光学CCD快门系统特性

    惯性约束聚变研究领域的物理对象极其复杂，其诊断技术一般具有极高的时空分辨、很宽的量程范围、甚至混合场测量等特点［１－３。在这种极端条件下，测量对象和数据的高精度获取很大程度上依赖记录设备的性能数。作为图像记录设备的科学级ＣＣＤ因具有大动态范围、高量子效率、低噪声、较小暗电流等优点［４］，已经］成为ＩＣＦ研究领域应用最广泛的记录系统，同时也在其他成像应用领域发挥着至关重要的作用。例如：在各种曝光量的记录和测量中，科学级ＣＣＤ和时间积分电路匹配以电子堆栈的形式来记录曝光量的强弱，同时以数字形式输出感光结果。目前ＩＣＦ研究领域多数ＣＣＤ采用内置电子快门或外置机械快门的方式来实现曝光测量中的时间积分控制［６ＣＣＤ的工作状态有重要影响。实验发现ＣＣＤ机械快门由于机械磨损、电子器件寿命局限等因素影响，在使用过程中可能出现不能完全打开或闭合的故障，导致ＣＣＤ相机无法正常采集数据。这将严重影响实验数据获取的成功率。而在强信号测量中，为保证ＣＣＤ不处于饱和计数状态，需要短时曝光测量，此时机械快门的时间响应特性将直接影响数据获取的准确性。另一方面，国外在科学级ＣＣＤ研制方面对国内市场进行技术封锁，厂家多次拒绝提供机械快门的电子学特性、电路结构参数。这使得在过去十多年的应用中对于机械快门的电路特性一直处于混沌状态。基于此，本文对国内常用的美国ＰＩ公司科学级ＣＣＤ的机械快门进行了系统的电子学特性和时间响应特性研究，用于提供物理实验设备状态参数设置参考，同时还研发了一套机械快门状态检测系统以实现物理实验快门状态的实时监测。

    １　ＣＣＤ机械快门时间响应特性

    ＰＩ公司各种ＣＣＤ型号中，具有外置机械快门的ＣＣＤ其快结构和型号都一致［７］，如图１所示。实验选择像敏元数为５１２×５１２的背照面阵ＣＣＤ及其携带的机械快门，所用光源为ＲＳ－５Ｂ精密数字式可调准单色光源，光源光功率密度设置为０．０１μＷ／ｃｍ２，波长３９５ｎｍ。实验主要考察特定光强下，不同曝光时间设置下ＣＣＤ机械响应时间对影响，即ＣＣＤ计数随曝光时间的变化关系。由于科学级ＣＣＤ极其灵敏，环境光和光源的稳定性将直接影响实验精度，因此在快门时间响应正式测试之前，首先测试了环境光和光源的稳定性。

    １．１　环境光和光源稳定性测试

    实验利用ＣＣＤ作为探测器，对环境光在４０ｍｉｎ内进行了７次测量，获得的ＣＣＤ计数平均值为１３００数模转换单位（ＡＤＵ）左右，统计相对涨落为２．８％，这表明环境光的不稳定影响很大。通过系统改造，增加屏蔽结构不仅减少了环境杂散光的影响，也降低了计数涨落的相对影响。同时进行了光源稳定性测试，设置光源光功率密度为０．０１μＷ／ｃｍ２，然后依次间隔１～３ｍｉｎ利用光电探测器完成４次测量，结果为２．８７０　７５×１０－８×（１±０．２３％）Ａ，其中从开始到最后一次采集时间间隔６ ｍｉｎ，光强极大差异仅为０．５２％，此稳定性能够满足快门时间响应的标定需求。