CN109632646A - 等离子体中粒子分布的瞬态成像方法及装置 - Google Patents

等离子体中粒子分布的瞬态成像方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于等离子体物理领域。等离子体中粒子分布的瞬态成像方法，用光谱仪采集等离子体光谱，选择待测粒子发射谱线作为其特征谱线；根据测粒子选择两片窄带滤光片；利用两组透镜组成的两组光学4f系统、窄带滤光片、门控相机对特征谱线进行拍照，获得包含连续背景的粒子谱线强度分布图像和连续背景强度图像，用包含连续背景的粒子谱线强度分布图像减去连续背景强度图像与校正系数的乘积，得到粒子谱线强度分布图像；对粒子谱线强度分布图像进行高斯平滑以及基于离散数值计算的Abel反演，完成粒子谱线强度积分图像至粒子分布图像的转化。本发明还涉及一种等离子体中粒子分布的瞬态成像装置。

Description

等离子体中粒子分布的瞬态成像方法及装置
技术领域
本发明属于等离子体物理领域，具体涉及等离子体中粒子分布的瞬态成像方法及装置。
背景技术
等离子体是一种由电子、原子、离子以及分子基团为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，被视为是物质的第四态。等离子体物理学经过一个世纪的蓬勃发展，已成为当代物理学的一门独立分支学科，其研究范围包括聚变等离子体、空间等离子体、天体等离子体、等离子体加工、等离子体显示等，相关成果已广泛应用于化工、材料、电子、能源、机械、国防、生物医学、环境保护等领域。认识和掌握等离子体中各类粒子的瞬态分布及运动规律，是推动人类认知宇宙、实现受控核聚变等的关键。目前，国际上获取等离子体中粒子分布图像的方法主要有以下四种。1、窄带滤光片成像法，即利用门控相机及对应于待测粒子某条发射谱线的滤光片，来对等离子体中的粒子分布进行成像。该方法由于采用单个滤光片，无法滤除等离子体形成初期强烈的连续背景辐射，因此所成图像的信噪比不高。2、可调谐滤波器成像法，即通过波长调谐至待测粒子发射谱线的声光或液晶可调谐滤波器，再加上门控相机，完成对等离子体中粒子分布的成像。但受限于滤波器的可工作波长范围，该方法仅能在可见光波段成像，且滤波器中晶体介质的光损耗相当大，使得成像的灵敏度不高。3、傅里叶变换光谱成像法，即利用机械驱动扫描干涉仪和普通相机采集等离子体的干涉图，再进行傅里叶变换得到粒子分布的成像图。该方法的主要局限在于相机曝光需要一个时间积分过程，因此无法实现粒子分布的瞬态成像。4、光纤阵列或狭缝扫描成像法，即利用芯径很小的光纤或光谱仪的狭缝来扫描和采集经透镜放大后等离子体像不同位置的光谱，来获得粒子分布信息。但该方法所获图像的采样点较少，成像的空间分辨率较低。
发明内容
本发明是为了解决当前等离子体物理学研究中等离子体中粒子分布的瞬态成像问题。
本发明所采用的技术方案是：等离子体中粒子分布的瞬态成像方法，按照如下的步骤进行
步骤一、用光谱仪采集等离子体光谱，选择待测粒子发射谱线作为其特征谱线；
步骤二、根据测粒子选择两片窄带滤光片，第一窄带滤光片(9)的中心透射波长与待测粒子的特征谱线相同，第二窄带滤光片(13)的中心透射波长与待测粒子的特征谱线波长相差不超过50nm且在其带宽内不存在任何谱线，并且第二窄带滤光片(13)的中心透射波长与待测粒子的特征谱线波长不相等；
步骤三、利用第一透镜(7)和第二透镜(8)组成的第一光学4f系统、第一窄带滤光片(9)、第一门控相机(6)对特征谱线进行拍照，得到包含连续背景的粒子谱线强度分布图像，利用第三透镜(11)和第四透镜(12)组成的第二光学4f系统、第二窄带滤光片(13)、第二门控相机(10)对特征谱线进行拍照，得到连续背景强度图像，第一门控相机(6)和第二门控相机(10)在同一时刻、相同曝光门宽条件下进行拍照；
步骤四、连续背景强度图像的校正系数其中，L1(λ)、L2(λ)分别为滤光片9、13的透过率曲线，λ1、λ2为L1(λ)＝0时所对应的两个波长，λ3、λ4为L2(λ)＝0时所对应的两个波长；
步骤五、用包含连续背景的粒子谱线强度分布图像减去连续背景强度图像与校正系数C的乘积，得到粒子谱线强度分布图像；
步骤六、对粒子谱线强度分布图像进行高斯平滑以及基于离散数值计算的Abel反演，完成粒子谱线强度积分图像至粒子分布图像的转化。
作为一种优选方式：步骤六中基于离散数值计算的Abel反演的方法为
定义坐标z轴为等离子体对称轴，x轴为拍照方向，则所测粒子谱线强度值其实是沿x轴方向各点发射率的积分，与z轴距离为y的强度积分I(y)可表示为：(0<r<R),其中，ε(r)是距z轴r处的局部发射率，当r≥R时，ε(r)＝0，R是等离子体半径，是距z轴处的局部发射率；进行Abel变换后得到：进行离散数值计算其中，
式中，α＝1，n为等离子体对称轴一侧像素数，ri＝i△r(i＝0,1,...,n)，yj＝j△y(j＝0,1,...,n)，△r和△y代表数据间隔，J0为第一类零阶贝塞尔函数。
等离子体中粒子分布的瞬态成像装置，在等离子体(1)的一侧用光纤(2)将等离子体荧光导入配有CCD(3)的光栅光谱仪(4)中，在等离子体(1)的另一侧，用分束镜(5)将等离子体(1)发出的荧光分为两束，一束荧光通过由第一透镜(7)、第二透镜(8)组成的第一光学4f系统和中心透射波长与待测粒子特征谱线相同的第一窄带滤光片(9)后，由第一门控相机(6)记录粒子谱线强度分布图像，另一束荧光通过由第三透镜(11)、第四透镜(12)组成的第二光学4f系统和中心透射波长与特征谱线波长尽可能接近且在其透射波长范围内不存在任何高强度谱线的第二窄带滤光片(13)后，由第二门控相机(10)记录连续背景发射强度图像。
本发明的有益效果是：为当代等离子体物理学提供一种实现对等离子体中各类粒子分布进行瞬态成像的技术手段，促进聚变等离子体、空间等离子体、天体等离子体、等离子体加工、等离子体显示等产业的技术进步。
附图说明
图1是等离子体双波长差分成像装置；
图2是Abel反演示意图；
图3氩气环境中激光诱导铝等离子体光谱以及用于氩原子分布成像所用两个窄带滤光片的透过率曲线图；
图4是光谱强度图；
其中，1-等离子体，2-光纤，3-CCD，4-光栅光谱仪，5-分束镜，6、第一门控相机，7、第一透镜，8、第二透镜，9、第一窄带滤光片，10、第二门控相机，11、第三透镜，12、第四透镜，13、第二窄带滤光片。
具体实施方式
以氩气环境下铝等离子体中氩原子的分布成像为例进行说明。
如图1所示，在等离子体(铝等离子体)的一侧用光纤将等离子体荧光导入配有CCD的光栅光谱仪中，在等离子体的另一侧，用分束镜将等离子体发出的荧光分为两束，一束荧光通过由第一透镜、第二透镜组成的第一光学4f系统和中心透射波长与待测粒子特征谱线相同的第一窄带滤光片后，由第一门控相机记录粒子谱线强度分布图像，另一束荧光通过由第三透镜、第四透镜组成的第二光学4f系统和中心透射波长与特征谱线波长尽可能接近且在其透射波长范围内不存在任何高强度谱线的第二窄带滤光片后，由第二门控相机记录连续背景发射强度图像。
等离子体中粒子分布的瞬态成像方法，在环境气体为氩气时，将高能脉冲激光聚焦至纯铝样品表面，形成氩气环境下的铝等离子体。用光谱仪采集该等离子体745-800nm波段光谱，如图3。由图可见，氩原子763.51nm谱线与其它谱线无干扰且强度高，因此将该谱线作为氩原子的特征谱线。
选择两个带宽均为10nm的窄带滤光片，其中第一滤光片的中心透射波长为764nm，对应于氩原子763.51nm谱线；第二滤光片的中心透射波长为784nm，该波长值与764nm相差不超过50nm且在其带宽10nm内不存在任何谱线。
利用由第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜所组成的两套光学4f成像系统、第一窄带滤光片和第二窄带滤光片、第一门控相机和第二门控相机及分束镜，以出射激光脉冲为计时零点，在400ns时刻，以20ns曝光门宽对等离子体进行拍照。其中，第一门控相机拍摄的包含连续背景的氩原子763.51nm谱线强度分布图像见图4中a，第二门控相机拍摄的连续背景强度图像见图4中b。
由式求连续背景强度图像(图4中b)的校正系数。其中，第一滤光片、第二滤光片的透过率曲线L1(λ)、L2(λ)见图3，λ1＝751.10nm，λ2＝774.24nm，λ3＝772.20nm，λ4＝795.07nm，则C＝0.77。
用包含连续背景的粒子谱线强度分布图像(图4中a)减去连续背景强度图像(图4中b)与校正系数C＝0.77的乘积，得到粒子谱线强度分布图像，见图4中c。
对粒子谱线强度分布图像(图4中c)进行高斯平滑，再按式和式进行基于离散数值计算的Abel反演，得到如图4中d所示的氩原子分布图像。

Claims (3)

1.等离子体中粒子分布的瞬态成像方法，其特征在于：按照如下的步骤进行
步骤一、用光谱仪采集等离子体光谱，选择待测粒子发射谱线作为其特征谱线；
步骤二、根据测粒子选择两片窄带滤光片，第一窄带滤光片(9)的中心透射波长与待测粒子的特征谱线相同，第二窄带滤光片(13)的中心透射波长与待测粒子的特征谱线波长相差不超过50nm且在其带宽内不存在任何谱线，并且第二窄带滤光片(13)的中心透射波长与待测粒子的特征谱线波长不相等；
步骤三、利用第一透镜(7)和第二透镜(8)组成的第一光学4f系统、第一窄带滤光片(9)、第一门控相机(6)对特征谱线进行拍照，得到包含连续背景的粒子谱线强度分布图像，利用第三透镜(11)和第四透镜(12)组成的第二光学4f系统、第二窄带滤光片(13)、第二门控相机(10)对特征谱线进行拍照，得到连续背景强度图像，第一门控相机(6)和第二门控相机(10)在同一时刻、相同曝光门宽条件下进行拍照；
步骤四、连续背景强度图像的校正系数其中，L1(λ)、L2(λ)分别为滤光片9、13的透过率曲线，λ1、λ2为L1(λ)＝0时所对应的两个波长，λ3、λ4为L2(λ)＝0时所对应的两个波长；
步骤五、用包含连续背景的粒子谱线强度分布图像减去连续背景强度图像与校正系数C的乘积，得到粒子谱线强度分布图像；
步骤六、对粒子谱线强度分布图像进行高斯平滑以及基于离散数值计算的Abel反演，完成粒子谱线强度积分图像至粒子分布图像的转化。
2.根据权利要求1所述的等离子体中粒子分布的瞬态成像方法，其特征在于：步骤六中基于离散数值计算的Abel反演的方法为定义坐标z轴为等离子体对称轴，x轴为拍照方向，则所测粒子谱线强度值其实是沿x轴方向各点发射率的积分，与z轴距离为y的强度积分I(y)可表示为：(0<r<R),其中，ε(r)是距z轴r处的局部发射率，当r≥R时，ε(r)＝0，R是等离子体半径，是距z轴处的局部发射率；进行Abel变换后得到：进行离散数值计算其中，式中，α＝1，n为等离子体对称轴一侧像素数，ri＝i△r(i＝0,1,...,n)，yj＝j△y(j＝0,1,...,n)，△r和△y代表数据间隔，J0为第一类零阶贝塞尔函数。
3.等离子体中粒子分布的瞬态成像装置，其特征在于：在等离子体(1)的一侧用光纤(2)将等离子体荧光导入配有CCD(3)的光栅光谱仪(4)中，在等离子体(1)的另一侧，用分束镜(5)将等离子体(1)发出的荧光分为两束，一束荧光通过由第一透镜(7)、第二透镜(8)组成的第一光学4f系统和中心透射波长与待测粒子特征谱线相同的第一窄带滤光片(9)后，由第一门控相机(6)记录粒子谱线强度分布图像，另一束荧光通过由第三透镜(11)、第四透镜(12)组成的第二光学4f系统和中心透射波长与特征谱线波长尽可能接近且在其透射波长范围内不存在任何高强度谱线的第二窄带滤光片(13)后，由第二门控相机(10)记录连续背景发射强度图像。
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