应用分享-燃烧环境下激光诱导等离子体成像

随着等离子体技术的发展和日益成熟，等离子体已经在工业，电工电子，军事，生物医学，可控核聚变，航空航天等方面发挥着重要的作用，在我们的实际生活中扮演着重要的角色。激光诱导等离子体是形成等离子体的重要方法，聚焦后的高能量激光能够电离空气，从而形成激光诱导的等离子体，它具有其它等离子体不具备的显著优势：例如产生结构简单，信号强度大，内部具有强电场和很强的动力学压力，而且是良好的高离化态粒子光谱源等等。利用这些特点和优势，将等离子体技术和燃烧相结合，能够有效地改善燃料的燃烧速率，降低点火温度，缩短点火时间，提高火焰稳定性。等离子体辅助燃烧的物理和化学动力学过程比较复杂，涉及到等离子体与燃烧体系的强烈耦合在热力、动力以及流体方面对燃烧的强化影响。高温的低密度气体会对等离子体内部由颗粒碰撞主导的激发过程产生重要影响，但目前燃烧环境中等离子激发机理和演化模式还不清晰，这使得掌握其助燃机制和调控作用十分困难，限制了该技术的大规模应用。为了更有效地发挥等离子体对于燃烧的促进作用，推动等离子体助燃技术在实际动力装置的应用，需要对燃烧等高温气氛下激光诱导等离子体的主导升温机理和演化模式进行更为细致的研究。因此研究激光诱导的等离子体产生和演化过程具有重要的意义。本实验采用中智科仪逐光IsCMOS像增强型相机对燃烧环境中的激光诱导等离子体进行成像。利用延时信号发生器对相机和等离子体激发激光源进行外触发控制和同步，借助相机皮秒级快门控制和延迟，对激光作用的整个脉冲周期内的等离子体热辐射进行成像拍摄。测试设备：1、中智科仪逐光IsCMOS时间分辨像增强相机，型号：TRC411-S-HQB-U；2、Nd:YAG二倍频532nm脉冲激光器；3、中心波长为532nm的陷波滤光片；        4、延时信号发生器。测试流程：1、Hencken燃烧器点火，开启激光器和相机等，通过延时信号发生器时序控制激光和相机的开关；2、相机前安装可变放大倍率的物镜，同时插入532nm陷波滤波片抑制等离子对激光的弹性散射；3、调试激光器参数至稳定激发等离子体，优化相机参数，以500ps的门宽对等离子体的热辐射进行成像，累计20次作为一个图像。       4、调节延时信号，以500ps的延时步进对等离子体在整个激光作用时间内的形成和演化过程依次进行成像。上图为等离子体在一个激发脉冲持续时间内不同时刻的发光光斑强度分布照片。相机采集增益为2000，门控宽度为500ps。上下相邻两幅图像采集间隔为500ps，按照该采集间隔依次连续采集多张图像可以得出等离子体在激发脉冲作用时间内的产生和演化过程。中智科仪逐光IsCMOS时间分辨像增强相机兼具皮秒级时间分辨率以及皮秒级同步触发精度，一方面可以对等离子体形成和演化过程进行瞬时冻结成像，另一方面借助精确的外同步延迟触发功能采集不同时间延迟下的多幅图像对等离子体形成和演化过程进行重构。中智科仪逐光IsCMOS时间分辨像增强相机已经成为激光诱导等离子体发光瞬态过程和演化规律诊断和研究的强有力工具。由中智科仪自主研发生产的逐光IsCMOS像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒；全分辨率帧速高达98幅/秒；内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。1.500皮秒光学门宽精准捕捉不同时刻等离子发光现象，分析等离子形成机理。2．超高采样频率逐光IsCMOS相机目前全分辨率下可达98帧，提供高速数据采集速率，同时可提供实验效率。此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。3．精准的时序控制逐光IsCMOS像增强相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10ps，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。4. 创新“零噪声”技术得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。中智科仪Intelligent Scientific Systems MEASURE THE WORLDWITH LIGHT 逐 光 IsCMOS 像增强相机 500皮秒光学门宽 快门重复频率高达5MHz 帧频98FPS 内置三通道同步时序控制器 先进的Hi-QE及GaAs光阴极 更高增益的双层MCP选项 无需制冷的低噪声探测技术 中智科仪国内首推逐光系列IsCMOS相机，采用高 量 子效 率低噪声的Hi-QE以及GaAs像增强器，针对皮秒时间分辨光谱 及成像实验优化设计，光学门宽短至500皮秒；采用 1600×1088分辨率相机芯片，全分辨率帧速高达98幅 /秒；内 置 皮秒精 度 的多通道同步时序控 制 器，由Sma r tCapture软件 进行可视化时序设 置 。 特征及优势 500皮秒光学门宽 98幅/秒帧频 内置三通道同步时序控制器 同步精度高达10皮秒的三通道独立同步/延时输出 无需制冷的低噪声探测技术 内在低噪声芯片及完全自主开发的低噪声电路 快门重复频率高达5MHz 同步高重频激光器，更高的信噪比 光纤锥耦合技术 先进的Hi-QE及GaAs光阴极 Windows及Linux SDK支持 ●技术参数 sCMOS 分辨率 1600*1088 像素尺寸 量子效率 >70%@525nm 有效探测面积 14.4mm*9.79mm 采集帧频 98fps@1600*1088，>200fps@1600*500 ADC 12bit 电子快门 Global 前置增益 0-24dB 读出模式 高灵敏度模式 增益(e-/ADU) 0.31 1.55 满井容量 19643 98965 读出噪声(e-) 4.68 23.1 光阴极 GaAs HotS20 Hi-QE Blue Hi-QE UV Solar Blind 量子效率 >33%@600-850nm >16%@510nm >30%@250-400nm >27%@200-400nm >21%@260nm 等效背景噪声(EBI) <0.25 ulx <0.05 ulx <0.05 ulx <0.05 ulx <0.05 ulx 波段范围 400nm-920nm 200nm-900nm 185-700nm 185nm-730nm 200nm-325nm 有效尺寸 光锥耦合比例 1：1 增益 >8000 Photons/Photon@1MCP；>150000 Photons/Photon@2MCP 分辨率 55-65 Ip/mm@1MCP；>25 Ip/mm@2MCP 荧光屏 P43 最短光学快门 U：500ps，F：3ns 快门驱动方式 高速电学脉冲驱动；-200V(开)/+50V(关) 快门重复频率 连续-10KHz(500ps)； 连续-300KHz，5MHz@Burst (3ns) 同步时序控制器 工作模式 内触发；随机触发；单发外触发；Burst外触发；连续 同步接口 外触发输入*1，触发输出*3，快速触发*1，曝光信号输出*1 外触发输入 最大触发频率125MHz，支持任意分频；触发阈值0.3V-3.3V可设置；输入阻抗50欧/10K欧可设置； 同步触发输出 A、B、C三通道；输出幅值5V，内阻50欧；输出脉冲宽度2ns-10s，最小调整步距10ps 外触发延迟 内触发频率 ·光阴极量子效率曲线· 强大易用的SmartCapture软件 操作界面 应用 选 型 TRC41111一 S： 单层MCP D：双层MCP 安装尺寸 151 146.5 143 100 6-M 3下8 4 侧 面 安 装 孔 (左右两侧 对称) 47 视图A 3-1/4-20 UN G 深5.5mm (相 机 底 板安 装孔 ) 一 1图 图 0 重 量 2.8Kg 电气需求 90-240V 50Hz AC，功耗<25W 推荐配置 ·2.5GHz多核处理器，4线程并行运算能力 自 ·LUSB 3.0可扩展主机控制器， ·4GB内存 支持300MB/s高速传输 ·100MB剩余硬盘空间以安装软件 ·Windows (7，8，8.1，10) MEASURE THE WORLD WITH LIGHT 中智科仪(北京)科技有限公司 地址：北京市昌平区龙域中心A座710室 中智科仪(西安)研发中心 地址：陕西省西安市高新区锦业路69号创业开发园A区17号楼三楼