CN111367068A - 激光共振驱动弹丸注入系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于核聚变控制技术领域，具体涉及激光共振驱动弹丸注入系统，激光共振驱动弹丸注入系统，包括真空室、聚焦透镜和设置在真空室内的激光共振驱动弹丸注入系统，激光共振驱动弹丸注入系统包括聚焦透镜1、拋物镜、平面镜和弹丸；聚焦透镜安装在真空室外，用于会聚激光束，使激光束的焦点落到弹丸上；采用本系统激光能量利用效率高、弹丸速度快、弹丸速度大小可调、注入杂质的纯度高。
Description
技术领域
本发明属于核聚变控制技术领域，具体涉及激光共振驱动弹丸注入系统。
背景技术
在受控核聚变研究中，向等离子体中注入杂质可以诱发各种各样的等离子体现象，根据这些现象可以开展多方面的等离子体行为研究。
比如，杂质输运、离子输运、热输运、破裂缓减、ELMy缓减、加料、器壁处理等方面的研究。
当前向等离子体中注入杂质的方法较多，主要有激光吹气、喷入杂质气体、高压气体驱动的杂质弹丸等。
这些方式各有优势。前两种方式都可以向等离子体中注入多种气态杂质脉冲，而第三种方式可以注入固态杂质，这种方式由于使用了高压气体驱动，在注入杂质弹丸的同时难免有驱动气体进入等离子体，也就是说注入杂质的纯度不高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提供本发明提供一种激光共振驱动弹丸注入系统，即激光共振驱动，可以克服高压气体驱动注入杂质纯度不高的缺点。本发明采用激光共振驱动弹丸的方式，具有激光能量利用效率高、弹丸速度快、速度大小可调、注入杂质的纯度高等特点。。
本发明的技术方案如下：
激光共振驱动弹丸注入系统，包括真空室、聚焦透镜和设置在真空室内的激光共振驱动弹丸注入系统，激光共振驱动弹丸注入系统包括聚焦透镜1、拋物镜、平面镜和弹丸；聚焦透镜安装在真空室外，用于会聚激光束，使激光束的焦点落到弹丸上；
拋物镜的中央有通光孔，该孔是入射光的通道；
平面镜的中央有发射孔，该孔作为放置弹丸的支撑和发射弹丸的枪管；
聚焦透镜、拋物镜、平面镜的光轴在同一条直线上；聚焦透镜和拋物镜的焦点都位于平面镜发射孔与反射面齐平的位置；弹丸放置在平面镜的发射孔中，其端头与平面镜的反射面齐平。
一种激光共振驱动弹丸注入系统，真空室包括激光窗口、观察窗口、腔体盖板、盖板提手、真空腔体、装置接口法兰、抽气接口；
真空室为四方形中空结构，上部设置有腔体盖板和盖板提手，左侧开设有激光窗口，右侧开设有装置接口法兰，下部开设有抽气接口。
一种激光共振驱动弹丸注入系统，在真空室内部靠激光口和观察窗口一侧设置有激光共振腔，激光共振腔安装在真空室中，由一个拋物镜、一个平面镜和弹丸构成，激光在这三者之间反复反射，起到反复向弹丸提供动能的作用，达到驱动弹丸的目的。
一种激光共振驱动弹丸注入系统，在真空室内部还设置有XY向位移台，在XY向位移台上设置有Z向位移台，在Z向位移台上安放抛物镜和角向镜架，角向镜架用于拋物镜的水平旋转和俯仰调节。
一种激光共振驱动弹丸注入系统，激光束经过聚焦透镜会聚后成为会聚光束，会聚光束穿过拋物镜的通光孔后，其焦点落在弹丸的端面位置；
一种激光共振驱动弹丸注入系统，激光与弹丸相互作用，其能量主要分为两部分，少部分被弹丸吸收，大部分被弹丸反射。
一种激光共振驱动弹丸注入系统，被弹丸吸收的激光能量使部分弹丸材料消融，从而产生高温高压的气体或等离子体，这些气体或等离子体沿与入射光方向相反的方向喷出，利用反冲运动的原理使弹丸获得一定的速度，沿入射光的方向运动；激光束被弹丸反射后入射到拋物镜上被拋物镜再次反射，由于这些光通过了拋物镜的焦点，反射后必然平行于拋物镜的主光轴；这些光线垂直入射到平面镜上，必然被垂直反射，然后再次平行入射到拋物镜上；最后，这些光又会被拋物镜会聚到焦点，即弹丸上。这些激光在弹丸上再次反射后，将重复上述过程，反复轰击弹丸，从而形成激光的对弹丸的共振驱动。
本发明的有益效果在于：
激光能量利用效率高、弹丸速度快、弹丸速度大小可调、注入杂质的纯度高。
附图说明
图1：激光共振驱动弹丸注入系统原理图。
图2、激光共振驱动弹丸注入系统结构图。
图中：1-聚焦透镜；2-抛物镜；3-平面镜；4-弹丸；5-振荡光；6-聚焦后的入射光；7-激光窗口；8-观察窗口；9-腔体盖板；10-盖板提手；11-真空室腔体；12-装置接口法兰；13-角向镜架；14-XY向位移台；15-Z向升降台；16-抽气接口。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
下面结合图1说明激光共振驱动弹丸注入系统的工作原理。
激光共振腔是激光共振驱动弹丸注入系统的核心，其中包括聚焦透镜1、拋物镜2、平面镜3和弹丸4；
拋物镜2的中央有通光孔，该孔是入射光的通道；
平面镜3的中央有发射孔，该孔作为放置弹丸的支撑和发射弹丸的枪管；
聚焦透镜1、拋物镜2、平面镜3的光轴在同一条直线上；聚焦透镜1和拋物镜2的焦点都位于平面镜发射孔与反射面齐平的位置；弹丸4放置在平面镜的发射孔中，其端头与平面镜的反射面齐平。
如图1所示：激光束经过聚焦透镜1会聚后成为会聚光束6，会聚光束6穿过拋物镜2的通光孔后，其焦点落在弹丸4的端面位置。激光与弹丸相互作用，其能量主要分为两部分：少部分被弹丸4吸收，大部分被弹丸4反射。被弹丸4吸收的激光能量使部分弹丸材料消融，从而产生高温高压的气体或等离子体，这些气体或等离子体沿与入射光方向相反的方向喷出，利用反冲运动的原理使弹丸获得一定的速度，沿入射光的方向运动。激光束被弹丸4反射后入射到拋物镜上被拋物镜再次反射，由于这些光通过了拋物镜2的焦点，反射后必然平行于拋物镜2的主光轴；这些光线垂直入射到平面镜3上，必然被垂直反射，然后再次平行入射到拋物镜2上；最后，这些光又会被拋物镜2会聚到焦点，即弹丸4上。这些激光在弹丸4上再次反射后，将重复上述过程，反复轰击弹丸4，从而形成激光的对弹丸4的共振驱动。
下面结合图2说明激光共振驱动弹丸注入系统的结构和各部分的功能。图2所示为系统结构剖面图。
聚焦透镜1安装在真空室外，用于会聚激光束，使激光束的焦点落到弹丸4上。
真空室包括：激光窗口7、观察窗口8、腔体盖板9、盖板提手10、真空腔体11、装置接口法兰12、抽气接口16。
真空室为四方形中空结构，上部设置有腔体盖板9和盖板提手10，左侧开设有激光窗口7，右侧开设有装置接口法兰12，下部开设有抽气接口16；
在真空室内部靠激光口7和观察窗口8一侧设置有激光共振腔，激光共振腔安装在真空室中，由一个拋物镜2、一个平面镜3和弹丸4构成，激光在这三者之间反复反射，起到反复向弹丸4提供动能的作用，达到驱动弹丸4的目的。
在XY向位移台14上设置有Z向位移台15，在Z向位移台15上安放抛物镜2和角向镜架13，角向镜架13用于拋物镜的水平旋转和俯仰调节。位移台XY方向14和升降台Z方向15用于调节拋物镜的位置。
真空室主要用于安装激光共振腔，提供并维持激光共振腔工作的高真空环境，以及提供连接主装置真空室、抽气机组的法兰，提供入射光和弹丸4的通道。
下面结合图2说明激光共振驱动弹丸注入系统安装步骤。
步骤1：将真空腔体11安装到支架上；
步骤2：将真空腔体11上的装置接口法兰12连接到主装置真空室上；
步骤3：将平面镜3安装在真空室腔体11中，使平面镜3中央的小孔对准等离子体；
步骤4：调节入射激光束，使其光斑位于平面镜3的中央，且垂直于发射面；
步骤5：将聚焦透镜1安装在真空室腔体11外的光学支架上，使激光束会聚后的焦点位于平面镜3中央发射孔的位置；
步骤6：将角向镜架13、位移台XY向14、升降台Z向15按图2所示的位置安装在真空腔体11中；
步骤7：将拋物镜2安装在角向镜架13上，调节角向镜架13、位移台XY向14、升降台Z向15，使平面镜3的反射光经过拋物镜2反射后垂直入射到平面镜3上面
步骤8：盖上腔体盖板9，封闭真空室腔体11；
步骤9：通过抽气接口16连接抽气机组。
如图1所示，本发明的核心是激光共振腔，主要由一个拋物镜2和一个平面镜3构成，拋物镜的主光轴与平面镜的反射面垂直，并且其焦点位于平面镜的反射面上。在上述的结构中，如果一束焦点在平面镜上的会聚光束入射到平面镜上，被平面镜反射后成为通过拋物镜焦点的光束；这束光入射到拋物镜上被反射后，成为平行于拋物镜主光轴的光束；这束光再次垂直入射到平面镜上将被垂直于镜面反射，反射后平行于主光轴入射到拋物镜上；经拋物镜反射后又变成了一束焦点在平面镜上的会聚光束。这束光以后的反射将重复上述过程，如果不考虑光的反射损失和像差，上述过程将一直持续下去。如果在上述的焦点位置放置一个靶丸，该靶丸就会受到光束的反复轰击，将弹丸发射出去。
上述物理过程是本发明的理论基础。下面在基于上述过程详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，当入射激光束沿光轴方向经过聚焦透镜1会聚并穿过拋物镜2的通光孔后，其焦点正好落在弹丸4上。激光与弹丸相互作用后，其能量主要分为两部分：少数能量被弹丸吸收，多数能量被反射。被弹丸吸收的激光能量使部分弹丸材料消融产生高温高压的气体和等离子体，这些气体和等离子体沿与入射光相反的方向喷出，利用反冲运动的原理使弹丸获得一定的速度，沿入射光的方向运动。这个过程与火箭发射的原理相类似。大部分的激光能量被弹丸反射。这些反射光从位于拋物镜2焦点的位置入射到拋物镜2，反射后平行于拋物镜2主光轴射出，然后垂直入射到平面镜上3，再经过平面镜3反射后平行于拋物镜2的主光轴入射到拋物镜(2)上，接着被拋物镜(2)反射，再次会聚到拋物镜(2)的焦点上。由于弹丸(4)正好位于拋物镜(2)的焦点处，这样弹丸反射的激光会反复轰击到弹丸上，形成激光的对弹丸的反复驱动。由于光速远远大于弹丸的运动速度，上述共振驱动过程会重复很多次，直到把弹丸发射出去，该过程才会停止。以上所述是激光共振驱动弹丸的原理。
下面估算弹丸的发射速度。假设拋物镜反射面的面积为S1,拋物镜上通光孔的面积为s2，拋物镜和平面镜的反射率为R1,弹丸对激光的反射率为R2，弹丸吸收的激光能量中转换为弹丸动能的效率为α，激光入射能量为E。激光共振腔中激光完成一次共振反射再次入射到弹丸上需要经过一次弹丸、两次拋物镜、一次平面镜的反射过程，这四次反射的反射效率
弹丸质量为m那么弹丸的速度可用下面的公式估算：
如果不使用共振腔，将会聚后的激光直接入射到弹丸上，反射光对于驱动弹丸完全不起作用，这时弹丸的速度为
由于共振激光往返时间远小于弹丸加速时间，反射次数n趋于无穷，因子
如果R1、R2、s1/(s1+s2)取典型值99％，β＝95％，使用激光共振腔以后能量利用比直接激光入射增加20倍。如果有可参考的α值，可进一步估算弹丸速度。比如取α＝1％，E＝1J，m＝0.1mg，
显然使用激光共振腔以后能够充分利用反射光的能量，大大提高了能量的利用效率。这种使用激光共振弹丸驱动方式充分利用了反射光的能量，使弹丸具有较高的发射速度。根据上面的公式可知，调节入射激光束的能量E和弹丸质量m的比值可以调节弹丸的发射速度。
Claims (7)
1.激光共振驱动弹丸注入系统，包括真空室、聚焦透镜(1)和设置在真空室内的激光共振驱动弹丸注入系统，激光共振驱动弹丸注入系统包括聚焦透镜(1)、拋物镜(2)、平面镜(3)和弹丸(4)；聚焦透镜(1)安装在真空室外，用于会聚激光束，使激光束的焦点落到弹丸(4)上；
其特征在于：拋物镜(2)的中央有通光孔，该孔是入射光的通道；
平面镜(3)的中央有发射孔，该孔作为放置弹丸的支撑和发射弹丸的枪管；
聚焦透镜(1)、拋物镜(2)、平面镜(3)的光轴在同一条直线上；聚焦透镜(1)和拋物镜(2)的焦点都位于平面镜发射孔与反射面齐平的位置；弹丸(4)放置在平面镜的发射孔中，其端头与平面镜的反射面齐平。
2.如权利要求1所述的一种激光共振驱动弹丸注入系统，其特征在于：真空室包括激光窗口(7)、观察窗口(8)、腔体盖板(9)、盖板提手(10)、真空腔体(11)、装置接口法兰(12)、抽气接口(16)；
真空室为四方形中空结构，上部设置有腔体盖板(9)和盖板提手(10)，左侧开设有激光窗口(7)，右侧开设有装置接口法兰(12)，下部开设有抽气接口(16)。
3.如权利要求2所述的一种激光共振驱动弹丸注入系统，其特征在于：在真空室内部靠激光口(7)和观察窗口(8)一侧设置有激光共振腔，激光共振腔安装在真空室中，由一个拋物镜(2)、一个平面镜(3)和弹丸(4)构成，激光在这三者之间反复反射，起到反复向弹丸(4)提供动能的作用，达到驱动弹丸(4)的目的。
4.如权利要求2所述的一种激光共振驱动弹丸注入系统，其特征在于：在真空室内部还设置有XY向位移台(14)，在XY向位移台(14)上设置有Z向位移台(15)，在Z向位移台(15)上安放抛物镜(2)和角向镜架(13)，角向镜架(13)用于拋物镜的水平旋转和俯仰调节。
5.如权利要求1所述的一种激光共振驱动弹丸注入系统，其特征在于：激光束经过聚焦透镜(1)会聚后成为会聚光束(6)，会聚光束(6)穿过拋物镜(2)的通光孔后，其焦点落在弹丸(4)的端面位置。
6.如权利要求1所述的一种激光共振驱动弹丸注入系统，其特征在于：激光与弹丸(4)相互作用，其能量主要分为两部分，少部分被弹丸(4)吸收，大部分被弹丸(4)反射。
7.如权利要求6所述的一种激光共振驱动弹丸注入系统，其特征在于：被弹丸(4)吸收的激光能量使部分弹丸材料消融，从而产生高温高压的气体或等离子体，这些气体或等离子体沿与入射光方向相反的方向喷出，利用反冲运动的原理使弹丸获得一定的速度，沿入射光的方向运动；激光束被弹丸(4)反射后入射到拋物镜上被拋物镜再次反射，由于这些光通过了拋物镜(2)的焦点，反射后必然平行于拋物镜(2)的主光轴；这些光线垂直入射到平面镜(3)上，必然被垂直反射，然后再次平行入射到拋物镜(2)上；最后，这些光又会被拋物镜(2)会聚到焦点，即弹丸(4)上。这些激光在弹丸(4)上再次反射后，将重复上述过程，反复轰击弹丸(4)，从而形成激光的对弹丸(4)的共振驱动。
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