[发明专利]等离子体中粒子分布的瞬态成像方法及装置

说明书

本发明属于等离子体物理领域。等离子体中粒子分布的瞬态成像方法，用光谱仪采集等离子体光谱，选择待测粒子发射谱线作为其特征谱线；根据测粒子选择两片窄带滤光片；利用两组透镜组成的两组光学4f系统、窄带滤光片、门控相机对特征谱线进行拍照，获得包含连续背景的粒子谱线强度分布图像和连续背景强度图像，用包含连续背景的粒子谱线强度分布图像减去连续背景强度图像与校正系数的乘积，得到粒子谱线强度分布图像；对粒子谱线强度分布图像进行高斯平滑以及基于离散数值计算的Abel反演，完成粒子谱线强度积分图像至粒子分布图像的转化。本发明还涉及一种等离子体中粒子分布的瞬态成像装置。

技术领域

本发明属于等离子体物理领域，具体涉及等离子体中粒子分布的瞬态成像方法及装置。

背景技术

等离子体是一种由电子、原子、离子以及分子基团为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，被视为是物质的第四态。等离子体物理学经过一个世纪的蓬勃发展，已成为当代物理学的一门独立分支学科，其研究范围包括聚变等离子体、空间等离子体、天体等离子体、等离子体加工、等离子体显示等，相关成果已广泛应用于化工、材料、电子、能源、机械、国防、生物医学、环境保护等领域。认识和掌握等离子体中各类粒子的瞬态分布及运动规律，是推动人类认知宇宙、实现受控核聚变等的关键。目前，国际上获取等离子体中粒子分布图像的方法主要有以下四种。1、窄带滤光片成像法，即利用门控相机及对应于待测粒子某条发射谱线的滤光片，来对等离子体中的粒子分布进行成像。该方法由于采用单个滤光片，无法滤除等离子体形成初期强烈的连续背景辐射，因此所成图像的信噪比不高。2、可调谐滤波器成像法，即通过波长调谐至待测粒子发射谱线的声光或液晶可调谐滤波器，再加上门控相机，完成对等离子体中粒子分布的成像。但受限于滤波器的可工作波长范围，该方法仅能在可见光波段成像，且滤波器中晶体介质的光损耗相当大，使得成像的灵敏度不高。3、傅里叶变换光谱成像法，即利用机械驱动扫描干涉仪和普通相机采集等离子体的干涉图，再进行傅里叶变换得到粒子分布的成像图。该方法的主要局限在于相机曝光需要一个时间积分过程，因此无法实现粒子分布的瞬态成像。4、光纤阵列或狭缝扫描成像法，即利用芯径很小的光纤或光谱仪的狭缝来扫描和采集经透镜放大后等离子体像不同位置的光谱，来获得粒子分布信息。但该方法所获图像的采样点较少，成像的空间分辨率较低。

发明内容

本发明是为了解决当前等离子体物理学研究中等离子体中粒子分布的瞬态成像问题。

本发明所采用的技术方案是：等离子体中粒子分布的瞬态成像方法，按照如下的步骤进行

步骤一、用光谱仪采集等离子体光谱，选择待测粒子发射谱线作为其特征谱线；

步骤二、根据测粒子选择两片窄带滤光片，第一窄带滤光片(9)的中心透射波长与待测粒子的特征谱线相同，第二窄带滤光片(13)的中心透射波长与待测粒子的特征谱线波长相差不超过50nm且在其带宽内不存在任何谱线，并且第二窄带滤光片(13)的中心透射波长与待测粒子的特征谱线波长不相等；

步骤三、利用第一透镜(7)和第二透镜(8)组成的第一光学4f系统、第一窄带滤光片(9)、第一门控相机(6)对特征谱线进行拍照，得到包含连续背景的粒子谱线强度分布图像，利用第三透镜(11)和第四透镜(12)组成的第二光学4f系统、第二窄带滤光片(13)、第二门控相机(10)对特征谱线进行拍照，得到连续背景强度图像，第一门控相机(6)和第二门控相机(10)在同一时刻、相同曝光门宽条件下进行拍照；

步骤四、连续背景强度图像的校正系数其中，L₁(λ)、L₂(λ)分别为滤光片9、13的透过率曲线，λ₁、λ₂为L₁(λ)＝0时所对应的两个波长，λ₃、λ₄为L₂(λ)＝0时所对应的两个波长；

步骤五、用包含连续背景的粒子谱线强度分布图像减去连续背景强度图像与校正系数C的乘积，得到粒子谱线强度分布图像；