神光-Ⅲ汤姆逊散射诊断成像系统设计与研究

论文摘要

激光惯性约束聚变（ICF）研究的长远目标，是实现可控核聚变，为人类提供理想的能源。目前的工作重点是围绕物理实验而进行的，为了摸清其每一个物理过程的规律，必须开展综合及分解实验研究，而完成这些物理实验的前提是要有好的诊断设备以及诊断技术。汤姆逊散射是诊断托马克装置等离子体电子温度等参数的一种十分准确可靠的方法。现在这种技术在国际上已经被广泛用于惯性约束聚变研究，并且发展了不同类型的散射系统，用于测量等离子体的电子温度和密度。随着国内ICF研究的不断深入，急需研制用于等离子体参数测量的汤姆逊散射诊断系统。本文根据“神光－Ⅲ主机装置”靶室诊断项目立题，研制了神光-Ⅲ汤姆逊散射诊断成像系统，并且针对汤姆逊散射诊断成像原理，光学系统设计，系统结构设计，仪器误差分析等进行了相关的研究工作，主要包括以下内容：第一，介绍了课题的背景，ICF研究的背景和意义，国内外ICF的发展和用于ICF诊断技术的汤姆逊散射测量等离子体参数的相关技术的进展，特别是对汤姆逊散射光学系统的相关应用情况进行了详细的介绍等。第二，对汤姆逊散射基础理论进行了讨论，分析了汤姆逊散射光谱产生的原因，并且根据相关理论分析了汤姆逊散射光谱和等离子体各种参数之间的关系，进而针对汤姆逊散射诊断成像系统提出了整体的设计指标。第三，针对“神光-Ⅲ汤姆逊散射诊断成像系统”光学系统设计的要求，选择了双卡塞格林系统，前组为变形的卡塞格林折反射式系统，后组为倒置放置的第二个卡赛格林系统，前者的像面即为后者的物面，对光路进行了总体的详细计算，对各光学元件的相对位置给出了精确的数值，对前后两部分光学系统分别进行了像差评价，给出了评价结果，并且当前后两部分光学系统组成整体后，对整个光学系统进行了像差评价，给出了评价结果，对系统的透过率和公差进行了分析，实现公差的合理分配。主要解决了有限口径内长距离的像传递问题，超长焦距透镜的加工，检测困难的问题，并且选择适当的中间像面的放大倍率，降低了次反射镜的遮光比，通过在一次像面附近增设透射光学元件，实现了两组光学系统的有效耦合等。第四，针对“神光-Ⅲ汤姆逊散射诊断成像系统”光学系统进行了相应的结构设计，设计了前组卡塞格林系统结构和后组卡塞格林系统结构，并且针对前后组设计了中间连接箱体结构，在连接箱体中设计了可以移动的十字分划板，方便了前后组的瞄准，另外，系统工作在真空中，采用带迷宫罩的排气孔，便于内部气体排出，并且可以消除杂散光。第五，分析了影响系统精度的几个因素，对相关的误差进行了分析，然后介绍了系统的实验装置，获得了相关的实验结果，并对实验结果进行了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 汤姆逊散射诊断成像的基础理论及系统整体设计指标
• 2.1 汤姆逊散射诊断原理
• 2.2 汤姆逊散射诊断成像系统整体设计指标
• 2.3 本章小结
• 第三章 汤姆逊散射光学系统设计
• 3.1 光学系统设计的具体过程
• 3.2 光学系统选型
• 3.2.1 透射式光学系统分析
• 3.2.2 反射式光学系统分析
• 3.2.3 折反射式光学系统分析
• 3.2.4 汤姆逊散射光学系统选型
• 3.3 光学系统参数确定
• 3.3.1 前组光学系统参数确定
• 3.3.2 整个光学系统参数确定
• 3.4 光学系统优化结果分析
• 3.4.1 光学系统的像差
• 3.4.2 光学系统质量常用评价指标
• 3.4.3 光学传递函数
• 3.4.4 点列图
• 3.4.5 前组光学系统优化结果分析
• 3.4.6 整个光学系统优化结果分析
• 3.5 光学系统的公差分析
• 3.5.1 光学系统公差的基本概念
• 3.5.2 光学系统公差的确定及 zemax 公差设计方法
• 3.5.3 前组光学系统公差分析
• 3.5.4 整个光学系统公差分析
• 3.6 前后组中间像面放大倍率的确定
• 3.7 前组光学系统与后组光学系统的耦合
• 3.8 系统遮光比计算及安装瞄准方法
• 3.8.1 系统遮光比计算
• 3.8.2 系统安装瞄准十字丝的设计
• 3.9 整个系统材料选择及透过率分析
• 3.10 本章小结
• 第四章 汤姆逊散射成像系统结构设计
• 4.1 前后组卡赛格林系统结构设计
• 4.2 中间连接箱体结构设计
• 4.3 反射镜箱体结构设计
• 4.4 系统外遮光罩设计
• 4.5 系统安装调试
• 4.5.1 系统在 DIM 上的安装
• 4.5.2 系统瞄准操作
• 4.6 本章小结
• 第五章 汤姆逊散射诊断成像系统精度及实验误差分析
• 5.1 仪器精度分析
• 5.1.1 仪器精度分析的基本概念及方法
• 5.1.2 汤姆逊散射诊断成像系统精度分析
• 5.2 实验结果与分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结及展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢