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.doc

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 1 引言( 丝阵负载Z箍缩早期过程和内爆动力学行为的研究是当前Z箍缩研究领域的热点[1]。“强光一号”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。 相机采用多只独立的双近贴像增强器来实现多分幅，“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，经过不同时间延迟的快门信号作为像增强器的电子快门，从而实现在不同时刻的光选通。在整个系统中引入定时信号和X光辐射信号作为两个定时参考点，用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1 分幅相机结构示意图 每个相机模块都由光学窗口、成像透镜、像增强器、中继透镜、CCD(Charge Coupled Device)等器件组成。下面以一个模块来说明成像系统的基本构成[3]，如图2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、光阴极与微通道板之间的距离等器件设计参数有关[4]。像增强器响应时间可以用下面的经验公式近似表示[5] (2.1) 其中为光阴极面电阻，单位；为光阴极与微通道板之间的极间电容，(为光阴极的面积，为极间距离，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。 由(2.1)计算可得像增强器的响应时间。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()由时间关联不确定度决定，。 2.2 空间分辨 物面动态时空调制传递函数可以写成[7] (2.2) 其中为时间衰减因子。 (2.3) ，为时间频率，为像增强器选通时间；，为像增强器响应时间。 为空间衰减因子。 (2.4) 为空间频率，分别为静态下的近贴聚焦系统均方根半径。 表示相机模块静态调制传递函数，为放大倍数。 (2.5) 第一项为所使用的像增强器直流条件下经验表达式，，n=1.7；第二项为CCD 表达式，为CCD感光单元尺寸(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7 lp/mm。 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，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。 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 在本节中给出了相机模块主要性