基于激光等離子體實驗數據重建三維溫度場的方法研究
（論文部分內容摘抄）
等離子體是指包含足夠多的電荷數目近于相等的正、負帶電粒子的物質聚集狀態(tài)。溫度是等離子體的基本參量，等離子體溫度的準確測量，特別是等離子體溫度空間分布的測量一直是等離子體物理、激光與物質相互作用機理、導 彈與目標的相互作用及溫度測量領域的重要研究課題。由于等離子體具有體積小、溫度高、溫度梯度大、持續(xù)時間短而且變化劇烈等特點，使得對等離子體溫度的精確測量非常困難。國內外學者在等離子體溫度測量方面進行了大量的探索，日本的研究者利用光纖束測量等離子體中個別點處溫度值，國內的研究者等應用不同的方法對等離子體的溫度進行了測量，得到等離子體中個別點處溫度值，但均未能建立等離子體整個溫度場的空間分布。
由于激光等離子體具有一定空間尺寸，并且溫度場在空間分布極不均勻，因此對激光等離子體溫度場空間演化特性的研究具有十分重要的意義。本文采用加載窄帶濾光片的高速相機直接拍攝激光等離子體圖像，并結合圖像處理、重建技術以及相對譜線強度法給出了激光等離子體溫度場三維分布。
高速相機是整個測量裝置的核心部分，本實驗選擇的是（廣州市元奧儀器有限公司的pco.dicam型號）高速分幅相機。如圖所示，該相機有４個獨立的CCD拍攝通道，并與計算機通過光纜實現串行數據傳輸。每個拍攝通道可設置不同的延遲時間和曝光時間，能以最低達到１ns／幀的時間間隔高超速記錄4張照片。相機有內部觸發(fā)和外部觸發(fā)２種方式，根據實驗需求，選擇外部電觸發(fā)方式。1、2通道安裝中心波長λ１＝400nm、帶寬８nm的窄帶濾光片，3、4通道安裝中心波長λ２＝500nm、帶寬８nm的窄帶濾光片。實際上，加載窄帶濾光片的高速相機起著光譜儀的作用，使激光等離子體輻射光中波長與窄帶濾光片中心波長相同的信號進入高速相機并成像。高速相機得到的照片為*.tif格式的12位灰度圖片，最高灰度等級4096，分辨率為1024像素×1280像素，為保證測量得到等離子體灰度照片，既有一定的強度，又不會達到飽和，高速相機的曝光時間設置為30ns。
激光擊穿空氣產生等離子體以后，隨著激光脈沖能量的注入，激光等離子體溫度場體積膨脹，溫度升高，不同時刻的入射激光脈沖能量不同，對激光等離子體溫度場的影響也不同。激光擊穿空氣產生等離子體以后，隨著激光脈沖能量的注入，激光等離子體溫度場體積膨脹，溫度升高，不同時刻的入射激光脈沖能量不同，對激光等離子體溫度場的影響也不同。延遲時間為6.5μs 時，入射激光脈沖能量基本結束，由于入射激光脈沖能量很少，等離子體運動過程與強爆炸過程相類似，即等離子體中溫度最高的核心區(qū)域，由范圍比它更大的溫度稍低一些的高溫區(qū)域所包圍，這個次高溫區(qū)域本身是由輪廓鮮明的激波陣面包圍,這也從理論上證實了激光等離子體溫度場三維重建的可行性。
激光等離子體溫度場中不同位置溫度差別很大，不同延遲時間，等離子體內部溫度分布差別也很大。入射脈沖激光能量持續(xù)時間內，等離子體溫度場中迎著激光一側溫度最高，從外向內依次降低，入射激光能量結束后，等離子體外緣溫度較內部溫度低，內部核心區(qū)溫度最高。利用本文建立的實驗裝置和數據處理方法，能夠獲得激光等離子體三維溫度場分布，將其與利用光譜法測量的等離子體溫度值對比分析及理論上的解釋，證明該方法是合理可行的。
最后，通過對激光等離子體三維溫度場分布的研究，可了解等離子體溫度場空間演化特性和機理，為等離子體產生機理、演化規(guī)律以及等離子體中激波傳播規(guī)律等研究提供實驗數據支持，進一步認識激光推進機理，獲得能量沉積過程中的能量轉化效率等信息，以及為設計激光發(fā)動機熱結構、改進高速飛行器熱防護、提高材料可靠性等提供依據。
德國Excelitas PCO公司pco.dicam相機，具備高分辨率、高感光度、快速幀重復率、精確捕捉超快速過程的優(yōu)點，將可實現高效的單光子檢測，為實驗提供強而有力的圖像數據支持。
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