超高速转镜扫描相机扫描速度的校准及应用方法.pdfVIP

第 35 卷第 7 期 2006 年 7 月 光 子 学 报 ACTA PHOTONICA SINICA VoI. 35 No. 7 JuIy 2006 *国防科技工业技术基础科研（2002JC2）资助项目 TeI：0816 2492104 EmaiI：wangyyue@ tom. com 收稿日期：2005 04 25 超高速转镜扫描相机扫描速度的校准及应用方法* 汪 伟 畅里华 李 剑 尚长水 肖正飞 （中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳 621900） 摘 要 研制了一套超高速转镜扫描相机扫描速度的校准装置，采用严格控制狭缝宽度和边缘质 量的双狭缝、超快响应（0. 7 ns）的光电倍增管以及相应措施，改善光电倍增管阴极不同部位灵敏度 的一致性，使得校准装置的相对测量扩展不确定度达到了 0. 1% ；给出了扫描速度校准的应用方 法，并且分析了气压对相机符合转速的影响. 关键词 高速摄影；转镜式扫描相机；校准；扫描速度 中图分类号 TP872 文献标识码 A ! 引言 转镜式高速扫描相机以极高的时间分辨本领 （2 ~ 3 ns）［1］，在爆轰物理和冲击波物理实验研究领 域中有着广泛的应用 . 目前，国内在用的扫描相机 的记录像面均为代替圆柱面，近期也有无离焦和等 速像面新设计理论的报道［2］，但未见有必威体育精装版应用 . 记录像面采用代替圆柱面最大的缺点是产生了扫速 不均匀性. 根据转镜相机的设计理论［3］，代替圆柱 面上像点的扫速与光轴的入射角 ! 和转镜厚度 2a 有直接关系 . 针对国内常用的 SJZ - 15 型转镜扫描 相机，a = 4 mm， ! 从 9 到 39. 5 ，扫描方向从 39. 5 到 9 ，像面上的扫速是逐次增大的 . 像面上的扫 速，始端、末端与中端相比，分别相差 - 0. 17% 和 0. 19% ，始端和末端相差 - 0. 36% . 这种扫速不均匀 性对于普通的物理实验，是可以满足测试要求的 . 因此，国内外绝大多数实验研究均使用相机的名义 扫描速度（设计值），即像面中点附近的扫描速度［4］ . 随着精密爆轰物理实验（测量相对标准差小于 0. 2% ［5］，甚至更高）的提出，研究人员对扫描相机提 出了更高的要求，准确获知像面上不同扫描位置的 扫描速度是最好的方法，这对最大限度减小实验误 差具有重要意义 . 我所曾研制过类似的装置，虽然在原理上并无 本 质 的 区 别 ，但 是 其 相 对 测 量 不 确 定 度 较 大 （0. 3% ）［6］，且检测结果与相机像面扫速趋势（理论 计算）自相矛盾，不具有说服力 . 本文采取了多种 必要的措施，使得校准装置的相对测量不确定度达 到 0. 1% ，校准结果也符合相机扫描理论 . # 校准原理及装置 #. # 校准原理 要实际测量像面上每一点的扫描速度是非常困 难的，实际上也是不必要的 . 通常的方法是在像面 上选定具有代表性的三小段（像面的始端 1、中端 2 和末端 3），测量这三小段的平均速度代替像面的始 端、中端和末端的扫描速度 . 在相机像面上装有双狭缝金属片，金属片上有 三组狭缝（一组包含两条狭缝），一组狭缝对应一只 光电倍增管 . 实现氙灯与相机的同步，当相机达到 预设转速时，控制台触发氙灯电源使氙灯发光，三个 光电倍增管先后接收到六个光信号，将其转换为六 个电信号后，由数字示波器接收，可以测量扫过每一 组狭缝的时间，从而计算出扫描速度 . 像面上扫描 速度为 i = d i / t i （1） 式中 d i 为标准双狭缝金属片的狭缝间距，t i 为狭缝 像扫过狭缝间距的时间，i 为像面位置的编号，文中 规 定1为始端（ 远离入射光轴），2为中端，3为末端. 扫速不均匀性 ! i （相对像面中端位置 2）为 ! i =（ i - 2 / 2 ）X 100% （2） #. $ 实验装置 实验装置见图 1. 图 1 扫描速度校准装置 Fig. 1 Schematic diagram of caIibration device for writing rate 光 子 学 报 35 卷 1. 2. 1 脉冲氙灯 氙灯的光脉冲宽度应该大于该转速时的像面记 录时间、而小于转速周期时间，氙灯光脉冲的产生应 与相机同步 . 1. 2. 2 狭缝片 狭缝片厚度 0. 2 mm，缝宽 0. 3 mm；三组狭缝， 一组两条狭缝，每组狭缝间距设计值 30 mm. 在 10 倍放大镜下观察，狭缝两边缘没有明显的锯齿状 . 1. 2. 3 光电倍增管 光电倍增管的上升时间 0. 7 nS，可见光响应，端 窗外形尺寸 ! 51 mm，大于狭缝间距 . 1. 2. 4 数字示波器 采样率 1 GSa / S，带宽 50