激光聚变领域高性能条纹相机研究现状与展望

条纹相机（包括X射线条纹相机和可见光光学条纹相机）是一种高时空分辨的诊断设备，在激光惯性约束聚变（ICF）物理实验研究中具有非常重要的应用。介绍了当今国内外激光聚变领域获得广泛应用的两种主要类型条纹相机的技术性能以及各自的技术特点，它们分别采用了同轴电极双聚焦电子光学扫描变像管和双板电极电子光学扫描管。在技术指标方面，重点论述了条纹相机动态范围的判据，分析了激光聚变实验对条纹相机动态范围的需求，介绍了当今国际上高性能条纹相机动态范围指标的现状。文章也介绍了和条纹相机发展应用相关的几项重要技术进展，这些进展包括先进光时标、抗辐射加固记录系统和抑制相机背景噪声的阴极选通技术。     

激光等离子体研究中的X光背景照明诊断技术

给出X光背景照明诊断系统选取主靶、附靶、X光滤片系列的基本物理设计和初步实验结果。在调试X光背景照明激光束与两束主激光束精密时间同步过程中采用了快速扫描可见光条纹相机与光纤相结合的技术,提高了等光程测量效率。初步调试三束激光时间同步精度为15—20ps。     

基于激光驱动等离子体X光源的X射线相衬成像

为了诊断惯性约束聚变(ICF)内爆靶丸球壳的多层信息,在神光Ⅱ激光器上对激光驱动等离子体X光源的相衬成像进行了研究。利用神光Ⅱ第9路激光驱动平面Ti靶获得X光源,在10μm的针孔约束下作为次级点光源对样品成像,用X光胶片记录。成功地将相衬成像技术应用于ICF实验,综合考虑成像放大倍数、分辨力、成像衬度和抑制烧蚀碎片等因素,选择合适的实验条件,成功获得了清晰的双层内爆靶丸球壳结构,空间分辨力优于10μm。     

激光聚变研究中的一些物理问题

惯性约束聚变（ICF）是不同于磁约束聚变的另一种实现可控热核反应的方式，作为未来的能源有着光明的前景。目前研究最多的最激光引起的聚变。高功率激光可以在物质中产生千万大气压级的高压，能用于研究高压物理，激光产生的X江可用于研究辐射物理和作为高亮度的X光源。近年来，激光更用于在实验室中产生X光激光。激光与等离子体的相互作用是激光聚变研究的基础，数值模拟则是ICF研究中不可缺少的手段。     

高时间分辨的二维空间成象技术研究

对惯性约束聚变靶丸芯部诊断的测量仪器要求具有10ps的时间分辨,为了满足此要求,采用多针孔线阵配X光条纹相机,由多个针孔的一维条纹图象的数据,利用图象处理技术重建出二维图象,由此获得一项高时间分辨的二维空间成象技术(MIXS).此技术利用现有的设备获得比X光分幅相机高得多的时间分辨的二维图象.利用此技术可获得研究激光聚变内爆过程所需的时空图象,并可以对压缩过程的对称性进行研究.     

惯性约束聚变实验中的层析成像技术研究

文章对惯性约束聚变(ICF)中的多方位成像的层析技术(CT)和编码成像技术在激光等离子体实验中的应用进行了研究．作者完成了以下工作：建立了多方位层析成像系统，自行编制三维图像重建的软件；采用三个方位的针孔相机对爆推爆靶内爆压缩过程进行成像，同时成功地获得了三个针孔图像，得到的直径压缩比约为3．且压缩的对称性很好；采用编码成像技术，在“神光Ⅱ”上成功地验证了菲涅耳波带片的可行性应用，并建立了激光热核聚变产生的α粒子和腔靶超热电子的菲涅耳波带片成像系统，获得了热核反应区的α粒子图像，并首次得到了厚壁腔靶的超热X射线图像．     

取样成像扫描式分幅技术

 介绍了用于惯性约束聚变（ICF）等离子体诊断的取样成像扫描分幅技术的原理,分析了该分幅技术的有关特性参数,如曝光时间、画幅数目、空间分辨率等。借助于特别设计的扫描变像管进行了该技术的原理性实验,并利用计算机数字图像处理技术进行图像的重构。实验获得了持续时间约100ps的发光过程的16幅图像,曝光时间优于6.3ps,阴极上空间分辨率为3.5 lp/mm。     

C.变象管高速摄影的最新进展

本文简要介绍和评述了在第十九届国际高速摄影与光子学会议上发表的有关变象管高速摄影技术的结果,据报道,飞秒条纹变象管的时间分辨率设计值达50fs,皮秒分幅相机的最短曝光时间实验值为50ps。CCD两维图象读出系统已普遍用于皮秒条纹相机系统。纳秒分幅/扫描摄影向高性能、程控化发展。本文还涉及了超短光脉冲技术的新成果在变象管动态测试中的应用。     

高功率激光装置打靶精度测试技术

 多路激光打靶精度在惯性约束聚变实验中起着至关重要的作用,提出了基于X光针孔相机的激光打靶精度测试方法。根据显微镜读取的靶平面坐标系的靶孔中心坐标及打多孔靶后X光针孔相机所记录的靶孔中心坐标,建立靶平面坐标系和X光针孔相机坐标系之间的转换关系;通过打焦斑靶,建立焦斑模板,采用套模板的方法,读取X光针孔相机坐标系中焦斑中心坐标;由靶平面坐标系和X光针孔相机坐标系之间的转换关系,求出靶平面坐标系中焦斑中心坐标,计算得到激光打靶精度,分析打靶精度测试结果的不确定度,从而给出多路激光打靶精度测量技术和方法。     

激光惯性约束聚变研究中高时空诊断技术研究进展

对国内激光惯性约束聚变（ICF）领域高时空分辨技术的最新进展进行了比较全面的介绍。针对热斑诊断时间分辨优于10 ps、空间分辨优于10 μm、能区10～30 keV的需求，从光学、X射线、核诊断和计算成像几个角度，比较系统地介绍了最新的进展。光学领域主要介绍基于泵浦探测技术的全光扫描和全光分幅技术。全光扫描技术的时间分辨可以达到200 fs，全光分幅的时间分辨可以达到5 ps，空间分辨可以达到5 μm。该系统的主要部件为光学器件，在ICF未来的强电磁、强电离环境下有很好的应用前景。X射线系统主要介绍最近几年发展的高分辨KB显微镜，其采用STTS构型，可将空间分辨提高到3 μm，满足当前高分辨的需求。漂移管技术的时间分辨可以达到10 ps，作为一种正在发展的技术，对此进行了较为全面的分析。中子成像系统主要介绍了高空间分辨的记录系统以及对应的瞄准技术的进展，其空间分辨可以达到20～25 μm。计算成像作为一个全新的分支，最近引起了ICF领域的广泛关注。着重介绍了三维光场技术和在高时空分辨领域有很好应用前景的压缩感知超快成像（CUP）技术，对其可能在ICF领域中的应用提出了设想。     

Picosecond X-ray plasma radiation measurements

Direct picosecond measurements of X-ray laser plasma radiation were performed with a high-speed X-ray image-converter camera (ICC). This camera operates in the single-frame mode with an exposure time ranging from 5 ns to 0.5 μs and in the streak mode with 5 × 10⁹ to 5 × 10⁷ cm/s streak velocities. Its temporal resolution in the streak mode was calculated to be about 7 ps. A plasma was created by focussing 10 ps 1 to 2 joule laser pulses onto a titanium target placed in a vacuum chamber. The halfwidth of the recorded X-ray pulses varied from 30 to 60 ps.     

大动态范围长狭缝条纹相机系统

 为了满足ICF实验等离子体诊断需要,研制了一种大动态范围长狭缝软X射线条纹相机系统。该系统在保证30 mm的长狭缝的情况下,通过设计一种短聚焦区高压电子光学系统大大缩短电子的渡越时间、提高阳极工作电压至16.5 kV、弃用MCP内增强器、采用光纤面板耦合和使用制冷CCD等一系列措施,达到改善扫描变像管条纹相机动态范围的目的,同时保证具有较高的时间分辨力。动态测试表明,该系统动态空间分辨力为15 lp/mm,时间分辨力优于31 ps,动态范围大于922。     

X光条纹相机时间性能标定

 X光条纹相机在惯性约束聚变实验诊断中具有重要作用，它的性能技术指标的精确标定是实验数据可信度的基础。在上海激光联合实验室的20 TW激光器上对X光条纹相机的扫速、时间分辨等时间性能进行了标定，取得了较好的结果。标定结果显示相机的各项性能与出厂标称值有了较大改变。标定的实验结果可有效提高ICF实验数据处理和物理分析的可靠性。     

Pico-femtosecond electron-optical photography

The progress of ultra high-speed photography using electron-optical devices is surveyed with special reference to recent work in the USSR. In some applications time resolutions of better than 1 ps are obtainable. The ultimate limits of streak camera techniques are discussed. Finally, systems for X-ray chronography are described.     

Nanosecond resolution photography system for laser-induced cavitation based on PIV dual-head laser and industrial camera

The detailed study of the initial and collapse processes of the laser-induced cavitation requires nanosecond resolution (both nanoseconds exposure and nanoseconds interframe time) of the photography measurement system. The high-speed video cameras are difficult to achieve nanoseconds interval time. The framing and streak cameras are able to reach the nanosecond resolution, but their complex technology and expensive prices make them far from being commercially available. The present study builds a nanosecond resolution photography system based on PIV dual-head laser and conventional industrial camera. The exposure time of the photography system is controlled by the laser pulse width, which is 5 ns. The two heads of the PIV laser are operated independently thus the smallest time interval between two laser pulses can be set to less than 10 ns. A double-pulse per-exposure imaging technique is used to record the information from two laser pulses on single frame on a low-speed industrial camera. The nanosecond resolution photography system was applied to the laser-induced cavitation experiments to verify the reliability of the measurement results. The measurement of the shock wave velocity demonstrates the ability of the system to capture ultrafast phenomena, which reduces from 3611 m/s to approximately 1483 m/s within 400 ns. The experimental results also reveal the asymmetric evolution of laser-induced cavitation bubbles. The major axis of the ellipsoidal bubble has twice reversals along the laser propagation and perpendicular direction from the laser-induced breakdown to the first collapse.     

第六届全国高速摄影与光子学会议评述

第六届全国高速摄影与光子学会议,于1990年12月20日至22日在西安召开。来自全国31个单位的116名代表参加了会议。会上,高速摄影与光子学专业委员会主任侯洵研究员作了“西安光机所在高速摄影与光子学方面进展”的报告;专业委员会常务副主任陈俊人研究员作了有关“第19届国际高速摄影与光子学会议情况”报告。     

全光扫描装置设计及实验研究

针对惯性约束聚变研究中高时间分辨测量的需求,详细分析并设计了一种新型的高时间分辨的全光扫描装置。该装置根据光生载流子效应、波导传输和棱镜色散原理,采用全光学元件,实现了全光器件的类条纹相机扫描功能。设计制作了具有棱镜结构和光偏转功能的全光扫描模块。以1053 nm激光为传输光,527 nm激光为泵浦光,完成了脉宽为8 ps的脉冲激光信号作用下的光偏转实验。从技术上验证了全光扫描技术的可行性。     

基于探针光调制的皮秒分辨X-ray探测方法与实验

高能密度物理研究中涉及许多单次皮秒现象的诊断测量, 然而对单次X-ray脉冲形状、X-ray与激光脉冲的皮秒精度同步依然是极具挑战的课题. 传统行波选通分幅相机受电子渡越时间限制, 难以突破40 ps时间分辨极限. 本文围绕半导体中光学探针光的全光调制效应, 提出一种以低温GaAs材料为基础, 实现皮秒时间分辨X-ray探测的新方法, 详细阐述了该探测器的工作机理、器件参数设计和时间分辨能力. 通过飞秒激光打靶实验, 验证了其概念设计的正确性. 结果表明该探测器具有约1.5 ps时间响应和10 ps时间分辨能力, 通过材料优化可将时间分辨提升 至1 ps以内.     

X光分幅相机-平面镜配接方法研究

利用X光谱仪用平面镜备件以及实验室常用五维调节架,设计了X光平面镜与X光分幅相机配接的探索方案,并对系统调节中各元件调节误差带来的影响进行了一定的分析,详细描述了系统的瞄准调节方法和过程.利用激光打靶实验,对X光平面镜与X光分幅相机的配接方法进行了检验.实验过程和结果表明,该方法系统结构和实施都较为简单,可以比较容易地在分幅相机微带上获得经平面镜反射的靶目标针孔像,实现～50 ps的时间分辨、10～20 μm的空间分辨及几十倍的能量分辨.