CN207038179U - 多端注入靶及其束靶耦合瞄准定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多端注入靶及其束靶耦合瞄准定位系统，物理实验激光打击的多端注入靶通过经纬度刻线，建立实验靶与束靶耦合传感器的统一基准坐标系和中心定位，对于上下CCD视场外的注入孔，在原打靶流程中巧妙的增加了利用多端注入靶反过来定位作为真空靶室中心坐标基准的束靶耦合传感器，通过平移束靶耦合传感器将所有视场外的注入孔逐一平移入视场，并利用监视仪修正平移偏差，保持了共轭面高度和法线不变。再将靶瞄系统原设计中三维空间不可见的弹着点转移到多端注入靶表面的刻线交点即特征点上，同时利用束靶耦合传感器上下CCD相关性，对特征点进行角度修正，进一步提高了打靶精度。该方法简单易行，操作方便，打靶精度高。

Description

多端注入靶及其束靶耦合瞄准定位系统

技术领域

本实用新型属于脉冲激光装置激光瞄靶领域，具体涉及一种多端注入靶及其束靶耦合瞄准定位系统和瞄准定位方法。

背景技术

激光惯性约束聚变实验是目前国际上研究的最前沿研究课题之一，该实验通过多路高能激光轰击氘氚靶实现聚变反应，从而实现可控聚变。激光惯性约束聚变实验中需要将多路激光精确引导到实验靶上的指定位置。以往激光引导方式是将激光直接打到靶上通过监测仪监测光点在靶上的位置，由于通常打靶激光波长为紫外光，而监测系统所检测的光为可见光波段，因此对靶和光点的监测存在色差，解决色差问题的办法是采用反射式成像光学系统，但设计、加工、装配难度大，成本高，并且由于靶的形状多种多样，激光光点打到靶上后可能产生变形和散射等现象。对于黑洞类型的靶，激光弹着点的位置甚至是不可见的，因而常常通过盲调打靶，对调整机构的精度要求非常高，但还是不能保证打靶的精度和可靠性；对于多路激光打靶的情况，如果多路激光同时打到靶上，各光点之间相互重叠干扰，无法实现并行引导，只能单路依次引导，引导时间长，过程繁琐，因此激光光束随时间的漂移和各调整环节的时间稳定性将大大降低打靶的精度和可靠性；另外对于有些靶，是不允许激光直接辐照的。

目前，在脉冲激光装置激光打靶前，必须先将激光的焦点精确引导到实验靶预先设定的弹着点位置，然后再发射激光。国内2014.3.26公开过一个实用新型，名称为：模拟靶定位装置，公开号为：CN102486941B，该实用新型涉及一种用于激光核聚变靶室诊断设备的模拟靶定位装置。另外一项是2010.02.17公开的实用新型，名称为：束靶耦合传感器，公开号为：CN100590381C，涉及光电传感器领域。前一项实用新型，模拟靶定位装置可 以实现模拟靶的输运和高精度调试靶的功能，但无法实现激光和靶的耦合成像；后一项实用新型，束靶耦合传感器是专门用于上下两个面注入孔(平面和柱腔靶)设计的装置，在上下成像系统CCD可见的视场范围内能够很好的实现激光束靶耦合功能，但是无法运输束靶耦合传感器和实验靶到真空靶室中心位置，更无法实现两者的精密姿态调整，也无法单独实现上下CCD视场外或者中侧CCD中心对称，即中侧CCD正对方位注入孔的精确瞄准定位，尤其是三维空间任意位置精确瞄准打靶的新靶型的发展需求。这就使上述两项实用新型专利中的装置的应用范围受到限制。

实用新型内容

本实用新型中为了克服现有束靶耦合传感器无法单独用于三维空间任意位置精确瞄准打靶的新型多端注入靶的发展需求，提供了一种多端注入靶及其束靶耦合瞄准定位系统。

本实用新型的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种多端注入靶，所述多端注入靶上均匀设置有多个端盖；多个所述端盖上均设置有十字刻线和注入孔，所述注入孔的孔心与十字刻线的中心重合；多个所述端盖的十字刻线的连线在物理实验靶的表面形成三个环线，即左右经线、赤道纬度刻线和前后经线；

靶杆，其与所述多端注入靶的靶体连接，所述靶杆的轴线位于多个所述端盖中心孔构成的赤道面内并与其接近的端盖的中心孔的法线成一定角度。

优选的是，所述多端注入靶为球腔靶，其中多个端盖包括XYZ三维对称均匀分布设置在球腔靶六面的上端盖、下端盖、左端盖、右端盖、前端盖和后端盖，同时在对应端盖上设置有上注入孔、下注入孔、左注入孔、右注入孔、前注入孔和后注入孔；所述上下孔、左右孔、前后孔在XYZ三维坐标系中成空间对称分布。

优选的是，所述物理实验靶为立方体腔多端注入靶。

本实用新型还提供一种具有多端注入靶的束靶耦合瞄准定位系统，包括：

真空靶室，其赤道面的环线的法兰上设置有束靶耦合传感器和多端注入靶；所述束靶耦合传感器通过第一支撑调整架设置在真空靶室上；所述物理实验靶通过第二支撑调整架设置在真空靶室上；所述第一支撑调整架和第二支撑调整架的轴线在一条直线上；

位于真空靶室上的监视仪Ⅰ和监视仪Ⅱ成90°角度，其对称分布在第一支撑调整架的两侧。

优选的是，所述束靶耦合传感器安装在第一调整架前端的第一并行六自由度机器人上；所述物理实验靶安装在第二支撑调整架前端的第二并行六自由度机器人的靶杆座上。

本实用新型至少包括以下有益效果：

(1)本实用新型的激光瞄准定位方法通过统一三维坐标基准，离线精确测量靶参数，在线精确复位和修正补偿的方法，有效的实现了三维空间任意位置精确瞄准打靶的新型多端注入靶的发展需求，该方法简单易行，操作方便，特别适用于大型高功率脉冲激光瞄准定位。

(2)本实用新型中激光打击的物理实验多端注入靶通过经纬度刻线，建立实验靶与束靶耦合传感器的统一基准坐标系和中心定位，对于上下CCD视场外的注入孔，在原打靶流程中巧妙的增加了利用实验靶反过来定位作为真空靶室中心坐标基准的束靶耦合传感器，将所有视场外的注入孔逐一平移入视场，并利用监视仪修正平移偏差，保持了共轭面高度和法线不变。再将靶瞄系统原设计中三维空间不可见的弹着点转移到刻线交点即特征点上，同时利用束靶耦合传感器上下CCD相关性，对特征点进行角度修正，进一步提高了打靶精度。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本实用新型的一种球腔支撑的物理实验多端注入靶的刻线基准建立原理示意图。

图2为本实用新型的上下CCD组合监测进行角度修正原理示意图。

图3为本实用新型的靶瞄准定位系统布局示意图。

图4为本实用新型的一种立方体腔支撑的物理实验多端注入靶的刻线基准建立原理示意图；

图1中，1.上端盖，2.十字刻线，3.上注入孔，4.前端盖，5.左右经线，6.左端盖，7.左注入孔，8.十字刻线，9.赤道纬度刻线，10.下端盖，11.后端盖，12.靶杆，13.柱面经度刻线与端盖十字刻线竖线的交点，14.前后经线，15.右端盖。

图2中，16.上CCD图像，17.上CCD相机，18.光轴，19.成像透镜，20.共轭反射镜，21.赤道端盖，22.光轴，23.成像透镜，24.下CCD相机，25.下CCD图像，26.三维空间坐标系。

图3中，27.真空靶室，28.监视仪Ⅰ，29.束靶耦合传感器支撑调整架，30.监视仪Ⅱ，31.并行六自由度机器人，32.束靶耦合传感器，33.并行六自由度机器人，34.靶支撑调整架，35.靶杆座，36.物理实验靶。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1示出了实用新型的一种物理实验多端注入靶，其上均匀设置有多个端盖；多个所述端盖上均设置有十字刻线(如图1中2和8)和注入孔(如图1中3和7)，所述注入孔的孔心与十字刻线的中心重合；多个所述端盖的十字刻线的连线在物理实验靶的表面形成三个环线，即左右经线5、赤道纬度刻线9和前后经线14；

靶杆12，其与所述多端注入靶的靶体连接，所述靶杆12的轴线位于多个所述端盖中心孔构成的赤道面内并与其接近的端盖的中心孔的法线成一定角度。

图3示出了本实用新型的一种具有多端注入靶的束靶耦合瞄准定位系统，包括：真空靶室27，其赤道面的环线的法兰上设置有束靶耦合传感器和 物理实验靶；所述束靶耦合传感器通过第一支撑调整架29设置在真空靶室27上；所述物理实验靶通过第二支撑调整架34设置在真空靶室上；所述第一支撑调整架29和第二支撑调整架34的轴线在一条直线上；

位于真空靶室27上的监视仪Ⅰ28和监视仪Ⅱ30，成90°角度对称分布在第一支撑调整架29的两侧；

在上述技术方案中，所述束靶耦合传感器安装在第一调整架前端的第一并行六自由度机器人上；所述物理实验靶安装在第二支撑调整架前端的第二并行六自由度机器人33的靶杆座上；

在上述技术方案中，所述物理实验靶为球形靶，其中多个端盖包括XYZ三维对称均匀分布设置在物理实验靶六面的上端盖1、下端盖10、左端盖6、右端盖15、前端盖4和后端盖11，同时在对应端盖上设置有上注入孔3、下注入孔、左注入孔7、右注入孔、前注入孔和后注入孔。上下孔、左右孔、前后孔在XYZ三维坐标系中成空间对称分布。

本实用新型的放置在真空靶室中的多端注入激光瞄准定位系统，其中的真空靶室在线瞄准系统由两台监视仪，束靶耦合传感器及其支撑、物理实验靶及其支撑、集中电气控制系统组成。

其中，物理实验靶通过飞秒激光刻线机刻录基准线和定位标志线；然后在靶参数平台上离线测量靶参数；接着由支撑调整架的送靶机构送入真空靶室中心位置，支撑调整架前端的并行六自由度机器人精确调整位置和姿态；最后由束靶耦合传感器(中国专利，申请号：2008100648748，公开号为：CN100590381C)根据离线参数进行实验靶的在线精确定位后，设定激光弹着点，引导激光高精度瞄准打靶。

其中，飞秒激光刻线机在物理实验靶上刻录的基准线、靶参数平台检测基准线、束靶耦合传感器的瞄准基准线，三个分系统的三维基准坐标必须一致。

所述束靶耦合瞄准定位系统的工作流程是：首先，监视仪Ⅰ28监视仪Ⅱ30定位束靶耦合传感器到真空靶室27的中心靶点位置，即两台监视仪标定的真空靶室基准坐标中心转移到束靶耦合传感器上；接着，束靶耦合传感器定位物理实验靶36，将物理实验靶36定位到真空靶室基准坐标中心上，并 完成上下注入孔的精确束靶耦合；然后，保持物理实验靶36不动，平移束靶耦合传感器，完成赤道四孔的精确束靶耦合；打靶前，完成相应的保护操作；最后，打靶后处理。

在上述技术方案中，如图1所示，六孔球支撑注入靶的上端盖、下端盖、左端盖、右端盖、前端盖、后端盖由一个球腔支撑，每个端盖上均有一个激光注入孔，孔心与端盖上的十字刻线的中心重合，左端盖、右端盖、前端盖、后端盖的孔心确定一个基准平面，即赤道面，四个端盖的端面与赤道面成90°，后面由一根靶杆12支撑，靶杆的轴线和在赤道面内，靶杆的轴线与后端盖的注入孔的法线成一定角度。每个端盖的十字刻线的连线在球腔的表面形成三个环线，即左右经线5、赤道纬度刻线9、前后经线14。

如图2所示，束靶耦合传感器是基于共轭原理，物理实验靶21通过成像透镜19在上CCD相机17成像，上CCD图像16上有二维坐标系和图像中心位置，实验靶成像面与反射镜上CCD相机17的像敏面相对于反射镜20距离相等，激光通过反射镜上表面反射聚焦到上CCD相机17的像敏面上，与实验靶的注入点在上CCD相机17的像点重合时，光束就精确引导到图像上弹着点，即完成束靶耦合。当传感器移开后，激光束就直接打在实验靶的实际的注入孔内。下半部分的共轭瞄准原理与上半部分的完全一致。

如图3所示，靶瞄准定位系统布局示意图。束靶耦合传感器支撑调整架29和物理实验靶支撑调整架34安装在真空靶室27的赤道面的环线的法兰上，两个支撑调整架的轴线在一条线上。监视仪Ⅰ28监视仪Ⅱ30夹角为90°，且对称分布在束靶耦合传感器支撑调整架29两侧。束靶耦合传感器32安装在第一支撑调整架29前端的并行六自由度机器人31上，并行六自由度机器人31可以通过运输机构伸出保护仓到达真空靶室27的中心靶点位置，打靶前，也通过运输机构将束靶耦合传感器32收回到束靶耦合传感器支撑调整架29后端的保护仓内，避免正式激光发射时，强光打坏束靶耦合传感器32。物理实验靶36安装在第二支撑调整架34前端的并行六自由度机器人33的靶杆座35上，并行六自由度机器人33通过送靶机构将物理实验靶36送出到真空靶室27的中心靶点位置，激光打靶完成后仍然通过运送机构将物理实验靶36收回到靶支撑调整架34的靶仓进行卸靶和换靶。

本实用新型的采用上述的具有多端注入靶的束靶耦合瞄准定位系统进行瞄准定位的方法，包括以下步骤：

步骤一、束靶耦合传感器定位：首先通过运输机构将束靶耦合传感器32伸出保护仓到达真空靶室27的中心靶点位置，监视仪Ⅰ28监视仪Ⅱ30实时观测束靶耦合传感器32上的两个分别正对监视仪的刻有十字叉丝的平面铝镜来监测三维空间位置和三维角度姿态，由第一并行六自由度机器人31将束靶耦合传感器32调整到既定位置，两台均具有望远显微功能，平面铝镜返回给监视仪的十字线表明三维角度姿态，刻有的十字叉丝在监视仪上的成像位置表明三维空间位置，当两个十字线与监视仪Ⅰ28监视仪Ⅱ30预先标定后设置的位置和姿态重合时，铝镜代表的束靶耦合传感器32的位置就定位完成。

步骤二、实验靶定位：将物理实验靶36装入第二支撑调整架34后端的靶库中，通过换靶机构将靶装载到靶杆座35上，通过送靶机构将物理实验靶36送出到真空靶室27的中心靶点位置，进入束靶耦合传感器32的视场范围后，对实验靶的三维空间位置和三维角度姿态进行实时监测，由第二并行六自由度机器人33调整实验靶达到预先设置的位置和姿态上，上端盖和下端盖的注入孔代表靶竖直轴z，当把上端盖和下端盖的中心即注入孔的中心调到上下CCD图像16和25的中心，说明在x-y二维平面已经调整到位；调节实验靶的赤道纬度刻线9与束靶耦合传感器32的标定的平面重合来表明角度调整到位；当上下端盖的中心线与实验靶的赤道纬度刻线9不垂直时，二者不能兼顾，就以赤道纬度刻线9确定的平面为平面基准和上端盖的的中心即上注入孔的中心调到上CCD图像16的中心，三维空间位置和三维角度姿态需要反复迭代几次才能实现两者同时满足要求，完成定位；上下注入孔的光束引导：在完成靶定位之后，上下孔在束靶耦合传感器32的视场范围，可以直接图像处理注入孔的孔心坐标，设定激光弹着点，然后若干束引导激光聚焦在打靶点上，实现上下注入孔的高精度束靶耦合。

步骤三、赤道面四孔(左注入孔、右注入孔、前注入孔和后注入孔)的束靶耦合：本实施例中的物理实验靶的的尺寸是大于7mm×7mm×7mm，超出束靶耦合传感器32的上下CCD的视场范围，无法成像；而且即使在视场范围内，由于赤道面四孔的位置与上下CCD成90°的角度，因而上下CCD 也无法观测到这四个注入孔。而此时，靶的上下注入孔已经完成高精度束靶耦合，实验靶绝对不能移动。

如图2和图3所示，以后注入孔为例进行说明，首先将束靶耦合传感器在x-y二维平面内平移，使赤道端盖上下交点在上CCD图像16和下CCD图像25的像点进入图像的公共中心点(实际弹着点)附近，同时用监视仪Ⅰ28监视仪Ⅱ30实时观测束靶耦合传感器32上的三维空间位置和三维角度姿态，由并行六自由度机器人31对束靶耦合传感器32进行调整，保证姿态不变；

接着束靶耦合传感器的上CCD成像系统可以对柱面经度刻线与后端盖十字刻线竖线的交点13清楚成像，因而后注入孔中心的位置在x-y二维平面上可以近似由交点13来替代，即交点13在x-y二维平面上的投影与相应的注入孔中心重合。实际上由于此时注入孔中心存在两个方面的误差来源，一是孔中心不在x-y二维平面上，偏差Δh，这个值需要通过离线靶参数测试平台测出来；二是端盖上的竖直刻线与x-y二维平面有一个夹角θ，如图2所示，夹角θ是由赤道孔端面及刻线绕x轴与y轴角度偏斜角叠加的总和，赤道端盖上下交点在上CCD图像16和下CCD图像25的像点都会偏离图像上的公共中心点(实际弹着点)坐标(x1，y1)和(x2，y2)，

调整靶耦合传感器的位置和姿态，使两者满足如下关系式：

其中ρ₁为上成像系统的放大倍率；ρ₂为下成像系统的放大倍率

当满足上式时，说明赤道端盖上下交点关于在赤道面(共轭面)孔心对称分布，孔心在上CCD图像16和下CCD图像25的像点正好是图像的坐标中心点(设定为弹着点)，即将看不见的注入孔心通过几何成像对称关系，折算到上CCD图像16和下CCD图像25上，即对角度进行了精确修正。

束靶耦合传感器的中侧两个CCD可以看见赤道面上的三个注入孔，后孔无法看见，虽然无法用它来进行光束引导，但是必须用它来完成共轭位置的确定，决定上下两个CCD成像系统的开合量，所以误差来源之一的是孔中心不在x-y二维平面上，偏差Δh，这个值需要通过离线测出，在线复位，将孔中心复位到共轭面上，即对高度修了精确进行。

在完成角度修正后，设定弹着点；然后进行高度修正，将上下CCD成像系统开合到修正后的高度，将激光光束聚焦引导到设定的弹着点位置，实现高精度束靶耦合。赤道面其余三个孔的高精度束靶耦合方法与后注入孔相同。

步骤四、打靶临前准备：当六个注入孔均完成高精度束靶耦合后，在打靶前将进行靶瞄系统临前保护，就是把通过运输机构将束靶耦合传感器32收回到束靶耦合传感器支撑调整架29后端的保护仓内，同时把监视仪Ⅰ28监视仪Ⅱ30前端的关闭，避免杂散激光射入监视仪，打坏监视系统。

步骤五、打靶后处理：当正式激光打靶完成后，仍然通过运送机构将物理实验多端注入靶36收回到靶支撑调整架34后端的靶库进行卸靶和换靶，为下一发打靶做准备；第二支撑调整架34与真空靶室之间有一个真空闸大板阀，关闭大闸板阀之后，可以对换靶仓放大气，然后打开舱门进行人工装卸靶操作，完成后密封舱门；由靶仓真空小机组抽真空到与靶室真空度相同，关闭靶仓真空小机组，打开真空闸大板阀，靶仓和真空靶室连通，可以准备将新靶送入靶室中心打靶位置。

在另一种实施例中，如图4所示，所述物理实验靶为立方体腔靶，六孔立方体腔多端注入靶每个面上均有一个激光注入孔，分别是上注入孔41、下注入孔38、左注入孔39、右注入孔42、前注入孔40、后注入孔37。每个面上的激光注入孔的孔心与十字刻线的中心重合，左注入孔39、右注入孔42、前注入孔40、后注入孔37的孔心确定一个基准平面，即赤道面，四个端盖的端面与赤道面成90°，后面由一根靶杆44支撑，靶杆的轴线和在赤道面内，靶杆的轴线与后端盖的注入孔的法线成一定角度。本实施例中除了支撑由立方体腔替代了球腔，其余经纬度刻线、瞄靶系统组成和原理、工作流程与球形实验靶的相同，这里不再重复叙述。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种多端注入靶，其特征在于，所述多端注入靶上均匀设置有多个端盖；多个所述端盖上均设置有十字刻线和注入孔，所述注入孔的孔心与十字刻线的中心重合；多个所述端盖的十字刻线的连线在物理实验靶的表面形成三个环线，即左右经线、赤道纬度刻线和前后经线；

靶杆，其与所述多端注入靶的靶体连接，所述靶杆的轴线位于多个所述端盖中心孔构成的赤道面内并与其接近的端盖的中心孔的法线成一定角度。

2.如权利要求1所述的多端注入靶，其特征在于，所述多端注入靶为球腔靶，其中多个端盖包括XYZ三维对称均匀分布设置在球腔靶六面的上端盖、下端盖、左端盖、右端盖、前端盖和后端盖，同时在对应端盖上设置有上注入孔、下注入孔、左注入孔、右注入孔、前注入孔和后注入孔；所述上下孔、左右孔、前后孔在XYZ三维坐标系中成空间对称分布。

3.如权利要求2所述的多端注入靶，其特征在于，所述物理实验靶为立方体腔多端注入靶。

4.一种具有权利要求2所述的多端注入靶的束靶耦合瞄准定位系统，其特征在于，包括：

真空靶室，其赤道面的环线的法兰上设置有束靶耦合传感器和多端注入靶；所述束靶耦合传感器通过第一支撑调整架设置在真空靶室上；所述物理实验靶通过第二支撑调整架设置在真空靶室上；所述第一支撑调整架和第二支撑调整架的轴线在一条直线上；

位于真空靶室上的监视仪Ⅰ和监视仪Ⅱ成90°角度，其对称分布在第一支撑调整架的两侧。

5.如权利要求4所述的具有多端注入靶的束靶耦合瞄准定位系统，其特征在于，所述束靶耦合传感器安装在第一调整架前端的第一并行六自由度机器人上；所述物理实验靶安装在第二支撑调整架前端的第二并行六自由度机器人的靶杆座上。