一种用于激光聚变能装置的终端光学元件防污染系统及方法与流程

本发明涉及高功率激光聚变能装置。更具体地说，本发明涉及一种用于激光聚变能装置的终端光学元件防污染系统及方法。

背景技术：

1、在激光聚变装置中，通过高功率激光（如351 nm）在真空环境下轰击靶材，会使靶材在高功率激光作用下气化和离化，产生大量的离子、原子和微粒，这些靶材离解物在真空中以极高的速度喷射（速度>1 km/s）过程中，较大的高速飞行颗粒可能使终端窗口屏蔽片元件击穿，危及前面的其他光学元件，而较小的颗粒会沉积在激光器终端的光学窗口元件（如聚焦透镜、屏蔽片）上，使其表面透射率衰减，洁净度下降。严重情况下，数发/次激光打靶后，就会导致透射率显著衰减（衰减>20%），抗损伤能力下降超过50%，造成终端光学窗口即失效，从而影响装置高通量长期稳定运行，而微米级高速喷射微粒对元件透射率和洁净度的影响最大。

2、对于上述形式中的打靶污染，采用传统的气体吹扫方式以及静电除尘电晕在真空环境（<0.001 pa）中行不通；而采用传统机械快门方式也因为响应慢，无法匹配大口径毫秒级10 hz重频的工作模式；而采用多组终端窗口以弹夹方式快速更换污染的光学元件也难以满足要求，一方面是机械速度难以跟随，另外造价昂贵，极大增加的装置的运行成本，也无实施可能性。

3、另外，也因为微粒尺寸小（10-6m）、速度快，采用直接吸附除尘的方式，也存在实现难度高的问题，因此，需要开发一种经济有效的方法解决昂贵的终端元件在重频激光打靶的情况下快速污染并引起损伤的问题。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

2、为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于激光聚变能装置的终端光学元件防污染系统，，包括：

3、设置在激光器末端的光学窗口与靶点之间，以使从靶点喷射出来的微粒在带正电后从电场中偏离主光路的电子束离化模块；

4、远离光学窗口设置，并位于光学窗口与冷阴极电子枪之间的静电场偏转模块；

5、设置在主光路下方，以对偏离主光路的微粒进行吸附的收集模块；

6、与激光器、电子束离化模块通信连接，以激光器开启后，对电子束离化模块进行延迟开启的同步控制单元；

7、其中，基于靶点与光学窗口的距离，电子束离化模块的延迟开启时间设置为1-10

μs。

8、优选的是，所述电子束离化模块被配置为采用冷阴极电子枪；

9、其中，所述冷阴极电子枪的电子束脉冲为1–3 kev，电流密度为0.5–1 ma/cm²，所述冷阴极电子枪的脉冲宽度100

μs，频率为0-20 hz，以同步覆盖微粒的喷射路径。

10、优选的是，所述冷阴极电子枪采用钪掺杂钨尖阵列，真空密封为无氧铜刀口法兰。

11、优选的是，所述静电场偏转模块采用对向设置的平行电极板；

12、其中，平行电极板的阴极板处于下方，阴极板与阳极板之间的距离大于光学窗口通光口径；

13、平行电极板的电场强度10-5kv/m。

14、优选的是，所述收集模块包括：

15、带闸板阀的过渡仓体；

16、设置在过渡仓体内部，且呈蜂窝状结构的收集板；

17、其中，所述收集板采用钛合金制备得到，且收集板表面具有绝缘层。

18、优选的是，所述同步控制单元采用基于fpga的时序控制器。

19、一种终端光学元件防污染方法，包括：

20、s1、在激光器的发射激光时，在光学窗口与靶点之间构建得到主光路，且所述主光路中包含发射激光击发靶点所在靶材产生的溅射微粒流；

21、s2、同步控制单元在激光发射后，延迟1-10

μs化并带正电；

22、s3、在静电场偏转模块的10-5kv/m静电场中，带正电的溅射微粒流受库仑力作用偏离主光路，飞向负电极方向；

23、s4、与负电极同侧的收集模块通过物理吸附方式对溅射微粒流进行收集。

24、本发明至少包括以下有益效果：

25、其一，本发明能通过电子束离化与静电场偏转协同作用，实现高速运动微粒的偏转吸附，避免其直接被终端光学窗口吸附，以达到保护重频激光装置终端光学元件免受靶材喷射微粒污染的效果。

26、其二，本发明通过同步电子束轰击使微米级喷射微粒带电，并利用高压静电场偏转吸附至收集板，实现10 hz重频下光学窗口透射率衰减率<2%（千次脉冲），损伤下降一个数量级的目标，解决真空环境中靶材微粒污染难题。

27、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

1.一种用于激光聚变能装置的终端光学元件防污染系统，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的用于激光聚变能装置的终端光学元件防污染系统，其特征在于，所述电子束离化模块被配置为采用冷阴极电子枪；

3.如权利要求2所述的用于激光聚变能装置的终端光学元件防污染系统，其特征在于，所述冷阴极电子枪采用钪掺杂钨尖阵列，真空密封为无氧铜刀口法兰。

4.如权利要求1所述的用于激光聚变能装置的终端光学元件防污染系统，其特征在于，所述静电场偏转模块采用对向设置的平行电极板；

5.如权利要求1所述的用于激光聚变能装置的终端光学元件防污染系统，其特征在于，所述收集模块包括：

6.如权利要求1所述的用于激光聚变能装置的终端光学元件防污染系统，其特征在于，所述同步控制单元采用基于fpga的时序控制器。

7.一种终端光学元件防污染方法，其采用如权利要求1-6任一项所述的用于激光聚变能装置的终端光学元件防污染系统，其特征在于，包括：