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基于激光等離子體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重建三維溫度場(chǎng)的方法研究
（論文部分內(nèi)容摘抄）
等離子體是指包含足夠多的電荷數(shù)目近于相等的正、負(fù)帶電粒子的物質(zhì)聚集狀態(tài)。溫度是等離子體的基本參量，等離子體溫度的準(zhǔn)確測(cè)量， 特別是等離子體溫度空間分布的測(cè)量一直是等離子體物理、激光與物質(zhì)相互作用機(jī)理、導(dǎo)彈與目標(biāo)的相互作用及溫度測(cè)量領(lǐng)域的重要研究課題。由于等離子體具有體積小、溫度高、溫度梯度大、持續(xù)時(shí)間短而且變化劇烈等特點(diǎn)，使得對(duì)等離子體溫度的精確測(cè)量非常困難。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在等離子體溫度測(cè)量方面進(jìn)行了大量的探索，日本的研究者利用光纖束測(cè)量等離子體中個(gè)別點(diǎn)處溫度值，國(guó)內(nèi)的研究者等應(yīng)用不同的方法對(duì)等離子體的溫度進(jìn)行了測(cè)量，得到等離子體中個(gè)別點(diǎn)處溫度值，但均未能建立等離子體整個(gè)溫度場(chǎng)的空間分布。
由于激光等離子體具有一定空間尺寸，并且 溫度場(chǎng)在空間分布極不均勻，因此對(duì)激光等離子 體溫度場(chǎng)空間演化特性的研究具有十分重要的意義。本文采用加載窄帶濾光片的高速相機(jī)直接拍攝激光等離子體圖像，并結(jié)合圖像處理、重建技術(shù)以及相對(duì)譜線(xiàn)強(qiáng)度法給出了激光等離子體溫度場(chǎng)三維分布。
高速相機(jī)是整個(gè)測(cè)量裝置的部分，本實(shí)驗(yàn)選擇的是德國(guó) Excelitas PCO 公司pco.dicam C4 四通道分幅相機(jī)。 如圖所示，該相機(jī)有４個(gè)CCD拍攝通道，并與計(jì)算機(jī)通過(guò)光纜實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)拍攝通道可設(shè)置不同的延遲時(shí)間和曝光時(shí)間，能以比較低達(dá)到１ns／幀的時(shí)間間隔高超速記錄4張照片。相機(jī)有內(nèi)部觸發(fā)和外部觸發(fā)２種方式，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，選擇外部電觸發(fā)方式。1、2通道安裝中心波長(zhǎng)λ１＝400nm、帶寬８nm 的窄帶濾光片，3、4通道安裝中心波長(zhǎng)λ２＝500nm、帶寬８nm的窄帶濾光片。 實(shí)際上，加載窄帶濾光片的高速相機(jī)起 著光譜儀的作用，使激光等離子體輻射光中波長(zhǎng) 與窄帶濾光片中心波長(zhǎng)相同的信號(hào)進(jìn)入高速相機(jī)并成像。高速相機(jī)得到的照片為*.tif格式的12位灰度圖片，比較高灰度等級(jí)4096，分辨率為1024像素×1280像素，為保證測(cè)量得到等離子體灰度照片，既有一定的強(qiáng)度，又不會(huì)達(dá)到飽和，高速相機(jī)的曝光時(shí)間設(shè)置為30ns。
激光擊穿空氣產(chǎn)生等離子體以后，隨著激光脈沖能量的注入，激光等離子體溫度場(chǎng)體積膨脹，溫度升高，不同時(shí)刻的入射激光脈沖能量不同，對(duì)激光等離子體溫度場(chǎng)的影響也不同。激光擊穿空氣產(chǎn)生等離子體以后，隨著激光脈沖能量的注入，激光等離子體溫度場(chǎng)體積膨脹，溫度升高，不同時(shí)刻的入射激光脈沖能量不同，對(duì)激光等離子體溫度場(chǎng)的影響也不同。延遲時(shí)間為6.5μs 時(shí)，入射激光脈沖能量基本結(jié)束，由于入射激光脈沖能量很少，等離子體運(yùn)動(dòng)過(guò)程與強(qiáng)過(guò)程相類(lèi)似，即等離子體中溫度比較高的區(qū)域，由范圍比它更大的溫度稍低一些的高溫區(qū)域所包圍，這個(gè)次高溫區(qū)域本身是由輪廓鮮明的激波陣面包圍。這也從理論上證實(shí)了激光等離子體溫度場(chǎng)三維重建的可行性 。
激光等離子體溫度場(chǎng)中不同位置溫度差別很大，不同延遲時(shí)間，等離子體內(nèi)部溫度分布差別也很大。
入射脈沖激光能量持續(xù)時(shí)間內(nèi)，等離子體溫度場(chǎng)中迎著激光一側(cè)溫度比較高，從外向內(nèi)依次降低；入射激光能量結(jié)束后，等離子體外緣溫度較內(nèi)部溫度低，內(nèi)部區(qū)溫度比較高。利用本文建立的實(shí)驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)處理方法，能夠獲得激光等離子體三維溫度場(chǎng)分布，將其與利用光譜法測(cè)量的等離子體溫度值對(duì)比分析及理論上的解釋?zhuān)C明該方法是合理可行的。
通過(guò)對(duì)激光等離子體三維溫度場(chǎng)分布的研究，可了解等離子體溫度場(chǎng)空間演化特性和機(jī)理，為等離子體產(chǎn)生機(jī)理、演化規(guī)律以及等離子體中激波傳播規(guī)律等研究提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)激光推進(jìn)機(jī)理，獲得能量沉積過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化效率等信息，以及為設(shè)計(jì)激光發(fā)動(dòng)機(jī)熱結(jié)構(gòu)、改進(jìn)高速飛行器熱防護(hù)、提高材料可靠性等提供依據(jù)。
德國(guó) Excelitas PCO 公司的pco.dicam C4四分幅像增強(qiáng)相機(jī)，具備高分辨率、高感光度、快速幀重復(fù)率、精確捕捉超快速過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)，將可實(shí)現(xiàn)高效的單光子檢測(cè)，為實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。
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