5月22日,国内媒体大肆报道西安光学和精密机械研究所(以下简称“西安光机所”)负责的国家重大科研装备开发项目高性能条纹相机通过验收的消息。超高速视频是观察临时事件的时间放大技术,可以“延长”人眼。
条纹相机正是实现这一微观和超快过程探测的必要手段,也是唯一同时具备超高时间分辨与高空间分辨的高端科学测量与诊断仪器,更是惯性约束聚变等国家战略高技术研究中不可或缺的诊断仪器。作为十分敏感的尖端技术,条纹相机的国际学术研究成果及器件设备的共享性很低,国外相关的技术对我国实行严格的封锁,对条纹相机也实行严格的出口管制。该项目的研制成功,对我国精密测量仪器水平的提高以及打破国际封锁、替代进口、实现超快诊断相关技术与仪器的自主研制生产、满足国家重大工程、国家战略高技术及前沿科学领域的需求具有极其重要的战略性推动作用,解决了我国条纹相机这一高端科学仪器受制于人的窘境。大家知道,人眼的视觉暂留时间是1/24秒,正因如此电影以每秒24帧的频率播放时,人眼感觉出来的是连续的图像而非间断的。但很多时候,人们往往希望看到图像瞬间的细节,知道现象的发展规律,这就需要有一种工具把瞬变的图像“冻结”,能完成此任务的就是高速照相机或摄影机。
可以说,显微镜实现了物体在空间上的放大,而高速照相机或摄影机是实现了时间上的放大。普通高速照相机或摄影机的发明基本满足了记录宏观物体运动和变化过程的需要,如子弹命中物体的瞬间,运动员的跑步姿态的每个细节等,但这类光学记录仪器并不能满足人们更高的要求。例如为了记录核弹爆炸瞬间的高清晰度高分辨率图像,人们又发明了分幅相机。我国于1966年研制成功的“转镜式等待型分幅全自动超高速摄影机”,拍摄频率为250万幅/秒,最大工作时间1/5000秒,曾成功的拍摄到我国氢弹起爆瞬间的连续照片,以及氢弹爆炸的关键原理性照片,并获得清晰的图像。为以后进行同类试验,理论与实际爆炸有何具体差异,以及如何改进提供了重要的科学依据。进入20世纪90年代后,随着国际形势的变幻,我国于从1996年7月30日起,开始暂停核试验。由于我国核试验次数较少,是最后一个暂停核试验的核大国。
在暂停核试验后,如何保证我国核力量的有效性和先进性,是我国相关机构不得不思考的一个问题。早在1964年,我国著名科学家王淦昌就独立提出激光模拟核聚变的建议。所谓激光模拟核聚变,就是利用高能强激光照射代替铀钚等热核武器的裂变爆炸产生的高温、高压条件,使一个数毫米直径的装有氘、氚等燃料的小丸产生聚变反应。激光核聚变的靶丸就相当于一枚微型核聚变炸弹。通过设计不同聚变材料的的靶丸,既可以设计新的类型的核弹,也可以检验原来核武器的可靠性。据资料报道,由于核武器材料无时无刻都在衰变,贮存多年的核弹头很可能在战时无法引爆或威力大大减少,因此有必要经常抽查核武器的有效性。美国最开始是使用定期核试验的方法进行检验,在核禁试条约生效后,美国除了用超级计算机进行模拟,更重要的是利用激光模拟核试验进行检验。
据资料称,通过激光核试验,美方发现了进行战斗值勤的某类核战斗部已完全失效,无法完成核聚变爆炸,随后对之进行了紧急更换修复。而在激光核试验中发现核战斗部失效的重要证据就是条纹相机拍摄的照片。条纹相机与分幅相机原理完全不同,但极限时间分辨比分幅相机高,在几百个飞秒左右,即一秒钟可拍摄500万亿幅照片,而最先进的分幅相机也只能做到每秒钟拍摄1万亿幅照片,因此在激光模拟核聚变中是必不可少的试验仪器。由于条纹相机是目前唯一可拍照飞秒级的工业相机,在化学反应,植物光合作用研究,高能粒子等民用领域都得到了广泛应用。
目前,国际上条纹相机最先进的国家是俄罗斯、日本、美国。而商业化做的最好的是日本滨松公司,据资料透露,该公司生产的条纹相机属于美国限制向中国出口的设备,凡是有核物理专业的我方大学,都不能购买日本滨松公司的条纹相机。其他大学要买 ,需经美国政府批准 ,并在其相机内加装GPS定位系统和多种防拆设备以及与网络连接的装置,如果离开指定地点,就会自动失效,无法工作,并向美方报警。
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