可见光分幅相机

1、可见光分幅相机及其在 Z 箍缩诊断中的应用盛 亮，魏福利，邱孟通，黑东炜，王奎禄袁媛 赵吉祯 张美王培伟( 西北核技术研究所，西安，710024)摘要：纳秒级可见光分幅相机现已广泛应用于瞬态等离子体物理过程诊断，是进行物理现象学研究的重要手段。为“强光一号”研制了一套纳秒级可见光分幅相机，用于丝阵负载Z 箍缩早期过程物理诊断。本文分析了相机的主要性能，还对利用该相机得到的丝阵负载Z 箍缩等离子体图像进行了讨论。关键词 ：可见光分幅相机，Z 箍缩等离子体，图像诊断中图分类号：O532文献标识码：A引言丝阵负载Z 箍缩早期过程和内爆动力学行为的X腔 rI测量间1 。“强光一号”信号复合器研究是当前

2、 Z 箍缩研究领域的热点133计算机丝阵负载 Z 箍缩早期过程典型参数为2 ：持续时间几十 ns，温度 10 eV 左右，空间尺度mm量级。同步信号发生器示波器相机采用多只独立的双近贴像增强器来实现示波器多分幅，“强光一号”给出的触发信号触发同步机，然后由同步信号触发快门脉冲信号发生器，经过不图 1分幅相机结构示意图同时间延迟的快门信号作为像增强器的电子快门，每个相机模块都由光学窗口、成像透镜、像增从而实现在不同时刻的光选通。在整个系统中引入强器、中继透镜、CCD ( Charge Coupled Device ) 等定时信号和 X 光辐射信号作为两个定时参考点，用器件组成。下面以一个模块来说

3、明成像系统的基本来确定得到的图像相对于X 射线峰值的时刻。 可见构成 3，如图2 所示。光分幅相机由分幅成像系统、电子学系统、图像实时采集控制系统、电磁干扰屏蔽系统等四大部分构成，如图1 所示。图 2相机模块构成示意图2 纳秒级时间分辨可见光分幅相机性能2.1时间分辨像增强器的时间选通特性与光阴极的面电阻、作者简介：盛亮，1979.10 ，主要从事脉冲辐射场测光阴极与微通道板之间的距离等器件设计参数有量方面的工作，博士。关 4 。像增强器响应时间可以用下面的经验公式近似表示 51e-(2.1)3.5 1013 RC e其中 R 为光阴极面电阻， 单位；C 为光阴极与微通道板之间的极间电容，0S

4、C( S为光d阴极的面积， d 为极间距离，0 为介电常数 ) 。在可见光分幅相机中所用的像增强器采用在S20 光阴极，其面电阻 106，采用镀 99.99%纯镍薄膜的方法 6 将光阴极的面电阻降至100，此时金属膜的相对透过率约为0.5 。金属膜镀的越厚，面电阻越小，响应时间越短，但同时会降低光阴极的灵敏度。光阴极与微通道板之间的距离越大，极间电容越小，响应时间越短。但是随着光阴极和微通道板之间距离的增大，光电子渡越时间变长，像增强器空间分辨率降低。在像增强器设计时，通常将这两个因素一起考虑，相机中所用的像增强器光阴极与微通道板之间的距离d0.1 mm 。由(2.1)计算可得像增强器的响应时

5、间0.33 ns 。为了提高像管的闸光比，需要在光阴极与微通道板之间加上直流偏压。当直流偏压50 V时的快门脉冲全宽度约为5 ns 。此时有效的快门脉冲幅度为150 V ，这种条件下光选通时间和快门脉冲宽度近似相等 4 。因此系统的时间分辨主要由快门脉冲宽度所决定，约为 5 ns 。不同图像之间的时间间隔 ( t ) 由时间关联不确定度决定， t 1.5 ns。2.2空间分辨7物面动态时空调制传递函数可以写成MTF d ( f t , f r ; m)tr ( fr; m) MTFs ( f r ; m)=tr ( frm ;1) MTF s ( fr m;1)(2.2)其中t 为时间衰减因子

6、。11 2e b cosa e2 bt1 e b(2.3)1 a2 b22 f t tH ， ft 为时间频率， tH 为像增强器选通时间； b tH ， 为像增强器响应时间。为空间衰减因子。r exp 2.24 fr s2(2.4)mfr 为空间频率，s 分别为静态下的近贴聚焦系统均方根半径。MTFs 表示相机模块静态调制传递函数，m 为放大倍数。MTF s f r ; mMTF sfr m;1nsin wfrmexpfrmfcwfrm(2.5)第一项为所使用的像增强器直流条件下MTF经验表达式， f c 14 lp mm ，n=1.7 ；第二项为 CCD MTF 表 达 式 ， w 为 C

7、CD 感 光 单元 尺 寸 (mm)，0.01 mm ，这里忽略了主物镜和中继透镜对调制传递函数的影响。代入相机模块参数，动态空间分辨率与静态相比总的衰减因子约为 0.65 ，在 MTF 0.05 时，相机模块动态和静态空间分辨分别为4.5 lp/mm和 7lp/mm。2.3动态范围相机最小可探测能量密度和物面上每个像素上可探测的最小光子数之间是等价的。相机的最小可测光子数由输出图像信号的临界信噪比决定。即使相机具有很高的灵敏度也不可能记录比该阈值更小的输入光子数，因为此时所记录的图像信号不包含任何有价值的信息。如果输出的信噪比大于临界信噪比，而相机的灵敏度过低，不能够记录由临界信噪比所决定的

8、最小输入光子数，此时相机的最小可探测光子数由相机的灵敏度所决定。将相机的动态范围定义为最大图像信号与最小可探测光子数对应的最小图像信号之比。在此定义下，相机动态范围的上限为图像灰度的最大值GNmax255 ，而动态范围的下限由每像素上最小可探测光子数对应的图像灰度所决定，随着空间频率的增加，成像系统的动态范围逐渐降低，如图3 所示。9.5 、5.0 、1.4 mm，由此得到的平均内爆速度为180km s 。图 5a 中等离子体以离散等离子体柱的形式向内聚爆。图 5 05222炮 32 5 m(12) 丝阵负载Z 箍缩内爆图像图 3 物面上每像素最小光子数对应的图像灰度与相机动态范围图 6 为

9、32 5 m(12) 丝阵负载 Z 箍缩内爆图像序列。 32 5 m(12) 丝阵负载 Z 箍缩实验内爆在本节中给出了相机模块主要性能的结论，具时间为 (113 7) ns。图 6a、 b 和 c 位于丝烧蚀过体的理论推导过程和实验标定，以及诸如光谱响程，在内爆时间的前60%未观察到明显的先驱等离应、灵敏度与辐射源之间的匹配等问题在文献2子体，因此在这之前单丝行为占主要作用，这表明中有详细论述。在一些二维数值计算中假设在几个纳秒的时间内3可见光分幅相机在丝阵负载Z 箍缩等离就形成等离子体壳层8 这一假设不是非常准确。在子体诊断中的应用t timp 0.38 ( 图 6a)中，单丝冕等离子体半径

10、约为3.132 5 m(12)丝阵负载 Z 箍缩等离子体120.25 mm；在 t timp0.51 ( 图 6b) 中，等离子体半径图 4 为 325m(12)(32 根丝，丝阵直径约为 0.35 mm。从 a-b这个过程中，等离子体扩展mm，丝直径 5 m)丝阵负载 Z 箍缩典型的电流与X射线之间的相对关系。电流峰值约为1.5 MA，X射的平均速度为 6 km s。图 6d、 e 和 f位于丝阵快线峰值在电流峰后约10 ns 。速内爆过程。 在这个过程中， 等离子体以 200 km s的平均速度向内聚爆。图6d 中等离子体壳层的直径约为 8.4 mm，在丝阵中心存在直径约为2 mm的稠密等

11、离子体柱。图6e 中存在明显的m=0 模式不稳定性，其波长 约为 1.2 mm。图 6f位于快速内爆过程开始时刻附近，此时等离子体柱直径约为2.4 mm 。在等离子体柱崩毁过程中( 图6g) ，存在m=1模式不稳定性。图 4 32 5 m(12) 丝阵负载Z 箍缩负载电流与X 射线之间相对时间关系图 5 为 05222 炮 3 幅 32 5 m(12) 丝阵负载Z 箍缩可见光图像。3 幅图像得到的时间分别为X射线峰前31.8 、 18.6 、 9.4 ns ，平均直径分别为态空间分辨率的限制，图 (a) 不如图 6a 明显，在 (b)中也能看到单丝等离子体之间的互相铰链融合。在和 (e) 中也

12、存在燕尾状的辐射分布，这种燕尾状分布是丝阵负载 Z 箍缩的一种共有特征，这可以间接证明唯象理论模型 2 的合理性。图 6 32 5 m(12) 丝阵内爆图像序列在实验中观察到在早期过程会产生断丝，由此会破坏 Z 箍缩等离子体的轴对称性，导致等离子体以一种粗暴的形式向内聚爆，如图 7。图 7a 中可以明显的观察到有几根丝处于断裂状态，而图7b 中等离子体在向内聚爆过程中发生强烈的相互作用，由此可能会影响到X 射线总能量的输出。图 7 32 5 m(12)丝阵 05227 炮两幅图像3.2丝阵负载Z 箍缩可见光与软X 射线联合图像诊断图 8 48 5 m(12) 丝阵负载可见光和软X 射线同一炮

13、(06132) 得到的图像序列，软X 射线图像采用多分幅软 X 射线相机 9 获得。图 8(a) 和图 8(b) 为可见光图像， (c)-(e) 为软 X 射线图像。 06132 炮负载电流较小， 约为 1.15 MA，内爆时间约为 145 ns。从图 (a)-(e) 可以看出在图 (c) 之前 X 射线辐射很弱，阴极发射在早期过程以长波长辐射为主， 图 (c)中观察不到明显的阴极发射，而可见光图像(a) 和则能观察到明显的阴极发射，在可见光波段阴极发射辐射亮度要比丝阵负载Z 箍缩等离子体自辐图 8 06132 炮 48 5 m(12) 丝阵可见光与 X射线联合图像诊断不论是可见光图像还是X

14、射线图像，都发现存在明显的阴极发射现象，箍缩等离子体与电极相连，在电极和箍缩等离子体之间会存在热流和质量流，这将导致电极附近的等离子体温度、密度与丝阵轴向中心位置有所不同，从而破坏Z 箍缩等离子体的圆柱对称性。这种现象的物理本质及其影响需要进一步从理论和实验两个方面进行研究。结论所研制的可见光分幅成像系统能够满足丝阵负载 Z 箍缩早期过程图像诊断的要求，本文所研制的分幅相机单模块成本不足5 万元，具有很强的性价比。除了上面介绍的丝阵负载Z 箍缩等离子体方面的应用之外，还已经成功应用于介质阻挡放电、激光与物质相互作用、水开关击穿等物理过程的诊断。致谢本工作得到 “强光一号” 运行小组的大力帮助，

15、在此表示感谢！参考文献射强。在 (a) 中可以观察到单丝烧蚀，由于相机动1LebedevS V, Beg F N, Bland S N, et al.Effectof discretewireson the implosiondynamicsof wire array Z pinchesJ. Phys Plasmas,2001, 8(8):3734-3747.2 盛亮 .可见光分幅相机研制及丝阵负载Z 箍缩图像诊断D.北京: 清华大学工程物理系 ,2007.盛亮 , 魏福利 , 吕敏，等 . 丝阵负载 Z 箍缩可见光图像诊断系统J. 强激光与粒子束, 2006,18(8):1936-1940.

16、李宏云 . 分幅式毫微秒照相技术研究 M. 西安 : 西北核技术研究所 , 1997.5King S P, Yates G J, Jaramillo S A, et al.NanosecondGatingProperitiesofProximity-focusedMicrochannel-PlateImage IntensifierJ. Proc of SPIE,1981,Vol.288:426-433.高景华 . 纳秒时间响应近贴型像增强器研制应用光学， 2000,21(1):8-10.盛亮 , 黑东炜，邱孟通 , 等 . 纳秒级时间选通成像系统动态空间分辨率 J. 核电子学与探测技术 (

17、已收录 ).段耀勇 , 郭永辉 , 王文生 , 等 . 钨丝阵等离子体 Z 箍缩的数值模拟J. 物理学报,2004,53(8):2654-2660.邱孟通 . 软 X 射线分能区分幅图像诊断系统研制及应用 D, 西安 : 西北核技术研究所， 2003.Optical Framing Camera and Its Application in Z Pinch DiagnosticsSHENG Liang, WEI Fu-li, QIU Meng-tong, HEI Dong-wei, WANG Kui-lu YUAN Yuan, ZHAO Ji-zhen, ZHANG Mei, W ANG Pe

18、i-wei(Northwest Institute of Nuclear Technology, P.O. Box 69-9, Xian, 710024)Abstract: Nanosecond optical framing camera is widely used in the diagnostics of transient plasma physics. It is one of the important methods to research physics phenomenon. A nonasecond optical framing camera is developed to study the