CCD在弹丸消融观测的应用

 描述CCD器件在HL-1M多发弹丸加料实验中观测短暂消融云的应用结果,并介绍一种有特色的触发方式 用弹丸自身辐射的氢a 射线启动相机。实验证明：这种安排能取得大量照片,CCD成功地应用于弹丸消融过程观测, 图片处理分析后获得消融云形状、结构和辐射强度分布等。可以相信CCD诊断方法不但加深了弹丸加料的认识,也会促进军事工程相关瞬态高速过程的研究。     

CCD在弹丸消融观测的应用

描述CCD器件在HL-1M多发弹丸加料实验中观测短暂消融云的应用结果,并介绍一种有特色的触发方式 用弹丸自身辐射的氢a 射线启动相机。实验证明：这种安排能取得大量照片,CCD成功地应用于弹丸消融过程观测, 图片处理分析后获得消融云形状、结构和辐射强度分布等。可以相信CCD诊断方法不但加深了弹丸加料的认识,也会促进军事工程相关瞬态高速过程的研究。     

用CCD相机观测HL—1M弹丸消融过程

利用高速ＣＣＤ相机拍摄了ＨＬ－１Ｍ等离子体中注入氢弹丸时的Ｈａ辐射照片。得到的弹丸不同形状消融云照片表明：弹丸轨迹发生弯曲和出现条纹。通过对照片的处理获得了辐射光强的空间分布、弹丸的速度与轨迹,分析了弹丸与等离子体相互作用的物理机制,为进一步在弹丸注入条件下用ＣＣＤ测量等离子体局部磁场和电流分布打下了基础。     

HL—1M多发弹丸注入的CCD摄像触发方式的改进

多发弹丸加料是为稳态聚变堆提出的,它可以控制放电等离子体密度分布,改善约束性能和提高密度极限,是国际受控核聚变研究的重要内容之一。在实验中CCD相机可以用于研究弹丸与等离子体相互作用的许多复杂物理现象,用它拍摄弹丸在等离子体中消融云的照片是研究弹丸消融过程极其有效的手段。1999年用改进后的8发氢弹丸加料系统在水平方向上注入HL－1M等离子体,用SensiCam360LF型CCD相机在弹丸发射线连接法兰轴线上端,进行弹丸消融云的拍摄,观察弹丸的消融过程。     

等离子体中弹丸消融的探讨

本文采用弹丸消融的双区域模型,对弹丸消融过程进行了数值求解。分析Parks的模型,发现其定标律不适合于高温度、低密度的等离子体中弹丸的消融。估计了热电子能量分布函数对消融率的影响。     

高温等离子体中固体弹丸消融过程的研究

本文求得了弹丸消融过程的自洽解析解。结果表明:Parks的弹丸消融理论需要修正;弹丸消融速率由消融物云和表面蒸发层共同控制;入射电子通过消融物云时慢化效应并不显著;消融物离开弹丸表面时一般呈部分电离态;聚变堆条件下,弹丸表面可能会出现激波。     

弹丸消融速率的理论模型及数值计算

建立了计算托卡马克加料中弹丸消融的物理模型,结合1维输运模型编制了1.5维弹丸消融计算机模拟代码。使用ITER-FEAT的相关参数,对半径为6mm,初速度为2000m•s^-1,从低磁场侧注入弹丸的消融速率进行了模拟计算。结果显示,弹丸消融速率先随注入深度而逐渐增大,最大消融速率约6×10²⁶s^-1,然后由于弹丸半径的减小,消融速率迅速减小,穿透深度约0.45m。这一结果与中性气体屏蔽模型(NGS)的结果一致,证明计算代码正确有效。同时,从计算结果反映出,对ITER这样的堆级托卡马克,采用常规弹丸注入方式,尽管速度高达2000m•s^-1,穿透深度也远未达到等离子体中心,因此应采取其他有效措施来提高等离子体加料效率。     

HL—1M装置多发弹丸加料实验观测

首次在ＨＬ－１Ｍ装置上投放使用的多发弹丸加料系统，能一次注入多达４粒Φ１．０ｍｍ的氢弹丸，弹丸速度在５００－８００ｍ．ｓ＾－１之间。弹丸注入后，得到离子体密度峰化系数ｎｃ（０）／〈ｎｃ〉＝１．８能量约束时间与喷气加料放电的相比提高３０％以上的实验结果。观察到了弹丸注入等离子体引起弹丸消融物沿磁力线流动的图像变化，电子温度分布和ＭＨＤ行为的演变过程以及新的边缘等离子体特性。     

HL—1M等离子体氢弹丸的消融

弹丸在等离子体中主要受电子的直接作用，在强磁场下由于电子的回旋半径远小于弹丸半径，外层被电离的粒子跟随磁力线运动。形成的消融物（H2＋H1＋H^ e)雪茄形云层其内部一般认为处于局部热力学平衡（LTE），并沿磁力线被拉长。消融过程伴随着光的发射，少量电离的原子发出可见的轫致辐射，而云内部的大部分中性原子在碰撞激活后发出可见光（Hα线辐射）。     

ICCD波前传感器的信号传递特性及其探测误差

夏克-哈特曼（Shack-Hartmann）波前传感器由于其光能利用率高、结构简单等优点,是目前自适应光学系统波前传感器的主要形式。本文分析了像增强型CCD（ICCD）波前探测器的光斑信号采样值的统计特性并提出了质心探测误差的数学模型,实验分析了我们的C2166型像增强器ICCD波前传感器的探测精度,并给出实验分析结果。结果表明,理论分析与实验数据非常一致。     

自适应光学系统中波前传感器噪声的闭环传递特性

 分析了Shack-Hartmann 波前传感器（S-H WFS）在实际大气条件下,大气湍流波前相位的探测误差在自适应光学系统（AOS）中的传递过程以及最后的控制残余方差,导出了定量分析的数学模型,并给出了分析结果。结果表明,当S-H WFS用于微弱信标光大气湍流的探测时,自适应光学系统中的控制斜率残余误差中除了前人分析[1]的误差外还包含一项由天空背景光斑质心位置引起的常数误差值,并且系统的有效控制带宽会因信标探测对比度的下降而减小,这将大大降低AOS的校正能力。分析结果还表明信标光越弱,对S-H WFS的标定光学系统的像差要求越高。     

自适应光学系统中波前传感器噪声的闭环传递特性

分析了Shack-Hartmann 波前传感器（S-H WFS）在实际大气条件下,大气湍流波前相位的探测误差在自适应光学系统（AOS）中的传递过程以及最后的控制残余方差,导出了定量分析的数学模型,并给出了分析结果。结果表明,当S-H WFS用于微弱信标光大气湍流的探测时,自适应光学系统中的控制斜率残余误差中除了前人分析[1]的误差外还包含一项由天空背景光斑质心位置引起的常数误差值,并且系统的有效控制带宽会因信标探测对比度的下降而减小,这将大大降低AOS的校正能力。分析结果还表明信标光越弱,对S-H WFS的标定光学系统的像差要求越高。     

曲率波前传感器探测高斯光束时的信号误差

曲率波前传感器已被用于天文自适应光学和光学度量等领域。在这些领域使用时都假设入射波前光强均匀,但这种假设与曲率传感技术的基本原理不一致。利用傅里叶光学理论,给出了光强不均匀情况下曲率波前传感器的曲率信号解析式,并利用光强均匀和不均匀情况下的信号表达式对探测高斯光束时的信号误差进行了数值分析。结果表明：曲率波前传感器探测高斯光束时存在一定误差,相位分布为4阶Zernike多项式时,误差最大,且阶数越高,误差越小;分区平均曲率信号误差较小,一般在10％以下。     

实际大气湍流下弱光信标Shack-Hartmann波前传感器的波前斜率探测误差

 深入分析了Shack-Hartmann 波前传感器（S-H WFS）在实际大气湍流条件下弱光信标波前斜率的探测误差,导出了定量分析的数学模型。分析结果表明,当S-H WFS用于弱光信标（光子受限）湍流波前斜率的探测时,除了信标光起伏和探测器噪声外,大气强度闪烁、天空背景光等因素会增加探测误差,并且随着探测信标与天空背景光的对比度的下降,质心探测误差会随着孔径到达角起伏的增加而增加。     

ICCD型与CCD型弱光哈特曼-夏克波前传感器的性能分析与对比

哈特曼－夏克（Ｈａｒｔｍａｎｎ－Ｓｈａｃｋ）波前传感器由于其光能利用率高、结构简单、通道容量大等突出优点,是目前自适应光学系统波前传感器的主流形式。本文深入分析和比较了目前普遍采用的ＩＣＣＤ型和ＣＣＤ型这两种主要类型的弱光哈特曼－夏克波前传感器的特点和波前相位探测精度,导出了定量分析数学模型,给出了实验结果。此研究结果对弱光哈特曼－夏克波前传感器的技术方案选定和工程设计有指导意义。     

投影栅相位法轮廓测量的非线性误差分析

分析了投影栅相位法三维轮廓测量系统的非线性误差。建立了几何光学模型,从理论上推导出被测点的相对高度与像点坐标的关系,研究了系统结构参数改变引起的高度误差的变化。详细阐述了像点坐标误差和系统非线性误差对系统精度的影响,并给出了高度误差补偿方法。据此提出修正的非线性高度拟合公式,实验结果证明新拟合公式的优越性。     

精密检测平台定位误差自适应补偿技术

为了实现光学元件精密检测平台定位误差的自适应补偿,以保证在不同的检测环境中平台能够自行保持高精度,提出了基于检测环境监测和支持向量回归机的定位误差自适应补偿方法。首先,以多组检测环境中温度、湿度和气压的具体测量值作为训练数据,利用支持向量回归机建立定位误差最大值的预测模型,进行最大值预测。然后,将最大值同温度、湿度、气压等环境因素和位置信息一起作为训练数据,迭代使用支持向量回归机,建立任意位置定位误差预测模型。最后,将预测到的定位误差值传入检测平台控制器中进行补偿。应用雷尼绍激光干涉仪,温度、湿度和气压传感器等仪器设备,在光学元件精密检测平台上进行了具体实验。实验结果表明该技术切实可行,预测数据与实测数据差值绝对值的平均值为0.88 m,Pearson相关系数的平方为0.99,自适应补偿后平均定位误差由43 m降为1.4 m。     

精密检测平台定位误差自适应补偿技术

为了实现光学元件精密检测平台定位误差的自适应补偿,以保证在不同的检测环境中平台能够自行保持高精度,提出了基于检测环境监测和支持向量回归机的定位误差自适应补偿方法。首先,以多组检测环境中温度、湿度和气压的具体测量值作为训练数据,利用支持向量回归机建立定位误差最大值的预测模型,进行最大值预测。然后,将最大值同温度、湿度、气压等环境因素和位置信息一起作为训练数据,迭代使用支持向量回归机,建立任意位置定位误差预测模型。最后,将预测到的定位误差值传入检测平台控制器中进行补偿。应用雷尼绍激光干涉仪,温度、湿度和气压传感器等仪器设备,在光学元件精密检测平台上进行了具体实验。实验结果表明该技术切实可行,预测数据与实测数据差值绝对值的平均值为0.88μm,Pearson相关系数的平方为0.99,自适应补偿后平均定位误差由43μm降为1.4μm。     

光强不均匀情况下曲率波前传感器的信号分析

曲率波前传感器广泛应用于天文自适应光学、光学度量等领域。在这些领域使用时都假设入射波前光强均匀,但这种假设与曲率传感技术的基本原理不一致。定性分析了曲率波前传感技术理论的不自洽,利用衍射理论和几何光学近似的方法,推导了光强不均匀情况下曲率渡前传感器信号的解析式,分析了信号误差。结果表明,光强不均匀情况下曲率波前传感器的信号引入了光强对数的梯度和波前梯度的点乘项。在大多数应用中,点乘项可以忽略,因此,光强均匀的假设是合理的。但应用于光强量级发生变化的激光高斯光束时,会有一定的误差。