纳秒级时间分辨可见光相机及其在等离子体诊断中的应用

纳秒级时间分辨可见光相机及其在等离子体诊断中的应用 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 X 1 引言 腔r图像采集同测Z同步信号发生器I步控制器dU/dt量间丝阵负载Z箍缩早期过程和内爆动力学行为的1信号复合器相2[1]机1计算机32研究是当前Z箍缩研究领域的热点。“强光一号”3 [2]信号耦合器脉冲信号发生器定时信号发生器丝阵负载Z箍缩早期过程典型参数为:持续时间 示波器直流偏压器同步信号发生器几十ns，温度10 eV左右，空间尺度mm量级。 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， 图1 分幅相机结构示意图 然后由同步信号触发快门脉冲信号发生器，经过不 每个相机模块都由光学窗口、成像透镜、像增同时间延迟的快门信号作为像增强器的电子快门， 强器、中继透镜、CCD(Charge Coupled Device)等从而实现在不同时刻的光选通。在整个系统中引入 器件组成。下面以一个模块来说明成像系统的基本定时信号和X光辐射信号作为两个定时参考点，用 [3]构成，如图2所示。 来确定得到的图像相对于X射线峰值的时刻。可见 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。 t[4]Hb,，为像增强器响应时间。 通时间;,关。像增强器响应时间可以用下面的经验近, [5]为空间衰减因子。 ,似表示 r 2，， (2.4) ,,exp2.24πfm,,，，1rrse-，，13e,,，3.510RC (2.1) ，， 为空间频率，分别为静态下的近贴聚焦系f,rsR其中为光阴极面电阻，单位;为光阴C,统均方根半径。 ε,S0极与微通道板之间的极间电容，C,(为光S表示相机模块静态调制传递函数，为MTFmsd放大倍数。 d阴极的面积，为极间距离，为介电常数)。 ,0MTFfmMTFfm;;1,，，，，srsr 在可见光分幅相机中所用的像增强器采用在n ，，sinπwfm,,，，frr6,, exp,,,S20光阴极，其面电阻>10，采用镀99.99%纯,,,mfwfmπ,,cr,,，，[6]镍薄膜的方法将光阴极的面电阻降至100，, (2.5) 此时金属膜的相对透过率约为0.5。金属膜镀的越MTF第一项为所使用的像增强器直流条件下厚，面电阻越小，响应时间越短，但同时会降低光经验表达式，，n=1.7;第二项为CCD f,14 lpmmc阴极的灵敏度。 MTF表达式，为CCD感光单元尺寸(mm)，w 光阴极与微通道板之间的距离越大，极间电容w,0.01 mm，这里忽略了主物镜和中继透镜对调制越小，响应时间越短。但是随着光阴极和微通道板传递函数的影响。 之间距离的增大，光电子渡越时间变长，像增强器代入相机模块参数，动态空间分辨率与静态相空间分辨率降低。在像增强器设计时，通常将这两比总的衰减因子约为0.65，在MTF,0.05时，相机个因素一起考虑，相机中所用的像增强器光阴极与模块动态和静态空间分辨分别为4.5 lp/mm和7 d,0.1 mm微通道板之间的距离。 lp/mm。 由(2.1)计算可得像增强器的响应时间2.3 动态范围 ,,0.33 ns。为了提高像管的闸光比，需要在光阴相机最小可探测能量密度和物面上每个像素极与微通道板之间加上直流偏压。当直流偏压50 V上可探测的最小光子数之间是等价的。相机的最小时的快门脉冲全宽度约为5 ns。此时有效的快门脉可测光子数由输出图像信号的临界信噪比决定。即冲幅度为150 V，这种条件下光选通时间和快门脉使相机具有很高的灵敏度也不可能比该阈值[4]冲宽度近似相等。因此系统的时间分辨主要由快更小的输入光子数，因为此时所记录的图像信号不门脉冲宽度所决定，约为5 ns。不同图像之间的时包含任何有价值的信息。如果输出的信噪比大于临 ,,t1.5 ns间间隔()由时间关联不确定度决定，。 ,t界信噪比，而相机的灵敏度过低，不能够记录由临2.2 空间分辨 界信噪比所决定的最小输入光子数，此时相机的最[7] 物面动态时空调制传递函数可以写成小可探测光子数由相机的灵敏度所决定。 MTFffmfmMTFfm(,;)(;)(;),,,,,dtrtrrsr =(;1)(;1),,fmMTFfm,,将相机的动态范围定义为最大图像信号与最trrsr (2.2) 小可探测光子数对应的最小图像信号之比。在此定其中为时间衰减因子。 ,t义下，相机动态范围的上限为图像灰度的最大值,,bb2112cos,，eae (2.3) ,,,t,b22，而动态范围的下限由每像素上最小可GN,2551,emax1，ab aft,2,，f为时间频率，为像增强器选t探测光子数对应的图像灰度所决定，随着空间频率tHtH 的增加，成像系统的动态范围逐渐降低，如图3所射线峰前31.8、18.6、9.4 ns，平均直径分别为示。 9.5、5.0、1.4 mm，由此得到的平均内爆速度为180 。图5a中等离子体以离散等离子体柱的形式kms 向内聚爆。 图5 05222炮32×Ф5,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32×Ф5,m(12)丝阵负载Z箍缩内爆图 在本节中给出了相机模块主要性能的结论，具像序列。32×Ф5,m(12)丝阵负载Z箍缩实验内爆体的理论推导过程和实验标定，以及诸如光谱响时间为(113?7) ns。图6a、b和c位于丝烧蚀过应、灵敏度与辐射源之间的匹配等问在文献[2]程，在内爆时间的前60%未观察到明显的先驱等离中有详细论述。 子体，因此在这之前单丝行为占主要作用，这表明3 可见光分幅相机在丝阵负载Z箍缩等离在一些二维数值计算中假设在几个纳秒的时间内 [8]子体诊断中的应用 就形成等离子体壳层这一假设不是非常准确。在3.1 32×Ф5,m(12) 丝阵负载Z箍缩等离子体 tt,0.38(图6a)中，单丝冕等离子体半径约为imp图4为32×Ф5,m(12)(32根丝，丝阵直径12 0.25 mm;在tt,0.51(图6b)中，等离子体半径impmm，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射约为0.35 mm。从a-b这个过程中，等离子体扩展线峰值在电流峰后约10 ns。 的平均速度为6 。图6d、e和f位于丝阵快kms 速内爆过程。在这个过程中，等离子体以200 kms 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 稠密等离子体柱。图6e中存在明显的m=0模式不 稳定性，其波长λ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×Ф5,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×Ф5,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 极发射辐射亮度要比丝阵负载Z箍缩等离子体自辐 射强。在(a)中可以观察到单丝烧蚀，由于相机动 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 (d)和(e)中也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 [2]的合理性。 接唯象理论模型 图6 32×Ф5,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， 图8 06132炮48×Ф5,m(12)丝阵可见光与X射线联由此可能会影响到X射线总能量的输出。 合图像诊断 不论是可见光图像还是X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箍缩等离子体的圆图7 32×Ф5,m(12)丝阵05227炮两幅图像 柱对称性。这种现象的物理本质及其影响需要进一3.2 丝阵负载Z箍缩可见光与软X射线联合图像诊步从理论和实验两个方面进行研究。 断 4 结论 图8 48×Ф5,m(12)丝阵负载可见光和软X射所研制的可见光分幅成像系统能够满足丝阵线同一炮(06132)得到的图像序列，软X射线图像负载Z箍缩早期过程图像诊断的要求，本文所研制 [9]采用多分幅软X射线相机获得。图8(a)和图8(b)的分幅相机单模块成本不足5万元，具有很强的性为可见光图像，(c)-(e)为软X射线图像。06132炮价比。除了上面介绍的丝阵负载Z箍缩等离子体方负载电流较小，约为1.15 MA，内爆时间约为145 ns。面的应用之外，还已经成功应用于介质阻挡放电、从图(a)-(e)可以看出在图(c)之前X射线辐射很激光与物质相互作用、水开关击穿等物理过程的诊弱，阴极发射在早期过程以长波长辐射为主，图(c)断。 中观察不到明显的阴极发射，而可见光图像(a)和5 致谢 (b)则能观察到明显的阴极发射，在可见光波段阴本工作得到“强光一号”运行小组的大力帮助， 在此表示感谢～ Nanosecond Gating Properities of Proximity-focused Microchannel-Plate 参考文献 Image Intensifier[J]. Proc of SPIE,1981, [1]Lebedev S V, Beg F N, Bland S N, et al. Effect Vol.288:426-433. of discrete wires on the implosion dynamics [6]高景华. 纳秒时间响应近贴型像增强器研制 of wire array Z pinches[J]. Phys Plasmas, [J]. 应用光学，2000,21(1):8-10. 2001, 8(8):3734-3747. [7]盛亮, 黑东炜，邱孟通, 等. 纳秒级时间选通 [2]盛亮. 可见光分幅相机研制及丝阵负载Z箍缩成像系统动态空间分辨率[J]. 核电子学与探 图像诊断[D].北京:清华大学工程物理测技术(已收录). ,2007. [8]段耀勇, 郭永辉, 王文生, 等. 钨丝阵等离子系 [3]盛亮, 魏福利, 吕敏，等. 丝阵负载Z箍缩可体Z箍缩的数值模拟[J].物理学 见光图像诊断系统[J]. 强激光与粒子束, 报,2004,53(8):2654-2660. 2006,18(8):1936-1940. [9]邱孟通. 软X射线分能区分幅图像诊断系统研 [4]李宏云. 分幅式毫微秒照相技术研究[M]. 西制及应用[D],西安:西北核技术研究所，2003. 安:西北核技术研究所, 1997. [5]King S P, Yates G J, Jaramillo S A, et al. Optical Framing Camera and Its Application in Z Pinch Diagnostics SHENG Liang, WEI Fu-li, QIU Meng-tong, HEI Dong-wei, WANG Kui-lu YUAN Yuan, ZHAO Ji-zhen, ZHANG Mei, WANG Pei-wei (Northwest Institute of Nuclear Technology, P.O. Box 69-9, Xi’an, 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 early stage of wire array Z pinch on “Qiang Guang-I” generator. The main performances of this camera are analyzed, and the results of wire array Z pinch acquired by this camera are also discussed. Keywords: Optical Framing Camera, Z Pinch Plasma, Imaging Diagnostics (全文向《核聚变与等离子体物理投稿》)