本发明专利技术公开的激光共焦核聚变靶丸形态性能参数综合测量方法与装置，属于共焦显微成像、光谱探测及激光惯性约束核聚变技术领域。本发明专利技术将激光共焦技术与拉曼光谱探测技术结合，利用激光共焦技术对激光聚变靶丸的内、外表面进行精密层析定焦，利用拉曼光谱探测技术对靶丸壳层和界面进行光谱激发探测，并进一步通过正交回转驱动技术对靶丸进行三维回转驱动获得靶丸的内/外表面三维形态参数和壳层/界面性能分布参数等，实现核聚变靶丸形态性能参数综合测量。本发明专利技术可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。本发明专利技术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。
Comprehensive Measurement Method and Device for Shape and Performance Parameters of Laser Confocal Nuclear Fusion Target
【技术实现步骤摘要】
激光共焦核聚变靶丸形态性能参数综合测量方法与装置
本专利技术属于共焦显微成像、激光惯性约束核聚变及精密光电测量
,将激光共焦技术与拉曼光谱探测技术结合，涉及一种激光共焦核聚变靶丸形态性能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；国际上用于靶丸物理属性参数测量的方法主要有X射线透射法、X射线色谱法、激光质谱法和显微辐照度法等，上述方法主要用于靶丸壳层外外表面或者整体属性参数测量，尚无法测量靶丸壳层内部参数，也无法对靶丸物理属性参数分布进行精确测量。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形态和性能参数测量的需求，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)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；3)几何形态和物理属性参数测量过程分离，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；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，因此如何对靶丸形态和性能参数进行高精度、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，为靶丸形态和性能参数的高精度无损测量提供了思路。拉曼光谱技术通过测量样品散射光谱可获取样品的分子结构和化学键信息，进而解耦表征得到靶丸壳层的组分、掺杂浓度和应力等属性信息，利用激光共焦技术和拉曼光谱融合技术结合科实现靶丸形态性能综合信息探测。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决激光惯性约束核聚变靶丸形态和性能参数高精度综合测量难题，提供一种激光共焦核聚变靶丸形态和性能参数综合测量方法与装置，以期实现靶丸的内/外表面三维形态参数和壳层/界面性能分布参数等，实现核聚变靶丸形态性能参数综合测量。本专利技术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。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术的激光共焦核聚变靶丸形态性能参数综合测量方法，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，利用拉曼光谱探测技术对聚变靶丸壳层和界面进行光谱激发探测，并进一步通过正交回转驱动技术对靶丸进行三维回转驱动获得聚变靶丸的内、外表面三维形态参数和壳层、界面性能分布参数，实现聚变靶丸形态性能参数综合测量。步骤一、光源系统经过准直透镜准直为平行光束，平行光束被分光镜反射后再次被二向色分光镜反射形成反射照明光束，反射照明光束由测量物镜会聚为一点对聚变靶丸进行照明，照明光被聚变靶丸反射并激发产生拉曼光谱，携带聚变靶丸信息的拉曼光谱和反射光束透过测量物镜后形成测量光束，测量光束中拉曼光谱透过二向色分光镜，经过光谱会聚镜会聚后被光谱探测系统接收；测量光束中反射光被二向色分光镜反射，透过分光镜A后进入共焦探测系统，在共焦探测系统中光束经过会聚镜会聚透过位于会聚镜焦点处的针孔，并被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可得到共焦曲线，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；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、当测量物镜的焦点位于聚变靶丸内、外表面或者两者之间的壳层内部时，使计算机采集记录光谱探测系统对探测到的拉曼光谱λR；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；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可以计算得到聚变靶丸的内、外表面物理坐标zi和zo：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和拉曼光谱λRi；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}和拉曼光谱(λRi)j；步骤八、计算机对三维物理坐标点集合{[(zo,zi)i]j}和拉曼光谱(λRi)j进行三维重构和解包裹计算即得内、外表面三维形态参数和壳层、界面性能分布参数，实现核聚变靶丸形态性能参数的综合测量。步骤二所述的共焦曲线可对聚变靶丸的内、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。共焦探测系统中的光强探测可以采用放大镜、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。本专利技术公开的激光共焦核聚变靶丸形态性能参数综合测量装置包括光源系统、沿着光源出射方向放置的分光镜，沿着分光镜反射方向放置的二向色分光镜，沿着二向色分光镜反射方向依次放置的测量物镜，位于分光镜反射方向反方向的共焦探测系统，位于二向色分光镜反射方向反方向依次放置的光谱会聚镜本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.激光共焦核聚变靶丸形态性能参数综合测量方法，其特征在于：利用激光共焦技术对聚变靶丸(13)壳层的内、外表面进行精密层析定焦，利用拉曼光谱探测技术对聚变靶丸(13)壳层和界面进行光谱激发探测，并进一步通过正交回转驱动技术对靶丸进行三维回转驱动获得聚变靶丸(13)的内、外表面三维形态参数和壳层、界面性能分布参数，实现聚变靶丸(13)形态性能参数综合测量，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，平行光束被分光镜(3)反射后再次被二向色分光镜(21)反射形成反射照明光束，反射照明光束由测量物镜(5)会聚为一点对聚变靶丸(13)进行照明，照明光被聚变靶丸(13)反射并激发产生拉曼光谱，携带聚变靶丸(13)信息的拉曼光谱和反射光束透过测量物镜(5)后形成测量光束，测量光束中拉曼光谱透过二向色分光镜(21)，经过光谱会聚镜(22)会聚后被光谱探测系统(23)接收；测量光束中反射光被二向色分光镜(21)反射，透过分光镜A(3)后进入共焦探测系统(6)，在共焦探测系统(6)中光束经过会聚镜(7)会聚透过位于会聚镜(7)焦点处的针孔(9)，并被位于针孔(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；...
【技术特征摘要】
1.激光共焦核聚变靶丸形态性能参数综合测量方法，其特征在于：利用激光共焦技术对聚变靶丸(13)壳层的内、外表面进行精密层析定焦，利用拉曼光谱探测技术对聚变靶丸(13)壳层和界面进行光谱激发探测，并进一步通过正交回转驱动技术对靶丸进行三维回转驱动获得聚变靶丸(13)的内、外表面三维形态参数和壳层、界面性能分布参数，实现聚变靶丸(13)形态性能参数综合测量，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，平行光束被分光镜(3)反射后再次被二向色分光镜(21)反射形成反射照明光束，反射照明光束由测量物镜(5)会聚为一点对聚变靶丸(13)进行照明，照明光被聚变靶丸(13)反射并激发产生拉曼光谱，携带聚变靶丸(13)信息的拉曼光谱和反射光束透过测量物镜(5)后形成测量光束，测量光束中拉曼光谱透过二向色分光镜(21)，经过光谱会聚镜(22)会聚后被光谱探测系统(23)接收；测量光束中反射光被二向色分光镜(21)反射，透过分光镜A(3)后进入共焦探测系统(6)，在共焦探测系统(6)中光束经过会聚镜(7)会聚透过位于会聚镜(7)焦点处的针孔(9)，并被位于针孔(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；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、当测量物镜(5)的焦点位于聚变靶丸(13)内、外表面或者两者之间的壳层内部时，使计算机(16)采集记录光谱探测系统(23)对探测到的拉曼光谱λR；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；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、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、外表面物理坐标zi和zo：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，在聚变靶丸(13)水平圆周上的各个点位置重复步骤一致步骤五，依次获...
【专利技术属性】
技术研发人员：王允，邱丽荣，赵维谦，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11
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