[發明專利]激光差動共焦原子力核聚變靶丸表面輪廓測量方法與裝置

有效

• 申請號: 201910176046.1
• 申請日: 2019-03-08
• 公開（公告）號: CN109959344B
• 公開（公告）日: 2020-04-14
• 發明（設計）人: 趙維謙;王允;邱麗榮
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01B21/20;G01Q60/38
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

1.激光差動共焦原子力核聚變靶丸表面輪廓測量方法，其特征在于：利用激光差動共焦技術對聚變靶丸(13)表面和球心位置進行精密定焦獲得聚變靶丸(13)外徑，利用原子力探針對聚變靶丸(13)表面輪廓進行橫向高分辨的掃描，通過激光差動共焦技術監測原子力探針的軸向位置從而實現對聚變靶丸(13)表面輪廓的高分辨探測，并進一步通過正交回轉驅動技術對聚變靶丸(13)進行三維回轉驅動獲得靶丸的表面三維高度分布，實現聚變靶丸(13)表面輪廓的高分辨探測，包括以下步驟：

步驟一、光源系統(1)經過準直透鏡(2)準直為平行光束，平行光束透過分光鏡A(3)后由測量物鏡(5)會聚為一點照射到原子力探針(21)背部并被反射回光路中，反射光束透過測量物鏡(5)后形成測量光束，測量光束被分光鏡A(3)反射進入差動共焦探測系統(6)，在差動共焦探測系統(6)中光束經過會聚鏡(7)會聚后被分光鏡B(8)分為兩束，分別透過位于會聚鏡(7)焦點前的針孔A(9)和焦點后的針孔B(11)，并被分別位于針孔A(9)和針孔B(11)后的光電探測器A(10)和光電探測器B(12)接收；

步驟二、使計算機(16)控制原子力探針驅動器(22)帶動原子力探針(21)對聚變靶丸(13)進行軸向掃描，同時計算機(16)采集光電探測器A(10)和光電探測器B(12)接收到的光強信號并進行做差相減即得到差動共焦曲線(17)，通過差動共焦曲線(17)的線性區(23)對原子力探針(21)的軸向位置進行監測；

步驟三、使計算機(16)檢測原子力探針驅動器(22)的反饋信號，利用原子力探針(21)的接觸力零位信號進行觸發，采集記錄光電探測器A(10)和光電探測器B(12)接收到的光強信號，并利用差動共焦曲線(17)的線性區(23)計算得到聚變靶丸(13)表面對應光軸位置的高度z_o；

步驟四、利用回轉驅動系統(15)驅動聚變靶丸(13)進行水平回轉一周，在聚變靶丸(13)水平圓周上的各個點位置重復步驟一至步驟三，依次獲得聚變靶丸(13)水平面圓周的外表面物理坐標點集合(z_o)_i；

步驟五、利用正交回轉系統(14)驅動聚變靶丸(13)進行步進正交回轉驅動，每驅動一步重復步驟一至步驟四，依次獲得聚變靶丸(13)的外表面三維物理坐標點集合{[(z_o)_i]_j}；

步驟六、移除原子力探針驅動器(22)和原子力探針(21)，使計算機(16) 控制物鏡驅動系統(4)帶動測量物鏡(5)對聚變靶丸(13)進行軸向掃描，同時計算機(16)采集光電探測器A(10)和光電探測器B(12)接收到的光強信號，根據如下公式計算得到差動共焦曲線(17)，通過差動共焦曲線(17)的依次對聚變靶丸(13)的進行層析定焦，當測量光束會聚點分別與聚變靶丸(13)的外、內表面以及球心位置重合時，I(z，u_M)的值為零，監測I(z，u_M)的強度，依次記錄I(z，u_M)的過零點位置的z坐標Z′₀，Z_i和Z_c，即得到聚變靶丸(13)對應光軸方向的外、內表面測量點以及球心的軸向光學坐標Z′₀，Z_i和Z_c；

其中I(z，+u_M)和I(z，-u_M)分別為光電探測器A(10)和光電探測器B(12)接收到的光強信號，I(z，u_M)為歸一化差動信號，通過歸一化差動信號得到的差動共焦曲線(17)有效抑制聚變靶丸(13)表面屬性差異影響和系統光源功率飄移，對聚變靶丸(13)進行準確的定焦；

步驟七、利用聚變靶丸(13)的外表面以及球心的軸向光學坐標Z′₀和Z_c計算得到聚變靶丸(13)的外徑R：

R＝|Z′_o-Z_C|

步驟八、計算機(16)對聚變靶丸(13)的三維物理坐標點集合{[(z_o)_i]_j}和外徑R進行三維重構和擬合計算即可得外表面三維輪廓參數，實現核聚變靶丸表面輪廓的高分辨三維測量。