[发明专利]一种基于光线追迹仿真模型的氢同位素固体光场重构方法

权利要求书

1.一种基于光线追迹仿真模型的氢同位素固体光场重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将仿真模型导入光线追迹软件，设置样品参数、材料特性和光源特性，在光线追迹软件中对光线进入系统后的分布情况进行非序列光线追迹，获得实际光学系统中的光线传播路径；

(2)将微球样品内部的氢同位素固体冰层依次按照高度角、方位角进行划分；

(3)利用光线追迹软件仿真得到微球样品内部氢同位素固体冰层的入射光线表格，导出仿真设定的每条光线的能量以及传播路径，根据这些数据按照几何光学的折射、反射定律、比尔朗伯定律，计算出微球样品的冰层各个子区域吸收的红外光能量；具体过程为：

(3-1)初步判断光线来源：光线追迹软件追迹得到的冰层外表面的入射光线数据表格所记录的光线数据分为三类，第一类是从样品球壳内部射向冰层外表面；第二类是从冰层内部射向外表面的光线；第三类是从冰层外表面反射至内表面的光线；

通过计算光线方向向量与法向量夹角的余弦，判断出该光线是来自外部的折射还是内部的反射，初步筛选出第二类光线，计算公式为

式中，分别代表入射光线的方向向量和入射表面的法向量，法向量正方向统一设置为从球心指向冰层上的入射点；

(3-2)光线来源进一步区分：对某一条入射光线A，若存在另一条入射光线B，两者之间满足：1)A光线与B光线的入射点坐标相同；2)A光线与B光线与所规定的法向量的夹角互补；则判断光线A是被冰层外表面反射的第三类光线；

(3-3)获取光线方向向量：判断出光线类别后，冰层内部的入射光线和反射光线的方向向量直接从入射光线表格中获得，从样品球壳折射进冰层内部的折射光线方向向量按照向量形式的斯涅耳定律推导计算得到，计算公式为

式中，代表入射光线单位方向向量，代表入射表面法向量，n₁、n₂分别代表两种介质折射率；

(3-4)计算光线传播路程与能量：判断出该光线的方向之后，根据几何关系计算光线经过的距离，再根据比尔朗伯定律计算出每条光线被冰层吸收的能量；具体计算表达式如下：

I＝I₀e^-αl

式中，α代表物质的吸收系数，I₀代表入射光的光强，l代表光线经过的距离；

(3-5)确定每个子区域吸收的能量：将每条光线进行等分，等分后，计算出每条线段中点的球坐标，以及线段能量；依据水平方位角和高度角，将每条射线的能量沉积至冰层的各个区域；

(3-6)微球样品冰层的体加热率计算：根据每个子区域吸收的能量除以子区域的体积得到微球样品冰层的体加热率分布，即

式中，Q_absorb代表氢同位素冰层吸收的红外光能量，V_DD代表氢同位素冰层的体积。

2.根据权利要求1所述的基于光线追迹仿真模型的氢同位素固体光场重构方法，其特征在于，步骤(1)中，仿真模型包括但不限于基于环形光照明的样品室模型。

3.根据权利要求2所述的基于光线追迹仿真模型的氢同位素固体光场重构方法，其特征在于，采用基于环形光照明的样品室模型时，将微球样品放置在样品室的中心位置，光源发出的平行光经过45°锥面镜反射后进入环形镜，由环形镜再次反射产生环形光，环形光打在样品室的内壁，经样品室粗糙内壁散射后照射样品室中心的微球样品。

4.根据权利要求1所述的基于光线追迹仿真模型的氢同位素固体光场重构方法，其特征在于，步骤(2)的具体过程为：

在角度方向，按照角度间隔进行高度角划分，在径向方向，冰层按照R/m间隔进行分层，一共分为m层；其中，R为冰层半径，m为正整数；

在进行方位角划分时，由于样品室和入射光线的旋转对称结构，得到的体加热率分布将会关于方位角对称；因此，根据高度角的区域划分对称得到方位角的划分结果。