CCD相机成象位置的校准和q分布测量的修正

    1 引言

    CCD是70年代初发展起来的新型半导体器件,其基本功能是电荷的存贮和转移。CCD相机采用普通摄象镜头将外界景物清晰地成象在CCD的光敏阵列上,当CCD象感器各电极加上合适的脉冲波形后,通过图象的光生电荷的存贮和转移对图象扫描,从而得到数字化输出的信号。CCD相机具有体积小、重量轻、工作电压低、寿命长、理想的扫描线性、高的时间和空间分辨率、较高的光电灵敏度和动态测量范围等优点。由于光敏元间距的几何尺寸精确,还能用于定位程度很高的校准。CCD相机的出现是固体成象器件技术的一大突破,逐步代替电子束成象器件和其它固体成象器件。HL-1M装置上的CCD相机测量系统是国际原子能机构(IAEA)资助的新诊断项目,它与弹丸注入技术配合,取得了可喜的初步成果[1,2]。为了使这项工作更上一个台阶,在深入研究托卡马克实验物理方面发挥更大的作用,本文研究了CCD相机的校准,并在校准的基础上,给出安全因子径向分布的测量结果,详细讨论了此诊断方法的注意事项和改进方法,提出一些当前可行的建议。

    2 校准方法

    2.1 径向的确定

    校准的主要根据是在无托卡马克放电时用CCD相机拍摄的背景图[1]和HL-1M装置工程设计参数。图1是参考文献[1]中背景图2的主要部分。图中已标注的实线为原文所画,虚线为本文所画。

    CCD相机和弹丸注入系统安装在HL-1M装置第三象限、离固定极向孔栏2215o、水平方向的跑道形窗口上,如图2所示。弹丸注入方向对准位于赤道平面的窗口中心,CCD相机装在弹丸发射管正上方87mm处。

    图1中AAc是里侧真空室内壁(以下简称后壁)的水平焊缝的中线,它恰好是后壁与赤道平面的交线;P1、P2、P3是保护板固定螺钉,P1、P2在AAc两边,与赤道平面的极向张角为?10o,如图3所示。螺钉沿大环方向以45o垂面为基准向左右每隔100mm弧长一个,向左四个,向右三个(见图2),则从基准面到右边第三个螺钉P2的夹角为:

    所以,过这个22.5o的跑道形窗口的对称面在P2、P3之间,而且与P2的距离为:

    正如图4所示,在赤道平面上的等离子体的径向位置,应该在窗口中心和对称面与AAc的交点的连线上。

    2.2 径向位置的定标

    在照片上,径向坐标轴并不是均匀刻度的,而是照相机位置及其偏转角度等的函数。而且,照片包含了三维空间的信息,更不能简单地用线性比例关系来推算空间尺度,而要根据几何光学成象的原理推导出各自的对应关系。照相机将三维空间景物在电荷耦合器件(CCD面阵)上成一平面像,在像平面上,除形成共轭物平面的像以外,同时也将其前后的物体形成弥散斑,成象于像平面,当光束很细时,可视为点像。在相同的共轭面上的投影点,具有相同的垂轴放大率。图5是径向坐标轴上任一点On成象示意图,设照相机到赤道平面的距离为H,与水平方向的夹角为A,C、Cc为入射、出射光瞳中心,AcBc为成象平面,其共轭物方平面AB为瞄准平面。本文给出,以入射光瞳为透视中心,径向任点On沿主光线在瞄准平面上投影后,相应的物长为: