一种用于磁约束聚变等离子体中的成像光学系统的制作方法

本发明涉及微波探测技术领域，具体涉及一种用于磁约束聚变等离子体中的成像光学系统。

背景技术：

微波成像诊断技术作为近年来新发展的一种微波可视化诊断技术，很好地弥补了传统一维诊断无极向分辨能力的不足，同时微波成像诊断还具有对等离子体无干扰测量的优点。微波成像诊断技术可同时对磁约束聚变托卡马克高温等离子体中的宏观和微观扰动进行实时的二维成像，是研究聚变等离子体中磁流体力学不稳定性和湍流输运物理的重要工具。微波成像诊断技术通过前端大口径的光学系统将等离子体中的电子回旋辐射信号引至到天线阵列上，再通过后端电子学系统将射频信号转换为可被采集系统接收和储存的模拟信号。可见，前端的光学系统是微波成像诊断中非常关键的组成部分，其工作性能直接决定了最终测量到的电子温度扰动信号的强度、信噪比以及测量的空间局域性。目前，由于前端的光学系统无法实现大视场和高空间分辨测量模式，导致微波成像诊断的探测范围受到限制。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是现有的微波成像诊断技术中其前端的光学系统无法实现大视场和高空间分辨两种测量模式。因此，本发明提供一种用于磁约束聚变等离子体中的成像光学系统，在天线阵列上紧凑、交错排布的椭球形小透镜，巧妙地实现了等离子体中电子回旋辐射层上发出的辐射信号与椭球形小透镜在空间上一一对应的关系，扩大了微波成像诊断系统的探测动态范围。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于磁约束聚变等离子体中的成像光学系统，包括天线阵列、第一透镜组、第二透镜组、第三透镜和窗口透镜；

目标物体发出的光经过所述天线阵列以高斯束发出，依次经过所述第一透镜组、第二透镜组、第三透镜和窗口透镜后，成像于目标像面上；所述目标像面为等离子体中的电子回旋辐射层；

所述成像光学系统的设计遵循右手坐标法则，坐标系原点为所述天线阵列的中心，z轴为系统光轴；所述天线阵列、第一透镜组、第二透镜组、第三透镜和窗口透镜均位于xoy平面内，且法线与z轴重合。

进一步地，所述成像光学系统的入瞳规格为物方数值孔径，值为0.08，入瞳直径为107毫米。

进一步地，所述成像光学系统的参考波长为3毫米，视场类型设定为目标物的物高，共设置5个视场，分别为y＝0,±80,±160毫米。

进一步地，所述天线阵列包括沿着y轴方向交错排布的两列椭球形小透镜；每一所述椭球形小透镜连接一个双偶极天线；

所述目标物体发出的光由所述双偶极天线的射频端发出，经对应的椭球形小透镜后以高斯束发出。

进一步地，所述双偶极天线为w带天线，所述椭球形小透镜的直径为25毫米。

进一步地，所述第一透镜组包括第一片透镜和第二片透镜；

其中，所述第一片透镜的表面形状为y超环面，曲率沿y方向；所述第二片透镜的表面形状为柱面，曲率沿x方向；

通过所述第一片透镜实现光线y方向的聚焦，通过所述第二片透镜实现x方向的聚焦。

进一步地，所述第二透镜组包括两片表面形状为y超环面的透镜，所述y超环面的曲率沿y方向；

通过调节所述第二透镜组中透镜的位置实现光路系统的变焦。

进一步地，所述第三透镜的表面形状为y超环面，沿y方向和x方向均设置曲率，所述第三透镜用于调节成像面的场曲。

进一步地，第一透镜组、第二透镜组和第三透镜的y超环面的面型表达式为：

其中，z为面型矢高，c为顶点曲率半径，k为二次曲面常数，r为径向坐标。

进一步地，所述窗口透镜的表面曲率为零，用于真空密封磁约束聚变装置，所述窗口透镜的尺寸由磁约束聚变装置的窗口尺寸决定。

本发明提供的一种用于磁约束聚变等离子体中的成像光学系统，在天线阵列上紧凑、交错排布椭球形小透镜，以使等离子体中电子回旋辐射层上发出的辐射信号与椭球形小透镜在空间上一一对应，扩大微波成像诊断系统的动态探测范围。

附图说明

图1为本发明一种用于磁约束聚变等离子体中的成像光学系统的原理图。

图2为本发明一实施例中天线阵列上的椭球形小透镜的结构示意图。

图3为本发明一实施例中第一透镜组的光学结构示意图。

图4为本发明一实施例中第二透镜组的光学结构示意图。

图5为本发明一实施例中第一透镜组在不同位置条件下y-z截面的高斯束追迹结果图。

图6为本发明一实施例中第二透镜组在不同位置条件下y-z截面的高斯束追迹结果图。

图7为本发明一实施例中成像光学系统在x-z截面的高斯束追迹结果图。

图8为本发明一实施例中成像光学系统在等离子体中的成像区域图。

附图标记：

100-成像光学系统；110-天线阵列；120-第一透镜组；130-第二透镜组；140-第三透镜；150-窗口透镜；161-目标像面；160-等离子体；111-椭球形小透镜；121-第一片透镜；122-第二片透镜；131-第三片透镜；132-第四片透镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本发明提供一种用于磁约束聚变等离子体中的成像光学系统100。该成像光学系统的设计遵循右手坐标法则，坐标系原点为所述天线阵列110的中心，z轴为系统光轴，其方向对应于等离子体160的径向方向r，y轴方向对应等离子体160中垂直方向，x轴方向对应等离子体160中的环向方向φ。天线阵列110、第一透镜组120、第二透镜组130、第三透镜140和窗口透镜150均位于xoy平面内，且法线与z轴重合。目标物体发出的光的主光线方向与z轴平行，指向正方向。

本实施例中成像光学系统的入瞳规格为物方数值孔径，值为0.08，入瞳直径为107毫米。参考波长为3毫米，视场类型设定为目标物的物高，共设置5个视场，分别为y＝0,±80,±160毫米。

本实施例中的成像光学系统包括天线阵列110、第一透镜组120、第二透镜组130、第三透镜140和窗口透镜150。目标物体发出的光经过天线阵列110以高斯束发出，依次经过第一透镜组120、第二透镜组130、第三透镜140和窗口透镜150后，成像于目标像面161上。目标像面161为等离子体160中的电子回旋辐射层。

具体地，如图2所示，天线阵列110包括沿着y轴方向交错排布的两列椭球形小透镜111，以使光线平行出射。可根据实际情况确定天线阵列的高度、椭球形小透镜的直径和椭球形小透镜的在天线阵列110中的个数。本实施例将天线阵列110的高度设置为300-400mm，如将天线阵列110的高度设置为330mm，椭球形小透镜的直径选择25mm，根据上述天线阵列的高度和椭球形小透镜的直径，本实施例则需每列各排布12个椭球形小透镜111，共24个椭球形小透镜111。每个椭球形小透镜111连接一个双偶极天线。目标物体发出的光由双偶极天线的射频端发出，经对应的椭球形小透镜111后以高斯束发出。

本实施例中的双偶极天线可以采用w带天线包括但不限于w带天线。如图3所示，本实施例中的第一透镜组120包括第一片透镜121和第二片透镜122。其中，第一片透镜121的表面形状为y超环面，曲率沿y方向；第二片透镜122的表面形状为柱面，曲率沿x方向。通过第一片透镜121实现光线y方向的聚焦，通过第二片透镜122实现x方向的聚焦。通过沿光轴z移动第一片透镜121的位置来改变目标像面161在等离子体160中的位置，实现等离子体160中不同径向位置的成像。

如图4所示，第二透镜组130包括两片表面形状为y超环面的透镜，分别为第三片透镜131和第四片透镜132，该两片透镜的表面形状均为y超环面，该y超换面的曲率沿y方向。通过调节第三片透镜131和第四片透镜132的位置改变成像光学系统100的变焦系数，实现高空间分辨和大视场两种工作模式。

具体地，在高空间分辨测量模式下，在等离子体中垂直方向束腰半径为11-14毫米，变焦系数为1-1.3；在大视场测量模式下，垂直方向束腰半径为17-22毫米，变焦系数为1.5-2；在高空间分辨和大视场模式下在等离子体中环向方向的束腰半径约为25-50毫米，能够满足等离子体中不稳定性模式的环向结构测量需求。在全视场下，像面场曲在两种模式下分别为20毫米和10毫米，像面形状基本与等离子体中电子回旋辐射层的形状匹配。用户可根据实际需求来选择天线阵列上小透镜的结构和空间布局，扩展了上述成像光学系统的适用性，还可应用于深空探测、医学成像和军事观测等领域。上述成像光学系统具有成像质量好，结构紧凑，加工、装调难度低等优点。

第三透镜140的表面形状为y超环面，沿y方向和x方向均设置曲率，第三透镜140用于调节成像面的场曲。

上述第一透镜组110、第二透镜组120和第三透镜140的y超环面的面型表达式为：

其中，z为面型矢高，c为顶点曲率半径，k为二次曲面常数，r为径向坐标。

窗口透镜150的表面曲率为零，用于真空密封磁约束聚变装置，窗口透镜150的尺寸由磁约束聚变装置的窗口尺寸决定。

进一步地，本实施例中天线阵列110上的椭球形小透镜111、第一透镜组120、第二透镜组130、第三透镜140和窗口透镜150的材料均为高密度聚乙烯，折射率为1.588。

图5为第一透镜组120中透镜121在不同位置条件下y-z截面的高斯束追迹结果。

图6为第二透镜组130中的第三片透镜131和第四片透镜132在不同位置条件下y-z截面的高斯束追迹结果。其中，图6中的上图为高空间分辨模式下的结果，变焦系数为1，垂直方向测量范围为33厘米，下图为大视场模式下的结果，变焦系数为1.5，垂直方向测量范围为50厘米。

图7为上述成像光学系统100在x-z截面的高斯束追迹结果，目标物体发出的光线在x方向经过第一透镜组120中的第二篇透镜122和第三透镜140会聚后，在目标像面161上沿x方向的束腰半径为25毫米，即在等离子体环向方向φ的束腰半径为25毫米。

在成像光学系统100的后端匹配合适频率的微波电子学，可获得等离子体160中r-y平面内的电子温度扰动的二维成像，图8为成像光学系统100在等离子体160中的成像区域162。

进一步地，本实施例中的成像光学系统100的设计遵循光路可逆原理，在实际聚变等离子体实验中光线的传播方向是：等离子体160中特定的电子回旋辐射层发出的回旋辐射光信号经过窗口透镜150、第三透镜140、第二透镜组130和第一透镜组120后会聚于天线阵列110中的椭球形小透镜111上，经过椭球形小透镜111准直并会聚于天线阵列110的双偶极天线上。

具体地，以上所述具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。