Фокусирующая оптическая система с тороидальными зеркалами


 


Владельцы патента RU 2552029:

Полтавец Марк Андреевич (RU)

Изобретение относится к оптическим системам для фокусировки пучка. Оптическая система содержит корпус (1) с входным отверстием (2) для ввода вдоль оптической оси (3) пучка лазерного излучения (4), который отражается от первого конического зеркала (5), проходит через цилиндрическое окно (6), кольцевое коническое зеркало (7) и, пройдя через кольцевое тороидальное зеркало (8) и главное тороидальное зеркало (9), выводится через выходное отверстие (10), фокусируясь в точке (11). Первое коническое зеркало 5 установлено с помощью поддержек (12) на диске (13), к которому прикреплено главное тороидальное зеркало (9) и цилиндрическое окно (6) с прикрепленным к нему кольцом (14). Техническим результатом является увеличение равномерности облучения термоядерной мишени путем формирования широкоугольного гомоцентрического пучка лазерного излучения, имеющего сплошную апертуру. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области термоядерной энергетики и может быть использовано при создании оптических систем термоядерных энергетических установок, использующих инерциальное удержание плазмы.

Уровень техники

Цель изобретения: увеличение равномерности облучения термоядерной мишени путем формирования широкоугольного гомоцентрического пучка лазерного излучения, имеющего сплошную апертуру при максимальной компактности и дешевизне оптической системы.

Известна конструкция фокусирующей оптической системы (европейский патент № ЕР 1642301, от 05.04.2006, G21B 1/23), использующей пучок лазерного излучения, который проходит через собирающую линзу и фокусируется на термоядерной мишени. При этом формируется гомоцентрический пучок, имеющий сплошную апертуру. Однако угол конуса этого пучка является узким, причем формирование широкоугольного гомоцентрического пучка привело бы к непропорциональному увеличению и усложнению оптической системы. В результате равномерность облучения термоядерной мишени не обеспечивается.

Известна конструкция фокусирующей оптической системы (европейский патент № ЕР 0772203, от 07.05.1997, G21B 1/03), в которой используются два пучка лазерного излучения, каждый из которых преломляется при прохождении линзы, образуя кольцевую апертуру, и, отражаясь от тороидального кольцевого зеркала с эллиптической образующей, фокусируется на термоядерной мишени. При этом формируется широкоугольный гомоцентрический пучок, однако он имеет кольцевую апертуру, что не обеспечивает равномерность облучения термоядерной мишени.

Известна конструкция фокусирующей оптической системы (патент Франции №2789217, от 04.08.2000, G21B 1/03), использующей пучок лазерного излучения, который преломляется при прохождении линзы, образуя кольцевую апертуру, и, отражаясь от тороидального кольцевого зеркала с параболической образующей, фокусируется на термоядерной мишени. При этом формируется широкоугольный гомоцентрический пучок, однако он имеет кольцевую апертуру, что не обеспечивает равномерность облучения термоядерной мишени.

Наиболее близкой к предлагаемой конструкции является фокусирующая оптическая система (патент США №4118274, от 03.10.1978, G21B 1/23), в которой используются два пучка лазерного излучения, каждый из которых отражается от конического зеркала и от тороидального кольцевого зеркала с параболической образующей, фокусируясь на термоядерной мишени. При этом формируется широкоугольный гомоцентрический пучок, однако он имеет кольцевую апертуру, что не обеспечивает равномерность облучения термоядерной мишени.

Раскрытие изобретения

Цель изобретения: Увеличение равномерности облучения термоядерной мишени путем формирования широкоугольного гомоцентрического пучка лазерного излучения, имеющего сплошную апертуру при максимальной компактности и дешевизне оптической системы.

Предлагаемая фокусирующая оптическая система отличается тем, что тороидальные зеркала формируют широкоугольный пучок лазерного излучения, имеющий сплошную круглую апертуру, причем отражающая поверхность кольцевого тороидального зеркала образована вращением дуги параболы вокруг оптической оси, а отражающая поверхность главного тороидального зеркала образована вращением дуги эллипса вокруг оптической оси. Возможен вариант, при котором предлагаемая фокусирующая оптическая система отличается тем, что тороидальные зеркала формируют широкоугольный пучок лазерного излучения, имеющий сплошную апертуру, характеризующуюся произвольным контуром.

На фиг.1 изображено сечение фокусирующей оптической системы и проходящего через нее пучка лазерного излучения.

На фиг.2 изображен разрез фокусирующей оптической системы, образующие зеркальных поверхностей и вспомогательные линии.

На фиг.3 изображено сечение фокусирующей оптической системы и проходящего через нее пучка лазерного излучения.

Фокусирующая оптическая система содержит корпус 1, имеющий входное отверстие 2 для ввода вдоль оптической оси 3 пучка лазерного излучения 4, который отражается от первого конического зеркала 5, проходит через цилиндрическое окно 6, предшествующее кольцевому коническому зеркалу 7 и, пройдя через кольцевое тороидальное зеркало 8 и главное тороидальное зеркало 9, выводится через выходное отверстие 10 и фокусируется в точке 11. Первое коническое зеркало 5 установлено с помощью поддержек 12 на диске 13, к которому прикреплено главное тороидальное зеркало 9 и цилиндрическое окно 6 с прикрепленным к нему кольцом 14.

Поддержки 12 используются для установки конического зеркала 5, кольцевого конического зеркала 7, кольцевого тороидального зеркала 8 и кольца 14.

Отражающая поверхность кольцевого тороидального зеркала 8 образована вращением дуги параболы вокруг оптической оси 3, а отражающая поверхность главного тороидального зеркала 9 образована вращением дуги эллипса вокруг оптической оси 3, причем ось параболы совпадает с большой осью эллипса и пересекает оптическую ось 3 под углом φ в точке 11, являющейся вторым фокусом эллипса, а первый фокус эллипса совпадает с фокусом параболы. Парабола, эллипс и оптическая ось 3 лежат в одной плоскости.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 изображено сечение фокусирующей оптической системы и проходящего через нее пучка лазерного излучения, сечение которого заштриховано точками. Плоскость сечения проходит через оптическую ось.

На фигуре 2 изображен разрез фокусирующей оптической системы, образующие зеркальных поверхностей и вспомогательные линии. Парабола, эллипс и оптическая ось лежат в плоскости сечения.

На фигуре 3 изображено сечение фокусирующей оптической системы и проходящего через нее пучка лазерного излучения, сечение которого заштриховано точками. Плоскость сечения проходит через оптическую ось.

Осуществление изобретения

В рассмотренных конструкциях аналогичных фокусирующих оптических систем формирование широкоугольного гомоцентрического пучка лазерного излучения ведет либо к неприемлемому увеличению рефракционных оптических элементов, либо к формированию кольцевой апертуры, но с сохранением компактности и дешевизны оптических элементов.

При использовании линзовой системы формирование широкоугольного гомоцентрического пучка лазерного излучения приводит к увеличению диаметра главной собирающей линзы, заготовку которой необходимо изготавливать с высокими требованиями к однородности и обрабатывать с учетом возможных аберраций, в результате чего увеличивается стоимость этой линзы. К тому же увеличиваются линейные размеры корпуса оптической системы по причине использования дополнительных линз, расширяющих пучок лазерного излучения перед главной линзой. Под влиянием вышеупомянутых ограничений становится неприемлемым формирование широкоугольного гомоцентрического пучка, поэтому в существующих реакционных камерах используются сразу несколько лазерных каналов, формирующих узкие пучки.

При использовании рассмотренных зеркальных систем сохраняются преимущества предлагаемой конструкции, однако недостаток заключается в формировании кольцевой апертуры, в центре которой в пределах определенного угла конуса излучение отсутствует. В результате при прямом или непрямом облучении термоядерной мишени такая неоднородность уменьшит полезный эффект от фокусировки широкоугольного гомоцентрического пучка по сравнению с вариантом, в котором этот же пучок имел бы сплошную апертуру. Такие характеристики сфокусированного пучка лазерного излучения, как угол конуса и форма апертуры, являются важными при решении задачи облучения термоядерной мишени, от равномерности которого зависит степень сжатия смеси термоядерного топлива и количество энергии, выделенное в результате термоядерной реакции.

При использовании предлагаемой фокусирующей оптической системы с тороидальными зеркалами появляется возможность на этапе проектирования, меняя угол φ, параметры эллипса и параболы, задавать угол конуса фокусирующегося пучка лазерного излучения в широких пределах при изменении габаритов оптической системы, отражающемся в основном в увеличении или уменьшении диаметра корпуса и системы зеркал. На фигуре 1 изображен вариант исполнения фокусирующей оптической системы, при котором угол конуса гомоцентрического пучка лазерного излучения равен 13 градусам, а на фигуре 3 угол конуса гомоцентрического пучка равен 34 градусам, причем линейные размеры обоих вариантов корпуса близки друг к другу. При этом увеличение зеркал не вызовет больших затруднений благодаря существующей технологии создания облегченных крупногабаритных заготовок зеркал. Использование зеркал в конструкции оптической системы позволит избавиться от аберраций и повысить плотность мощности лазерного излучения в точке фокуса, тем самым обеспечив более приемлемое облучение для некоторых видов термоядерных мишеней. Использование цилиндрического окна в конструкции необходимо по причине того, что лазерное излучение создает завесу вокруг первого конического и главного тороидального зеркал, имея сплошную апертуру перед введением в корпус оптической системы и после выведения из него. При необходимости создания крупных зеркал их можно изготавливать либо из отдельных элементов, закрепляя на жестком каркасе перед обработкой, либо отдельно изготавливать и обрабатывать эти элементы для последующей установки и юстировки на жестком каркасе.

1. Фокусирующая оптическая система, содержащая корпус с установленными в нем первым коническим зеркалом, цилиндрическим окном, кольцевым коническое зеркалом, кольцевым тороидальным зеркалом и главным тороидальным зеркалом, отличающаяся тем, что тороидальные зеркала формируют широкоугольный пучок лазерного излучения, имеющий сплошную апертуру, причем отражающая поверхность кольцевого тороидального зеркала образована вращением дуги параболы вокруг оптической оси, а отражающая поверхность главного тороидального зеркала образована вращением дуги эллипса вокруг оптической оси.

2. Фокусирующая оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что широкоугольный пучок лазерного излучения имеет сплошную апертуру, характеризующуюся круглым контуром.

3. Фокусирующая оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что широкоугольный пучок лазерного излучения имеет сплошную апертуру, характеризующуюся произвольным контуром.



 

Похожие патенты:

Заявленная группа изобретений относится к средствам для проведения реакции управляемого ядерного синтеза. Для этого осуществляют инжектирование ускоренных ионов легких элементов в вакуумированный кольцевой канал (1) со стенкой (2), выполненной из материала, способного к электризации, имеющий продольную ось (3) в виде выпуклой гладкой линии.

Изобретение относится к средствам управляемого ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы и может быть использовано в термоядерных реакторах для защиты стенок.

Изобретение относится к способу осуществления управляемого термоядерного синтеза. Способ включает периодическое взрывание термоядерного взрывного устройства внутри реактора в виде прочного корпуса (1), в котором имеется вода (2), превращаемая в пар, используемый для потребных нужд, и отличается тем, что прочный корпус заполняется водой, которая при любом ее агрегатном состоянии остается должное время в пределах внутреннего пространства прочного корпуса, через который производится отбор утилизируемой теплоты, аккумулированной внутри этого корпуса.

Заявленное изобретение относится к способу осуществления ядерных реакций. Заявленный способ характеризуется тем, что каналируемые ядерные частицы, ионы или излучения при каналировании фокусируются в определенном месте канала в кристаллической решетке фазы внедрения, нанотрубках или за их пределами.

Изобретение относится к области энергетики, в частности термоядерным взрывным устройствам. Термоядерное взрывное устройство (2), выполненное из металла, включает размещенную внутри него капсулу (1) из дейтерия или смеси дейтерия и трития и любого иного термоядерного топлива.

Заявленное изобретение относится к области энергетических установок типа токомак и может быть использовано при создании и проектировании магнитных термоядерных установок с активной зоной в виде тора.

Изобретение относится к области управляемого ядерного синтеза и может быть применено в устройствах для контроля нарабатываемого трития в бланкете термоядерного реактора.

Изобретение относится к области ядерной энергетики и касается получения энергии за счет управляемой реакции синтеза легких ядер в высокотемпературной плазме с помощью установки типа «токамак».

Изобретение относится к области энергетики. В заявленном способе предусмотрено осуществление ядерной или термоядерной реакции путем подрыва заряда внутри массивного металлического тела, размещенного в прочном корпусе, при этом энергия взрыва превышает энергию теплоты для расплавления металлического тела, а теплота, образующаяся в теле от взрыва, утилизируется через прочный корпус.

Заявленная группа изобретений относится к средствам для исследований протекания реакций ядерного синтеза с участием ядер изотопов водорода. В заявленном изобретении предусмотрено образование металлического кристаллического тела (МКТ) его конденсацией из паров металла, внедрение в МКТ атомов изотопов водорода так, чтобы хотя бы часть атомов с ядрами водорода оказывалась на наименьшем возможном расстоянии друг от друга.

Изобретение относится к устройству для контроля нарабатываемого трития в бланкете термоядерного реактора. Заявленное устройство выполнено в виде контейнера (1), по оси которого расположены капсулы (5), содержащие металлические детекторы (7) нейтронного излучения и детекторы (6) наработки трития из тритийвоспроизводящего материала, оба конца которого закрыты пробками (2, 3) из малоактивируемого материала. Детекторы наработки трития выполнены в виде прессованных цилиндров с осевыми отверстиями, в которые установлены трубки (8) из малоактивируемого материала. Детекторы нейтронного излучения размещены внутри упомянутых трубок. Техническим результатом является сокращение времени демонтажа устройства при извлечении облученных детекторов нейтронного излучения и уменьшение возмущения нейтронного потока при нахождении устройства для контроля в зоне воспроизводства трития, что повышает достоверность контроля. 2 ил.

Изобретение относится к термоядерному синтезу. Электроизолирующее устройство для крепления модуля бланкета на вакуумном корпусе термоядерного реактора содержит гибкую полую опору с фланцами, болт и закрепительную гильзу. Одним фланцем опора установлена в посадочное гнездо вакуумного корпуса с образованием резьбового соединения с ним, а другим с обеспечением электроизоляции соединена с модулем бланкета посредством болта. В торце резьбовой части болта выполнено монтажное отверстие, а головка болта расположена в полости гибкой опоры. Закрепительная гильза состоит из двух элементов, неподвижно соединенных между собой по конической поверхности, на которую нанесен электроизолирующий слой. Гильза имеет головку, соответствующую по форме монтажному отверстию болта, и тонкостенный цилиндрический конец. Гильза головкой установлена в упомянутое отверстие болта, а тонкостенным концом закреплена путем его деформации в модуле. Технический результат - исключение самоотворачивания болта гибкой опоры с одновременным сохранением электроизоляционных свойств устройства. 3 ил.

Изобретение относится способу измерения пространственного распределения ионной температуры водородной плазмы и характеризуется тем, что измеряют энергетическое распределение атомов перезарядки, поступающих из плазмы, калиброванным многоканальным анализатором, каждый канал которого регистрирует атомы определенной энергии. Каждому зарегистрированному атому соответствует электрический импульс на выходе анализатора, и одновременно регистрируют фотоны спектрально-селективным прибором (ССП), имеющим с анализатором общий входной коллиматор. При этом регистрируют атомы с энергией Еi i-м каналом анализатора и регистрируют фотоны с длиной волны λ0-Δλ i-м каналом ССП, где λ0 - длина волны водородной линии, излучающейся покоящимся атомом, a Δλ - смещение длины волны, обусловленное эффектом Доплера для энергии Еi. Возникшие электрические импульсы с выхода детектора совпадений подают на счетчик импульсов и по соотношению количества импульсов, зарегистрированных в различных каналах анализатора, определяют энергетическое распределение атомов перезарядки и соответственно ионную температуру Тion в данном ЛОИ. Далее получают значения Tion(j) для j локальных областей измерения и зависимость Tion(L), где L - координата вдоль линии наблюдения, т.е. пространственное распределение ионной температуры. Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности измерений без использования зондирующих атомных пучков, а также в повышении достоверности и точности измерений. 3 ил.

Заявленное изобретение относится к способу увеличения эффективности преобразования энергии лазерного термоядерного синтеза. В заявленном способе поглощающий теплоноситель формирует сплошную завесу вокруг источника ионизирующего излучения, что реализуется посредством заявленного устройства. Устройство содержит корпус (1) реакционной камеры, в которую вводятся лазерные пучки (2) через окна (3), слой поглощающего теплоносителя (4), первую стенку (5), фокусируясь на термоядерной мишени (6), доставленной механизмом подачи мишеней (7), закрепленном во входном цилиндрическом канале (8), за которым следуют сферический канал (9) и выходной цилиндрический канал (10). После инициирования термоядерной реакции ионизирующее излучение проходит через первую стенку, поглощаясь в слое теплоносителя, и далее не может покинуть реакционную камеру, распространяясь по траекториям лазерного излучения. Техническим результатом является увеличение эффективности преобразования энергии потока выделенного в ходе термоядерной реакции ионизирующего излучения в тепловую энергию в реакторе с инерциальным удержанием плазмы. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройству для электрического соединения внутрикамерных компонентов с вакуумным корпусом термоядерного реактора. Заявленное устройство содержит установленные в единый пакет токопроводящие пластины. Пластины имеют фланцы для крепления к внутрикамерному компоненту и вакуумному корпусу. Поверхность пластин между фланцами имеет форму симметричной волны по меньшей мере одного полного периода. Техническим результатом является увеличение нагрузочной способности по току и податливости устройства в целом за счет создания в токопроводящих пластинах участков с встречно направленным током, перпендикулярным тороидальной составляющей магнитного поля. 3 ил.
Наверх