СПОСОБ НАВЕДЕНИЯ И ФОКУСИРОВКИ ИЗЛУЧЕНИЯ НА МИШЕНЬ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК G21B1/23 G02B27/16 

Группа изобретений относится к технике лазерного термоядерного синтеза: к способам облучения мишени и многоканальным лазерным системам для его осуществления и может быть использована в работах по созданию высокотемпературной лазерной плазмы.

В настоящее время для реализации термоядерного синтеза известны две основные схемы облучения мишеней: прямого облучения и непрямого. В обеих схемах на внешнюю поверхность капсулы (мишени) падает поток энергии. Внешняя часть оболочки начинает испаряться наружу, при этом на поверхности неиспаренней части оболочки возникает давление. Под действием этого давления внутренняя неиспаренная часть оболочки капсулы сжимает термоядерное горючее до требуемой плотности и нагревает его до необходимой температуры.

В схеме прямого облучения лазерные пучки непосредственно падают на поверхность мишени. При этом целый ряд физических явлений препятствуют сжатию и нагреву термоядерного горючего [1].

В непрямом способе облучения мишень помещают в центр полой сферы с отверстиями, называемой бокс-конвертером. Лазерное излучение поступает в бокс-конвертер через отверстия в нем, концентрируется на внутренней оболочке конвертера и преобразуется в рентгеновское излучение, которое и облучает мишень с горючим. Основным достоинством этого способа (подхода) является возможность однородного облучения термоядерной мишени (капсулы с горючим) равновесным изотропным рентгеновским излучением.

Используемые термины.

МИШЕННАЯ КАМЕРА - МК. Мишенная камера - это сфера диаметром 10 м, толщиной 10 см, выполненная из алюминиевого сплава. В центре МК устанавливают БК с термоядерной мишенью. Для выполнения исследований МК вакуумируют до давления порядка 10^-4 мм рт.ст.

БОКС-КОНВЕРТЕР - БК. Бокс-конвертер - оболочка в виде полой сферы диаметром около 10 мм. БК изготовляют из меди или пластика толщиной 10-20 мкм. Внутренняя поверхность его покрыта слоем металла (золото и др.) толщиной 1-5 мкм. В конвертере сделаны отверстия диаметром около 1 мм для ввода лазерного излучения. Отверстия располагают в соответствии с принятой на лазерных установках геометрией сведения лазерных пучков.

ИМИТАТОР МИШЕНИ - ИМ. ИМ представляет собой модель (шаблон) бокс-конвертера и выполнен в виде кубика. В центре каждой грани кубика сделано отверстие. Размер кубика, положение и размер отверстий на его гранях повторяют соответствующие параметры БК. Геометрическая форма ИМ выбрана с учетом геометрии расположения лазерных пучков вокруг МК: например, 192 лазерных пучка разделены на 6 групп по 32 лазерных пучка в каждой. Группы размещены вокруг МК в кубической симметрии: ось каждой группы совпадает с нормалью к грани кубика.

ФОКАЛЬНОЕ ПЯТНО. Фокальное пятно представляет собой микроплощадку в фокальной плоскости объектива, через которую проходит поток энергии плоской световой волны.

МИШЕНЬ. Мишень представляет собой пластиковую сферическую капсулу диаметром (1-1,5) мм и толщиной стенки 30 мкм. На внутреннюю поверхность оболочки наморожен слой термоядерного горючего: дейтерий-тритиевой смеси (DT-льда) толщиной около 25 мкм. Для предотвращения испарения слоя мишень содержат при низких (криогенных) температурах, поэтому такую мишень называют также криогенной мишенью.

Техника и технология лазерного термоядерного синтеза разрабатывается более 50 лет. Работы в этой области получили значительный импульс в последние 20 лет в связи с созданием 192-канальной лазерной установки NIF (США) [2].

Лазерные каналы на установке NIF собраны в две группы. Половина каналов сконцентрирована симметрично вокруг северного полюса МК, другая половина - вокруг южного. Способ основан на цилиндрической симметрии непрямого облучения мишени. Конструкция БК отражает симметрию расположения каналов и представляет собой цилиндр (высотой порядка 1 см) с двумя отверстиями на торцах. По этому способу устанавливают датчик контроля БК вблизи центра МК, совмещая его оптическую ось с осью, проходящей через полюса МК, а его центр с центром МК. Выполняют наведение и фокусировку лазерных пучков в две точки, лежащие на оси датчика и сопряженные с центрами двух отверстий БК. Затем вводят БК в рабочую зону датчика, освещают БК и, контролируя по датчику, совмещают центр БК с центром датчика, а ось БК с осью датчика. Контроль осуществляют по оптическому изображению, формируемому оптической системой датчика.

Основной недостаток данного подхода в том, что он применим только для случая цилиндрической симметрии облучения мишени. При этом, как показали эксперименты, полученная однородность облучения мишени ниже расчетной и недостаточна для эффективного сжатия мишени. Другой недостаток способа в том, что для формирования изображения необходимо освещать (т.е. нагревать) БК с криогенной мишенью.

Способ наведения и фокусировки, применяемый на 176-пучковой лазерной установке LMJ (Франция) [3], свободен от ограничений цилиндрической симметрии.

По данному способу фокусируют лазерные пучки в центре МК, контролируя процесс с помощью датчиков, выполненных в виде телемикроскопов. Вводят БК в центр МК и, освещая БК, формируют в датчиках его теневое изображение (профиль). Затем перемещают и ориентируют БК, минимизируя расстояния между полученным профилем БК и профилем, программно рассчитанным для съюстированного состояния БК, введенным в каждый датчик. Затем программно рассчитывают и вносят поправки в фокусирующую систему, для совмещения фокальных пятен с отверстиями в БК.

Недостатком известных технических решений является сложность их исполнения, необходимость проводить сложную калибровку датчиков в процессе реализации; погрешность при выполнении юстировки БК (перемещение и угловая ориентация); это вызвано, технологическими ограничениями при изготовлении крупногабаритных объективов телемикроскопов (диаметр световой 0,3-0,5 м; расстояние до объекта 7-8 м, при точности контроля 20-25 мкм); отсутствие визуального контроля положения фокальных пятен лазеров относительно отверстий в БК.

К недостаткам следует отнести также освещение (т.е. нагрев) БК с криогенной мишенью в процессе выполнения способа.

В качестве прототипа по большинству существенных признаков нами выбрана группа изобретений: способ наведения излучения многоканального лазера в заданные точки мишени и устройство для его осуществления (Пат. РФ №2601505, МПК G02B 27/16, G21B 1/23, приор. 07.09.2015).

Способ включает монтажную юстировку, при которой направляют ось источника настроечного излучения по оси рабочего лазерного пучка, предварительную юстировку, при которой устанавливают имитатор центра МК вблизи центра МК, принимают центр имитатора за центр МК, настройку датчиков на центр МК, запоминают положение центра МК, фиксируя датчиками, оперативную юстировку, производимую непосредственно перед каждым облучением мишени рабочими пучками, при которой повторно производят ввод-вывод имитатора центра МК, точную настройку датчиков на центр МК, ввод ИМ в центр МК, юстировку ИМ, контролируя его угловые и линейные координаты по датчикам, наведение лазерных настроечных пучков в заданные точки ИМ, замену ИМ на БК, освещение БК и формирование (в датчиках) теневого изображения БК, юстировку БК путем минимизации отклонения теневых изображений БК от его расчетного положения, выполненного для отъюстированного состояния БК.

В таком способе, при известных достоинствах, таких как отсутствие ограничения на геометрию сведения лазерных пучков, обеспечение визуального контроля наведения и фокусировки лазерных пучков в центры отверстий, существуют недостатки: низкая точность при выполнении наведения и фокусировки лазерных пучков вследствие невысокого качества изображения юстируемых объектов, вызванного потерями энергии настроечного излучения, снижение качества криогенной мишени вследствие освещения (нагрева) БК в процессе юстировки, приводящего к испарению криогенного слоя, ограничивающего сжатие и нагрев термоядерного горючего - основных параметров, характеризующих эффективность термоядерного синтеза, функциональная ограниченность вследствие малых допустимых размеров мишени в БК.

Устройство включает мощный многоканальный рабочий лазер, в каждом канале которого в переднем фокусе выходной линзы пространственного фильтра размещен с возможностью ввода-вывода с оптической оси настроечный источник, геометрические параметры излучения которого согласованы с геометрическими параметрами излучения мощного лазера, многозеркальную систему сведения, служащую для направления каждого лазерного пучка к центру мишенной камеры, финальный оптический модуль с фокусирующей линзой по каждому каналу, имитатор центра мишенной камеры, имитатор мишени и бокс-конвертер с криогенной мишенью, снабженные манипуляторами и укрепленные каждый на своем позиционере, размещенном на мишенной камере и выполненном с возможностью перемещения по радиусу мишенной камеры, закрепленные на мишенной камере датчики центра мишенной камеры для контроля установки в центр мишенной камеры имитатора мишени и бокс-конвертера с криогенной мишенью и для контроля наведения и фокусировки настроечного излучения в заданные точки имитатора мишени и устройства освещения имитатора мишени и бокс-конвертера.

Недостатками данного устройства являются: низкая точность, связанная с использованием рассеивающего имитатора мишени, который ограничивает долю энергии фокального пятна, поступающей в датчик, небольшая величина телесного угла, который занимает на МК объектив телемикроскопа, вследствие его значительного удаления от наблюдаемого микрообъекта, приводящая также к снижению доли энергии фокального пятна, поступившей в датчик, большие размеры объектива телемикроскопа для обеспечения необходимой разрешающей способности, приводящие к большой массе и габаритам датчика, сложности в изготовлении, настройке и использовании.

Способ и устройство функционируют следующим образом.

Настроечный источник используется для формирования пучка лазерного излучения, согласованного по направлению и по геометрическим параметрам (световая зона пучка, угол расходимости излучения) с излучением мощного лазера. Согласование пучков позволяет выполнить наведение и фокусировку излучения мощного лазера в заданные точки бокс-конвертера, используя маломощный настроечный лазер непрерывного излучения. Для формирования согласованного настроечного пучка размещают настроечный источник в переднем фокусе выходной линзы пространственного фильтра в каждом канале мощного лазера. Пространственный фильтр является оконечным элементом мощного лазера и представляет собой оптическую систему из двух линз, софокусно установленных по оптической оси мощного лазера. Настроечный источник установлен на манипуляторе, с помощью которого излучение направляют по оси рабочего пучка для выполнения наведения и фокусировки. Затем, после выполнения этой функции, настроечный источник смещают манипулятором с оптической оси, чтобы источник не экранировал световую зону при работе мощного лазера.

Многозеркальная система сведения служит для направления каждого лазерного пучка к центру мишенной камеры. Как правило, последнее зеркало системы сведения используют для выполнения функции наведения, то есть совмещения оси настроечного пучка с заданной точкой на ИМ. Важным параметром многозеркальной системы сведения является коэффициент пропускания излучения настроечного источника. Его величина для мощных лазеров, как правило, не превышает 10^-7.

Это вызвано следующими причинами. Мощные лазеры для термоядерного синтеза генерируют излучение на длине волны λ=1,06 мкм. При этом в рентгеновское излучение более эффективно преобразуется вторая гармоника излучения с λ=0,53 мкм. В устройстве-прототипе традиционно применяют настроечный источник, спектрально согласованный по длине волны со второй гармоникой, в которую преобразуют излучение основной гармоники с помощью нелинейного кристалла, обычно устанавливаемого перед последним зеркалом системы транспортировки. Зеркала системы транспортировки, предшествующие кристаллу (3 или 4 зеркала), имеют малый коэффициент отражения для гармоники (0,3-0,5) %, чтобы защитить рабочий лазер от рассеянного во время рабочей вспышки излучения гармоники. Вследствие этого суммарный коэффициент пропускания системы транспортировки для излучения второй гармоники не превышает 10^-7 от световой энергии настроечного источника.

Финальный оптический модуль содержит в качестве основного элемента фокусирующую линзу по каждому каналу лазера. Перемещением линзы вдоль оптической оси осуществляют фокусировку лазерного пучка в заданную точку вблизи центра МК. Финальный оптический модуль укрепляют на фланце МК на этапе монтажной юстировки.

Имитатор центра мишенной камеры служит для физического указания центра мишенной камеры: при вводе имитатора центра позиционером в штатное положение, принимают центр имитатора за центр МК.

Датчики центра мишенной камеры выполняют основную контрольно-измерительную функцию в процессе наведения и фокусировки и служат для фиксации и сохранения координат центра МК, контроля юстировки объектов, помещаемых вблизи центра МК, наведения и фокусировки пучков настроечного лазера в заданные точки на ИМ. Датчики прототипа (6 штук) укреплены на фланцах вне МК, имеют значительные габариты: 0,5×0,5×2 м³. Оптическая схема датчика выполнена на основе телемикроскопа: часть оптической схемы датчика выполняет функцию зрительной трубы (телескопа) и применяется для контроля установки в центр МК имитатора мишени и бокс-конвертера. Точность контроля при этом примерно (0,5-1) мм. Другая часть оптической схемы выполняет функцию микроскопа и служит для контроля наведения и фокусировки излучения настроечных лазеров в заданные точки на ИМ, а также юстировки БК по теневым изображениям. Точность контроля при этом примерно 20-25 мкм. Объединение обеих функций в одном устройстве и расположение датчиков вне мишенной камеры определило конструктивный облик датчика: большие массо-габаритные параметры, большой световой диаметр многолинзового объектива телемикроскопа (более 300 мм).

В состав каждого датчика входит также фотоприемник, на базе светочувствительной матрицы.

Позиционеры, размещенные на мишенной камере, укрепленные на ее фланцах, служат для перемещения по радиусу мишенной камеры различных устройств при их вводе в центр мишенной камеры, а также при выводе после выполнения этими устройствами их функционального назначения. Такими устройствами, являются: имитатор центра мишенной камеры, имитатор мишени, бокс-конвертер с криогенной мишенью, другие устройства, предназначенные, в частности для настройки диагностического оборудования. Каждое из устройств снабжается манипулятором для выполнения юстировки относительно осей датчиков и крепится на своем позиционере.

Устройства освещения имитатора мишени и бокс-конвертера входят в состав датчиков центра мишенной камеры в качестве одной из трех частей оптической схемы датчиков. Датчики расположены парами напротив друг друга. Включение осветителя одного из датчиков позволяет, в частности, получить в противоположном датчике теневое изображение объекта, размещенного в центре МК.

Наведение и фокусировку излучения на мишень выполняют на этапе оперативной юстировки.

На этом этапе так же, как и на этапе предварительной, выполняют настройку датчиков на центр МК. Это вызвано тем, что, ввод каждого объекта в центр МК, осуществляют с помощью отдельного позиционера, предназначенного только для данного объекта. Непосредственная механическая связь позиционеров отсутствует. Эта связь осуществляется только тем, что все позиционеры укреплены на МК. При этом с течением времени вследствие неконтролируемых случайных процессов происходят небольшие деформации МК, приводящие к отклонению датчиков от центра МК [4]. Это отклонение невелико (доли миллиметра), однако для достижения требуемой точности установки мишени (20-25 мкм), датчики заново настраивают на центр МК. Положение датчиков фиксируют и запоминают.

Затем вводят ИМ в центр МК с помощью позиционера. Контролируя по датчикам, юстируют ИМ, совмещая центр ИМ с центром МК и ориентируя оси ИМ (нормали к граням кубика) по осям датчиков. Юстировку выполняют с помощью манипулятора, которым снабжен ИМ.

Операция наведения лазерных пучков заключается в том, что ось каждого настроечного лазерного пучка наводят на центр отверстия в ИМ с помощью зеркал системы сведения, и фокусируют каждый пучок в плоскости отверстия, перемещая фокусирующий объектив финального оптического модуля вдоль оптической оси. Сфокусированный лазерный пучок имеет размер около 20 мкм, и его в оптической литературе, как правило, называют фокальным пятном.

Контроль наведения и фокусировки выполняют следующим образом. С помощью телемикроскопа, входящего в состав датчика, формируют на фотоприемнике, входящем в состав каждого датчика, оптическое изображение соответствующей грани ИМ и фокальных пятен на ней. В прототипе визуализация фокальных пятен выполнена за счет рассеянного от ИМ излучения. Для этого центральная часть каждой грани ИМ, содержащая отверстие, выполнена в виде матовой (шероховатой) площадки. Контроль фокусировки производят по размеру изображения фокального пятна, а наведения по его положению относительно центра отверстия.

Вследствие использования в прототипе рассеивающего ИМ доля энергии, которая поступает в объектив телемикроскопа и используется для формирования изображения на фотоприемнике датчика, не превышает (Ω/2π)=10^-4 от энергии фокального пятна (Ω - телесный угол, который занимает на МК объектив телемикроскопа). С учетом коэффициента пропускания многозеркальной системы сведения общие потери энергии настроечного излучения при формировании изображения, по которому проводят контроль юстировок, составляют порядка 10¹² крат.

Как известно [5], размер d разрешаемого элемента объектов малой освещенности с положительным контрастом (светлый объект на темном фоне) определяется формулой:

где К - контраст изображения;

q - отношение сигнал-шум (≈5-6);

d - размер разрешаемого элемента, м;

С- коэффициент ≈ 10^-14, лм^-1;

А - освещенность объекта (фокального пятна), лк.

Большие потери энергии ограничивают освещенность, а следовательно контраст и отношение сигнал/шум в изображениях фокальных пятен, по которым контролируется процесс наведения и фокусировки, при этом снижается точность наведения и фокусировки и является основным источником погрешности.

После выполнения операции наведения и фокусировки ИМ выводят позиционером из центра МК.

В центр МК вводят БК. Юстируют БК. Юстировку выполняют следующим образом. Включают осветитель в каждой из трех пар датчиков. На фотоприемнике противоположного датчика формируют теневое изображение БК. Наклонами и линейными перемещениями манипулятора, которым снабжен БК, минимизируют отклонения теневых изображений БК от его расчетного положения, выполненного для отъюстированного состояния. Для этого заранее программно визуализируют на экране монитора изображение БК в отъюстированном положении. При этом поскольку БК и ИМ имеют одинаковые основные геометрические параметры, то лазерные пучки, сфокусированные в плоскости отверстия ИМ, попадут в соответствующие отверстия БК. Такой результат реализуют за счет точности юстировки БК, которая в этом процессе составляет 20-25 мкм и которая должна обеспечиваться телемикроскопом.

Нами в процессе расчетно-экспериментальных исследований было показано, что при использовании рассеивающего имитатора мишени качество изображения микрообъекта (в частности, сфокусированных пятен) на фотоприемнике заметно падает, что приводит к снижению точности наведения и фокусировки.

Было также установлено, что выполнение ИМ на основе светочувствительных матриц и их программное согласование с трехмерным образом БК позволяет повысить точность наведения и фокусировки лазерных пучков на ИМ за счет разделения функций телемикроскопа, а именно: сохранение функции телескопа за датчиками при выполнении операций с невысокой точностью и возможности выполнения функции микроскопа имитатором мишени при контроле операций с высокой точностью (Подробнее см. на с. 15, Расчетные и экспериментальные данные, подтверждающие получение положительного эффекта в заявленной группе изобретений).

Предлагаемое нами формирование общей координатной базы для ИМ и БК позволило также упростить процесс и осуществить его, не облучая (не нагревая) криогенную мишень настроечным излучением.

Техническим эффектом заявляемой группы изобретений является повышение точности наведения и фокусировки излучения многоканального лазера на мишень непрямого облучения, расширение диапазона размеров облучаемой мишени, снижение габаритов установки, реализующей способ.

Такой технический эффект получен нами, когда

- в способе наведения и фокусировки излучения на мишень, включающем монтажную юстировку, при которой направляют ось источника настроечного излучения по оси рабочего лазерного пучка, предварительную юстировку, при которой устанавливают имитатор центра МК вблизи центра МК, принимают центр имитатора за центр МК, настраивают датчики на центр МК, запоминают положение центра МК, фиксируя датчиками, оперативную юстировку, производимую непосредственно перед каждым облучением мишени рабочими пучками, при которой повторно производят ввод-вывод имитатора центра МК, точную настройку датчиков на центр МК, ввод ИМ в центр МК, юстировку ИМ, контролируя его угловые и линейные координаты по датчикам, наведение настроечных пучков в заданные точки ИМ, замену ИМ на БК, новым является то, что на этапе предварительной юстировки ИМ и БК устанавливают вне мишенной камеры на общую платформу с возможностью угловых наклонов и линейных перемещений, взаимно согласовывают линейные и угловые координаты ИМ и БК, запоминают координаты ИМ и БК, программно связывают ИМ с электронной 3D-моделью БК и сохраняют образ, связанный с ИМ в компьютере, на этапе оперативной юстировки вводят в центр МК имитатор мишени, осуществляют юстировку ИМ, перемещая платформу и контролируя процесс по датчикам, осуществляют наведение и фокусировку настроечных пучков в заданные точки ИМ, управляя общим основанием и контролируя процесс по положению фокальных пятен, сформированных на электронных изображениях БК, выводят ИМ манипулятором путем перемещения ИМ по общему основанию при сохранении положения общего основания, вводят БК манипулятором путем перемещения его по общему основанию, устанавливая БК на место ИМ по сохраненным на этапе предварительной юстировки линейным и угловым координатам взаимного положения БК и ИМ;

- в устройстве наведения и фокусировки излучения на мишень, включающем мощный многоканальный рабочий лазер, в каждом канале которого в переднем фокусе выходной линзы пространственного фильтра размещен с возможностью ввода-вывода с оптической оси настроечный источник, геометрические параметры излучения которого согласованы с геометрическими параметрами излучения мощного лазера, многозеркальную систему сведения, служащую для направления каждого лазерного пучка к центру мишенной камеры, финальный оптический модуль с фокусирующей линзой в каждом канале, имитатор центра мишенной камеры, имитатор мишени и бокс-конвертер с криогенной мишенью, снабженные манипуляторами и позиционерами, выполненными с возможностью перемещения по радиусу мишенной камеры, закрепленные на мишенной камере датчики центра мишенной камеры для контроля установки в центр мишенной камеры имитатора мишени, новым является то, что ИМ и БК, согласованные по угловым и линейным координатам, установлены на общей платформе, каждый из них оснащен манипулятором с возможностью угловых и линейных перемещений по общей платформе, управление которой обеспечивают манипулятором общей платформы, грани ИМ выполнены в виде светочувствительных матриц, ИМ выполнен с функцией контроля наведения и фокусировки настроечных пучков в заданные точки ИМ, а датчики центра мишенной камеры выполнены с функцией контроля установки имитатора мишени в центр мишенной камеры.

На фиг. 1 приведена схема устройства (один из шести входящих в устройство микроскопов) для согласования ИМ и БК, где перекрестие 1 на окулярной сетке, визирный канал 2, осветительный канал 3, лазер 4, светоделитель 5, оптическая ось 6, микрообъектив 7, бокс-конвертер 8, манипулятор 9 бокс-конвертера, общая платформа 10, имитатор 11 мишени, манипулятор 12 имитатора мишени, манипулятор 13 общей платформы.

На фиг. 2 приведена схема мишенной камеры с устройствами, необходимыми для выполнения наведения и фокусировки, где манипулятор 9 бокс-конвертера, общая платформа 10, имитатор 11 мишени, манипулятор 12 имитатора мишени, манипулятор 13 общей платформы, позиционер 14 для перемещения общей платформы, датчики 15 и 16 контроля положения ИМ, центр 17 МК, мишенная камера 18, позиционер 19 для перемещения имитатора центра мишенной камеры, имитатор 20 центра мишенной камеры и оптические оси 21 и 22 датчиков.

На фиг. 3 приведен фотоснимок экрана монитора с изображением одной из граней имитатора мишени, где: фокальное пятно 23, изображение отверстия 24 на грани ИМ, мишень 25, видимая в отверстие, проекция 26 отверстия смежной грани ИМ.

Работу группы изобретений приводим на примере работы устройства, осуществляющего способ.

При сборке мишени непрямого облучения создают и сохраняют в электронном виде (в памяти компьютера) трехмерный (3D) образ БК с мишенью внутри, включая все геометрические параметры и особенности (неизбежные погрешности установки мишени в БК) конструкции. Сборку выполняют обычно с помощью сканирующего микроскопа. Подходы к решению этой задачи известны. 3D образ дает возможность, используя программные методы, изобразить на экране монитора конструкцию БК при его произвольной ориентации, а также вид его произвольного сечения.

В предлагаемой группе изобретений грани ИМ выполнены в виде светочувствительных матриц, таких, как например, в минителекамерах CCTV 600TVL CMOS, размером 10×10 мм.

На этапе предварительной юстировки устанавливают ИМ и БК на общую платформу вне мишенной камеры. Затем взаимосвязывают линейные и угловые координаты ИМ и БК с помощью согласующего устройства.

Согласующее устройство основано на оптической схеме инструментального микроскопа [Микроскоп инструментальный ИМЦ 100×50 А], содержащего 2 канала: визирный 2 и осветительный 3 с общей оптической осью 6, проходящей через микрообъектив 7. В качестве источника излучения используют лазер 4. Пучок от лазера направляют по осветительному каналу 3. Пучок поступает на светоделитель 5, и фокусируется на объекте микрообъективом 7. Объект и сфокусированное на нем пятно наблюдают по визирному каналу 2. Центр пятна фиксируют перекрестием 1 на окулярной сетке визирного канала 2. Устройство содержит шесть аналогичных микроскопов, размещенных на едином основании по симметрии куба, соответствующей симметрии БК.

Согласование линейных и угловых координат ИМ и БК с помощью данного устройства состоит в следующем.

В поле зрения согласующего устройства вводят общую платформу 10 с установленными на ней бокс-конвертером 8 на манипуляторе 9 и имитатором 11 мишени на манипуляторе 12. Взаимными перемещениями БК и микроскопов, а также угловыми наклонами БК настраивают визирный канал каждого микроскопа на центр отверстия в БК, напротив которого расположен данный микроскоп. При этом центр каждого отверстия фиксируют перекрестием 1 окулярной сетки микроскопа. В результате перекрестиями сеток микроскопов фиксируют центры соответствующих отверстий БК.

Затем БК его манипулятором выводят из поля зрения микроскопов, запоминая при этом величины и знаки перемещений, например путем отсчета шагов шаговых двигателей манипулятора 9.

Вводят ИМ манипулятором 12 в поле зрения согласующего устройства. Наклонами манипулятора 12 ориентируют грани ИМ по нормалям к оптическим осям микроскопов. Совмещают центры светочувствительных матриц с осями (с перекрестиями сеток) микроскопов. Затем излучение лазера 4 направляют по осветительному каналу 3 каждого микроскопа. Лазерный пучок фокусируется микрообъективом 7 на грани ИМ, таким образом освещая, точку на матрице (пиксел), изображение которой совпадает с перекрестием сетки микроскопа. Эта точка на грани ИМ соответствует центру отверстия в бокс-конвертере. Для краткости будем называть эту точку точкой центра на ИМ. Такие точки центра на ИМ выполняют на каждой из шести граней соответствующим микроскопом, расположенным напротив этой грани. Положение этих точек запоминают в компьютере. На мониторе компьютера, подключенном к матрице, точка центра визуализируется в виде яркой точки. Эти точки, а также координаты ИМ и БК сохраняют в памяти компьютера. Подходы к решению задачи визуализации точек центра и сохранения координат известны. Положение ИМ на общей платформе, при котором осуществляется на гранях определение точек центра, будем называть штатным положением.

Благодаря размещению ИМ и БК на общей платформе, а также согласованию и сохранению их координат, обеспечивается возможность замены ИМ на БК, при которой ИМ выводят из штатного положения, а на его место в штатное положение вводят БК. При этом центр отверстия БК установится на место точки центра, отмеченной на матрице ИМ. Точность такой повторной установки (воспроизводимость положения) не превышает величины одного шага шагового двигателя манипулятора, то есть составляет примерно 2,5 мкм.

Затем программно связывают ИМ с электронной 3D-моделью БК. Для этого вокруг точки центра на ИМ изображают в масштабе (то есть программно рисуют) отверстие, имитирующее отверстие в бокс-конвертере, а также изображают другие элементы конструкции БК: мишень в масштабе, проекции на данную грань боковых отверстий ИМ.

Мишень и отверстия изображают с учетом их реального размера и положения в БК, включая погрешности установки мишени относительно центра бокс-конвертера и разброса в размерах отверстий в бокс-конвертере. Эти особенности получают из электронной 3D-модели БК, определенной на этапе сборки БК и вносят в программу, позволяющую визуализировать грани ИМ со всеми программно включенными в изображение особенностями БК. Изображение грани на мониторе, сформированное таким образом, представляет собой, в сущности, проекцию БК на плоскость светочувствительной матрицы на этой грани.

Таким образом, выполнение ИМ на основе светочувствительных матриц позволяет программно связать образ БК с имитатором мишени, сохранить эту связь в памяти компьютера и визуализировать на мониторе каждую грань ИМ с изображением БК со стороны соответствующего отверстия.

Общую платформу 10 с ИМ 11 и БК 8 укрепляют затем на позиционере 14, предварительно выполнив намораживание на мишень (криогенного) слоя горючего.

Затем на этапе предварительной юстировки настраивают датчики 15 и 16 на центр 17 МК 18. Для этого позиционером 19 вводят имитатор 20 центра МК (например, шарик) вблизи центра МК. Принимают центр имитатора за центр МК. Настройка датчиков 15 и 16 состоит в совмещении центра изображения имитатора в каждом датчике с оптическими осями 21 и 22 датчиков (то есть с перекрестиями окулярных сеток датчиков). Затем датчики фиксируют в этом положении.

Благодаря тому, что в предлагаемом нами способе датчик центра МК выполняет только функцию контроля установки ИМ (размер ИМ ≈10 мм) в центр МК, для которой достаточна точность порядка 0,5 мм, то в устройстве в качестве датчиков стало возможным использовать всего лишь два простых легких малогабаритных автоколлиматора (типа АК-500 со световым диаметром 5 см длиной 50 см от оптической скамьи ОСК-2 или ОСК-3).

Затем, после предварительной юстировки, выполняют оперативную юстировку. Для этого так же, как и на этапе предварительной юстировки, выполняют настройку датчиков 15 и 16 на центр 17 МК 18. Как упоминалось выше, это вызвано тем, что с течением времени, вследствие неконтролируемых случайных процессов происходят небольшие деформации МК, приводящие к отклонению осей датчиков от центра МК.

Далее позиционером 14 вводят в центр 17 МК общую платформу 10 с ИМ 11 и БК 8, при этом ИМ заранее устанавливают на платформе в штатное положение. Перемещениями и наклонами общей платформы 10, которые выполняют манипулятором 13, осуществляют юстировку ИМ 11. Контроль юстировки выполняют датчиками 15 и 16.

Юстировка заключается в совмещении центра ИМ с центром МК и ориентации ИМ (то есть нормалей к граням) по осям датчиков.

Далее выполняют наведение и фокусировку настроечных пучков. Программно на монитор выводят изображение каждой грани ИМ (фиг. 3). Пучок настроечного излучения концентрируют фокусирующей линзой на грани ИМ как фокальное пятно 23.

Процесс наведения лазерных пучков заключается в том, что последним зеркалом многозеркальной системы сведения локализуют пучок на грани ИМ в области изображения отверстия 24, которая не занята мишенью 25 и проекцией 26 отверстия смежной грани ИМ. При фокусировке минимизируют размер фокального пятна на грани ИМ.

Благодаря тому, что имитатор мишени выполнен на основе светочувствительных матриц, наведение и фокусировка настроечных пучков выполняется с точностью до размера пиксела светочувствительной матрицы, то есть с точностью примерно (2,5-3,5) мкм. Другими словами, такой ИМ выполняет роль микроскопа при осуществлении операции наведения и фокусировки.

Вследствие применения ИМ на основе светочувствительных матриц, в предлагаемой группе изобретений отсутствуют потери (до 10⁵ крат) энергии настроечных пучков, характерные для формирования изображения из рассеянного излучения. При этом значительно повышается качество (видность) пучка. Как следует из результатов, приведенных в расчете на с. 15, отсутствие потерь обеспечивает надежную регистрацию фокального пятна, которая необходима для выполнения наведения и фокусировки с высокой точностью.

Благодаря применению ИМ на основе светочувствительных матриц обеспечивают визуализацию сфокусированного настроечного пучка, при которой пучок попадает на стенку БК, не задевая мишени и не выходя в отверстие на смежной грани БК. В варианте прототипа это возможно, если размеры отверстия и диаметр мишени достаточно малы. Однако в таком случае ограничивается допустимый размер мишеней, пригодных для применения в экспериментах.

Затем выводят ИМ 11 его манипулятором 12 из штатного положения, перемещая ИМ по общей платформе 10 и сохраняя неизменным положение общей платформы.

По сохраненным на этапе предварительной юстировки координатам устанавливают БК 8 на место ИМ 11, то есть устанавливают БК в штатное положение. Операцию выполняют манипулятором 9, связанным с БК 8, перемещая БК по общей платформе 10, не меняя ее положения.

В результате этой операции отверстия БК устанавливаются на место изображений отверстий на ИМ, на которые произвели наведение и фокусировку настроенных пучков. Таким образом, настроечные пучки оказываются наведенными и сфокусированными надлежащим образом, то есть локализованными в области отверстия БК, которая не занята мишенью и проекцией отверстия смежной грани (см. фиг. 3).

Точность установки БК в штатное положение определяется размером пиксела светочувствительной матрицы, то есть составляет примерно (2,5-3,5) мкм. Эта величина примерно в 10 раз точнее, чем требуется в известном в настоящее время техническом решении (в прототипе). При этом отсутствует необходимость визуализировать БК на датчиках при установке БК в штатное положение, то есть устраняется необходимость освещать БК, то есть нагревать криогенную мишень.

Далее представляем расчетные и экспериментальные данные, подтверждающие получение положительного эффекта в заявленной группе изобретений.

Один из основных этапов реализации способа заключается в выполнении наведения и фокусировки излучения настроечных источников в заданную точку ИМ (центр отверстия или центр рассеивающей марки, нанесенной на грань ИМ).

Качество изображения объекта (в частности фокального пятна) определяется не только разрешающей способностью объектива, но и фотометрическими параметрами предмета, такими как контраст изображения и отношение сигнал/шум. В особенности влияние этих параметров проявляется при наблюдении слабо освещенных предметов. Если обозначить Ω - телесный угол, который занимает на МК объектив телемикроскопа, то освещенность на изображении А_дат составляет долю (Ω/2π) по сравнению с освещенностью А_ИМ фокального пятна на ИМ.

В нашем случае при световом диаметре объектива (0,3 м), получим:

Учитывая (3) и потери на многозеркальной системе сведения (≈10^-7), суммарные потери энергии в прототипе составят 10^-12 крат, вследствие чего даже для настроечного источника световой мощностью в 1 Вт (это один из самых мощных непрерывных источников на длине волны второй гармоники), освещенность фокального пятна слабая и составляет малую величину (≈10^-3-10^-4) Вт/м², то есть примерно 0,1 лк (это лишь немногим более освещенности от полной Луны).

Аналитически качество изображения при наблюдении слабо освещенных предметов [5] определяется формулой (1), включающей освещенность А объекта, контраст К, отношение сигнал-шум q, величину d разрешаемого элемента.

При формировании изображения из рассеянного излучения контраст K на изображении сохраняется, и из (1) следует зависимость в соответствии с которой с падением А растет d. Учитывая по (3) величину падения освещенности на изображении по сравнению с освещенностью на ИМ, получим, что размер разрешаемого элемента возрастет на изображении более, чем на порядок. Другими словами при идеальном (дифракционном) размере фокального пятна телемикроскопа в 20 мкм разрешающая способность вследствие энергетических потерь, составит примерно (300-400) мкм. Другими словами, применительно к решаемой нами задаче, вследствие формирования изображения из рассеянного ИМ излучения, точность наведения и фокусировки значительно снижается.

В процессе расчетно-экспериментального анализа нами показан альтернативный подход к задаче наведения и фокусировки, который позволяет выполнить эти операции с высокой точностью. Альтернативный подход поясняется и обосновывается следующим образом.

Введем обозначения: - расстояние от ИМ до объектива датчика, - расстояние от объектива до фотоприемника, F - фокус объектива, D - диаметр объектива, Г - увеличение объектива, Ω - телесный угол, который занимает объектив датчика на мишенной камере.

Используем известное выражение

и два других известных выражения для увеличения Г объектива:

Устремим получим из формулы (4)

а из по формулы (5):

Подставляя (8) в (6), получим

и наконец, подставляя (7) в (2), получим:

Как следует из (1) при выполнении (10) получим, что величина разрешаемого элемента d на изображении не возрастает, в отличие от предыдущего варианта формирования изображения. Однако для этого необходимо выполнить условие: которое означает, что предмет (фокальное пятно), изображение и плоскость фотоприемника должны быть совмещены. Это возможно, если изменить конструкцию имитатора мишени, выполнив ее на основе светочувствительных матриц.

В нашей Организации был создан макетный образец устройства наведения и фокусировки излучения на мишень, работа которого позволила определить точность наведения и фокусировки излучения для двух вариантов: предложенного и прототипа.

Для этого коллиматором формировалось излучение лазера LCM-T-111, работающего на длине волны второй гармоники неодимового лазера λ=532 нм. Излучение с выхода коллиматора направлялось на линзу со световым диаметром 30 мм и фокусом 500 мм. В фокальной плоскости коллиматора была установлена мира №1 по ГОСТ 15114-78: минимальный разрешаемый элемент 5 мкм, максимальный - 20 мкм. ИМ по предлагаемому изобретению был выполнен с гранями из минителекамер CCTV 600TVL CMOS. Размер каждой телекамеры составлял 10×10 мм, размер матрицы 3×3 мм.

Линзой с увеличением 1^× строилось изображение миры на матрице грани ИМ. С помощью светофильтра КС 10 из набора «Стекло цветное оптическое» (ГОСТ 9411-66) на изображении создавалась освещенность порядка 30 люкс. Измерения показали, что надежно разрешается элемент размером не менее 10 мкм.

Подобные измерения производились и для светорассеивающего ИМ (прототип). Для этого использовалась вторая линза со световым диаметром 12 мм и фокусным расстоянием 500 мм. Вторая линза строила изображение грани рассеивающего ИМ. На этой грани первой линзой заранее с увеличением 1^× было сформировано изображение миры. Вторая линза располагалась от ИМ на двойном фокусе, то есть на расстоянии 1000 мм. При этом во вторую линзу поступала доля энергии от ИМ порядка 10^-4, то есть как в прототипе. Для измерения величины разрешаемого элемента в фокальную плоскость коллиматора помещалась мира №4: минимальный разрешаемый элемент 80 мкм, максимальный - 320 мкм. Измерения показали, что надежно разрешается элемент размером не менее 120 мкм. (С целью исключения ошибки измерения были повторены дважды. Результат оставался неизменным).

Таким образом, как показали результаты измерений, точность наведения и фокусировки по предлагаемому изобретению реализуется практически на порядок более высокая, чем в прототипе.

Литература

1. Р.И. Илькаев, С.Г. Гаранин. Вестник Академии наук. 2006, Т. 76, №6 С. 503-513.

2. P.Di Nicola et al. Beam and target alignment at the NIF using Target Alignment Sensor (TAS). Proc. of SPIE, v. 8505, 850508, (2012).

3. Michel Luttmann et al. Laser Megajoule alignment to target center. Proc. of SPIE, v. 7916, 79160N (2011).

4. S.C. Burkhart et al. National Ignition Facility system alignment. Appl. Opt., Vol. 50, No 8, pp. 1136-1157, 2011/

5. Н.П. Корнышев. Оценка предельной контрастной чувствительности при телевизионной визуализации объектов с положительным контрастом. Спецтехника и связь, №3, 2011, с. 17-19.

Группа изобретений относится к технике лазерного термоядерного синтеза: к способам облучения мишени и многоканальным лазерным системам для его осуществления и может быть использована в работах по созданию высокотемпературной лазерной плазмы. Способ включает предварительную, монтажную и оперативную юстировку, наведение и фокусировку настроечных пучков в заданные точки имитатора мишени (ИМ), с управлением общим основанием и контролем процесса по положению фокальных пятен, сформированных на электронных изображениях бокс-конвертера(БК), далее выводят ИМ манипулятором путем перемещения ИМ по общему основанию при сохранении положения общего основания, вводят БК манипулятором путем перемещения его по общему основанию, устанавливая БК на место ИМ по сохраненным на этапе предварительной юстировки линейным и угловым координатам взаимного положения БК и ИМ. В устройстве, включающем мощный многоканальный рабочий лазер ИМ и БК, согласованные по угловым и линейным координатам, установлены на общей платформе, каждый из них оснащен манипулятором с возможностью угловых и линейных перемещений по общей платформе, управление которой обеспечивают манипулятором общей платформы, грани ИМ выполнены в виде светочувствительных матриц, ИМ выполнен с функцией контроля наведения и фокусировки настроечных пучков в заданные точки ИМ, а датчики центра мишенной камеры выполнены с функцией контроля установки имитатора мишени в центр мишенной камеры. Техническим результатом является повышение точности наведения и фокусировки излучения многоканального лазера на мишень непрямого облучения, расширение диапазона размеров облучаемой мишени, снижение габаритов установки, реализующей способ. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ наведения и фокусировки излучения на мишень, включающий монтажную юстировку, при которой направляют ось источника настроечного излучения по оси рабочего лазерного пучка, предварительную юстировку, при которой устанавливают имитатор центра мишенной камеры вблизи центра мишенной камеры, принимают центр имитатора за центр мишенной камеры, настраивают датчики на центр мишенной камеры, запоминают положение центра мишенной камеры, фиксируя датчиками, оперативную юстировку, производимую непосредственно перед каждым облучением мишени рабочими пучками, при которой повторно производят ввод-вывод имитатора центра мишенной камеры, точную настройку датчиков на центр мишенной камеры, ввод имитатора мишени в центр мишенной камеры, юстировку имитатора мишени, контролируя его угловые и линейные координаты по датчикам, наведение настроечных пучков в заданные точки имитатора мишени, замену имитатора мишени на бокс-конвертор, отличающийся тем, что на этапе предварительной юстировки имитатор мишени и бокс-конвертор устанавливают вне мишенной камеры на общую платформу с возможностью угловых наклонов и линейных перемещений, взаимно согласовывают линейные и угловые координаты имитатора мишени и бокс-конвертера, запоминают координаты имитатора мишени и бокс-конвертера, программно связывают имитатор мишени с электронной 3D-моделью бокс-конвертера и сохраняют образ, связанный с имитатором мишени в компьютере, на этапе оперативной юстировки вводят в центр мишенной камеры имитатор мишени, осуществляют юстировку имитатора мишени, перемещая платформу и контролируя процесс по датчикам, осуществляют наведение и фокусировку настроечных пучков в заданные точки имитатора мишени, управляя общим основанием и контролируя процесс по положению фокальных пятен, сформированных на электронных изображениях бокс-конвертера, выводят имитатор мишени манипулятором путем перемещения имитатора мишени по общему основанию при сохранении положения общего основания, вводят БК манипулятором путем перемещения его по общему основанию, устанавливая бокс-конвертер на место имитатора мишени по сохраненным на этапе предварительной юстировки линейным и угловым координатам взаимного положения бокс-конвертера и имитатора мишени.

2. Устройство наведения и фокусировки излучения на мишень, включающее мощный многоканальный рабочий лазер, в каждом канале которого в переднем фокусе выходной линзы пространственного фильтра размещен с возможностью ввода-вывода с оптической оси настроечный источник, геометрические параметры излучения которого согласованы с геометрическими параметрами излучения мощного лазера, многозеркальную систему сведения, служащую для направления каждого лазерного пучка к центру мишенной камеры, финальный оптический модуль с фокусирующей линзой в каждом канале, имитатор центра мишенной камеры, имитатор мишени и бокс-конвертер с криогенной мишенью, снабженные манипуляторами и позиционерами, выполненными с возможностью перемещения по радиусу мишенной камеры, закрепленные на мишенной камере датчики центра мишенной камеры для контроля установки в центр мишенной камеры имитатора мишени, отличающееся тем, что имитатор мишени и бокс-конвертер, согласованные по угловым и линейным координатам, установлены на общей платформе, каждый из них оснащен манипулятором с возможностью угловых и линейных перемещений по общей платформе, управление которой обеспечивают манипулятором общей платформы, грани имитатора мишени выполнены в виде светочувствительных матриц, имитатор мишени выполнен с функцией контроля наведения и фокусировки настроечных пучков в заданные точки имитатора мишени, а датчики центра мишенной камеры выполнены с функцией контроля установки имитатора мишени в центр мишенной камеры.