透过测量物镜(5)后被分光镜(3)反射进入共焦探测系统(6)，在共焦探测系统(6)中光束经过会聚镜(7)会聚后透过位于会聚镜(7)焦点处的针孔(9)，并被分别位于针孔(9)后的光电探测器(10)接收；
步骤二、使计算机(16)控制物镜驱动系统(4)带动测量物镜(5)对聚变靶丸(13)进行轴向扫描，同时计算机(16)采集光电探测器(10)接收到的光强信号进行如下公式的归一化处理即得到共焦曲线(17)，通过共焦曲线(17)依次对聚变靶丸(13)的进行层析定焦，当测量光束会聚点分别与聚变靶丸(13)的内表面与外表面以及球心位置重合时，IC(x,y,z)的值为最大，监测IC(x,y,z)的强度，依次记录IC(x,y,z)的区域最大位置的z坐标Zo,Zi和Zc，即得到聚变靶丸(13)对应光轴方向的内表面与外表面测量点以及球心的轴向光学坐标Zo,Zi和Zc；
Figure FDA0002661394050000021
其中I(x,y,z)为光电探测器(10)接收到的光强信号，MAX[I(x,y,z)]为I(x,y,z)的最大值，IC(x,y,z)为归一化共焦信号，通过归一化共焦信号得到的共焦曲线(17)有效抑制聚变靶丸(13)表面属性差异影响和系统光源功率飘移，对聚变靶丸(13)进行准确的定焦；
步骤三、对定焦测量得到的聚变靶丸(13)的外表面和球心位置坐标Zo和Zc进行相减即得到聚变靶丸(13)的外表面曲率半径Ro；
步骤四、将聚变靶丸(13)的壳层材料折射率n和外表面曲率半径Ro带入如下公式，计算得到聚变靶丸(13)的壳层光轴方向的厚度t；
Figure FDA0002661394050000022
其中NA为测量物镜(5)的数值孔径；
步骤五、利用聚变靶丸(13)的内表面与外表面以及球心的光学坐标Zo,Zi和Zc和厚度t可以计算得到聚变靶丸(13)的内表面与外表面物理坐标zo,zi和内表面曲率半径Ri：
Figure FDA0002661394050000023
步骤六、利用回转驱动系统(15)驱动聚变靶丸(13)进行水平回转一周，在靶丸水平圆周上的各个点位置重复步骤一至步骤五，依次获得聚变靶丸(13)水平面圆周的内表面与外表面物理坐标点集合(zo,zi)i；
步骤七、利用正交驱动系统(14)驱动聚变靶丸(13)进行步进正交回转驱动，每驱动一步重复步骤一至步骤六，依次获得聚变靶丸(13)的内表面与外表面三维物理坐标点集合{[(zo,zi)i]j}；
步骤八、计算机(16)对三维物理坐标点集合{[(zo,zi)i]j}进行三维重构和计算即得到靶丸的内表面与外表面曲率半径、内表面与外表面圆轮廓和三维轮廓、壳层厚度及其三维分布。
2.根据权利要求1所述的激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法，其特征在于：使步骤二所述的共焦曲线(17)对聚变靶丸(13)的特征位置进行层析定焦包括两种模式：模式一，利用共焦曲线(17)的峰值点进行精确识别定焦；模式二，利用共焦曲线(17)的整体曲线进行拟合定焦，所述特征位置包括内表面与外表面以及球心。
3.根据权利要求1所述的激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法，其特征在于：步骤八所述的三维重构和计算过程还通过对三维物理坐标点集合{[(zo,zi)i]j}进行内表面与外表面球面拟合计算得到聚变靶丸(13)的内表面与外表面曲率半径平均值Ri-ve和Ro-ve，修正步骤三和步骤五计算得到的内表面与外表面曲率半径值Ri和Ro以提高测量精度。
4.根据权利要求1所述的激光共焦核聚变靶丸几何参数综合测量方法，其特征在于：共焦探测系统(6)中的光强探测采用放大镜(11)、CCD探测器(12)组成的虚拟针孔(8)替换针孔(9)和光电探测器(10)，通过对CCD探测器(12)探测得到的光斑图像(21)进行区域灰度采集计算获得共焦曲线(17)，降低光路装调精度要求，提高光路设计自由度。
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