[发明专利]激光聚变靶丸物态信息多轴测量系统

说明书

技术领域

本发明属于惯性约束聚变中激光干涉诊断领域，具体涉及一种激光聚变靶丸物态信息多轴测量系统。

背景技术

原子核之间聚变将产生大量能量，一种比较形象的说法是，一升海水里的氘氚发生核聚变产生的能量相当于300升汽油完全燃烧。因此核聚变可以作为未来能源的获取之源，激光聚变有着清洁、可控的特点，是实现聚变能利用的方法之一。

激光聚变主要通过激光打靶的方式实现，即利用几十甚至几百路激光直接或间接加热靶丸表面，在极短时间内烧蚀驱动靶丸，使靶丸达到聚变需要的温度和密度，燃料在惯性作用下来不及飞散就完成核聚变反应，从而产生巨大能量。在激光打靶过程中，激光对称、等熵压缩靶丸可以使得激光的能量转换效率最高，而对称、等熵的实现则需要对驱动激光的时序和形状进行调整。若能获得烧蚀界面的冲击波速度，则可以反推激光烧蚀靶丸表面的辐射能流分布，进而作为调整烧蚀激光参数的实验依据。

目前常采用基于成像型任意反射面速度干涉仪(Velocity Interferometer System for Any Reflector,简写为VISAR)来测量极端瞬态下的物质运动变化。即使用一探照激光照射极端瞬态下的样品界面，由于光学多普勒效应，反射的激光频率将随界面运动速度变化而变化，然后反射光被分为两支，一支经过标准具延时，一支不经过标准具，最后通过光混频技术，两支光路拍频干涉并成像在记录装置上。通过计算干涉条纹变化，可以实现界面运动状态如冲击波速度、会聚时间等物态信息的诊断。

球形内爆实验是实现激光惯性约束聚变的基础，包括直接驱动和间接驱动，直接驱动是激光直接烧蚀靶丸；间接驱动是激光打在圆柱靶腔上，辐射X射线，由X射线烧蚀靶丸，两者的驱动激光束都是对靶丸进行压缩且都是立体分布的。因此研究激光驱动靶丸辐射流分布、内爆过程、激光烧蚀下球面不对称等问题时，需要知道各个方向的冲击波速度。测量得到的各方向上的冲击波速度也可以用于求解强激波作用冲击材料的状态方程，是激光聚变物理中对材料性能研究、高能量密度物理研究等进行立体分析的重要依据。

对传统的VISAR测量多维尝试已成为现阶段VISAR发展趋势，比较成熟的有Celliers发展的线成像VISAR系统，使用条纹相机成像，可以对测量一条线上冲击波速度，该类VISAR具有高的空间分辨和时间分辨，应用广泛，以其为技术核心，实现了双轴VISAR和X-VISAR；另有面成像VISAR，牺牲一定的时间分辨，使用分幅相机成像，可以实现2维平面成像与测量。两种方式在不同程度上主要针对1维线、2维面的物质运动状态进行诊断，但不能实现三维曲面或立体空间的测量，只能为平面上的物质运动模型提供参数。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种激光聚变靶丸物态信息多轴测量系统，能够实现对球形靶内表面三维空间任意角度的物态信息测量。

其技术方案如下：

一种激光聚变靶丸物态信息多轴测量系统，包括球形靶和诊断光路，所述球形靶包括球形靶丸和端部嵌入该球形靶丸内的锥筒，锥筒嵌入球形靶丸的端部设有反射棱台，该反射棱台具有与探测光源正对的前端面和至少4个沿该反射棱台周向对称分布的反射面，所述前端面上设有探测激光过孔，所述激光过孔和反射面均能够使探测激光垂直入射到球形靶丸内壁上并沿入射光路反射；

诊断光路包括线成像VISAR模块和设置在该线成像VISAR模块后端的混合模块，所述线成像VISAR模块将由球形靶反射的反射光分成两个支路，其中一支路经标准具延时，所述混合模块将每个支路的反射光分成2束，其中一束反射光经旋转后与另一支路未经旋转的一束反射光合束，4束反射光两两合束后分别通过两台狭缝方向相互垂直的条纹相机成像，使两像面上均有两个支路的反射光分布，且两像面上的干涉条纹相互垂直。

棱台结构实现了探测光源对球形靶丸内部不同方位的照明，并通过改装现有VISAR，在继承传统线成像VISAR高时空分辨率的同时，实现了两台条纹相机同时对球形靶内表面三维空间任意角度的物态信息测量。

优选地，所述混合模块包括在每个反射光支路上正对设置的一个分光镜和一个合束镜，每个支路上的分光镜与另一支路上的合束镜之间依次设有第一反射镜、道威棱镜、第二反射镜。该结构能够较为可靠地将实现两支路反射光的分光、交叉旋转及合束。

两台所述条纹相机与合束镜之间各设有一个消色差透镜，以便后续成像。