ICF束靶耦合监测方法及其精度分析

在惯性约束聚变（ICF）实验中,为了实现聚变点火,需将入射激光准确的引导到实验靶的指定位置,即实现高精度的束靶耦合,束靶耦合精度是衡量激光驱动装置的一个重要指标,随着ICF技术的发展,激光驱动装置的单束激光功率越来越高,入射激光光束也越来越多。如何实现高精度、高效率的束靶耦合监测是本文主要研究的内容。本文主要介绍了几种束靶耦合监测方法,包括靶室外直接监测,靶室内直接监测,靶室内基于共轭原理的传感器监测等三种方法,分析了各方法的优缺点,并重点对基于光学共轭原理的传感器的耦合精度进行了研究,分析了图像测量误差,CCD保护玻璃引入的误差,调焦导轨运动时引入误差及传感器标定装校时引入的误差。经过实验测试及精度分析,共轭式传感器引入的束靶耦合误差为±10m。采用这种基于光学共轭的原理的传感器,可以实现大型激光驱动装置的快速、高精度束靶耦合。     

惯性约束聚变靶丸高精度X射线数字成像

为了实现惯性约束聚变(ICF)靶丸几何尺寸的高精度、高效率检测,开展了靶丸X射线数字化成像系统的设计与研制。首先,分析了X射线直接投影成像和X射线透镜耦合显微成像的适用范围,根据ICF靶丸尺寸小、吸收衬度弱的特点,确定了基于X射线透镜耦合显微成像的技术路线。然后,分析了影响系统成像分辨率、图像衬度和测量效率的关键因素,确定了低几何放大成像,低电压、小焦点、高功率X射线源及高分辨CCD探测的总体技术方案,该方案能够有效抑制相衬效应和半影误差,解决了现有X射线数字成像设备测量靶丸时边缘扩展严重、尺寸测量误差大的问题。最后,对系统的性能进行了分析测试,实验结果表明,系统成像衬度良好,成像效率较高,分辨率优于0.5μm。靶丸几何尺寸的测量不确定度可达0.9μm(k=2),满足ICF靶丸几何尺寸高精度、高效率的检测需求。     

用于惯性约束聚变靶丸测量的激光差动共焦传感器

针对目前原子力显微镜等方法只能测量激光惯性约束核聚变(ICF)靶丸外表面等难题,研制了高精度、非接触、小型化的激光差动共焦传感器(LDCS).该传感器基于差动共焦原理,利用激光差动共焦轴向响应曲线的零点对靶丸内外表面和球心分别进行定位,并结合物镜微位移驱动技术,实现靶丸内外表面和壳层厚度的高精度测量.该方法减少了靶丸表面的反射率、倾斜等因素对测量瞄准特性的影响,显著提高了系统的抗干扰能力.将传统的显微成像与差动共焦测量光路进行有机融合,实现了对被测样品的精确瞄准.初步实验与理论分析表明:当测量物镜的数值孔径NA为0.65时,LDCS的轴向分辨力优于5 nm,信噪比优于1 160,过零点的标准偏差为10 nm.该传感器为激光惯性约束核聚变靶丸测量提供了一种新的技术途径.     

惯性约束聚变装置总体布局和结构设计

从工程角度系统分析了大型激光驱动惯性约束聚变装置(ICF)—美国的国家点火装置(NIF)和法国在建的兆焦耳激光装置(LMJ)的总体布局和总体结构设计的特点.NIF采用“U”型总体布局,可以提供优化的激光实验设备布局并允许未来增加第二靶室.LMJ采用“In-line”型总体布局,可以减小激光实验区输出光束至终端光学系统之间的光程,并为未来增加第二靶室提供了可能.文中指出,ICF装置的总体布局应满足物理实验以及稳定运行、集成和维护的要求.在此前提下,还应设计进一步发展所需要的接口.ICF装置总体结构设计中,光学元器件封装在光机组件内;在线可更换单元采用运动学支承定位.总体结构设计在结构布局和构型上应与总体光路设计相匹配,设计时需考虑功能性、稳定性和洁净度,满足光学元件,物理设备和光学诊断设备的安装定位、集成调试、运行维护的要求.     

基于图像拼接的惯性约束聚变终端光学元件在线检测

针对惯性约束聚变(ICF)终端光学元件的高精度在线检测,提出了一种基于图像拼接的检测方法。该方法主要包含图像配准及图像融合两个部分。在图像配准部分,采用基于局部损伤点特征匹配的方法来解决在线检测图像中信息过少,以及子图像间存在曝光差异的问题,并将检测系统的运动信息应用到配准过程中,提高了检测精度及效率。在图像融合部分,采用泊松融合的方法来消除曝光不均匀所产生的"拼接线",实现了检测图像的"无缝拼接"。用本文算法与尺度不变特征变换(SIFT)算法对ICF终端光学元件在线检测(Final Optics Online Inspection,FOOI)图像进行了实验对比,结果表明,本文提出的图像配准方法优于SIFT算法。通过4×4方式得到的拼接图像显示,本文方法可以大幅度提高ICF系统中FOOI装置的检测分辨率。     

惯性约束聚变装置真空靶室组件结构稳定性优化设计

真空靶室组件的结构稳定性对惯性约束聚变(ICF)装置的束靶耦合精度有重要影响,本文对真空靶室组件的结构稳定性进行优化设计。首先研究真空靶室组件的动态特性,求解其固有频率和振型;其次,分析支墩不同结构参数对真空靶室组件前三阶固有频率的影响,并由此建立结构参数影响固有频率的数学模型;最后,进行真空靶室组件的结构稳定性设计优化,求解真空靶室组件的最优结构。结果表明,优化后真空靶室组件的一阶固有频率为14.44Hz,满足ICF装置的设计要求。     

惯性约束聚变激光驱动装置用光学元器件的研究进展

介绍了为提高惯性约束聚变(ICF)激光驱动装置的光束质量和输出功率,我国在神光系列激光装置的建设、运行和性能提升方面开展的工作。综述了我国近年来ICF激光装置用光学元器件的重要研究进展。文中涉及了高纯金属铪和磷酸二氢钾(KDP)等原材料的制备和四大主材(钕玻璃、高纯度KDP、熔石英和KDP/高掺氘KDP(KDP/DKDP晶体)的熔炼、加工和生长。描述了元器件的冷加工(针对钕玻璃、白玻璃、KDP晶体)技术和镀膜技术(针对介质膜和化学膜)。最后,给出了针对大口径光学元件工序检及终检开展的多项关键检测技术。文中介绍的关键技术与工艺满足了绝大部分光学元器件的需求,显著提升了光学元器件的研发和生产能力。     

激光聚变靶丸内表面轮廓测量系统的研制

针对激光聚变靶丸内表面轮廓高精度无损测量的迫切需求,研制了一套激光聚变靶丸内表面轮廓测量系统。该系统通过最小二乘算法(LSC)计算出靶丸回转偏心量,并利用偏心调整台对靶丸偏心进行自动快速调整;然后,系统软件控制气浮回转轴承驱动靶丸旋转,利用激光差动共焦传感器(LDCS)轴向响应曲线过零点及光线追迹算法精确计算出靶丸内表面轮廓上每个采样点的几何位置;最后,对靶丸内轮廓测量数据进行LSC评定得到其圆度信息。实验证明,靶丸回转偏心的自动调整时间可达22s,当采样点分别为1 024,2 048及4 096时,靶丸内轮廓测量时间分别可达10,20及40s,且圆度测量标准差可达19nm(1 024点)。该系统实现了靶丸回转偏心的自动快速调整及其内轮廓的高精度、无损、快速、自动测量。     

单基片多次曝光实现光栅拼接的理论分析

为减少光栅拼接过程中需要控制的物理量,提出了一种利用单基片多次曝光实现光栅拼接的理论方案。这种拼接方法不但降低了光栅拼接难度,而且还避免了拼接完成后小光栅间的相对移动。对该方案的原理进行了分析,并模拟计算了两块光栅在面内的拼缝和转动对远场光斑特性的影响,获得了无像差情况下光栅拼接的精度。     

惯性传感器性能分析及检测装置研究

介绍了惯性传感器的结构特点和工作原理,分析了惯性传感器的主要性能。在此基础上,设计了偏心曲柄式检测装置和伺服式自动检测装置共两种惯性传感器检测装置。对这两种惯性传感器检测装置的结构进行了介绍,对原理进行了分析,并从检测精度、系统性、操纵性、噪声等方面进行了对比。     

High precision optical fiber alignment using tube laser bending

In this paper, we present a method to align optical fibers within 0.2 μm of the optimal position, using tube laser bending and in situ measuring of the coupling efficiency. For near-UV wavelengths, passive alignment of the fibers with respect to the waveguides on photonic integrated circuit chips does not suffice. In prior research, it was shown that permanent position adjustments to an optical fiber by tube laser bending meets the accuracy requirements for this application. This iterative alignment can be done after any assembly steps. A method was developed previously that selects the optimal laser power and laser spot position on the tube, to minimize the number of iterations required to reach the target position. In this paper, that method is extended to the case where the absolute position of the fiber tip cannot be measured. By exploiting the thermal expansion motion at a relatively low laser power, the fiber tip can be moved without permanent deformation (only elastic strain) of the tube. An algorithm has been developed to search for the optimal fiber position, by actively measuring and maximizing the coupling efficiency. This search is performed before each bending step. Experiments have shown that it is possible to align the fiber with an accuracy of 0.2 μm using this approach.     

基于激光莫尔信号精密定位装置的精度提高

为提高基于激光莫尔信号精密装置的定位精度 ,本文探讨了激光束束径与激光莫尔信号的依存关系 ,给出了与光栅衍射缝隙条数相对应的最小激光束束径的大小。其次还说明了激光源的光强度变化对精密定位装置的定位精度影响     

ICF靶丸表面形貌检测系统性能分析

基于原子力显微镜与精密的气浮轴系,建立了靶丸表面形貌检测系统。对该系统的各项性能指标进行了评定,研究结果表明,系统的随机噪声误差在10nm量级,轴系的回转精度误差功率谱振幅在10^-2量级,与微球轮廓功率谱幅度相差两个量级以上,系统的稳定性较好,波长为几百纳米以上的局部颗粒能够被精确分辨。     

适用于低精度惯导的非线性对准方法研究

给出了一种适用于低精度惯导的非线性对准模型.用乘性四元数形式定义捷联惯导的姿态误差,推导了捷联惯导的非线性速度误差方程和姿态误差方程.基于速度量测信息,给出了大失准角条件下的非线性对准模型,通过UKF算法估计失准角完成精对准.仿真结果表明,在陀螺精度为0.1°/h的情况下,在360s对准时间内达到水平0.03°,方位1.5°的精度(1σ).即使当方位误差达到90°,非线性模型仍能正常收敛.最后通过转台摇摆试验进一步验证了非线性模型的有效性.     

制造加工精度的检测和监控

介绍了制造加工精度的定义和重要意义,对制造加工精度的检测方法、检测仪器和系统进行了分析讨论。制造加工精度的监控主要讨论统计质量监控,包括大批量生产的median管理图监控,多品种中小批量的单值管理图监控,单品种中小批量的CUSUM管理图监控。     

轴系晃动与动态靶标精度检测

旋转动态靶标是用来检测大型光电经纬仪跟踪精度和动态精度的设备。为了得到旋转动态靶标轴系晃动与精度的关系,利用旋转向量与坐标系变换理论分析轴系晃动对靶标高低角和方位角的具体影响,并对其误差进行分析。由于靶标的动态精度目前还没有设备能够检测,只能根据分析的结果,用自准直仪对静态的轴系晃动进行测量,然后标定静态的精度,验证了静态轴系晃动对靶标的影响与理论计算值一致性很好,然后通过测量靶标动态的轴系晃动来修正靶标的动态精度。     

基于模糊神经网络的精密角度定位PID控制

针对精密角度定位系统存在非线性、时变性,传统PID控制难以获得理想控制效果的问题,提出一种基于模糊神经网络的PID控制方法,将模糊控制、神经网络与PID控制相结合,采用3层前向网络、动态BP算法,利用神经网络的自学习和自适应能力,实时调整网络的权值,改变PID控制器的控制参数,整定出一组适用于控制对象的kp、ki、kd参数,实现精密角度定位PID控制的自适应和智能化。实验结果表明,采用BP神经网络整定的PID控制较传统的PID控制,控制性能有较大的提高,能有效提高定位精度,缩短定位时间。     

基于激光测距的大部件对接方法及误差分析

针对基于大尺寸测量引导的大部件对接模式成本较高,且精度易受温度等环境因素干扰,提出一种新型的基于激光测距的大部件对接方法,并对其误差因素进行综合分析.给出基于激光测距的对接系统组成及基本原理,采用奇异值分解法对部件当前位姿进行解算,运用几何分析法和小旋量模型构建基于激光测距的大部件对接目标位姿解算模型,依据调姿平台运动...     

“高分二号”上相机和星敏感器相对安装姿态的测量

为了精确测量"高分二号"(GF-2)卫星上相机和星敏感器的相对安装姿态,建立了一套高精度自动化测量系统。针对该系统研究了基于多传感器数据融合的高精度测量算法、基于理论安装数据驱动的自动测量模型、以及基于图像识别的立方镜法线搜索算法。该测量系统主要由二维龙门导轨、精密转台和CCD成像辅助准直的自准直经纬仪构成,通过融合精密转台的转动角度、自准直经纬仪的俯仰角和偏航角等数据计算被测设备安装姿态角度。测量时需先对系统进行标定,制定自动测量规划,然后通过电机驱动使设备自动到达预定位置和角度进行测量。若星上设备安装偏差较大导致被测对象超出自准直经纬仪测量范围时,可启动CCD相机对被测对象局部区域进行搜索识别,并引导自准直经纬仪实现精确准直测量。对测量系统进行了实验验证,结果显示:该系统姿态测量精度可以达到5″,与标准值比对最大偏差为4.1″;该测量系统已用于GF-2卫星的相机和星敏器相对姿态测量中,重复标准差最大为3.5″,满足GF-2对机上设备安装姿态测量精度的需求。