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基于激光等離子體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重建三維溫度場的方法研究

來源: 發(fā)布時(shí)間:2024-12-24

(論文部分內(nèi)容摘抄)


等離子體是指包含足夠多的電荷數(shù)目近于相等的正、負(fù)帶電粒子的物質(zhì)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(zhǔn)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(zhì)相互作用機(jī)理、導(dǎo)彈與目標(biāo)的相互作用及溫度測量領(lǐng)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(shí)間短而且變化劇烈等特點(diǎn),使得對等離子體溫度的精確測量非常困難。國內(nèi)外學(xué)者在等離子體溫度測量方面進(jìn)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(gè)別點(diǎn)處溫度值,國內(nèi)的研究者等應(yīng)用不同的方法對等離子體的溫度進(jìn)行了測量,得到等離子體中個(gè)別點(diǎn)處溫度值,但均未能建立等離子體整個(gè)溫度場的空間分布。


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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(jī)直接拍攝激光等離子體圖像,并結(jié)合圖像處理、重建技術(shù)以及相對譜線強(qiáng)度法給出了激光等離子體溫度場三維分布。


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高速相機(jī)是整個(gè)測量裝置的部分,本實(shí)驗(yàn)選擇的是德國 Excelitas PCO 公司pco.dicam C4 四通道分幅相機(jī)。 如圖所示,該相機(jī)有4個(gè)CCD拍攝通道,并與計(jì)算機(jī)通過光纜實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)拍攝通道可設(shè)置不同的延遲時(shí)間和曝光時(shí)間,能以比較低達(dá)到1ns/幀的時(shí)間間隔高超速記錄4張照片。相機(jī)有內(nèi)部觸發(fā)和外部觸發(fā)2種方式,根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)際上,加載窄帶濾光片的高速相機(jī)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(jìn)入高速相機(jī)并成像。高速相機(jī)得到的照片為*.tif格式的12位灰度圖片,比較高灰度等級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(qiáng)度,又不會達(dá)到飽和,高速相機(jī)的曝光時(shí)間設(shè)置為30ns。


激光擊穿空氣產(chǎn)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(shí)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(chǎn)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(shí)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(shí)間為6.5μs 時(shí),入射激光脈沖能量基本結(jié)束,由于入射激光脈沖能量很少,等離子體運(yùn)動過程與強(qiáng)過程相類似,即等離子體中溫度比較高的區(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(gè)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(shí)了激光等離子體溫度場三維重建的可行性 。


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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(shí)間,等離子體內(nèi)部溫度分布差別也很大。

入射脈沖激光能量持續(xù)時(shí)間內(nèi),等離子體溫度場中迎著激光一側(cè)溫度比較高,從外向內(nèi)依次降低;入射激光能量結(jié)束后,等離子體外緣溫度較內(nèi)部溫度低,內(nèi)部區(qū)溫度比較高。利用本文建立的實(shí)驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)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。


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(jī)理,為等離子體產(chǎn)生機(jī)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持,進(jìn)一步認(rèn)識激光推進(jìn)機(jī)理,獲得能量沉積過程中的能量轉(zhuǎn)化效率等信息,以及為設(shè)計(jì)激光發(fā)動機(jī)熱結(jié)構(gòu)、改進(jìn)高速飛行器熱防護(hù)、提高材料可靠性等提供依據(jù)。


德國 Excelitas PCO 公司的pco.dicam C4四分幅像增強(qiáng)相機(jī),具備高分辨率、高感光度、快速幀重復(fù)率、精確捕捉超快速過程的優(yōu)點(diǎn),將可實(shí)現(xiàn)高效的單光子檢測,為實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。


廣州市元奧儀器有限公司作為德國 Excelitas PCO 公司科學(xué)相機(jī)在中國的代理商之一,為客戶提供各種成像系統(tǒng)解決方案,如對相關(guān)產(chǎn)品感到興趣,歡迎隨時(shí)聯(lián)系交流!


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