CN113393947B - 一种强场侧注入的激光吹气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于受控核聚变技术领域，具体涉及一种强场侧注入的激光吹气系统。本发明包括激光束、扫描机构、聚焦透镜组和靶片机构，其中，激光束由高能脉冲激光器发出，扫描机构使激光束的光斑在靶片上高速移动扫描；聚焦透镜组安装在扫描机构的腔体上，会聚激光束；靶片机构安装在托卡马克的强场侧，提供注入等离子体中杂质并保护棱镜免受污染。本发明提供一种强场侧注入的激光吹气系统，激光束经过会聚透镜组聚焦到靶片附近，经过棱镜后方向折返，光路平移，激光就从靶片的未镀膜部分入射到镀膜部分，靶片上的膜吸收激光能量后消融形成原子束后注入等离子体，达到强场侧向等离子体中注入的杂质的目的。

Description

一种强场侧注入的激光吹气系统
技术领域
本发明属于受控核聚变技术领域，具体涉及一种强场侧注入的激光吹气系统。
背景技术
在受控核聚变研究中，激光吹气是研究等离子体粒子输运的重要方法。激光吹气系统能控制注入杂质的数量，不会对等离子体的主要参数和约束品质造成严重的影响。其原理是用会聚透镜或透镜组将激光器发出的高能激光脉冲会聚到靶片上，靶片上的金属膜吸收激光能量后，温度升高并汽化形成金属原子“气体”，这些金属原子高速进入等离子体，从而实现向等离子体中注入杂质。当前受控核聚变领域中，现有的激光吹气系统都是将杂质从聚变装置的弱场侧注入等离子体，还没有从强场侧注入杂质的类似系统出现。众所周知，沿装置大半径向外的方向上，纵向磁场是逐渐减弱的，靠近等离子体内侧是强场侧，外侧是弱场侧。由于等离子体强场侧和弱场侧的磁场强弱不同，等离子体中的粒子输运、热输运等行为具有不同的特征，对等离子体中粒子分布剖面的演变有不同的作用。由此可见，开展等离子体强场侧和弱场侧杂质注入实验，研究强场侧和弱场侧等离子体的输运规律，对于理解托卡马克装置中等离子体的输运，探索排出和控制等离子体中杂质的方法，探索等离子体粒子剖面控制的方法等等有着重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种强场侧注入的激光吹气系统，激光束经过会聚透镜组聚焦到靶片附近，经过棱镜后方向折返，光路平移，激光就从靶片的未镀膜部分入射到镀膜部分，靶片上的膜吸收激光能量后消融形成原子束后注入等离子体，达到强场侧向等离子体中注入的杂质的目的。
本发明采用的技术方案：
一种强场侧注入的激光吹气系统，包括激光束、扫描机构、聚焦透镜组和靶片机构，其中，激光束由高能脉冲激光器发出，扫描机构使激光束的光斑在靶片上高速移动扫描；聚焦透镜组安装在扫描机构的腔体上，会聚激光束；靶片机构安装在托卡马克的强场侧，提供注入等离子体中杂质并保护棱镜免受污染。
所述扫描机构包括反射镜、X方向振镜、Y方向振镜、腔体和精密平移台，反射镜、X方向振镜、Y方向振镜固定安装在扫描机构腔体内，扫描机构腔体安装在精密平移台，精密平移台用于调节扫描机构的位置。
所述激光束经过反射镜反射后依次投射到X方向振镜和Y方向振镜上。
所述X方向振镜和Y方向振镜在控制器控制下可转动其反射面的角度，从而控制激光束的焦斑在靶片上快速移动扫描。
所述反射镜固定安装，其反射率大于95％，损伤阈值大于激光束的脉冲能量。
所述聚焦透镜组包括凹透镜、凸透镜和镜筒，镜筒安装在扫描机构腔体上，凹透镜、凸透镜安装在镜筒上。
所述激光束经Y方向振镜反射后依次经过凹透镜、凸透镜。
所述镜筒调整凹透镜和凸透镜的间距，改变聚焦透镜组的焦距，进而改变靶片上激光光斑的大小，从而调节注入等离子体的杂质数量。
所述靶片机构包括靶片、棱镜和支架，窗口玻璃安装在托卡马克的强场侧，支架安装在托卡马克的强场侧的内壁上，靶片安装在支架上，棱镜安装在靶片上。
所述棱镜为直角棱镜。
所述靶片有一半的面积镀膜，未镀膜的部分用于透射激光束并保护棱镜免受污染，镀膜部分提供注入等离子体的杂质源。
所述激光束经过X方向振镜和Y方向振镜保证与棱镜的角度为90°±0.5°，穿过窗口玻璃和等离子体后投射到靶片未镀膜的部分，然后进入棱镜并在棱镜的两个直角平面上发生两次全反射，激光束光路方向折返和光路平移，投射在靶片镀膜的部分，靶片上的膜吸收激光能量，温度升高并气化产生原子束，这些原子束从强场侧高速进入等离子体。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供一种强场侧注入的激光吹气系统，激光束经过会聚透镜组聚焦到靶片附近，经过棱镜后方向折返，光路平移，激光就从靶片的未镀膜部分入射到镀膜部分，靶片上的膜吸收激光能量后消融形成原子束后注入等离子体，达到强场侧向等离子体中注入的杂质的目的；
(2)本发明提供一种强场侧注入的激光吹气系统，具有能够注入的杂质种类多，注入杂质的数量可调，既可单脉冲也可多脉冲注入，杂质脉冲的数量和频率可调等特点；
(3)本发明提供一种强场侧注入的激光吹气系统，具有现有激光吹气系统的一切特点，但能从等离子体的强场侧注入杂质，为开展强场侧的杂质输运研究，以及比较分析强场侧和弱场侧的粒子输运特征提供了实验条件。
附图说明
图1为本发明提供的一种强场侧注入的激光吹气系统结构示意图；
图中：1-激光束；2-反射镜；3-X方向振镜；4-Y方向振镜；5-凹透镜；6-凸透镜；7-窗口玻璃；8-靶片；9-棱镜；10-扫描机构腔体；11-精密平移台；12-镜筒； 13-支架；14-托卡马克装置；15-等离子体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提供的一种强场侧注入的激光吹气系统，包括：激光束、扫描机构、聚焦透镜组和靶片机构。其中，激光束由高能脉冲激光器发出，扫描机构的作用是使激光束的光斑在靶片上高速移动扫描；聚焦透镜组安装在扫描机构的腔体上，其作用是会聚激光束；靶片机构安装在托卡马克14的强场侧，其作用是提供注入等离子体中杂质并保护棱镜免受污染。
激光束1经过反射镜2反射后依次投射到X方向振镜3和Y方向振镜4上，这两个振镜在控制器控制下可转动其反射面的角度，从而控制激光束的焦斑在靶片上快速移动扫描。扫描机构腔体10用于安装固定反射镜2、X方向振镜3、Y 方向振镜4及其附属机构，精密平移台11用于调节扫描机构的位置。
扫描机构包括反射镜2、X方向振镜3、Y方向振镜4、腔体10和精密平移台11，反射镜2、X方向振镜3、Y方向振镜4固定安装在扫描机构腔体10内，扫描机构腔体10安装在精密平移台11，精密平移台11用于调节扫描机构的位置，激光束1经过反射镜2反射后依次投射到X方向振镜3和Y方向振镜4上，这两个振镜在控制器控制下可转动其反射面的角度，从而控制激光束的焦斑在靶片上快速移动扫描。反射镜2是固定的，要求其反射率大于95％，损伤阈值大于激光束的脉冲能量。
聚焦透镜组包括凹透镜5、凸透镜6和镜筒12，镜筒12安装在扫描机构腔体 10上，凹透镜5、凸透镜6安装在镜筒12上，激光束1经Y方向振镜4反射后依次经过凹透镜5、凸透镜6，镜筒12可以调整凹透镜5和凸透镜6的间距，这样就能改变聚焦透镜组的焦距，进而改变靶片上激光光斑的大小，从而调节注入等离子体的杂质数量。
系统靶片机构包括靶片8、棱镜9和支架13，窗口玻璃7安装在托卡马克14 的强场侧，支架13安装在托卡马克14的强场侧的内壁上，靶片8安装在支架13 上，棱镜9为直角棱镜，棱镜9安装在靶片8上，靶片8有一半的面积镀膜，未镀膜的部分用于透射激光束1并保护棱镜9免受污染，镀膜部分提供注入等离子体的杂质源。激光束1经过X方向振镜3和Y方向振镜4保证与棱镜9的角度为 90°±0.5°，穿过窗口玻璃7和等离子体15后投射到靶片8未镀膜的部分，然后进入棱镜9并在棱镜9的两个直角平面上发生两次全反射，激光束1光路方向折返和光路平移，投射在靶片8镀膜的部分，靶片8上的膜吸收激光能量，温度升高并气化产生原子束，这些原子束从强场侧高速进入等离子体，从而达到从强场侧向等离子体中注入杂质的实验目的。
下面结合图1说明强场侧注入的激光吹气系统的工作过程。
激光束1被反射镜2反射后，投射到X方向振镜3并且被反射。该振镜在控制器的驱动下，可以绕轴转动。在该振镜转动时，可以使激光光斑沿水平方向X 方向移动扫描。来自X方向振镜3的激光束投射到Y方向振镜4并且被反射。该振镜在其控制器的驱动下，可以绕轴转动。在该振镜转动时，可以使激光光斑沿竖直方向Y方向移动扫描。在X、Y两个方向的振镜驱动下，激光束可以在靶片8 上快速扫描。Y方向振镜4反射的激光束经过凹透镜5发散变成发散光束，然后穿过凸透镜6会聚变成汇聚光束。该光束穿过窗口玻璃7，再穿过等离子体15，投射到靶片8未镀膜的部分。激光束在棱镜9的两个直角平面上依次发生两次全反射，该光束沿垂直于原来的传播方向发生平移，并且传播方向反向，这样激光束就投射到了靶片的镀膜部分。这里需要注意的是激光束的会聚点焦点位于窗口玻璃7和靶片8之间。靶片上的膜吸收激光能量，温度升高并气化产生原子束，这些原子从强场侧高速进入等离子体，从而达到从强场侧向托卡马克等离子体中注入杂质的实验目的。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种强场侧注入的激光吹气系统，其特征在于：包括激光束、扫描机构、聚焦透镜组和靶片机构，其中，激光束由高能脉冲激光器发出，扫描机构使激光束的光斑在靶片上高速移动扫描；聚焦透镜组安装在扫描机构的腔体上，会聚激光束；靶片机构安装在托卡马克(14)的强场侧，提供注入等离子体中杂质并保护棱镜免受污染；
所述扫描机构包括反射镜(2)、X方向振镜(3)、Y方向振镜(4)、腔体(10)和精密平移台(11)，反射镜(2)、X方向振镜(3)、Y方向振镜(4)固定安装在扫描机构腔体(10)内，扫描机构腔体(10)安装在精密平移台(11)，精密平移台(11)用于调节扫描机构的位置；
所述聚焦透镜组包括凹透镜(5)、凸透镜(6)和镜筒(12)，镜筒(12)安装在扫描机构腔体(10)上，凹透镜(5)、凸透镜(6)安装在镜筒(12)上；
所述靶片机构包括靶片(8)、棱镜(9)和支架(13)，窗口玻璃(7)安装在托卡马克(14)的强场侧，支架(13)安装在托卡马克(14)的强场侧的内壁上，靶片(8)安装在支架(13)上，棱镜(9)安装在靶片(8)上；
所述靶片(8)有一半的面积镀膜，未镀膜的部分用于透射激光束(1)并保护棱镜(9)免受污染，镀膜部分提供注入等离子体的杂质源。
2.根据权利要求1所述的一种强场侧注入的激光吹气系统，其特征在于：所述激光束(1)经过反射镜(2)反射后依次投射到X方向振镜(3)和Y方向振镜(4)上。
3.根据权利要求2所述的一种强场侧注入的激光吹气系统，其特征在于：所述X方向振镜(3)和Y方向振镜(4)在控制器控制下可转动其反射面的角度，从而控制激光束(1)的焦斑在靶片上快速移动扫描。
4.根据权利要求3所述的一种强场侧注入的激光吹气系统，其特征在于：所述反射镜(2)固定安装，其反射率大于95％，损伤阈值大于激光束的脉冲能量。
5.根据权利要求4所述的一种强场侧注入的激光吹气系统，其特征在于：所述激光束(1)经Y方向振镜(4)反射后依次经过凹透镜(5)、凸透镜(6)。
6.根据权利要求5所述的一种强场侧注入的激光吹气系统，其特征在于：所述镜筒(12)调整凹透镜(5)和凸透镜(6)的间距，改变聚焦透镜组的焦距，进而改变靶片上激光光斑的大小，从而调节注入等离子体的杂质数量。
7.根据权利要求6所述的一种强场侧注入的激光吹气系统，其特征在于：所述棱镜(9)为直角棱镜。
8.根据权利要求7所述的一种强场侧注入的激光吹气系统，其特征在于：所述激光束(1)经过X方向振镜(3)和Y方向振镜(4)保证与棱镜(9)的角度为90°±0.5°，穿过窗口玻璃(7)和等离子体(15)后投射到靶片(8)未镀膜的部分，然后进入棱镜(9)并在棱镜(9)的两个直角平面上发生两次全反射，激光束(1)光路方向折返和光路平移，投射在靶片(8)镀膜的部分，靶片(8)上的膜吸收激光能量，温度升高并气化产生原子束，这些原子束从强场侧高速进入等离子体。
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