空间扫描型光纤法布里珀罗传感解调系统中CCD的光照度数学模型研究

针对空间扫描型光纤法布里珀罗（F-P）传感解调系统中CCD的光照度分布建立了数学模型,研究了不同帧扫描频率下CCD输出信号和信噪比。利用已设计的解调模块进行了CCD光照度分布的实验,实验结果表明,当帧扫描频率不同时,CCD各个像素输出信号电压的实验值与计算值的相对误差均小于2.5%,同一像素输出信号电压的实验值与计算值的相对误差变化数值均小于0.005,随实验所用CCD帧扫描频率变化,信噪比以184 Hz为分界点以两种变化斜率改变,验证了数学分析模型的有效性。     

K_α单光子计数CCD标定北大核心CSCD

对三台单光子计数CCD的能量响应特性和探测效率进行实验标定。采用标准放射源对CCD进行照射,将CCD图像进行统计处理后,得到CCD的能量响应曲线。响应曲线近似为线性,不同的CCD响应曲线斜率明显不同。编写了MATLAB程序对多像素事件进行处理,获得CCD的探测效率曲线。在不同的能点处,CCD的探测效率明显不同,在5.1keV附近探测效率达到最大值。标定结果与XOP软件计算得到的吸收效率理论结果比较一致。该标定结果可用于超强激光打靶产生的Kα荧光光子产额和能谱的定量精确处理。     

激光探测过程中CCD的串音饱和现象分析

为了验证激光辐照CCD时产生的串音饱和现象,从理论上给出了单束激光辐照下CCD发生串音饱和时的物理模型,并在此基础上给出了两光束入射情况下CCD发生串音饱和时的物理模型。通过定量计算得到了激光入射能量密度与CCD饱和像素数量的关系曲线和具体数据,并通过实验进行了验证。理论和实验结果表明,入射激光功率密度与CCD饱和区域面积之间呈非线性关系。当两束光同时进入CCD时,其中一束光的功率的增加会对另一束光的探测起到明显的干扰作用。     

用于激光等离子体中X射线测量的单光子计数型CCD的标定

 介绍了单光子计数型CCD的工作原理。实验选择参数准确的X射线放射源前向辐照CCD的像元面,计数由此产生;通过积分获得X射线的强度分布,在CCD处于单光子计数状态下,扣除本底信号,得到该型CCD产生一个计数所需的光子能量,约6.453 eV。标定了该型CCD的探测效率。结果表明：在单光子计数型CCD的有效能区内,对于不同能量的入射光子,其探测效率不同,在5.3 keV处获得最高探测效率66％;随着能量的增大,探测效率降低。标定结果可为激光等离子体研究中定量测量X射线光谱提供实验参考。     

基于Talbot-Moiré法测量透镜焦距的莫尔条纹的图像处理

利用Ronchi光栅的Talbot效应和Moiré条纹测量了长焦透镜焦距,并根据焦距与莫尔条纹斜率之间的定量关系可求得透镜焦距.为获得条纹斜率,用CCD采集莫尔条纹图像后,利用数学形态学滤波方法进行图像滤波平滑等预处理,有效地增强了图像的对比度.通过二值化、细化获得单像素宽连通的条纹,通过对条纹进行标记,为条纹斜率的直线拟合计算提供了可靠的数据,采用这些数据计算的焦距的误差为0.10%.     

用于激光聚变的科学级光学CCD读出噪声标定

在惯性约束聚变和超强超短激光等离子体相互作用中,科学级光学CCD作为诊断设备的重要记录器件,发挥着至关重要的作用.通过研究给出了可见光CCD读出噪声的标定原理和标定方案,并首次在国内取得了惯性约束聚变(ICF)实验中常用的可见光CCD读出噪声,为物理实验数据的修正和不确定度分析提供了依据.     

CCD与CMOS像素传感器γ射线电离辐射响应特性对比研究

为了研究CCD与CMOS像素传感器对γ射线电离辐射的响应差异,对比研究了4类像素传感器的结构特点和辐射响应特性。通过辐射实验,对各传感器在不同辐射水平条件下的光子响应事件分布、平均灰度值以及典型光子响应事件进行研究。研究结果表明：光子响应程度均与辐射剂量率相关;CCD像素传感器的沟道传输方式使每列像元间的辐射响应更容易相互干扰;平均灰度值随剂量率的增大存在明显的梯度,各积分周期内输出信号灰度值围绕均值上下波动,CCD像素传感器输出信号灰度浮动范围较小;CMOS像素传感器各像元对光子的响应更加明显,CCD像素传感器各像元的响应信号易与相邻像元发生串扰;各类像素传感器典型辐射响应事件区域中发生光子响应的像元数量随剂量率的增大而增多,响应事件并非单个光子的行为,而是反映了多个光子在区域内同时沉积能量的过程。本研究为开发像素传感器的γ射线辐射探测技术和应用提供了重要的理论分析和实验数据支撑。     

基于Talbot-Moiré法测量透镜焦距的莫尔条纹的图像处理

利用Ronchi光栅的Talbot效应和Moiré条纹测量了长焦透镜焦距,并根据焦距与莫尔条纹斜率之间的定量关系可求得透镜焦距.为获得条纹斜率,用CCD采集莫尔条纹图像后,利用数学形态学滤波方法进行图像滤波平滑等预处理,有效地增强了图像的对比度.通过二值化、细化获得单像素宽连通的条纹,通过对条纹进行标记,为条纹斜率的直线拟合计算提供了可靠的数据,采用这些数据计算的焦距的误差为0.10%.     

基于Talbot-Moiré法测量透镜焦距的CCD亚像素标定技术

利用Ronchi光栅的Talbot效应和Moiré条纹测量长焦透镜焦距,根据焦距与莫尔条纹斜率之间的定量关系可求得透镜焦距.分别采用Canny算子和形态学方法对光栅的栅线中心进行像素级定位,再用高斯曲线拟合对其进行亚像素定位.经过对标准条纹的标定,验证了该方法的条纹中心定位误差小于0.1个像素.采用光栅作为系统的自基准对CCD像素当量进行了亚像素标定,为条纹斜率和宽度的计算提供了可靠的测量基准,经过计算,采用这些数据计算的焦距误差为0.10%.     

科学级光学CCD非线性特性测试

在惯性约束聚变(ICF)实验研究中,科学级CCD常和光谱仪、条纹相机等诊断设备组合进行冲击波等物理过程的时间、空间方面的诊断研究。非线性作为CCD一个非常重要的性能参数,在实验的后处理过程中有着相当重要的作用,实验分别采取固定曝光时间,改变光源的出射功率密度、固定光源的输出功率密度和改变CCD的曝光时间两种方案对TEK 512×512DB CCD的非线性特性进行测试,计算得到两种实验方案下该CCD的非线性度分别为0.595%和0.508%,并通过对各种因素的评估得到第一种标定方案为最佳,为科学级CCD的性能参数自动测试平台的建立提供参考。     

连续相位板远场焦斑能量集中度实验研究

在惯性约束聚变（ICF）研究过程中,焦面上聚焦光斑形态要求极为苛刻。基于离线测试平台,从实验上研究了各种应用误差对连续相位板（CPP）远场焦斑能量集中度的影响。得出光束旋转误差、口径误差、平移误差和倾斜误差在可控范围内CPP远场焦斑能量集中度均高于95%,其波动范围小于0.5%,CPP的容忍度较强。而实验畸变波前属于空间频率小于0.02 mm-1的低频波前,严重影响了CPP的整形能力,波前畸变是影响能量集中度高于90%的主要因素。     

252Cf源辐射背景对X光闪光照相光电接收系统的影响

 在有核环境下的X光闪光照相中,为保证CCD光电接收系统的安全和有效使用,开展了科研所需剂量的辐射背景对闪光照相光电接收系统影响的研究。理论分析结果表明:科研要求的辐射剂量远小于X光闪光照相光电接收系统各器件的辐射损伤阈值,不会造成辐射损伤;辐射背景在CCD相机图像上形成的本底灰度对成像质量的影响很小。实验结果显示,通过建立和选择适当的屏蔽方式可以保证以下两点:一是科研所需剂量的辐射背景在CCD相机图像上形成的本底灰度要小于科学级相机的固有本底噪声,可以保证图像质量;二是在科研所需剂量的粒子和射线辐射下,X光闪光照相光电接收系统工作正常。     

OTF测试中CCD对测试准确度的影响和修正

对图像分析中的关键部件CCD本身离散采样的特点及其非线性、响应不均匀、暗电流、噪音等特性对测试造成的影响进行了分析,并给出了由以上因素造成的测试误差的修正方法.在高准确度OTF测试中,CCD必须具有优良的线性、较宽的动态范围、高信噪比.应用一些算法对其进行软件上处理,修正其对测试准确度降低的特征参量是提高测试准确度的有效方法.通过对50mm标准镜头实际测试,采用本文的处理方法对CCD修正后的传函仪测试准确度达到了±3%,满足高准确度测试要求.     

大口径连续相位板远场光强的离线测试实验

为了准确测试和评价大口径连续相位板（CPP）元件的远场光强性能,根据激光装置需求建立了351 nm波长下大口径CPP远场光强离线测试系统,开展了330 mm330 mm口径CPP元件测试实验,并与标量衍射计算结果进行对比,分析了系统的测试重复性和测试精度。实测系统远场弥散斑大小为2.9倍衍射极限,可测试最大口径为圆形f600 mm和方形430 mm430 mm。测试系统在焦点2 mm范围内的能量集中度测试重复性优于0.2 %。计算和实验焦斑形貌及分布吻合,实测能量集中度比计算结果小0.85%、焦斑半径大13 m左右,差异由实测系统的时间匀滑作用引起,可通过缩短曝光时间和减小系统像差等措施进一步提高测试精度。     

面阵CMOS光纤光谱仪研制

研制了一种以非对称交叉Czerny-Turner光路为结构的互补金属氧化物半导体小型光纤光谱仪样机,探讨了以面阵互补金属氧化物半导体图像传感器作为光电探测器的光度测量准确性和线性问题,分析了杂散光对吸光度测量的影响.结论是:通过光强定标和非线性修正后,互补金属氧化物半导体小型光纤光谱仪可以满足一般的应用要求,其光谱测量范围为380~800 nm,光谱带宽约6 nm,积分时间1~500 ms,波长准确度±1 nm,光度准确度±0.03 AU.该光谱仪具有小型化、低成本、速度快等优点.     

利用空间分辨漫反射无损测量生物组织的光学参量

利用空间分辨漫反射光确定生物组织的光学参量进行了实验研究，分别用光纤探测器和CCD无损测量了半无限大生物组织(牛脂肪和牛肉)表面的漫反射光的径向分布．由漫射方程对漫反射光强的相对分布值作非线性拟合确定了生物组织的吸收系数和约化散射系数，所得结果与国外报道的绝对测量法测量的结果相比，其差别小于9．4％．研究结果表明，光纤测量和CCD测量有较好的一致性，而CCD探测具有测量准确、简单和快捷的特点。     

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。     

激光CCD复合测量方法在ICF靶丸球度误差检测中的应用

 提出一种基于激光与CCD的复合式测量方法,结合二者的优势,通过测量同一标准球球心的位置标定出了二者光轴的位置关系,有效地把二者测量的数据融合到同一个坐标系中,从而实现高精度的3维测量。在对所测靶丸表面数据进行去噪处理后,采用拟牛顿法,以CCD所测惯性约束聚变(ICF)靶丸直径作为部分待求参数的初始值,可以有效避免该方法容易陷入局部最优化的缺陷。从而快速、准确地实现靶丸球度误差的测量。分别在两种测量模式下进行了实验,结果验证了该方法的有效性与鲁棒性。     

Theoretical and simulation research of hydrodynamic instabilities in inertial-confinement fusion implosions

Inertial fusion energy(IFE)has been considered a promising,nearly inexhaustible source of sustainable carbon-free power for the world's energy future.It has long been recognized that the control of hydrodynamic instabilities is of critical importance for ignition and high-gain in the inertial-confinement fusion(ICF)hot-spot ignition scheme.In this mini-review,we summarize the progress of theoretical and simulation research of hydrodynamic instabilities in the ICF central hot-spot implosion in our group over the past decade.In order to obtain sufficient understanding of the growth of hydrodynamic instabilities in ICF,we first decompose the problem into different stages according to the implosion physics processes.The decomposed essential physics processes that are associated with ICF implosions,such as Rayleigh-Taylor instability(RTI),Richtmyer-Meshkov instability(RMI),Kelvin-Helmholtz instability(KHI),convergent geometry effects,as well as perturbation feed-through are reviewed.Analytical models in planar,cylindrical,and spherical geometries have been established to study different physical aspects,including density-gradient,interface-coupling,geometry,and convergent effects.The influence of ablation in the presence of preheating on the RTI has been extensively studied by numerical simulations.The KHI considering the ablation effect has been discussed in detail for the first time.A series of single-mode ablative RTI experiments has been performed on the Shenguang-Ⅱlaser facility.The theoretical and simulation research provides us the physical insights of linear and weakly nonlinear growths,and nonlinear evolutions of the hydrodynamic instabilities in ICF implosions,which has directly supported the research of ICF ignition target design.The ICF hot-spot ignition implosion design that uses several controlling features,based on our current understanding of hydrodynamic instabilities,to address shell implosion stability,has been briefly described,several of which are novel.