КАМЕРА МИШЕННАЯ

Полезная модель относится к экспериментальной физике лазерной плазмы, может быть использована в исследованиях космических явлений взрывного характера, для исследования взаимодействия «солнечного ветра» с ионосферой и магнитосферой Земли. Также камера мишенная может быть использована для исследования взаимодействия мощного излучения с веществом, нагружения и ударной сжимаемости (уравнений состояния) веществ при высоких плотностях энергии, в интересах лазерного термоядерного синтеза, электродинамических ускорителей плазмы, ловушек и т.д.
Заявляемая камера мишенная предназначена для выполнения экспериментов как с одной мишенью, так и с двумя мишенями одновременно.
Особенность настоящей полезной модели является многофункциональность камеры мишенной, позволяющей проводить исследования в различных областях, как физики лазерной плазмы, так и физики твердого тела.
В экспериментах по изучению параметров лазерной плазмы, процессов при ее формировании и взаимодействии с магнитным полем и фоновой атмосферой, механизмов взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, в интересах лазерного термоядерного синтеза большую роль играет мощность и длительность лазерного импульса, возможность создавать в объеме камеры магнитные поля различной конфигурации, возможность использовать различные типы мишеней, в остаточной атмосфере различного состава.
Известна мишенная камера, в которой одна мишень различной конструкции и из различающихся по свойствам материалов как пустотелых так и газонаполненных, расположена в центре камеры взаимодействия и облучается внешним лазерным источником равномерно с шести сторон, имеется возможность создавать в едином объеме камеры остаточную атмосферу различного состава (В.И.Анненков. В.Л. Багрецов. В.Г. Безуглов и др. Импульсный лазер мощностью 120ТВТ «Искра-5». Квантовая электроника т. 18. №5. 1991].
Недостатками представленного аналога являются невозможность работы с двумя мишенями, недостаточная мощность внешнего лазера, отсутствие устройств, создающих магнитное поле, невозможностью создания внутри мишенной камеры независимых объемов с фоновой атмосферой различного давления и состава.
Известна также мишенная камера, конструкция которой способна создавать в ее центральной области квазистационарное магнитное ноле, располагать в центре камеры мишенной одну, либо две мишени различной конструкции из совпадающих и\или различающихся по свойствам материалов, с возможностью их облучения лазерными импульсами как по одной мишени, так и по двум мишеням, одновременно, либо с временной задержкой, создавать в едином объеме камеры остаточную атмосферу различного состава [В.И. Анненков. В.Г. Безуглов. А.В. Бессараб и др.. Новые возможности установки «Искра-5». Квантовая электроника. 2006. Е. 36. №6. С 508].
Недостатками представленного аналога являются недостаточная мощность внешнего лазера, отсутствие мишенедержателя, выполненного с мозаичным расположением автономных ячеек для установки одной либо двух мишеней из совпадающих и\или различающихся по свойствам материалов, невозможностью создания внутри мишенной камеры независимых объемов с фоновой атмосферой различного давления и состава, недостаточной напряженностью магнитного поля.
Также известна крупногабаритная высоковакуумная камера мишенная для лабораторного моделирования нестационарных процессов в космической плазме стенда «Космические исследования-1» (КИ-1), ИТПМ СО РАН г. Новосибирск [Лазерная плазма и лабораторное моделирование нестационарных космических процессов (монография). Ю.Л. Захаров. A.M. Оришич. А.Г. Пономаренко. отв. ред. Н.Г. Преображенский. Новосибирск. 1988].
Крупногабаритная высоковакуумная мишенная камера для лабораторного моделирования нестационарных процессов в космической плазме содержит герметизированный корпус цилиндрической формы. в котором установлен мишенедержатель, выполненный для установки одной мишени из различающихся по свойствам материалов, снабженный внешними электромагнитными катушками для создания однородного магнитного поля, высокопроизводительной системой откачки, установленным вне корпуса импульсным лазером, источником фоновой плазмы. Корпус также снабжен канатами ввода излучения лазера, каналами вывода излучения, возникающего при взаимодействии излучения лазера с мишенью.
Недостатками аналога являются:
- недостаточная мощность внешнего лазера;
- мишенодержатель, выполненный для установки одной мишени не позволяет проводить эксперименты с двумя мишенями как одновременно, так и разнесенными по времени;
- недостаточная напряженность внешнего однородного магнитного поля, без возможности создания магнитного поля пробковой конфигурации;
- невозможность в опытах с магнитным полем создать на мишени плотность лазерной энергии свыше порогового значения, необходимой для создания условий аномального поглощения лазерного излучения веществом мишени;
- невозможность создания внутри мишенной камеры областей с фоновой атмосферой различного давления и состава.
Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков полезной модели присуща камере мишенной для поляризации атомов мишени при ее облучении укоренными частицами [RU2054832 С1 «Камера для поляризации атомов мишени», МПК Н05Н 6/00, опубликовано 20.02.1996]. Камера мишенная содержит герметизированный корпус цилиндрической формы, в котором установлен мишенедержатель, выполненный с мозаичным расположением автономных ячеек для установки мишеней из совпадающих и\или различающихся по свойствам материалов, содержащий, по меньшей мере, одну мишень, установленную с возможностью параллельного перемещения относительно оси симметрии камеры, корпус также снабжен каналами ввода излучения лазера, каналами вывода излучения, возникающего при взаимодействии излучения лазера с, по крайней мере, одной мишенью.
Известное устройство также содержит электромагнитные катушки системы формирования электромагнитного поля, установленные с внешней стороны камеры мишенной параллельно оси симметрии камеры, и установленный вне корпуса импульсный лазер с размещенными на его оптической оси диафрагмой и поляризатором лазерного излучения.
Недостатками представленного аналога являются невозможность работы одновременно с двумя мишенями, недостаточная мощность внешнего лазера, невозможностью создания внутри мишенной камеры областей с фоновой атмосферой различного давления и состава.
Задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является создание установки для проведения исследований физических процессов в плазменном облаке и твердотельных мишенях.
Техническим результатом настоящей полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей камеры мишенной.
Конструкция камеры мишенной позволяет работать с двумя мишенями разной конструкции одновременно или разнесенными по времени, а также моделировать распределение давления земной атмосферы по высоте за счет установки мембран, позволяющих создавать различную фоновую атмосферу в трех объемах, и применения в камере системы газонапуска.
Технический результат полезной модели обеспечивается тем, что в камере мишенной, содержащей герметизированный вакуумируемый корпус цилиндрической формы с каналами ввода и вывода излучения, в котором установлен мишенедержатель, выполненный с мозаичным расположением автономных ячеек для установки мишеней из совпадающих и\или различающихся по свойствам материалов, содержащий, по меньшей мере, одну мишень, установленную с возможностью параллельного перемещения относительно оси симметрии камеры, герметизированный корпус также снабжен каналами ввода излучения лазера, каналами вывода излучения, возникающего при взаимодействии излучения лазера с, по крайней мере, одной мишенью. Согласно полезной модели мишенедержатель расположен на горизонтальном подвесе, который имеет возможность перемещения перпендикулярно оси симметрии камеры мишенной, и размещен в герметизированном корпусе узла ввода мишеней, объем которого отделен от камеры мишенной вакуумным затвором, при этом каждая ячейка мишенедержателя с мишенями снабжена механизмом, обеспечивающим возможность перемещения мишени перпендикулярно оси симметрии камеры мишенной в двух направлениях, а также возможность поворотов относительно двух или трех осей; дополнительная ячейка мишенедержателя установлена на вертикальном подвесе, механизм перемещения которого имеет возможность перемещать мишень параллельно и перпендикулярно оси симметрии камеры мишенной в двух направлениях, а также имеет возможность поворотов мишени в ячейке в трех направлениях; к цилиндрическому корпусу камеры при помощи фланцевых соединений попарно и на единой оптической оси для каждой пары с пересечением осей в центре камеры и с осью симметрии камеры мишенной крепятся раструбы, на которых размещаются четыре оптических модуля с четырьмя каналами для ввода лазерного излучения в каждом модуле, при этом оптическая ось каждого канала, содержащего фокусирующую линзу с возможностью ее перемещения вдоль оптической оси канала, направлена в центр камеры мишенной, либо в точку, лежащую вне центра камеры на соответствующей единой оптической оси одной из пары фланцевых соединений.
Эксперименты с одной мишенью необходимы для исследования процессов взаимодействия потоков плазмы с фоновым воздухом/фоновой плазмой и магнитным полем.
Эксперименты с одной мишенью без магнитного поля с твердотельными мишенями необходимы для исследования нагружения и ударной сжимаемости (уравнений состояния) веществ при высоких плотностях энергии.
В экспериментах с двумя мишенями реализуется возможность исследовать процессы формирования и взаимодействия облаков плазмы друг с другом.
В экспериментах с двумя мишенями, разнесенными по времени, реализуется возможность исследовать динамику формирования так называемой «магнитной каверны» с облаком высокоэнергетичных электронов внутри.
Специально разработанная конструкция мишенедержателя смонтированная на горизонтальном подвесе в герметизированном вакуумируемом корпусе узла ввода мишеней и позволяет закреплять две мишени, что позволяет проводить эксперименты по взаимодействию плазменных облаков и эксперименты по созданию плазменного облака с высокоэнергетичными электронами. Дополнительная ячейка мишенедержателя установлена на вертикальном подвесе, механизм перемещения которого имеет возможность перемещать мишень параллельно и перпендикулярно оси симметрии камеры мишенной в двух направлениях, а также имеет возможность поворотов мишени в ячейке в трех направлениях и устанавливать мишень в центр камеры.
Система газонапуска создает в объеме/объемах камеры остаточную атмосферу различного давления и состава, что позволяет проводить исследования с различной постановкой экспериментов. Мембраны разделяют объем многофункциональной камеры мишенной на три объема для заполнения их различными газами и газовыми смесями под разным давлением, что позволяет моделировать распределения фоновой атмосферы по высоте.
Возможность смены мишеней без разгерметизации камеры влияет на частоту проведения экспериментов.
Оснащение внутреннего объема мишенной камеры кронштейнами для подвешивания обеспечивает крепление различного оборудования внутри камеры мишенной.
Герметизированный корпус, оборудованный высоковольтными вакуумными токовводами, позволяет подключать высоковольтные устройства внутри корпуса.
Фланцы на герметизированном корпусе цилиндрической формы и герметизированном корпусе узла ввода мишеней обеспечивают доступ во внутренний объем камеры.
Перечисленные выше признаки в совокупности позволяют расширить эксплуатационные возможности камеры мишенной.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На Фиг. 1 изображена камера мишенная в разрезе.
На Фиг. 2 изображена центральная часть камеры мишенной в разрезе, при этом горизонтальный подвес находится в рабочем положении.
На Фиг. 3 изображен поперечный разрез камеры мишенной с горизонтальным подвесом в рабочем положении, а также ячейка мишенедержателя, содержащая, по меньшей мере, одну мишень.
На Фиг. 4 изображено облучение лазерными лучами мишени, закрепленной в ячейке мишенедержателя, содержащей, по меньшей мере, одну мишень, и установленной на горизонтальном подвесе, находящемся в рабочем положении.
На Фиг. 5 изображено облучение лазерными лучами двух автономных ячеек мишенедержателя, содержащих, по меньшей мере, одну мишень каждая, на горизонтальном подвесе, находящемся в рабочем положении.
На Фиг. 6 изображена схема облучения лазерными лучами одной мишени, расположенной в центре камеры мишенной.
На Фиг. 7 изображена схема облучения лазерными лучами двух мишеней, удаленных от центра камеры мишенной и друг относительно друга.
На Фиг. 8 изображен поперечный разрез камеры мишенной с вертикальным подвесом в рабочем положении, а также ячейка мишенедержателя, содержащая, по меньшей мере, одну мишень.
На фигурах 1-8 изображены следующие элементы: 1 - герметизированный вакуумируемый корпус, 2 - фланцевое соединение, 3 - единая оптическая ось, 4 - раструб, 5 - оптический модуль, 6 - канал ввода излучения лазера, 7 - лазерное излучение, 8 - оптическая ось канала лазерного излучения; 9 - фокусирующая линза, 10 - фазовая пластина, 11 - блок вакуумных затворов, 12 - канал вывода излучения, 13 - фланец для присоединения инжектора фоновой плазмы, 14 - инжектор фоновой плазмы, 15 - фланец для присоединения вакуумного затвора, 16 - вакуумный затвор, 17 - герметизированный вакуумируемый корпус узла ввода мишеней, 18 - подвижный горизонтальный подвес, 19 - откидной фланец, 20 - прозрачная вставка из кварцевого стекла, 21 - мембрана, 22 - объем для заполнения различными газами, 23 - патрубки для наполнения различными газами и газовыми смесями, 24 - электромагнитные катушки системы формирования электромагнитного поля, 25 - импульсные лазеры, 26 - линия синхронизации, 27 - система управления, 28 - поляризатор лазерного излучения, 29 - диафрагма, 30 - зеркала системы транспортировки лазерного излучения, 31 - кристаллы преобразователей частоты, 32 - мишень, 33 - высоковольтные вакуумные токовводы, 34 - прижимное кольцо, 35 - кронштейны для подвешивания оборудования, 36 - малые (диагностические) патрубки, 37 - мишенедержатель, 38 - ячейка мишенедержателя, 39 - механизм перемещения и поворотов мишени, 40 - вертикальный подвес, 41 - механизм перемещения и поворотов вертикального подвеса, 42 - фланец для крепления механизма перемещения вертикального подвеса.
На Фиг. 1 и Фиг. 2 показано, что герметизированный вакуумируемый корпус 1 камеры мишенной имеет цилиндрическую форму. К цилиндрическому корпусу камеры при помощи фланцевых соединений 2 попарно и на единой оптической оси 3 для каждой пары с пересечением осей в центре камеры и с осью симметрии камеры мишенной крепятся раструбы 4, на которых размещаются четыре оптических модуля 5 с четырьмя каналами 6 для ввода лазерного излучения 7 в каждом модуле, при этом оптическая ось 8 каждого канала лазерного излучения, содержащего фокусирующую линзу 9 и фазовую пластину 10, направлена в центр камеры мишенной, либо в точку, лежащую вне центра камеры на соответствующей единой оптической оси 3 одной из пары фланцевых соединений. Между раструбами 4 и оптическими модулями 5 установлены блоки вакуумных затворов 11. Каждый оптический модуль имеет четыре канала ввода лазерного излучения, которые располагаются попарно друг под другом и образуют, таким образом, единый пучок.
На Фиг. 1 и Фиг. 2 показано, что камера имеет канал 12 вывода излучения, возникающего при взаимодействии излучения лазера с по крайней мере одной мишенью во время эксперимента, фланец 13 для присоединения инжектора фоновой плазмы 14 и фланец 15 для присоединения вакуумного затвора 16, через который присоединяется корпус 17 узла ввода мишеней с установленным подвижным горизонтальным подвесом 18, перемещающимся перпендикулярно оси X камеры.
На Фиг. 1 и Фиг. 2 показано, что герметизированные вакуумируемые корпус камеры и корпус узла ввода мишеней имеют откидные фланцы 19 для доступа во внутренний объем для обслуживания, при этом откидной фланец корпуса камеры имеет прозрачную вставку 20 из кварцевого стекла и может быть использован как дополнительный канал для вывода излучения, возникающего во время эксперимента.
На Фиг. 1 и Фиг. 2 показано, что объем герметизированного вакуумируемого корпуса камеры мишенной 1 может быть разделен мембранами 21 на три объема 22 для заполнения их различными газами, при этом каждый полученный объем имеет не менее двух фланцев 23 для подсоединения системы газонапуска и наполнения объема различными газами и газовыми смесями.
На Фиг. 1 и Фиг. 2 показано, что электромагнитные катушки системы формирования электромагнитного поля 24 установлены с внешней стороны камеры мишенной параллельно оси симметрии камеры и механически не связаны с герметизированным вакуумируемым корпусом камеры 1. Электромагнитные катушки системы формирования электромагнитного поля предназначены для создания квазистационарного, вытесняющего и пробочного электромагнитных полей, и при этом не передают вибрацию на корпус камеры.
На Фиг. 1 показано, что установленная вне корпуса лазерная установка содержит шестнадцать импульсных лазеров 25, синхронизованных во времени линией синхронизации 26 от системы управления 27. Лазерное излучение 7 проходит через поляризатор лазерного излучения 28, диафрагму 29, зеркала 30 системы транспортировки лазерного излучения и кристалл преобразователей частоты 31 из состава лазерной установки и, пройдя через фазовую пластину 10, фокусирующую линзу 9 и канал ввода лазерного излучения 6 оптического модуля 5, попадает вовнутрь камеры мишенной и сводится к мишени 32, установленной с возможностью параллельного перемещения относительно оси симметрии камеры, а также перпендикулярно оси симметрии камеры в двух направлениях.
На Фиг. 2 показано, что герметизированный вакуумируемый корпус 1 оборудован высоковольтными вакуумными токовводами 33 для подключения высоковольтных устройств внутри корпуса.
На Фиг. 2 показано, что мембраны 21 натягиваются и крепятся внутри герметизированного вакуумируемого корпуса 1 при помощи прижимных колец 34.
На Фиг. 2 показано, что герметизированный вакуумируемый корпус 1 внутри оснащен кронштейнами 35 для подвешивания различного оборудования, необходимого для проведения экспериментов.
На Фиг. 3 показано, что герметизированный вакуумируемый корпус 1 дополнительно оснащен малыми (диагностическими) патрубками 36, оси которых направлены в центр камеры и которые могут быть использованы для установки различного оборудования.
На Фиг. 3, Фиг. 4 и Фиг. 5 показано, что мишенедержатель 37 расположен на горизонтальном подвесе 18, который имеет возможность перемещения перпендикулярно оси симметрии камеры мишенной, и который размещен в герметизированном корпусе узла ввода мишеней 17, объем которого отделен от камеры мишенной вакуумным затвором 16, при этом каждая ячейка 38 мишенедержателя с мишенями 32 установленными с возможностью параллельного перемещения относительно оси симметрии камеры, а также перпендикулярно оси симметрии камеры, для чего камера снабжена механизмами 39, которые также обеспечивают возможность поворотов относительно двух или трех осей.
На Фиг. 4 и Фиг. 5 показано, что мишенедержатель 37, выполненный с мозаичным расположением автономных ячеек 38 для установки одной или двух мишеней 32 из совпадающих и\или различающихся по свойствам материалов, что позволяет проводить эксперименты с одной или двумя мишенями одновременно.
На Фиг. 4 показано сведение лазерного излучения 7 на мишень 32, закрепленной в ячейке мишенедержателя 38 и установленной в механизме 39, обеспечивающим автономность ячейки мишенедержателя.
На Фиг. 5 показано сведение лазерного излучения 7 на две мишени 32, установленные в ячейках мишенедержателя 38, на механизмах 39, обеспечивающих автономность для каждой ячейки.
На Фиг. 6 схематично показано, что оптическая ось каждого канала 6 ввода лазерного излучения 7, содержащего фазовую пластину 10 и фокусирующую линзу 9, имеющую фокусное расстояние F, с возможностью ее перемещения вдоль оптической оси канала, направлена в центр камеры мишенной, где располагается одна мишень 32.
На Фиг. 7 схематично показано, что оптическая ось каждого канала 6 ввода лазерного излучения 7, содержащего фазовую пластину 10 и фокусирующую линзу 9, имеющую фокусное расстояние F, с возможностью ее перемещения вдоль оптической оси канала, направлена в точку, лежащую вне центра камеры на соответствующей единой оптической оси 3 одной из пар фланцевых соединений. Мишени 32 устанавливаются в одну из этих точек, расположенную на расстоянии L1 от центра камеры, при этом мишени оказываются удаленными на расстояние L друг относительно друга.
На Фиг. 8 показано, что дополнительная ячейка мишенедержателя 38 установлена на вертикальном подвесе 40, механизм перемещения 41 которого имеет возможность перемещать мишень параллельно и перпендикулярно оси симметрии камеры мишенной в двух направлениях, а также имеет возможность поворотов мишени в ячейке в трех направлениях. При этом механизм устанавливается на камеру мишенную через фланец 42 для крепления механизма перемещения.
Заявляемая камера мишенная предназначена для выполнения экспериментов с одной мишенью или двумя мишенями одновременно и работает она следующим образом.
Закрепление мишеней 32 в ячейках мишенедержателя 38 выполняется при закрытом вакуумном затворе 16, который разделяет внутренние объемы герметизированного вакуумируемого корпуса 1 и герметизированного вакуумируемого корпуса узла ввода мишеней 17. Через ближайший откидной фланец 19 для доступа во внутренний объем корпуса узла ввода мишеней 17 мишени 32 устанавливаются в ячейки мишенедержателя 38 расположенные на механизмах перемещения и поворотов 39, которые закреплены на мишенедержателе 37 горизонтального подвеса 18. После выравнивания давления во внутренних объемах обоих корпусов отрывается вакуумный затвор 16 и горизонтальный подвес 18 перемещает установленные мишени во внутрь камеры мишенной, затем выполняется юстировка мишеней при помощи механизмов перемещения и поворотов 39 относительно центра камеры мишенной, либо относительно точки, лежащей вне центра камеры на соответствующей единой оптической оси 3 одной из пары фланцевых соединений.
Закрепление мишени 32 в дополнительной ячейке мишенедержателя 38 на вертикальном подвесе 40 выполняется через открытый откидной фланец 19 корпуса камеры цилиндрической. После установки мишени выполняется последующая юстировка мишени при помощи механизма перемещения и поворотов вертикального подвеса 41 относительно центра камеры мишенной, затем во внутреннем объеме камеры мишенной производится создание необходимой атмосферы и контрольная юстировка мишени.
Сведение в одну точку расположенных на одной оптической оси 3 друг против друга пучков лазерных лучей 7 осуществляется за счет смещения фокусирующих линз 9 и фазовых пластин 10 каждого лазерного луча вдоль оптических осей 8 лазерных лучей.
При проведении эксперимента по команде системы управления 27 осуществляется включение инжектора фоновой плазмы 14, затем включение электромагнитных катушек системы формирования электромагнитного поля 24, создающих квазистационарное или пробочное электромагнитное поле, по достижении наибольшего значения которого по команде системы управления по линии синхронизации 26 включаются импульсные лазеры 25 из состава лазерной установки. Облучение одной или двух мишеней происходит лазерными лучами 7, формируемыми импульсными лазерами 25 и проходящими через поляризаторы 28, диафрагмы 29, зеркала 30 системы транспортировки лазерного излучения, кристаллы 31 преобразователей во вторую гармонику, а также фазовые пластины 10, фокусирующие линзы 9 и каналы ввода лазерного излучения 7 из состава оптических модулей 5, в результате чего возникает плазменное облако.
При проведении экспериментов с использованием мембран 21 все три объема для заполнения различными газами 22 одновременно откачиваются, после чего объемы заполняются различными газами и газовыми смесями через патрубки 23 под равными давлениями. Затем по команде системы управления 27 осуществляется разрыв мембран лазерными лучами 7, формируемыми импульсными лазерами 25 и проходящими через поляризаторы 28, диафрагмы 29, зеркала 30 системы транспортировки лазерного излучения, кристаллы 31 преобразователей во вторую гармонику, а также фазовые пластины 10, фокусирующие линзы 9 и каналы ввода лазерного излучения 7 из состава оптических модулей 5. В результате разрыва мембран происходит частичное смешивание газов и газовых смесей. Далее по команде системы управления по линии синхронизации 26 происходит включение инжектора фоновой плазмы 14, затем включение электромагнитных катушек 24, создающих квазистационарное или пробочное электромагнитное поле.
По сравнению с известными аналогами заявляемая полезная модель позволяет расширить эксплуатационные возможности камеры мишенной, тем самым обеспечивая возможность проведения исследований различной направленности используя одну камеру, без создания дополнительных стендов и установок.