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1、第13卷 第4期强激光与粒子束Vol.13,No.42001年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.,2001文章编号:100124322(2001)0420403205①CCD在弹丸消融观测中的应用郑银甲, 冯 震, 刘 永, 肖正贵(核工业西南物理研究院聚变科学研究所,四川成都610041) 摘 要:描述CCD器件在HL21M多发弹丸加料实验中观测短暂消融云的应用结果,并介绍一种有特色的触发方式用弹丸自身辐射的氢A射线启动相机。实验证明:这种安排能取得大量照片,CCD成功地应用
2、于弹丸消融过程观测,图片处理分析后获得消融云形状、结构和辐射强度分布等。可以相信CCD诊断方法不但加深了弹丸加料的认识,也会促进军事工程相关瞬态高速过程的研究。 关键词:CCD;HA触发; 弹丸消融 中图分类号:O536;O539文献标识码:A 弹丸注入是为未来稳态聚变堆设计的一种加料方式。弹丸与等离子体相互作用的物理现象十分复杂,涉及中性气体、等离子体和静电三种屏蔽机制。冰冻弹丸注入高温等离子体后立刻受电子、离子、热和非热粒子等成分包围和轰击,其表面则以原子、分子团甚至离子形式蒸发和被侵蚀,这就是所谓弹丸消融
3、。消融率取决于其粒子离开表面、分离、电离及加速粒子所需要能量流和弹丸得到能量流之间的平[1]衡。消融过程经历三个状态,首先形成高密中性云层,然后在极短时间内电离生成低温(约1eV)高密17-3(约10cm)二次等离子体云。上述状态下由于电子回旋频率vce小于电子2离子碰撞频率vei,云层不受磁约束而径向扩散。当vce>vei时扩散趋于停止,出现第三个状态,云中带电成分沿磁场方向扩散,中性云层则被拖动,整个弹丸云在磁力线方向被拉长。CCD器件具有灵敏度高、噪声低、光谱范围宽、动态响应线性范围宽和器件运行稳定等许多优点,
4、已频繁应用于粒子束、激光、X射线等时间空间能量诊断。用CCD器件拍摄弹丸云图是研究弹丸消融直[2]观和实用的手段。消融过程中伴随着HA谱线光发射,其强度I广泛表达为〈Rv〉exidNI=k(1)〈Rv〉iondt式中:k为比例常数;〈Rv〉exiö〈Rv〉ion为激发和电离速率比;dNödt为弹丸消融率。在等离子体电子温度超过原子或离子电离势(此条件在一般情况下是满足的)时〈Rv〉exiö〈Rv〉ion近似为常数,因而I与dNödt成正比,HA辐射提供的弹丸消融大量信息,也是CCD器件应用的基础。1 相机控制和实验布
5、置 我院自1992年以来,在863计划支持下开始弹丸注入实验研究。几年来,通过光谱强度时空分布测[3]量、密度峰化和软X射线辐射演变的观测,研究了弹丸加料改善等离子体性能效果。但弹丸消融却了解很少,由于其存在时间仅二三百个Ls,捕捉此信息较困难,必须选择合适的观测器件和同步信号。1.1 观测器件和同步信号的选择 选择SensiCam360LF型CCD相机为观测器件。实验时在其光敏面前加装<50变焦镜头及HA线干涉滤光片(K0=656nm,FWHM=7nm),变焦镜头相对孔径为1.4～22,物距s的调焦范围为0.3
6、m～∞,设置fö1.4,s=0.8m,以获取最大光通量。 另一关键问题是触发同步。国外一般取弹丸发射系统控制信号,时间在弹丸进入等离子体之前,故①收稿日期:2001203206;修订日期:2001205208基金项目:国际原子能机构IAEACRPö4ö013202资助课题作者简介:郑银甲(19452),男,研究员,电子科大光通信硕士,现从事等离子体物理和诊断研究;成都432信箱,E2mail:zhengyj@swip.ac.cn。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Lt
7、d.Allrightsreserved.404强激光与粒子束第13卷此同步须以弹丸发射速度恒定为前提且需精确光电控制。我们则采用一种有特色的触发方式:用弹丸消融时发射的HA线ö软X射线,在多道PIN阵列探测采集后,经放大、限幅等电子学处理,作为触发电平。使它尽早启动相机以获取更多信息,同时又不致于过大而损坏CCD,实验证明该触发方式可获得良好结果,取得弹丸进入等离子体与相机开启时间上同步。图1表示此信号经原始和处理过的脉冲波形触发的例子。1.2 相机的控制SensiCam360LF型CCD相机有较好的时间空间分辨。曝
8、光时间可以在100ns～1ms之间调节,可见该相机最小时间分辨率为0.1Ls,满足对弹丸消融细节的观察。两次曝光之间的延迟时间可在0～1ms之间选择。此外拍摄可进行程序控制,假定一次延迟和曝光时间定义为一次循环,每幅最多可设定10次循环。拍摄采用两种方式:(1)多次短曝光,即程序控制曝光2不曝光(延迟)2曝光的多次循环拍一幅照片,这类照片较好地
