專利名稱：一種等離子體診斷用顯微鏡調(diào)焦裝置及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及成像系統(tǒng)的裝調(diào)領(lǐng)域，尤其是涉及一種等離子體診斷用顯微鏡調(diào)焦裝置及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
在等離子體診斷實(shí)驗(yàn)中，Schwarzschild(施瓦茲希爾德)成像系統(tǒng)工作在極紫外波段，所以成像系統(tǒng)的光路必須處于真空環(huán)境。在每次實(shí)驗(yàn)抽真空過(guò)程中，由于大氣壓的影響，診斷裝置的真空腔會(huì)向中心收縮，并且物理靶也會(huì)產(chǎn)生少量的偏移。所以，在抽真空結(jié)束后要重新精確調(diào)節(jié)成像系統(tǒng)，使其最佳物點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)用的物理靶重合。這就需要建立一套能夠?qū)φ婵罩械奈镧R進(jìn)行指向和軸向精確調(diào)節(jié)的調(diào)焦裝置。另外，診斷實(shí)驗(yàn)對(duì)Schwarzschild顯微鏡的成像性能要求為在2mm視場(chǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)5 μ m的分辨率。為達(dá)到實(shí)驗(yàn)對(duì)成像分辨率的要求，靶點(diǎn)沿物鏡光軸方向偏離成像系統(tǒng)最佳物點(diǎn)的允許量為15 μ m，垂 軸方向允許的偏離量為O. 1mm，所以，該調(diào)焦裝置的精度至少要達(dá)到軸向15 μ m，垂軸方向O. Imm0目前，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置NIF上的診斷系統(tǒng)普遍采用DM裝置結(jié)合靶場(chǎng)觀測(cè)設(shè)備將成像系統(tǒng)送到真空腔內(nèi)指定的位置。該設(shè)備可以提供NIF靶室內(nèi)激光聚變實(shí)驗(yàn)各種診斷設(shè)備搭載功能，以及精確徑向定位、指向和裝調(diào)的裝置，使診斷設(shè)備在不破壞靶室系統(tǒng)真空的情況下更換診斷包。該裝置可以搭載最大直徑為300_，長(zhǎng)3m的診斷設(shè)備，其軸向定位精度為±250μπι;垂直光軸方向定位精度為±25μπι，角度指向調(diào)節(jié)量為±2°。DM在軸向的定位精度為±250 μ m，該精度能夠滿足絕大部分診斷設(shè)備的精度要求，但是，本發(fā)明所描述的正入射結(jié)構(gòu)的Schwarzschild顯微鏡具有較大的數(shù)值孔徑,在波長(zhǎng)一定的情況下，其景深小，僅為15 μ m,顯然DM的軸向精度無(wú)法滿足要求。而且，DIM結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，目前我國(guó)還沒(méi)有研制出應(yīng)用在強(qiáng)激光診斷裝置上的類似設(shè)備。目前，在國(guó)內(nèi)強(qiáng)激光裝置上與診斷系統(tǒng)配套的調(diào)焦裝置均是在抽真空之前對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，無(wú)法在抽真空結(jié)束后再對(duì)整套成像系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這就無(wú)法消除抽真空過(guò)程中靶腔的收縮對(duì)系統(tǒng)瞄準(zhǔn)精度產(chǎn)生的影響。另外，針對(duì)強(qiáng)激光診斷裝置上所應(yīng)用的診斷成像設(shè)備，傳統(tǒng)的調(diào)焦方法是確定物點(diǎn)到成像系統(tǒng)物鏡的距離，而采用調(diào)節(jié)系統(tǒng)的CCD探測(cè)器像面的位置，使像距滿足已經(jīng)確定的物距要求。對(duì)于這種調(diào)焦方法而言，若成像系統(tǒng)的景深較大，也就是說(shuō)系統(tǒng)對(duì)物距的要求不太嚴(yán)格的情況下，采用上述的調(diào)焦方法是可行的。但是，對(duì)于Schwarzschild顯微鏡，其景深僅為15 μ m，要保證真空腔中一點(diǎn)與物鏡的距離達(dá)到15 μ m的精度是比較困難的。Schwarzschild顯微鏡的放大倍率為10,所以其焦深為景深的100倍,即I. 5mm,通過(guò)機(jī)械件完全能夠達(dá)到這個(gè)精度。所以，采用固定像距調(diào)節(jié)物距的方法，并結(jié)合精密的一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)(調(diào)節(jié)精度可達(dá)5 μ m)，可以顯著提高成像系統(tǒng)的調(diào)焦精度
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種可以在靶腔外面調(diào)節(jié)處于真空狀態(tài)的靶腔內(nèi)部物鏡的軸向平移和指向，且調(diào)焦精度高、效率快，還能保護(hù)CCD探測(cè)器像元的有利于提高調(diào)焦的精度和效率等離子體診斷用顯微鏡調(diào)焦裝置及其應(yīng)用。本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種等離子體診斷用顯微鏡調(diào)焦裝置，用于調(diào)節(jié)成像系統(tǒng)的物鏡與物點(diǎn)之間的距離，所述的成像系統(tǒng)包括靶腔法蘭、物鏡、主筒、CXD探測(cè)器；其特征在于，該裝置包括L型支架、帶滑動(dòng)塊的一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)、U型支架、波紋管、向心關(guān)節(jié)軸承、指向調(diào)節(jié)器，所述的L型支架與靶腔法蘭連接，所述的一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)設(shè)置在L型支架上，所述的U型支架固定設(shè)置在一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)的滑動(dòng)塊上，該U型支 架的一端與向心關(guān)節(jié)軸承固定連接，另一端與指向調(diào)節(jié)器固定連接，所述的波紋管的一端與L型支架連接，另一端與U型支架連接，所述的主筒的一端與CXD探測(cè)器通過(guò)法蘭連接，另一端依次穿過(guò)指向調(diào)節(jié)器、U型支架、向心關(guān)節(jié)軸承、波紋管、L型支架后與物鏡通過(guò)法蘭連接，所述的向心關(guān)節(jié)軸承通過(guò)軸承連接件與主筒連接，所述的軸承連接件一端與主筒焊接，另一端通過(guò)螺釘與向心關(guān)節(jié)軸承連接。該裝置還包括真空閘板閥，該真空閘板閥通過(guò)法蘭與主筒連接。所述的一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)為方軌一維梯形絲杠調(diào)節(jié)平移臺(tái)。所述的指向調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)主筒沿兩垂直的方向調(diào)節(jié)移動(dòng)。一種如權(quán)利要求I所述的等離子體診斷用顯微鏡調(diào)焦裝置的應(yīng)用，其特征在于，該應(yīng)用包括以下步驟1)將物鏡安裝在調(diào)焦裝置的主筒上，并將整套調(diào)焦裝置安裝在強(qiáng)激光裝置的靶腔的靶腔法蘭上；2)依靠?jī)膳_(tái)位于靶腔外面的監(jiān)視器，調(diào)節(jié)靶的姿態(tài)和激光發(fā)生器，使激光的聚焦點(diǎn)精確對(duì)準(zhǔn)位于靶腔內(nèi)部的靶；3)通過(guò)指向調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)主筒，以向心關(guān)節(jié)軸承為主筒的支撐點(diǎn)，使物鏡精確指向靶；4)通過(guò)一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)U型支架，帶著物鏡平動(dòng)，調(diào)整物鏡到靶的距離；5)將靶腔抽成真空狀態(tài)，抽空過(guò)程中隨時(shí)調(diào)節(jié)指向調(diào)節(jié)器和一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)；6)進(jìn)行打靶實(shí)驗(yàn)，通過(guò)CCD探測(cè)器采集激光打靶產(chǎn)生的等離子體輻射經(jīng)物鏡所成的像。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)I.采用設(shè)計(jì)的主筒來(lái)保證成像系統(tǒng)的像距(因?yàn)槟壳皣?guó)內(nèi)機(jī)械加工精度可以做到10 μ m，所以靠機(jī)械加工精度來(lái)保證主筒的長(zhǎng)度精度，即保證成像系統(tǒng)物鏡到CXD探測(cè)器的距離)，即使CCD探測(cè)器的像面保持在成像物鏡的焦深范圍內(nèi)，通過(guò)調(diào)焦裝置來(lái)調(diào)節(jié)成像物鏡與物點(diǎn)之間的距離，使物距精度滿足成像系統(tǒng)景深的要求，相對(duì)于傳統(tǒng)的固定物距，調(diào)節(jié)像面與系統(tǒng)間距的方法可以將成像系統(tǒng)與物點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)的精度提高100倍。2.該發(fā)明中所述的調(diào)焦裝置采用一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)沿軸向調(diào)節(jié)系統(tǒng)，指向調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)指向的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了軸向平移調(diào)節(jié)和指向調(diào)節(jié)的非聯(lián)動(dòng)，兩者互不影響，有利于提高調(diào)焦的精度和效率。3.本發(fā)明采用波紋管密封，并提供軟連接，整套調(diào)焦裝置安裝在強(qiáng)激光裝置靶腔的法蘭上，物鏡處于靶腔內(nèi)部，因此，該發(fā)明可以在靶腔外面調(diào)節(jié)處于真空狀態(tài)的靶腔內(nèi)部物鏡的軸向平移和指向。4.采用真空閘板閥隔斷靶腔與CCD探測(cè)器之間的氣流，在對(duì)真空狀態(tài)的靶腔進(jìn)行放氣前關(guān)閉真空閘板閥，這樣CCD探測(cè)器仍處于真空狀態(tài)，這有利于對(duì)CCD探測(cè)器像元的保護(hù)。


圖I為本發(fā)明應(yīng)用狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明與物鏡連接的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中I為物鏡、2為祀腔、3為L(zhǎng)型支架、4為波紋管、5為向心關(guān)節(jié)軸承、6為主筒、7為真空閘板閥、8為指向調(diào)節(jié)器、9為CCD探測(cè)器、10為帶滑動(dòng)塊的一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)、11為U型支架、12為靶腔法蘭、13為靶、14為監(jiān)視器、15為激光。圖I中X、y為坐標(biāo)軸，z方向垂直平面xoy。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。 實(shí)施例激光等離子體診斷就是利用超強(qiáng)激光15輻照物理靶13，產(chǎn)生等離子體并輻射極紫外光，利用成像系統(tǒng)(本發(fā)明中的Schwarzschild成像物鏡I)對(duì)福射極紫外光的物理革巴進(jìn)行成像。如圖I、圖2所示，一種等離子體診斷用顯微鏡調(diào)焦裝置，用于調(diào)節(jié)成像系統(tǒng)的物鏡與物點(diǎn)之間的距離，成像系統(tǒng)包括靶腔法蘭12、物鏡I、主筒6、CXD探測(cè)器9。在該成像系統(tǒng)的調(diào)焦裝置中，物鏡I與調(diào)焦裝置(圖I中虛線框內(nèi))采用法蘭連接的方式。調(diào)焦裝置安裝在靶腔法蘭12上，物鏡I伸入靶腔2內(nèi)部，靶腔中為真空環(huán)境(因?yàn)镾chwarzschild成像系統(tǒng)工作波長(zhǎng)為極紫外，而大氣對(duì)極紫外光的吸收很嚴(yán)重，所以靶腔內(nèi)必須是真空狀態(tài))。本發(fā)明的作用就是在靶腔外面調(diào)節(jié)處在靶腔內(nèi)部真空環(huán)境的物鏡I。調(diào)焦裝置包括L型支架3、帶滑動(dòng)塊的一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)10、U型支架11、波紋管4、向心關(guān)節(jié)軸承5、指向調(diào)節(jié)器8、真空閘板閥7。L型支架3與靶腔法蘭12連接，是整個(gè)裝置的承重設(shè)備。一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)10設(shè)置在L型支架3上。在該裝置中，一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)10是決定軸向調(diào)節(jié)精度的關(guān)鍵設(shè)備。本實(shí)施例所采用的一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)為200mm行程方軌一維梯形絲杠調(diào)節(jié)平移臺(tái)，其基本參數(shù)為行程200mm,最大負(fù)載50kg,最小讀數(shù)O. Olmm,定位精度O. 008mm,并且可以定位鎖定，可以承受的沿軸向的力為300N，該參數(shù)大于大氣壓對(duì)成像系統(tǒng)沿軸向的壓力。U型支架11固定設(shè)置在一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)10的滑動(dòng)塊上，U型支架11是物鏡I、波紋管4、向心關(guān)節(jié)軸承5、真空閘板閥7、指向調(diào)節(jié)器8和CXD探測(cè)器9的主要承重設(shè)備，U型支架11安裝在一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)10上，通過(guò)調(diào)節(jié)一維平移臺(tái)10可以帶動(dòng)U型支架組件同時(shí)沿X軸前后移動(dòng)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)物鏡軸向平移的目的。該U型支架11的一端與向心關(guān)節(jié)軸承5固定連接，另一端與指向調(diào)節(jié)器8固定連接，波紋管4的一端與L型支架3連接，另一端與U型支架11連接。向心關(guān)節(jié)軸承5提供一個(gè)支點(diǎn)，借助于一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)10和U型支架11帶動(dòng)成像系統(tǒng)軸向移動(dòng)。同時(shí)，當(dāng)調(diào)節(jié)指向調(diào)節(jié)器8在二維方向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，可以使物鏡I在以該支點(diǎn)為中心做二維方向(y方向和z方向)擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)物鏡I指向的調(diào)節(jié)。調(diào)焦裝置中波紋管的作用是保持真空并提供一軟連接。主筒6的一端與CXD探測(cè)器9通過(guò)法蘭連接，另一端依次穿過(guò)指向調(diào)節(jié)器8、U型支架11、向心關(guān)節(jié)軸承5、波紋管4、L型支架3后與物鏡I通過(guò)法蘭連接。向心關(guān)節(jié)軸承5通過(guò)軸承連接件與主筒6連接，軸承連接件一端與主筒6焊接，另一端通過(guò)螺釘與向心關(guān)節(jié)軸承5連接。真空閘板閥7和CCD探測(cè)器9自身帶有安裝法蘭，它們與主筒6靠法蘭連接，主筒6從指向調(diào)節(jié)器8中穿過(guò)(兩者不是硬性連接，否則主筒6無(wú)法相對(duì)于指向調(diào)節(jié)器運(yùn)動(dòng))，通過(guò)指向調(diào)節(jié)器8沿y軸方向和z軸方向(z軸垂直于xoy平面)驅(qū)動(dòng)真空閘板閥7和CXD探測(cè)器9之間的主筒6，從而使物鏡做二維方向的擺動(dòng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物鏡指向的調(diào)節(jié)，兩者之間的調(diào)節(jié)相互分離，互不影響。真空閘板閥7主要用于超高真空系統(tǒng)中切斷或接通氣流。由于污染和潮濕對(duì)CCD探測(cè)器像元的危害非常大，所以在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)有必要將探測(cè)器保持在真空狀態(tài)，這有益于在長(zhǎng)期保存過(guò)程中對(duì)CXD的保護(hù)。一種如權(quán)利要求I所述的等離子體診斷用顯微鏡調(diào)焦裝置的應(yīng)用，該應(yīng)用包括以下步驟步驟I :將物鏡安裝在調(diào)節(jié)裝置的主筒上，并將整套調(diào)節(jié)裝置安裝在強(qiáng)激光裝置靶腔2的法蘭12上。步驟2):依靠?jī)膳_(tái)靶場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng)14 (位于靶腔2外面)監(jiān)視靶13，調(diào)節(jié)靶的姿態(tài)和激光15，使激光15的聚焦點(diǎn)精確對(duì)準(zhǔn)靶(靶在靶腔2內(nèi)部)。
步驟3):使用本發(fā)明中的指向調(diào)節(jié)器8沿y方向和z方向驅(qū)動(dòng)主筒，以向心關(guān)節(jié)軸承5為主筒的支撐點(diǎn)，使物鏡精確指向靶。步驟4):利用本發(fā)明中的一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)10沿X方向驅(qū)動(dòng)U型支架，進(jìn)而調(diào)節(jié)物鏡沿X方向平動(dòng)，使物鏡到靶的距離滿足設(shè)計(jì)的要求。步驟5):將真空靶腔2抽成真空狀態(tài)。步驟6):重復(fù)步驟2) 4)。(因?yàn)槌檎婵者^(guò)程中靶會(huì)偏離抽真空前的位置，所以抽真空完畢后要重復(fù)步驟2) 4)步驟7):完成步驟6)以后，進(jìn)行打靶實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中靶的位置即為物鏡的物點(diǎn)位置，靶經(jīng)過(guò)物鏡成像在CXD探測(cè)器像面上，這樣利用CXD探測(cè)器就可以采集到激光打靶產(chǎn)生的等離子體輻射經(jīng)物鏡所成的像。
權(quán)利要求
1.一種等離子體診斷用顯微鏡調(diào)焦裝置，用于調(diào)節(jié)成像系統(tǒng)的物鏡與物點(diǎn)之間的距離，所述的成像系統(tǒng)包括靶腔法蘭、物鏡、主筒、CCD探測(cè)器；其特征在于，該裝置包括L型支架、帶滑動(dòng)塊的一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)、U型支架、波紋管、向心關(guān)節(jié)軸承、指向調(diào)節(jié)器，所述的L型支架與靶腔法蘭連接，所述的一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)設(shè)置在L型支架上，所述的U型支架固定設(shè)置在一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)的滑動(dòng)塊上，該U型支架的一端與向心關(guān)節(jié)軸承固定連接，另一端與指向調(diào)節(jié)器固定連接，所述的波紋管的一端與L型支架連接，另一端與U型支架連接，所述的主筒的一端與CXD探測(cè)器通過(guò)法蘭連接，另一端依次穿過(guò)指向調(diào)節(jié)器、U型支架、向心關(guān)節(jié)軸承、波紋管、L型支架后與物鏡通過(guò)法蘭連接，所述的向心關(guān)節(jié)軸承通過(guò)軸承連接件與主筒連接，所述的軸承連接件一端與主筒焊接，另一端通過(guò)螺釘與向心關(guān)節(jié)軸承連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種等離子體診斷用顯微鏡調(diào)焦裝置，其特征在于，該裝置還包括真空閘板閥，該真空閘板閥通過(guò)法蘭與主筒連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種等離子體診斷用顯微鏡調(diào)焦裝置，其特征在于，所述的一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)為方軌一維梯形絲杠調(diào)節(jié)平移臺(tái)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種等離子體診斷用顯微鏡調(diào)焦裝置，其特征在于，所述的指向調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)主筒沿兩垂直的方向調(diào)節(jié)移動(dòng)。
5.一種如權(quán)利要求I所述的等離子體診斷用顯微鏡調(diào)焦裝置的應(yīng)用，其特征在于，該應(yīng)用包括以下步驟 1)將物鏡安裝在調(diào)焦裝置的主筒上，并將整套調(diào)焦裝置安裝在強(qiáng)激光裝置的靶腔的靶腔法蘭上； 2)依靠?jī)膳_(tái)位于靶腔外面的監(jiān)視器，調(diào)節(jié)靶的姿態(tài)和激光發(fā)生器，使激光的聚焦點(diǎn)精確對(duì)準(zhǔn)位于靶腔內(nèi)部的靶； 3)通過(guò)指向調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)主筒，以向心關(guān)節(jié)軸承為主筒的支撐點(diǎn)，使物鏡精確指向靶； 4)通過(guò)一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)U型支架，帶著物鏡平動(dòng)，調(diào)整物鏡到靶的距離； 5)將靶腔抽成真空狀態(tài)，抽空過(guò)程中隨時(shí)調(diào)節(jié)指向調(diào)節(jié)器和一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)； 6)進(jìn)行打靶實(shí)驗(yàn)，通過(guò)CCD探測(cè)器采集激光打靶產(chǎn)生的等離子體輻射經(jīng)物鏡所成的像。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種等離子體診斷用顯微鏡調(diào)焦裝置及其應(yīng)用，該裝置包括L型支架、一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)、U型支架、波紋管、向心關(guān)節(jié)軸承、指向調(diào)節(jié)器，U型支架、一維調(diào)節(jié)平移臺(tái)、L型支架依次連接，主筒的一端與CCD探測(cè)器連接，另一端依次穿過(guò)指向調(diào)節(jié)器、U型支架、向心關(guān)節(jié)軸承、波紋管、L型支架后與物鏡連接；該應(yīng)用為，將調(diào)焦裝置安裝在靶腔法蘭上，并調(diào)節(jié)靶的姿態(tài)和激光發(fā)生器，使激光的聚焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)靶；調(diào)節(jié)指向調(diào)節(jié)器使物鏡指向靶，并調(diào)整物鏡到靶的距離；將靶腔抽成真空狀態(tài)并進(jìn)行打靶實(shí)驗(yàn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以在靶腔外面調(diào)節(jié)處于真空狀態(tài)的靶腔內(nèi)部物鏡的軸向平移和指向，且調(diào)焦精度高、效率快，還能保護(hù)CCD探測(cè)器像元。
文檔編號(hào)G02B21/26GK102722020SQ201110079258
公開(kāi)日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月30日
發(fā)明者伊圣振, 王占山, 王新, 穆寶忠, 黃怡 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)