[發明專利]等離子體中粒子分布的瞬態成像方法及裝置

有效

• 申請號: 201811437879.0
• 申請日: 2018-11-28
• 公開（公告）號: CN109632646B
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 趙洋;張雷;尹王保;肖連團;賈鎖堂
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25;G03B42/00
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 李富元

本發明屬于等離子體物理領域。等離子體中粒子分布的瞬態成像方法，用光譜儀采集等離子體光譜，選擇待測粒子發射譜線作為其特征譜線；根據測粒子選擇兩片窄帶濾光片；利用兩組透鏡組成的兩組光學4f系統、窄帶濾光片、門控相機對特征譜線進行拍照，獲得包含連續背景的粒子譜線強度分布圖像和連續背景強度圖像，用包含連續背景的粒子譜線強度分布圖像減去連續背景強度圖像與校正系數的乘積，得到粒子譜線強度分布圖像；對粒子譜線強度分布圖像進行高斯平滑以及基于離散數值計算的Abel反演，完成粒子譜線強度積分圖像至粒子分布圖像的轉化。本發明還涉及一種等離子體中粒子分布的瞬態成像裝置。

技術領域

本發明屬于等離子體物理領域，具體涉及等離子體中粒子分布的瞬態成像方法及裝置。

背景技術

等離子體是一種由電子、原子、離子以及分子基團為主要成分的物質形態，廣泛存在于宇宙中，被視為是物質的第四態。等離子體物理學經過一個世紀的蓬勃發展，已成為當代物理學的一門獨立分支學科，其研究范圍包括聚變等離子體、空間等離子體、天體等離子體、等離子體加工、等離子體顯示等，相關成果已廣泛應用于化工、材料、電子、能源、機械、國防、生物醫學、環境保護等領域。認識和掌握等離子體中各類粒子的瞬態分布及運動規律，是推動人類認知宇宙、實現受控核聚變等的關鍵。目前，國際上獲取等離子體中粒子分布圖像的方法主要有以下四種。1、窄帶濾光片成像法，即利用門控相機及對應于待測粒子某條發射譜線的濾光片，來對等離子體中的粒子分布進行成像。該方法由于采用單個濾光片，無法濾除等離子體形成初期強烈的連續背景輻射，因此所成圖像的信噪比不高。2、可調諧濾波器成像法，即通過波長調諧至待測粒子發射譜線的聲光或液晶可調諧濾波器，再加上門控相機，完成對等離子體中粒子分布的成像。但受限于濾波器的可工作波長范圍，該方法僅能在可見光波段成像，且濾波器中晶體介質的光損耗相當大，使得成像的靈敏度不高。3、傅里葉變換光譜成像法，即利用機械驅動掃描干涉儀和普通相機采集等離子體的干涉圖，再進行傅里葉變換得到粒子分布的成像圖。該方法的主要局限在于相機曝光需要一個時間積分過程，因此無法實現粒子分布的瞬態成像。4、光纖陣列或狹縫掃描成像法，即利用芯徑很小的光纖或光譜儀的狹縫來掃描和采集經透鏡放大后等離子體像不同位置的光譜，來獲得粒子分布信息。但該方法所獲圖像的采樣點較少，成像的空間分辨率較低。

發明內容

本發明是為了解決當前等離子體物理學研究中等離子體中粒子分布的瞬態成像問題。

本發明所采用的技術方案是：等離子體中粒子分布的瞬態成像方法，按照如下的步驟進行

步驟一、用光譜儀采集等離子體光譜，選擇待測粒子發射譜線作為其特征譜線；

步驟二、根據測粒子選擇兩片窄帶濾光片，第一窄帶濾光片(9)的中心透射波長與待測粒子的特征譜線相同，第二窄帶濾光片(13)的中心透射波長與待測粒子的特征譜線波長相差不超過50nm且在其帶寬內不存在任何譜線，并且第二窄帶濾光片(13)的中心透射波長與待測粒子的特征譜線波長不相等；

步驟三、利用第一透鏡(7)和第二透鏡(8)組成的第一光學4f系統、第一窄帶濾光片(9)、第一門控相機(6)對特征譜線進行拍照，得到包含連續背景的粒子譜線強度分布圖像，利用第三透鏡(11)和第四透鏡(12)組成的第二光學4f系統、第二窄帶濾光片(13)、第二門控相機(10)對特征譜線進行拍照，得到連續背景強度圖像，第一門控相機(6)和第二門控相機(10)在同一時刻、相同曝光門寬條件下進行拍照；

步驟四、連續背景強度圖像的校正系數其中，L₁(λ)、L₂(λ)分別為濾光片9、13的透過率曲線，λ₁、λ₂為L₁(λ)＝0時所對應的兩個波長，λ₃、λ₄為L₂(λ)＝0時所對應的兩個波長；

步驟五、用包含連續背景的粒子譜線強度分布圖像減去連續背景強度圖像與校正系數C的乘積，得到粒子譜線強度分布圖像；