[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

本發明公開的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，屬于共焦顯微成像、原子力顯微成像及激光慣性約束核聚變技術領域。本發明將激光差動共焦技術與原子力探針掃描探測技術結合，利用激光差動共焦技術對激光聚變靶丸表面和球心位置進行精密定焦獲得靶丸外徑，利用原子力探針對靶丸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靶丸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靶丸進行三維回轉驅動獲得靶丸的表面三維高度分布，實現核聚變靶丸表面輪廓的高分辨探測。本發明能夠在激光慣性約束核聚變、高能物理和精密檢測領域有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明屬于共焦顯微成像、原子力顯微成像及激光慣性約束核聚變技術領域，將激光差動共焦技術與原子力探針掃描探測技術結合，涉及一種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，在激光慣性約束核聚變、高能物理和精密檢測領域有廣泛的應用前景。

技術背景

激光慣性約束核聚變(ICF)是人工模擬核爆和天體演化的重要手段，也是人類探索未來清潔能源的重要方向，因此具有十分重要科研和實用意義。激光慣性約束核聚變實驗中，內部填充氘氚(DT)氣體的空心激光聚變靶丸是其核心器件，多路激光同時對靶丸進行會聚向心壓縮點火引發核爆，激光聚變靶丸的質量是決定激光聚變實驗是否成功的關鍵。美國國家點火裝置(NIF)進行的ICF試驗失敗的一個主要原因是點火過程中靶丸不對稱壓縮進而導致其中心壓力和溫度降低以及其內部氘氚(DT)燃料混合不均衡，靶丸表面的微小輪廓缺陷都有可能被放大產生不對稱壓縮進而導致點火失敗，因此精確測量激光聚變靶丸的表面輪廓對于保證激光慣性約束核聚變實驗的成功具有重要意義。

目前國際上用于激光聚變靶丸表面輪廓參數測量的方法主要采用各類顯微鏡進行觀察，包括掃描電鏡法、原子力顯微鏡法、光纖點衍射法和干涉法等，上述方法測量分辨力較高，但是僅可獲得靶丸的表面形貌信息，無法獲得其絕對輪廓；X射線投影法可以獲得靶丸的界面圓輪廓，但是其分辨力較低；目前靶丸參數測量方法中尚無法實現靶丸表面輪廓的高分辨成像和三維檢測。

隨著激光慣性約束核聚變技術的發展和工程的推進，上述方法已經無法滿足激光慣性約束核聚變技術研究對靶丸表面參數測量的需求，主要存在如下問題：

1)表面輪廓測量分辨力不足，靶丸表面的微小缺陷即會導致打靶過程中的放大，引起泰勒瑞利不穩定，現有方法不能滿足靶丸打靶實驗的檢測需求；

2)無法獲得靶丸表面三維輪廓，打靶過程中激光束從靶丸三維圓周各個角度入射，任何位置的缺陷均會造成影響，現有方法無法實現靶丸表面三維輪廓的測量需求；

3)不能測量獲得靶丸表面絕對尺寸和三維絕對輪廓，現有方法僅可獲得靶丸的表面形貌起伏，缺少靶丸的絕對尺寸信息，不能全面揭示靶丸制備和核聚變反應過程中發生的結構變化現象和規律；

而激光慣性約束核聚變研究中，靶丸的參數是對核聚變過程進行模擬仿真和對靶丸制備工藝進行提升的基礎，因此如何對靶丸的表面輪廓進行高分辨的測量是激光慣性約束核聚變國家重大工程中的關鍵技術問題。

激光差動共焦技術利用雙路差動探測結構顯著提高了光路的軸向分辨力和定焦精度，可實現靶丸的表面的高精度定焦測量，為靶丸絕對幾何參數的高精度無損測量和軸向高度的監測提供了思路。

原子力探針掃描檢測技術通過探針與靶丸表面的范德華力對靶丸表面進行高分辨的掃描，通過優化探針尺寸可實現納米級橫向分辨的掃描，通過激光差動共焦技術對原子力探針進行光強探測可以實現探針軸向位置的高精度絕對監測。

發明內容

本發明的目的是為了解決激光慣性約束核聚變靶丸表面輪廓高分辨測量難題，提供一種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，以期實現探測外表面圓輪廓和三維輪廓信息，實現核聚變靶丸表面輪廓高分辨測量。