多通道门选通纳秒分幅相机

    1 引 言

    随着高能量脉冲技术研究工作的不断发展,以及对瞬态发光现象的深入研究,人们对高速摄影机提出了不同的要求,特别是在研究超快过程现象中高速摄影机是必要的诊断工具,已广泛应用于基础科研中。在高能量脉冲技术研究、电子加速器中电子脉冲束斑的测量、高电压放电技术研究、微波武器的基础理论研究以及Z-pinch的研究中,由于发光现象持续时间为百纳秒到几十微秒,因此需要一种曝光时间短,画幅间隔可调,分幅速率在1@108frame/s~1@106frame/s之间,并可在发光现象延续时间内得到具有一定时间精度的多幅固定时刻图像的诊断设备,用于测量观图像随时间变化的规律。利用高速CCD相机和转镜式高速摄影机均不能满足如此高的速度要求。

    目前分幅相机的类型主要有:

    (1)微波传输型分幅相机,光学分幅、行波电子快门法,使用近贴聚焦像增强器,利用光学分幅方法使得图像在空间上分离,在近贴聚焦像增强器的微通道板上制作有行波线,经光学分幅的图像沿行波线分布,当门脉冲沿行波线传输时,即可得到不同时刻的图像。使用此方法所得图像间隔与脉冲波沿行波线传输时间有关,因此不能得到宽时间间隔的图像。

    (2)交叉点扫描多光栏分幅相机,曝光时间与画幅间隔连动,不能实现分别调节。

    (3)光学分幅、多通道门选通法,利用光学分幅方法使得图像在空间上分离,对于空间上分离的图像,每一个图像用一个门选通近贴像增强器,在像增强器阴极上加门脉冲进行选通。

    文献介绍的高速摄影相机多为四通道分幅相机。国内有报道,可以实现四分幅,每次获得4幅图像,最短曝光时间为5 ns[2]。国外的四通道分幅相机同样使用四个CCD,但可以实现最高8帧图像,最高分辨率为1 280@1 024。

    本文针对当前高速摄影的应用要求,结合快速电子技术、图像增强技术、光学分光技术等多门学科的成果,研制了一台用于时间分辨测量的高速分幅相机,可满足目前的测量要求。采用光学分幅技术、多通道门选通法研制的纳秒分幅相机,在350~550 nm的光谱范围内可以实现以最短曝光时间3 ns和图像间隔10 ns,一次拍摄到8幅图像,最高拍摄速度为1@108frame/s,用于拍摄持续时间为百纳秒到几十微秒的发光现象,记录其发展过程。图像分辨率为1 376@1 035,标准幅面可以达到<80 mm,动态空间分辨率达到15 lp/mm。由于该设备应用于复杂的工作环境中,要求有强的抗电磁干扰和高能辐射能力。

    2 工作原理和流程

    所研制的纳秒分幅相机采用八棱镜光学分幅、8通道像增强器门选通,每个通道使用单独的像增强器和CCD摄像机,实现超高速影像采集,如图1所示。