科学级ccd精密标定及自动化研究

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1、南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论第1章绪论1.1研究的目的与意义热核聚变释放巨大干净的能量，可控聚变的途径有MCF（MagneticConfinementFusion，磁约束核聚变-低密度和长约束时间）和ICF（InertialConfinementFusion，惯性约束核聚变-超高密度，超短约束时间)两种途径[1][2][3][4]，其各有优缺点，并且都在竞争中发展，呈曲线上升趋势。ICF中的间接驱动在大物理学科中比较前沿和有前途，我国非常重视激光间接驱动研究在能源、国防和基础科学研究等方面的应用前景。目前ICF间接驱动采用的驱

2、动器主要是激光器，称为激光惯性约束聚变，国[1][2][3]际上有能力从事ICF的国家或者组织主要有美国、法国、中国、日本、欧盟等，各个研究国家或者组织均耗巨资搭建了大型的实验装置。激光聚变点火是一[7][8][9]项非常精巧、复杂的物理过程和科学工程，需要对相关的物理问题研究的特别清楚，同时能对这些物理过程进行精密控制。图1-1为激光间接辐照靶丸产[4][5]生聚变燃烧的过程。激光束快速加热氘氚靶丸表面，形成一个等离子体烧蚀层。激光辐射强激光束快速加热内爆压缩聚变点火聚变燃烧氘氚靶丸表面，形成靶丸表面热物质向通过向心聚爆过程，热核

3、燃烧在被压缩一个等离子体烧蚀外喷发，反向压缩燃氘氚核燃料达到高燃料内部蔓延，产生层。料。温、高密度状态。能量增益。图1-1激光间接辐照靶丸产生聚变燃烧的过程高能量密度物理和高稠密等离子体瞬态过程诊断仪器设备的精密标定技术[6][7]是ICF实验研究最重要的课题之一，精密、精确、快速、有效的完成激光打靶实验参数的诊断是实验室点火成功的关键。高温高密度激光等离子体产生从微-2波谱段、光学谱段、X光谱段直到硬X光谱段（10keV-100keV，1keV相当于1万方数据南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论[2][3]11600K）的电磁波谱，

4、并伴随有大量电子、中子、质子、α粒子的发射等。一般而言，ICF等离子体处在极短的时间尺度（0.1ns-10ns）和极小的空间尺[3][4][5]度（1μm-1cm）中进行着复杂的能量转换与输运，其诊断技术的难度极大；绝对谱强度、宽谱和高精度谱形的测量，要求诊断设备具有极高的时间、空间分[2][4][7]辨率，并且诸多参数的测量和定量化都要进行精确的安装瞄准和严格的同步关联。图1-2为ICF诊断的主要工作分布。图1-2ICF诊断的主要工作从图1-2可以看出高能密物理和等离子体诊断实验中各个部分是个有机的统一整体；图1-3展示了ICF诊

5、断研究的精密仪器组件的排布情况。图1-3神光装置靶室模拟激光光学组件和实际诊断设备的排布为了实现惯性约束聚变，必须对其中的各个过程开展相关的分解和综合实验研究。毋庸置疑，要完成这些实验，其前提和支撑就是要有精密的诊断设备和先2万方数据南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论进的诊断技术，因此对这些电磁波谱、各种射线和粒子的诊断则成为ICF五位（理论、实验、激光器件、诊断、制靶）一体[4][5]中逐渐发展和完善起来的一个重要分支学科。此五部分相互关联、相互促进，只有协同共进才可最终实现核聚变点火这一终极目标。图1-4为ICF研究系统组成简图

6、。图1-4ICF研究系统组成简图科学级CCD作为最重要的诊断设备之一，经常与分幅相机、光学（X光）条纹相机、针孔相机、光学多通道分析仪、透射晶体谱仪等耦合使用[4][5][6]，进行激光等离子体诊断，为获得精确的数据信息，其性能参数的定量标定就非常关键。随着我国聚变研究向“精密化”方向发展，大型程序的校核、原始实验数据的修正以及不确定度分析等工作亟需精确标定的定量化数据，同时伴随着神光III主机装置的投入使用，靶等离子体飞散的靶碎片等击坏CCD的概率也随之增大[6][8][9]，定期标定CCD性能参数既可以确定仪器正常工作状态，对定

7、期维护，又可为各项性能指标的评价提供基准，为科学研究和物理数据的分析提供真正的量化值。目前我国强场领域和ICF科研实验[6][7]，科学级可见光CCD的定量化研究还未系统化展开。通常，科学级CCD的单一参数的标定是手动搭建光路和采集图像数据，随机性和差异性较大，且标定需要大量重复性的工作，需要采集较多数量的实验数据和进行长时间的后实验数据分析，耗费大量的人力、物力、精力。3万方数据南昌航空大学硕士学位论文第1章绪论1.2国内外研究现状1)科学级CCD性能参数精密标定研究现状对科学级CCD性能指标的要求并不等同于生产厂家提供检测报告。

8、CCD总的分为三大类：科学级、工业级、商业级等，由于工业、商业级的CCD常应用于日常生活和基础科研中，其标定工作在国内国外均远远没有起步[10]，且很多非专业学者和技术人员认为标定的参数没有任何意义。科学级CCD应用主要集中在：天文观