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ICF激光驱动器束靶耦合瞄准定位研究

冯斌  
【摘要】:清洁的受控核聚变能源是人类孜孜以求的理想能源,激光惯性约束聚变则是当前已知实现这一目标的最有效途径之一,因此世界各国纷纷投入巨资竞相开展该领域的研究。以美国的NIF、法国的LMJ以及中国的神光系列装置为代表的激光聚变研究则是当今世界该领域研究的最前沿。实现激光驱动聚变点火,为形成对称分布的X射线以压缩燃料靶球实现均匀内爆,需要将数百束高能激光聚焦后按照一定空间分布精确投射进黑腔以确保靶丸压缩的对称性,这一过程即通常所说的“激光打靶”。因此如何实现甚多束激光与燃料靶丸的高精度瞄准定位则成为打靶成败的关键一环,为实现优于1%的驱动不均匀性,通常束靶耦合瞄准定位精度要求优于1角秒。论文采用理论分析、数值模拟和实验验证的方法对聚变级激光装置驱动器束靶耦合瞄准定位方法、甚多束激光并行引导策略、激光长程传输结构稳定性等影响驱动器打靶精度的基本问题进行了系统研究,基于神光III激光装置束靶耦合靶瞄准定位系统开展了实验研究,成功实现了48束激光驱动打靶优于1角秒的精度。本文提出了离线靶特征测量在线匹配定位的靶定位方法,采用改进的SIFT算法和Halcon等图像处理技术,离线建立靶图像库,采集靶标准位置图像和基准特征,在线复位时,通过图像特征点匹配,识别出靶的空间位姿,并与靶调整装置构成调整闭环,实现了超复杂靶型的智能化高精度识别与快速定位。提出了基于时空编码的并行光束引导方法,不仅解决了甚多数激光引导聚心过程中光点重叠带来的识别问题,而且实现了甚多数激光快速准直引导,极大限度降低了光路稳定性所引发的激光指向漂移。确保了48束高能激光与靶的快速精准耦合准直。在长达数百米的激光传输链路上,为了保证数百束高能激光束靶耦合准直过程中的指向稳定性,从打靶精度指标分解出发,建立了环境振动、温度激励源对光路指向稳定性的响应机理模型,提出了以环境载荷特征参数作为驱动器结构稳定性设计与控制的表征方法。理论和实验研究表明,当环境振动PSD谱10-10g2/Hz、光学支撑系统基振频率大于10Hz、一个打靶周期内温度载荷的变化应小于3℃,能够满足打靶精度对传输光路结构稳定性的要求(0.9?rad/5h),该研究结果已成功应用神光III激光装置。


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