等離子體動量測量裝置和等離子體產生系統的製作方法

2023-06-01 19:05:11

等離子體動量測量裝置和等離子體產生系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種等離子體動量測量裝置和等離子體產生系統，其中，等離子體動量測量裝置包括：相干光生成單元，生成相干光；連接至燒蝕靶的目標物，設置在相干光生成單元的光路上，燒蝕靶被等離子體推進時，燒蝕靶連帶目標物在相干光中運動；信號採集單元，接收相干光，並將相干光轉化為電信號後將電信號輸出至處理器；處理器，連接至信號採集單元，根據電信號生成過程圖像，基於過程圖像確定目標物在相干光中的移動位置以及經過時間，根據移動位置和經過時間計算出燒蝕靶的運動速度，從而獲取所述等離子體的動量。通過本實用新型裝置，可以精確地獲得等離子體撞擊燒蝕靶時獲取的動量，降低了測量誤差以及對等離子體的速度要求。
【專利說明】等離子體動量測量裝置和等離子體產生系統

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及等離子體測量領域，特別是涉及一種等離子體的動量測量裝置和 一種具有該等離子體的動量測量裝置的等離子體產生系統。

【背景技術】
[0002] 強雷射與靶相互作用時產生超音速噴射的等離子體，在等離子體噴射的反方向產 生一個作用力，該作用力可以作為一種新的推進源，因此獲取等離子體產生的動量是雷射 等離子體推進中首先要解決的問題。
[0003] 根據動量守恆，被雷射燒蝕的物體（燒蝕靶）的動量便是等離子體的動量。而對 於靶動量來說，關鍵是得到靶的速度。目前在實驗上一般採用單擺法測量靶的速度，該方 法是將雷射燒蝕的靶懸掛成一個單擺，通過測量靶在燒蝕後擺動的角度或振幅來獲得靶的 速度，從而獲得燒蝕靶的動量。但是該方法屬於間接測量，引入誤差較大。還有一種測量方 法，在測量裝置中只有一束探測光，燒蝕靶有一定的寬度，通過示波器檢測燒蝕靶通過波峰 的時間來確定燒蝕靶的速度，實驗表明該測量裝置只適用於靶本身寬度與探測光光斑尺寸 相當的情況，在靶寬度與探測光光斑尺寸相差較大時，實驗測量得到的誤差高達80%，而且 該裝置無法測量速度低於毫米級的等離子體的速度。
[0004] 因此需要一種新的等離子體動量測量裝置，可精確測量燒蝕靶的動量，從而測量 等尚子體的動量。 實用新型內容
[0005] 本實用新型正是基於上述問題，提出了一種新的等離子體動量測量裝置，可精確 測量燒蝕靶的動量，從而測量等離子體的動量。
[0006] 有鑑於此，根據本實用新型的一個方面，本實用新型提供了一種等離子體動量測 量裝置，包括：相干光生成單元，生成相干光；連接至燒蝕靶的目標物，設置在相干光生成 單元的光路上，其中，在燒蝕靶被等離子體推進時，燒蝕靶連帶所述目標物被晃動，使目標 物在所述相干光中運動；信號採集單元，接收所述相干光，並將相干光轉化為電信號，以及 將電信號輸出至處理器；處理器，連接至所述信號採集單元，根據所述電信號生成過程圖 像，基於所述過程圖像確定所述目標物在所述相干光中的移動位置和經過時間，以及根據 所述移動位置和所述經過時間計算出所述燒蝕靶的運動速度，以獲取所述燒蝕靶的動量， 並將所述燒蝕靶的動量作為所述等離子體的動量。
[0007] 在本技術方案中，目標物連接在燒蝕靶上，在燒蝕靶被強雷射照射時，燒蝕靶帶動 目標物運動，由於目標物正好設置在相干光的通路上，故目標物在相干光中運動，由於相干 光具有特殊的條紋，因此根據採集到的圖像可以準確確定目標物在相干光中移動的距離， 並且也消除了光束光斑尺寸對測量精度的影響。本實用新型能夠直接測量出燒蝕靶的運動 速度，因此解決了通過間接測量燒蝕靶的擺動角度或振幅來得到燒蝕靶的運動速度而產生 的誤差的問題，同時本實用新型採用目標物通過相干光的手段來測量燒蝕靶的運動速度， 解決了根據具有一定寬度的燒蝕靶通過探測光的時間來確定燒蝕靶的運動速度所帶來的 誤差以及燒蝕靶和探測光光斑尺寸受限的問題，故根據本實用新型等離子體動量測量裝置 可以精確地獲取燒蝕靶的運動速度，減小等離子體的速度測量誤差，從而提高等離子體的 動量測量精度；同時因為相干光的條紋間距較小，通過圖像處理技術能夠精確獲取目標物 的移動位置的變化量，因此即使是對於速度低、位移小的雷射等離子體，也能夠精確獲得該 雷射等離子體的動量。
[0008] 在上述技術方案中，優選地，還包括：聚焦鏡，設置在燒蝕靶與所述信號採集單元 之間，匯聚經過目標物的相干光。
[0009] 光束變成相干光之後，通過該聚焦鏡可提高相干光的強度，從而提高獲取到的圖 像中的相干光的清晰度。另外，相干光的寬度可能比較大，使過程圖像最終可能無法完整地 顯示在所述處理器上，通過該聚焦鏡的匯聚作用，使過程圖像儘可能完整地顯示在處理器 上，這樣有助於通過過程圖像精確地測得所述移動位置。
[0010] 在上述技術方案中，優選地，還包括：狹縫，設置在聚焦鏡與所述信號採集單元之 間，用於使經過聚焦鏡匯聚的部分光束進入所述信號採集單元中。
[0011] 在本技術方案中，狹縫，設置在聚焦鏡與信號採集單元之間，目的是為了使經過聚 焦鏡匯聚的部分光束進入信號採集單元中，以減小處理器的處理負擔。
[0012] 在上述技術方案中，優選地，所述目標物是絲狀物。
[0013] 在本技術方案中，所述絲狀物與燒蝕靶連接在一起，因此等離子體撞擊所述絲狀 物時，燒蝕靶獲取的速度與絲狀物獲取的速度相等。相干光經過所述目標物時，目標物會產 生一定的位置偏移，位置偏移等於目標物在所述相干光中的移動位置，目標物尺寸越小，移 動位置就越大，所測得的所述絲狀物獲取的速度越精確，因此目標物為絲狀物就達到了此 目的。
[0014] 在上述技術方案中，優選地，通過雙線吊掛所述燒蝕靶，形成雙線單擺裝置。
[0015] 在本技術方案中，所述雙線單擺裝置，可以消除雷射撞擊燒蝕靶時所述燒蝕靶的 橫向擺動，使得處理器上顯示的過程圖像更加準確，從而間接地提高所述等離子的速度測 量精度。
[0016] 在上述技術方案中，優選地，相干光生成單元包括光源和幹涉儀，光源產生的光束 經過幹涉儀產生所述相干光。
[0017] 在本技術方案中，光源種類很多，常用光源為氦氖光光源；幹涉儀種類也很多，常 用幹涉儀為麥可遜幹涉儀，光源產生的光束經過幹涉儀後就產生了相干光。
[0018] 在上述技術方案中，優選地，光源為單色光光源。單色光經過幹涉儀後，產生的相 幹光是單色相干光，單色相干光經過所述目標物後產生所述過程圖像，過程圖像顯示在處 理器上是明暗相間的相干條紋，通過明暗相間的相干條紋能夠準確地確定所述移動位置； 若光源為多種頻率混合光，則相干條紋就是彩色條紋無法準確確定所述移動位置。
[0019] 在上述技術方案中，優選地，幹涉儀為麥可遜幹涉儀。
[0020] 在本技術方案中，所述幹涉儀分雙光束幹涉儀和多光束幹涉儀兩大類，所述邁克 爾遜幹涉儀是一種常用的所述雙光束幹涉儀，所述麥可遜幹涉儀是1883年美國物理學 家麥可遜與莫雷合作，為研究"以太"漂移而設計製造出來的精密光學儀器。它是利用分 振幅法產生雙光束以實現幹涉。
[0021] 在上述技術方案中，優選地，所述信號採集單元是圖像傳感器（CXD)。
[0022] 圖像傳感器（CCD)是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數位訊號。所述圖 像傳感器上植入的微小光敏物質稱作像素。一塊所述圖像傳感器上包含的像素數越多，其 提供的畫面解析度也就越高。所述圖像傳感器的作用就像膠片一樣，但它是把光信號轉化 為電荷信號。所述圖像傳感器上有很多排列整齊的光電二極體，能感應光線，並將光信號轉 變成電信號，經外部採樣放大及模數轉換電路轉換成數字圖像信號。
[0023] 根據本實用新型的另一方面，還提供了一種等離子體產生系統，包括雷射源，將激 光照射在燒蝕靶上形成等離子體；如上述任一技術方案中所述的等離子體動量測量裝置， 用於測量所述等離子體的動量。
[0024] 在本技術方案中，雷射源照射在燒蝕靶上形成等離子體，根據動量守恆定律，等離 子體的動量與燒蝕靶的動量相同，因此可通過測量燒蝕靶的動量來間接得到等離子體的動 量，而該等離子體動量測量裝置的目的就是用於測量燒蝕靶的動量，由於該等離子體動量 測量裝置能夠準確的測量出燒蝕靶的動量，因此本實用新型的等離子體產生系統能夠準確 地獲得所產生的等離子體的動量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1示出了根據本實用新型的一個實施例的等離子體動量測量裝置的框圖；
[0026] 圖2示出了根據本實用新型的另一實施例的等離子體動量測量裝置的示意圖。

【具體實施方式】
[0027] 為了能夠更清楚地理解本實用新型的上述目的、特徵和優點，下面結合附圖和具 體實施方式對本實用新型進行進一步的詳細描述。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申 請的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
[0028] 在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本實用新型，但是，本實用 新型還可以採用其他不同於在此描述的其他方式來實施，因此，本實用新型的保護範圍並 不受下面公開的具體實施例的限制。
[0029] 圖1示出了根據本實用新型的一個實施例的等離子體動量測量裝置的框圖。
[0030] 如圖1所示，根據本實用新型的實施例的等離子體動量測量裝置100,包括：相干 光生成單元102,用於生成相干光；連接至燒蝕靶的目標物104,設置在相干光生成單元的 光路上，其中，在燒蝕靶被等離子體推進時，燒蝕靶連帶所述目標物104被晃動，使目標物 104在所述相干光中運動；信號採集單元110,用於接收相干光，並將相干光轉化為電信號， 以及將電信號輸出至處理器；所述處理器112,連接至信號採集單元110,用於根據電信號 生成過程圖像，基於過程圖像確定目標物104在相干光中的移動位置以及經過時間，根據 所述移動位置和經過時間計算出燒蝕靶的運動速度，以獲取燒蝕靶的動量，並將燒蝕靶的 動量作為等離子體的動量。
[0031] 在本技術方案中，目標物104連接在燒蝕靶上，在燒蝕靶被強雷射照射時，燒蝕靶 帶動目標物104運動，由於目標物104正好設置在相干光的通路上，故目標物104在相干光 中運動，由於相干光具有特殊的條紋，因此根據採集到的圖像可以準確確定目標物104在 相干光中移動的距離，並且也消除了光束光斑尺寸對測量精度的影響。本實用新型能夠直 接測量出燒蝕靶的運動速度，因此解決了通過間接測量燒蝕靶的擺動角度或振幅來得到燒 蝕靶的運動速度而產生的誤差的問題，同時本實用新型採用目標物通過相干光的手段來測 量燒蝕靶的運動速度，解決了根據具有一定寬度的燒蝕靶通過探測光的時間來確定燒蝕靶 的運動速度所帶來的誤差以及燒蝕靶和探測光光斑尺寸受限的問題，故根據本實用新型等 離子體動量測量裝置可以精確地獲取燒蝕靶的運動速度，減小等離子體的速度測量誤差， 從而提高等離子體的動量測量精度；同時因為相干光的條紋間距較小，通過圖像處理技術 能夠精確獲取目標物104的移動位置的變化量，因此即使是對於速度低、位移小的雷射等 離子體，也能夠精確獲得該雷射等離子體的動量。
[0032] 在上述技術方案中，優選地，等離子體動量測量裝置100還可以包括：聚焦鏡106， 設置在燒蝕靶與信號採集單元110之間，用於匯聚經過目標物104的相干光。
[0033] 通過該聚焦鏡106可提高相干光的強度，從而提高獲取到的圖像中的相干光的清 晰度。在本技術方案中，另外，相干光的寬度可能比較大，使過程圖像最終可能無法完整地 顯示在所述處理器112上，通過該聚焦鏡106的匯聚作用，使過程圖像儘可能完整地顯示在 所述處理器112上，這樣有助於通過過程圖像精確地測得移動位置。
[0034] 在上述技術方案中，優選地，等離子體動量測量裝置100還可以包括：狹縫108,設 置在聚焦鏡與所述信號採集單元110之間，用於使經過聚焦鏡匯聚的部分光束進入信號採 集單元110中。
[0035] 在本技術方案中，狹縫108,設置在聚焦鏡106與信號採集單元110之間，目的是為 了使經過聚焦鏡106匯聚的部分光束進入信號採集單元110中，以減小處理器的處理負擔。
[0036] 在上述技術方案中，優選地，目標物104為絲狀物。
[0037] 在本技術方案中，絲狀物與燒蝕靶連接在一起，因此等離子體撞擊絲狀物時，燒蝕 靶獲取的速度與絲狀物獲取的速度相等。相干光經過所述目標物104時，目標物104會產 生一定的位置偏移，位置偏移等於所述目標物104在相干光中的移動位置，目標物104尺寸 越小，移動位置越大，所測得的絲狀物獲取的速度越精確，因此目標物104為絲狀物就達到 了此目的。為了獲得更好的效果，目標物的寬度較小，但具有一定的硬度，例如很細的鐵絲。
[0038] 在上述技術方案中，優選地，通過雙線吊掛所述燒蝕靶，形成雙線單擺裝置。
[0039] 在本技術方案中，所述雙線單擺裝置，可以消除雷射撞擊燒蝕靶時所述燒蝕靶的 橫向擺動，使得處理器112上顯示的過程圖像更加準確，從而間接地提高等離子的速度測 量精度。
[0040] 在上述技術方案中，優選地，相干光生成單元102包括光源1022和幹涉儀1024,光 源1022產生的光束經過幹涉儀1024產生相干光。
[0041] 在本技術方案中，光源1022種類很多，常用光源1022為氦氖光光源；幹涉儀1024 種類也很多，常用幹涉儀1024為麥可遜幹涉儀，光源1022產生的光束經過幹涉儀1024 後就產生了相干光。
[0042] 在上述技術方案中，優選地，所述光源1022為單色光光源。
[0043] 在本技術方案中，單色光光源，經過幹涉儀1024後，產生的相干光也是單色相干 光，單色相干光經過目標物104後產生過程圖像，過程圖像顯示在處理器112上是明暗相間 的相干條紋，通過明暗相間的相干條紋能夠準確地確定移動位置；若光源1022為多種頻率 混合光，則相干條紋就是彩色條紋無法準確確定所述移動位置。
[0044] 在上述技術方案中，優選地，所述幹涉儀1024為麥可遜幹涉儀。
[0045] 在本技術方案中，幹涉儀1024分雙光束幹涉儀和多光束幹涉儀兩大類，麥可遜 幹涉儀是一種常用的所述雙光束幹涉儀，麥可遜幹涉儀是1883年美國物理學家麥可 遜與莫雷合作，為研究"以太"漂移而設計製造出來的精密光學儀器。它是利用分振幅法產 生雙光束以實現幹涉。
[0046] 在上述技術方案中，優選地，信號採集單110元為圖像傳感器（CXD)。
[0047] 圖像傳感器（CXD)是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數位訊號。C⑶上植 入的微小光敏物質稱作像素。一塊圖像傳感器上包含的像素數越多，其提供的畫面解析度 也就越高。圖像傳感器的作用就像膠片一樣，但它是把光信號轉化為電荷信號。圖像傳感 器上有很多排列整齊的光電二極體，能感應光線，並將光信號轉變成電信號，經外部採樣放 大及模數轉換電路轉換成數字圖像信號。
[0048] 根據本實用新型的另一方面，還提供了一種等離子體產生系統，包括雷射源，將激 光照射在燒蝕靶上形成等離子體；如上述任一技術方案中所述的等離子體動量測量裝置， 用於測量所述等離子體的動量。
[0049] 在本技術方案中，雷射源照射在燒蝕靶上形成等離子體，根據動量守恆定律，等離 子體的動量與燒蝕靶的動量相同，因此可通過測量燒蝕靶的動量來間接得到等離子體的動 量，而該等離子體動量測量裝置的目的就是用於測量燒蝕靶的動量，由於該等離子體動量 測量裝置能夠準確的測量出燒蝕靶的動量，因此本實用新型的等離子體產生系統能夠準確 地獲得所產生的等離子體的動量。
[0050] 在另一種實施方式中，如圖2所示，圖2示出了根據本實用新型的另一實施例的等 離子體動量測量裝置的示意圖。氦氖光光源200產生雷射束經麥可遜幹涉儀202後產生 相干光作為探測光束204,探測光204經過細絲208,然後先後通過聚焦鏡210和狹縫212， 最後經(XD214接收處理後傳入計算機216形成圖像。其中，燒蝕靶206通過雙線懸掛，燒 蝕靶206下面連接細絲208,構成一個雙線單擺裝置，雙線單擺可以很好的解決燒蝕靶206 左右擺動的問題。
[0051] 該等離子體動量測量裝置具體測量過程為：當細絲208擺過探測光束204時，計算 機216會呈現出相應的過程圖像。通過過程圖像顯示的細絲208通過相干條紋間的位置和 相鄰兩幅數據圖像間的時間寬度可以獲取細絲208的速度，細絲208的速度與燒蝕靶206 的速度相等。根據動量守恆原理，雷射等離子體的動量便是燒蝕靶206的速度與其本身質 量的乘積。
[0052] 對於相干條紋間的間距為0. 35mm的相干條紋，假設拍攝到的過程圖像包括4幀圖 像，根據在第一幀圖像顯示的細絲在相干條紋中的第一位置與在第四幀圖像中顯示的細絲 在相干條紋中的第二位置之間的條紋數量可計算出細絲運動的距離，並結合第一幀圖像與 第四幀圖像之間的時間間隔可計算出細絲的運動速度。相干條紋的間距越小，計算出的運 動速度越準確。
[0053] 本實用新型的等離子體動量測量裝置根據細絲飛過幹涉條紋的時間及距離獲得 靶的飛行速度，然後通過靶的質量獲得雷射等離子體的動量。與現有測量等離子體產生的 靶速度裝置相比，本實用新型的測量裝置操作簡單，數據圖像完備準確，測量精度高，適用 於速度低、位移小的雷射等離子體動量測量。
[0054] 以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，並不用於限制本實用新型，對於本 領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則 之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1. 一種等離子體動量測量裝置，其特徵在於，包括： 相干光生成單元，生成相干光； 連接至燒蝕靶的目標物，設置在所述相干光生成單元的光路上，其中，在所述燒蝕靶 被等離子體推進時，所述燒蝕靶連帶所述目標物被晃動，使所述目標物在所述相干光中運 動； 信號採集單元，接收所述相干光，並將所述相干光轉化為電信號，以及將所述電信號輸 出至處理器； 所述處理器，連接至所述信號採集單元，根據所述電信號生成過程圖像，基於所述過程 圖像確定所述目標物在所述相干光中的移動位置和經過時間，以及根據所述移動位置和所 述經過時間計算出所述燒蝕靶的運動速度，以獲取所述燒蝕靶的動量，並將所述燒蝕靶的 動量作為所述等離子體的動量。
2. 根據權利要求1所述的等離子體動量測量裝置，其特徵在於，還包括：聚焦鏡，設置 在所述燒蝕靶與所述信號採集單元之間，匯聚經過所述目標物的相干光。
3. 根據權利要求2所述的等離子體動量測量裝置，其特徵在於，還包括：狹縫，設置在 所述聚焦鏡與所述信號採集單元之間，使經過所述聚焦鏡匯聚的部分光束通過並進入所述 信號採集單元中。
4. 根據權利要求1所述的等離子體動量測量裝置，其特徵在於，所述目標物是絲狀物。
5. 根據權利要求1所述的等離子體動量測量裝置，其特徵在於，吊掛所述燒蝕靶的固 定裝置是雙線吊掛裝置。
6. 根據權利要求1所述的等離子體動量測量裝置，其特徵在於，所述相干光生成單元 包括光源和幹涉儀，所述光源產生的光束經過所述幹涉儀，所述幹涉儀產生所述相干光。
7. 根據權利要求6所述的等離子體動量測量裝置，其特徵在於，所述光源是單色光光 源。
8. 根據權利要求6所述的等離子體動量測量裝置，其特徵在於，所述幹涉儀為麥可 遜幹涉儀。
9. 根據權利要求1至8中任一項所述的等離子體動量測量裝置，其特徵在於，所述信號 採集單元是圖像傳感器。
10. -種等離子體產生系統，其特徵在於，包括： 雷射源，將雷射照射在燒蝕靶上形成等離子體；以及 如權利要求1至9中任一項所述的等離子體動量測量裝置，用於測量所述等離子體的 動量。
【文檔編號】H05H1/24GK203870121SQ201420229472
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年5月6日 優先權日:2014年5月6日
【發明者】鄭志遠, 王夢暉, 蔣壘 申請人:中國地質大學（北京）