逐光IsCMOS相机拍摄Z箍缩等离子体成像
1、应用背景
Z箍缩是一个涉及等离子体物理学的重要现象，其核心在于利用强脉冲电流产生高度局域化的磁场，以此对含有带电粒子的物质进行有效压缩和加热。当高压电流通过一个柱状或环状的导电介质时，形成的轴向磁场将在洛仑兹力作用下促使等离子体内部的正负离子向中心轴线移动，造成径向的强烈压缩，进而使等离子体在极短时间内达到极高温度和密度的状态。这种极端条件下的等离子体不仅能产生高强度的X射线辐射，还因其内在的物理特性成为探索惯性约束聚变(ICF)、高能密度物理现象以及发展新型X射线源的理想平台。
在实际应用上，Z箍缩技术已广泛应用于实验室规模的X射线源生成，这些X射线可用于材料科学、天体物理学、核武器效应模拟等多种研究领域。同时，Z箍缩也被视为一种可能的途径去实现受控核聚变反应，尽管这一目标尚待更多科技突破才能实现。
在研究Z箍缩等离子体动力学时，精准诊断工具至关重要，其中IsCMOS时间分辨相机发挥了关键作用。这款相机凭借其超快时间分辨能力(纳秒至皮秒级)能够捕捉等离子体形态快速变化，对于理解压缩、加热、稳定性和辐射特性的复杂过程不可或缺。它结合高灵敏度与大面积像素设计，在极端环境下也能获取高质量图像，这有利于科学家深入分析Z箍缩中等离子体演化的细节，并借此优化实验设置，提高内爆效能和X射线辐射强度，有力推动相关科研和技术的发展。本次借助中智科仪IsCMOS时间分辨像增强相机对Z箍缩等离子体成像实验，进一步展现了时间分辨相机在等离子体探测领域的优越性。
2、实验方案
实验设备：中智科仪IsCMOS时间分辨像增强相机
研究对象：使用两根直径20微米、高度2厘米的铝丝作为负载，施加幅值为400 kA、上升时间为450纳秒的脉冲电流，以产生等离子体。
实验设置：
1)负载等离子体位于真空腔体内部，以减少空气对实验的干扰。
2)使用IsCMOS相机和镜头配合，直接对等离子体进行拍照，捕捉其形态演化。
3)考虑到等离子体的高温特性，相机设置增益为1600，门宽为4纳秒，以适应高温环境并捕捉快速变化的等离子体形态。
4)使用DG535对相机进行时序控制，确保拍照的精确时机。
5)通过纳秒激光在负载上的散射光来精准检测门控时间，以确保图像的准确性和可靠性。
图1 诊断装置实物图
3、实验结果
图2 双丝负载Z箍缩等离子体图像
金属丝被主脉冲电流加热，从而产生了一个芯晕结构。不久之后，烧蚀的等离子体流开始产生并向负载轴移动。如图2所示，烧蚀的等离子体流在脉冲电流后的130-140纳秒内在负载轴上碰撞，形成“先导等离子体柱”。
“先导等离子体柱”是Z箍缩过程中首先形成的柱状等离子体区域。在Z箍缩实验中，当高压脉冲电流通过导电介质时，会在介质内部产生先导等离子体柱，它是整个Z箍缩过程的起点，负责引导和启动后续的等离子体压缩和加热过程。这一阶段的等离子体形成和演化对后续的内爆动力学行为和X射线辐射产生具有决定性影响，因此对其精准诊断和理解十分关键。
4、结论
实验成功拍摄到双丝负载Z箍缩等离子体图像，并且结合像增强相机自身的结构特点，展现了IsCMOS相机在Z箍缩等离子体研究中的显著优势，具体可以总结为以下三点：
1)IsCMOS相机量子效率高，信噪比高，适合捕捉Z箍缩等离子体。
2)相机同步精度高，能与纳秒激光精准配合。
3)光纤面板耦合技术稳定，无额外成像干扰。综上所述，实验结论证实了IsCMOS相机在Z箍缩等离子体研究中的应用价值，其优秀的成像能力与精确的同步时序控制为研究等离子体动力学行为提供了有力的技术支持。通过这些优势，IsCMOS相机有助于推动Z箍缩等离子体研究的深入发展，为相关领域的科学研究和技术应用带来新的可能。
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5、解决方案
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皮秒光学快门
以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声。
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10皮秒，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。
