icf实验中靶点定位需求分配

icf实验中靶点定位需求分配

icf研究的大型透射仪由多条高功率激光束组成，每条图像有许多光学元素。由于外部环境的变化，光学元素的光学表面偏移和相关元素的机械偏移和倾斜，导致图像点的位移，从而影响打击执行的精度。为了使各光束准确定位于靶点,本文基于神光Ⅲ原型装置结构,探讨其定位误差估计方法。研究光学元件定位误差分析方法,主要是基于ICF物理实验要求,将其对靶点定位需求量(所有到达靶点的光束定位误差不超过30μm),分配到光路中各个光学元件上。随着用于ICF的大型固体激光装置的不断发展,对光学元件定位误差研究日趋重要,它不仅仅是反映光学元件及其支撑结构对外界激励和内部变化的响应程度,而且是评价光学设计系统和光学元件结构性能的重要指标。目前,美国NIF装置在继Nova和Omega激光装置的基础上,对光学元件定位误差进行了认真的研究,它从光学元件运动量与靶点光束定位之间的关系出发,借Nova和Omega激光装置中光学元件运行经验,利用光线追迹进行检验,给出每一个光学元件定位误差值,并从结构设计上对影响光束定位的激励源进行了有限元分析,进一步修正了光学元件定位误差值。我国虽然相继建成了星光Ⅱ和神光Ⅱ大型激光器装置,但对靶点光束定位误差研究做的很少,在文献中,直接运用光线追迹法进行光学元件定位误差分析,由于陷入大量的运算过程中,无法给出一个可行性分配方案。所以有必要进一步开发和研究适合我国大型固体激光器发展的光学元件定位误差分析方法。1线性加权与法方法的运用对光学元件定位误差值预估,我们将ICF对靶点总的需求(σ2),进行加权平均分配到光路中各个组成部分(σ2GTGΤ2),运用概率方法再将其分配到各个光学元件(σ2ETEΤ2),最后根据光学元件运动量与靶点定位之间的关系,确定各个光学元件定位误差(σ2EE2)。其技术路线如图1所示。由于组成光路的各个部分结构不同,所处的位置不同,所以对靶点的定位影响也不同。为了充分体现这一点,我们运用了线性加权和法方法求其各个部分的权重因子。其基本思想是根据各个目标在问题中的重要程度,分别赋予它们一个数,并把这个数作为该目标的系数,将目标函数的表达式σ2=∑inσ2iσ2=∑inσi2变为σ2=∑1nωiσ2σ2=∑1nωiσ2,即有σ2i=ωiσ2(1)σi2=ωiσ2(1)式中:σ为总均方差;σi为第i个部件均方差;ωi为第i个部件权系数,即权重因子。1.1特征函数及权重的确定在确定权重因子过程中,我们采用了判断矩阵法,其本思想是首先用数字1至9个数标出对两两目标的比较判断,然后构造判断矩阵,再运用判断矩阵计算出所有目标的权系数。具体求解过程:一是运用文献中的(1)～(3)式和(12),(13)式建立的光学元件运动量与靶点光束定位之间关系,确定每个光学元件发生单位变化量对靶点的影响大小,运用(2)式再计算出每一部分的对靶点的定位误差(见表1)。二是将表1中组成部分进行两两比较,确定其相对重要程度,进而确定出判断矩阵中的元素值;如果有可靠的经验数据,也可对其相对重要程度进行修正。三是运用判断矩阵法求其各个组成部分的权重值,再运用(1)式求其各个部分对靶点的影响值,结果见表2。σ2j=∑i=1mσ2i(i=1‚⋯‚m；j=1‚⋯‚5)(2)σj2=∑i=1mσi2(i=1‚⋯‚m；j=1‚⋯‚5)(2)式中:σj为每一部分对靶点的定位误差;σi为每一光学元件发生单位变化对靶点的定位误差。1.2反射镜光学元件的允许变化问题运用等概率或不等概率方法,将表2各部分对靶点的定位误差分配到各个光学元件对靶点的定位误差,运用文献中的(1)～(3)式和(12),(13)式建立的光学元件运动量与靶点光束定位之间关系,计算出光学元件的定位误差,此值是对光学元件一个总的要求,如何分配到光学元件各自由度上?对平面反射镜只考虑绕垂直于光线入射面旋转对靶点的影响,因而将其定位误差估计值作为其允许变化的范围。对透镜光学元件可从平移和旋转两个方面四个自由度上进行考虑。假定光轴为Z轴,四个自由度定义为:沿X轴平移和沿Y轴平移,绕X轴旋转和绕Y轴旋转。(a)运用光线追迹方法计算透镜每一自由度上发生单位变化对靶点的影响值。(b)根据总的估计值,求出每一自由度上最大定位误差值。(c)对同一组成部分中透镜,以每一自由度上的最小值作为整组透镜该自由度上的允许变化的范围。总的结果见表3。2追迹检验及其结果表3仅是一个初步预估的结果,它规定了光学元件定位误差变化范围,在外界因素的作用下,究竟能否满足物理实验要求,在此我们运用光线追迹进行检验。光线追迹的结果可用一个点坐标值和点到中心的距离两种表示。点坐标值反映其相对中心的弥散程度;用点到中心的距离可以判断区间变化状态。2.1样本数的确定由于我们不可能穷尽每一种变化,但可以认为每一个光学元件每一种变化都是等概率发生,根据数理统计原则,可以运用样本来估计总体,而样本数越多,对总体的估计越精确,为此本文选取样本数为5000,也就是说进行5000次光线追迹。点分布弥散如图2所示,图中圆的直径为30μm,表示物理实验的要求。2.2不同光学元件间的区间估计将每次光线追迹的结果用点到靶点的距离表示,求均值,以均值为估计参数,以15μm为估计偏差,置信度为1-a(a=0.05),以正态分布已知偏差原理进行区间估计,看其区间是否落在区间,其结果为[11.45,13.31]。进而说明了表3光学元件定位误差估计是可行性的。图3表示了追迹了5000次,距离落在小于1、大于1小于3、大于3小于5、…,大于29μm等16个区间的点数,从其点分布趋向,也说明了我们采用正态分布进行区间估计的合理性。3不同自由度光学元件的响应面分布运用以上对光学元件定位误差的预估的技术路线,辅以必要的光线追迹,是能够完成光学元件定位误