超快ICCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)三脈沖彈道成像技術(shù)

概述

盡管噴霧在材料沉積、切割和混合等工業(yè)過程中的應(yīng)用十分廣泛，但大多數(shù)噴霧裝置的設(shè)計(jì)和測(cè)試仍然以現(xiàn)象學(xué)為主，這不僅是因?yàn)橛?jì)算能力有限，還因?yàn)閷?duì)驅(qū)動(dòng)噴霧破碎和形態(tài)的多相流體現(xiàn)象的基本理解存在差距1,2。因此，發(fā)展對(duì)噴霧的第一性原理理解的關(guān)鍵之一是設(shè)計(jì)出在渾濁噴霧區(qū)域進(jìn)行測(cè)量的方法，特別是可以洞察流體運(yùn)動(dòng)和噴霧混合中起作用的力的測(cè)量方法。

最近，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員展示了一種用于湍流穩(wěn)定噴霧的時(shí)間選通彈道成像 (BI) 的三脈沖配置;該技術(shù)利用一對(duì)超快科學(xué)ICCD 相機(jī)，可以獲取時(shí)間相關(guān)的圖像數(shù)據(jù)。

研究人員報(bào)告稱，新方法可以對(duì)噴霧的液氣界面進(jìn)行成像，其中剪切力和湍流不穩(wěn)定性會(huì)將液體分解。隨后將區(qū)域匹配分析應(yīng)用于時(shí)間相關(guān)的圖像數(shù)據(jù)，以計(jì)算已解析流體結(jié)構(gòu)的速度和加速度。

本應(yīng)用說明將概述由查爾姆斯大學(xué)燃燒系應(yīng)用力學(xué)教授 Mark Linne 博士領(lǐng)導(dǎo)的小組所開展的一些新穎的工作。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置

查爾姆斯大學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝置(如圖 1 所示)使用強(qiáng)烈的超快光脈沖和專門的檢測(cè)技術(shù)，將高質(zhì)量的成像光與漫散射的背景光分開。感興趣的區(qū)域被一系列相干的超快脈沖照亮，這些脈沖由一個(gè)振蕩器產(chǎn)生，該振蕩器為三個(gè)匹配的再生放大器提供種子。

圖 1. (a) 時(shí)間圖和 (b) 三脈沖時(shí)間選通彈道成像的成像裝置(M = 鏡子，P = 偏振器，BS = 分束器，BD = 光束收集器，ICCD = 增強(qiáng)型 CCD 相機(jī))。來(lái)自三個(gè)放大器的光源組合在一起，提供三個(gè)超快脈沖的高能序列。每個(gè)光源脈沖被分成成像和切換路徑，以驅(qū)動(dòng)克爾效應(yīng)快門并生成一個(gè)彈道圖像。1圖表由查爾姆斯大學(xué)(瑞典哥德堡)的 Mark Linne 教授提供。首次發(fā)表于 D.Sedarsky、M. Rahm 和 M. Linne 的《多相流體相互作用中的加速度可視化》，Opt. Lett. 41，1404-1407(2016 年)。

通過將離開克爾門的光信號(hào)分成兩個(gè)檢測(cè)路徑，最終收集來(lái)自每個(gè)源脈沖的高質(zhì)量成像光。圖像由兩臺(tái)普林斯頓儀器PI-MAX ? 4 科學(xué) ICCD 相機(jī)采集，該相機(jī)配備有通過光纖粘合到行間傳輸 CCD 上的增強(qiáng)器。增強(qiáng)器的增益響應(yīng)可以

門控到 5 納秒，并且使用行間傳輸傳感器的掩蔽存儲(chǔ)區(qū)域與專門的 PI-MAX4 讀出模式配合使用，兩臺(tái)相機(jī)中的每一臺(tái)都可以生成一對(duì)相隔450 納秒的圖像。因此，每個(gè)單獨(dú)的 PI-MAX4 都可以設(shè)置為捕獲連續(xù)圖像脈沖(即每臺(tái)攝像機(jī)兩幅圖像)。通過這種布置，每個(gè)脈沖序列可產(chǎn)生噴霧的三幅時(shí)間相關(guān)圖像。

數(shù)據(jù)與結(jié)果

查爾姆斯大學(xué)穩(wěn)定噴霧裝置用于設(shè)置受控測(cè)試案例，以測(cè)量渾濁環(huán)境中的流體速度和加速度。獲取了從平孔噴嘴(L/d = 25)噴出的水霧(P inj = 19 bar)的三重圖像，用于動(dòng)態(tài)彈道成像分析。圖 2 顯示了其中一個(gè)三重圖像。

圖 2 . 時(shí)間相關(guān)彈道圖像顯示噴嘴下方 28 毫米處湍流噴霧的分裂(直徑 6 毫米)。視圖包括噴霧外圍，流動(dòng)從上到下(流速 ~60 lpm)。圖像 I1、I2 和 I3 以 10 μs 的間隔顯示相同的 8.6 毫米視野。1 圖片由查爾姆斯大學(xué)(瑞典哥德堡)的 Mark Linne 教授提供。首次發(fā)表于D. Sedarsky、M. Rahm 和 M. Linne 的《多相流體相互作用中的加速度可視化》，Opt. Lett. 41，1404-1407(2016 年)。

查爾姆斯大學(xué)三脈沖 BI 系統(tǒng)的主要目標(biāo)是能夠獲取空間分辨的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以進(jìn)行分析以跟蹤成像結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)和變化。通過選擇性匹配目標(biāo)圖像區(qū)域的結(jié)構(gòu)，比較序列中的連續(xù)圖像并計(jì)算每個(gè)時(shí)間步的速度矢量。通過計(jì)算協(xié)調(diào)的速度矢量集，可以利用從多個(gè)時(shí)間步獲取的時(shí)間分辨位移信息來(lái)估計(jì)高階運(yùn)動(dòng)分量。

使用三脈沖 BI 系統(tǒng)成像的噴霧速度結(jié)果表明，流向運(yùn)動(dòng)較大，徑向變化較小。加速度結(jié)果表明，液體結(jié)構(gòu)在正徑向受到加速，在流向受到減速。這些結(jié)果表明湍流和剪切力都會(huì)影響液體射流的分裂。

有關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置的更詳細(xì)描述以及對(duì)結(jié)果及其推導(dǎo)的深入討論，請(qǐng)參閱 D. Sedarsky、M. Rahm 和 M. Linne 的《多相流體相互作用中的加速度可視化》，Opt. Lett. 41，1404-1407(2016 年)。查爾姆斯理工大學(xué)正在進(jìn)行的相關(guān)研究包括使用短脈沖、時(shí)間門控、反向散射裝置，旨在提供有關(guān)霧化噴霧形成區(qū)域的信息。

新的ICCD相機(jī)技術(shù)

得益于普林斯頓儀器公司開發(fā)的創(chuàng)新皮秒門控技術(shù)，PI-MAX4 科學(xué) ICCD 相機(jī)平臺(tái)(見圖 3)現(xiàn)在速度更快。這項(xiàng)門控技術(shù)充分利用了普林斯頓儀器公司先進(jìn)的電子設(shè)備和增強(qiáng)器到 CCD 光纖粘合的性能優(yōu)勢(shì)，使 PI-MAX4:1024i ICCD 相機(jī)能夠以<500 ps 的速度門控傳統(tǒng)圖像增強(qiáng)器(通常實(shí)現(xiàn) ~2 至 3 ns 門控)，而不會(huì)影響量子效率。普林斯頓儀器內(nèi)置的 SuperSynchro 可編程定時(shí)發(fā)生器進(jìn)一步增強(qiáng)了 PI-MAX4 相機(jī)在高精度、時(shí)間分辨應(yīng)用中的實(shí)用性。

圖 3. PI-MAX4：1024i ICCD 相機(jī)采用光纖粘合到行間傳輸 CCD 的幾種 Gen II 或 Gen III 無(wú)膠片增強(qiáng)器之一，以接近視頻的速率(每秒 26 幀)運(yùn)行。

PI-MAX4 系列的另一款產(chǎn)品是 PI-MAX4:2048f，其成像面積和分辨率是目前市場(chǎng)上任何其他科學(xué) ICCD 相機(jī)的四倍。這款大尺寸相機(jī)使用2k x 2k CCD，通過光纖耦合到多個(gè) 25 毫米直徑的 Gen II 或 Gen III 無(wú)膠片增強(qiáng)器之一，提供內(nèi)置 SuperSynchro、高幀速率(6 MHz/16 位數(shù)字化)和1 MHz持續(xù)門控重復(fù)率。

使用普林斯頓儀器公司最新版本的 64 位 LightField? 數(shù)據(jù)采集軟件(可選)可以輕松全面控制所有 PI-MAX4:1024i 和 PI-MAX4:2048f 硬件功能。通過極其直觀的 LightField 用戶界面，可以精確控制增強(qiáng)器門寬度和延遲，并提供一系列新功能，方便捕獲和導(dǎo)出圖像數(shù)據(jù)。

審核編輯 黃宇