超快ICCD相机实现三脉冲弹道成像技术

　　概述

　　尽管喷雾在材料沉积、切割和混合等工业过程中的应用十分广泛，但大多数喷雾装置的设计和测试仍然以现象学为主，这不仅是因为计算能力有限，还因为对驱动喷雾破碎和形态的多相流体现象的基本理解存在差距1,2。因此，发展对喷雾的第一性原理理解的关键之一是设计出在浑浊喷雾区域进行测量的方法，特别是可以洞察流体运动和喷雾混合中起作用的力的测量方法。

　　最近，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员展示了一种用于湍流稳定喷雾的时间选通弹道成像 (BI) 的三脉冲配置;该技术利用一对超快科学ICCD 相机，可以获取时间相关的图像数据。

　　研究人员报告称，新方法可以对喷雾的液气界面进行成像，其中剪切力和湍流不稳定性会将液体分解。随后将区域匹配分析应用于时间相关的图像数据，以计算已解析流体结构的速度和加速度。

　　本应用说明将概述由查尔姆斯大学燃烧系应用力学教授 Mark Linne 博士领导的小组所开展的一些新颖的工作。

　　实验设置

　　查尔姆斯大学的实验装置(如图 1 所示)使用强烈的超快光脉冲和专门的检测技术，将高质量的成像光与漫散射的背景光分开。感兴趣的区域被一系列相干的超快脉冲照亮，这些脉冲由一个振荡器产生，该振荡器为三个匹配的再生放大器提供种子。

　　图 1. (a) 时间图和 (b) 三脉冲时间选通弹道成像的成像装置(M = 镜子，P = 偏振器，BS = 分束器，BD = 光束收集器，ICCD = 增强型 CCD 相机)。来自三个放大器的光源组合在一起，提供三个超快脉冲的高能序列。每个光源脉冲被分成成像和切换路径，以驱动克尔效应快门并生成一个弹道图像。1图表由查尔姆斯大学(瑞典哥德堡)的 Mark Linne 教授提供。首次发表于 D.Sedarsky、M. Rahm 和 M. Linne 的《多相流体相互作用中的加速度可视化》，Opt. Lett. 41，1404-1407(2016 年)。

　　通过将离开克尔门的光信号分成两个检测路径，最终收集来自每个源脉冲的高质量成像光。图像由两台普林斯顿仪器PI-MAX ® 4 科学 ICCD 相机采集，该相机配备有通过光纤粘合到行间传输 CCD 上的增强器。增强器的增益响应可以

　　门控到 5 纳秒，并且使用行间传输传感器的掩蔽存储区域与专门的 PI-MAX4 读出模式配合使用，两台相机中的每一台都可以生成一对相隔450 纳秒的图像。因此，每个单独的 PI-MAX4 都可以设置为捕获连续图像脉冲(即每台摄像机两幅图像)。通过这种布置，每个脉冲序列可产生喷雾的三幅时间相关图像。

　　数据与结果

　　查尔姆斯大学稳定喷雾装置用于设置受控测试案例，以测量浑浊环境中的流体速度和加速度。获取了从平孔喷嘴(L/d = 25)喷出的水雾(P inj = 19 bar)的三重图像，用于动态弹道成像分析。图 2 显示了其中一个三重图像。

　　图 2 . 时间相关弹道图像显示喷嘴下方 28 毫米处湍流喷雾的分裂(直径 6 毫米)。视图包括喷雾外围，流动从上到下(流速 ~60 lpm)。图像 I1、I2 和 I3 以 10 μs 的间隔显示相同的 8.6 毫米视野。1 图片由查尔姆斯大学(瑞典哥德堡)的 Mark Linne 教授提供。首次发表于D. Sedarsky、M. Rahm 和 M. Linne 的《多相流体相互作用中的加速度可视化》，Opt. Lett. 41，1404-1407(2016 年)。

　　查尔姆斯大学三脉冲 BI 系统的主要目标是能够获取空间分辨的时间序列数据，这些数据可以进行分析以跟踪成像结构中的运动和变化。通过选择性匹配目标图像区域的结构，比较序列中的连续图像并计算每个时间步的速度矢量。通过计算协调的速度矢量集，可以利用从多个时间步获取的时间分辨位移信息来估计高阶运动分量。

　　使用三脉冲 BI 系统成像的喷雾速度结果表明，流向运动较大，径向变化较小。加速度结果表明，液体结构在正径向受到加速，在流向受到减速。这些结果表明湍流和剪切力都会影响液体射流的分裂。

　　有关实验装置的更详细描述以及对结果及其推导的深入讨论，请参阅 D. Sedarsky、M. Rahm 和 M. Linne 的《多相流体相互作用中的加速度可视化》，Opt. Lett. 41，1404-1407(2016 年)。查尔姆斯理工大学正在进行的相关研究包括使用短脉冲、时间门控、反向散射装置，旨在提供有关雾化喷雾形成区域的信息。

　　新的ICCD相机技术

　　得益于普林斯顿仪器公司开发的创新皮秒门控技术，PI-MAX4 科学 ICCD 相机平台(见图 3)现在速度更快。这项门控技术充分利用了普林斯顿仪器公司先进的电子设备和增强器到 CCD 光纤粘合的性能优势，使 PI-MAX4:1024i ICCD 相机能够以<500 ps 的速度门控传统图像增强器(通常实现 ~2 至 3 ns 门控)，而不会影响量子效率。普林斯顿仪器内置的 SuperSynchro 可编程定时发生器进一步增强了 PI-MAX4 相机在高精度、时间分辨应用中的实用性。

　　图 3. PI-MAX4：1024i ICCD 相机采用光纤粘合到行间传输 CCD 的几种 Gen II 或 Gen III 无胶片增强器之一，以接近视频的速率(每秒 26 帧)运行。

　　PI-MAX4 系列的另一款产品是 PI-MAX4:2048f，其成像面积和分辨率是目前市场上任何其他科学 ICCD 相机的四倍。这款大尺寸相机使用2k x 2k CCD，通过光纤耦合到多个 25 毫米直径的 Gen II 或 Gen III 无胶片增强器之一，提供内置 SuperSynchro、高帧速率(6 MHz/16 位数字化)和1 MHz持续门控重复率。

　　使用普林斯顿仪器公司最新版本的 64 位 LightField® 数据采集软件(可选)可以轻松全面控制所有 PI-MAX4:1024i 和 PI-MAX4:2048f 硬件功能。通过极其直观的 LightField 用户界面，可以精确控制增强器门宽度和延迟，并提供一系列新功能，方便捕获和导出图像数据。

审核编辑 黄宇