高时间分辨率条纹变像管的动态特性研究

针对高时空分辨的设计要求,分析影响条纹相机中条纹变像管的物理时间弥散、技术时间弥散和扫描电路触发晃动的因素,优化设计了行波偏转前置磁透镜聚焦的条纹变像管系统.利用CST仿真软件研究了行波偏转器内部的时变电磁场分布,计算了行波偏转器内电磁波的传播速度.结果表明,行波偏转器的指长为8mm、指宽为1mm、指间距为0.24mm、管脚长为2.5mm、板厚为1mm及总长度为17.12mm时,实现了电子团的飞行速度与扫描电脉冲沿行波偏转器的传输速度的匹配.采用电子追迹法和瑞利判据分析了条纹变像管的动态时间和空间特性,得到单次扫描动态时间分辨率为200fs、同步扫描时间分辨率为208fs、动态空间分辨率优于20lp/mm.     

分幅变像管动态空间分辨率的标定

为了提高激光惯性约束聚变实验二维成像诊断的精密化程度, 提出了分幅变像管动态空间分辨率的标定方法. 标定原理是以直边函数为物, 经光学系统成像后求解系统的调制传递函数, 从而获得系统的空间分辨率. 在神光Ⅱ装置上利用八路激光打靶产生1-3.5 keV能区的连续X 射线标定源, 照射高Z刀边材料, 并成像到分幅变像管阴极上, 分幅变像管采用脉冲选通工作模式获得动态像. 对分幅变像管采集的动态图像进行处理得到系统的调制传递函数. 根据调制传递函数为0.1时对应的空间截止频率, 得到系统的空间分辨率为20 lp/mm. 根据分幅变像管的动态空间分辨理论, 计算系统的极限空间分辨率为22.8 lp/mm. 标定结果略低于极限空间分辨率, 与理论基本吻合. 根据传统标定方法得到该分幅变像管的静态空间分辨率为22 lp/mm, 比动态空间分辨率略高. 在二维成像诊断时, 分幅变像管工作于动态选通模式, 故动态空间分辨率的标定结果更能真实地反映其成像诊断能力.     

行波前置短磁聚焦飞秒条纹管设计

设计了一款长度为265mm的飞秒条纹管。采用短磁聚焦透镜和行波偏转板,并将行波偏转板置于磁透镜之前以提高偏转灵敏度。采用蒙特卡罗方法对阴极表面理想点和阴极狭缝发射的光电子初始参量进行了模拟抽样,用CST软件的Particle Tracking模块模拟跟踪了光电子的运行轨迹,统计分析了光电子在最佳像面上的位置分布和渡越时间,给出了光电子在最佳像面上的点扩展函数和调制传递函数。计算结果显示,所设计的条纹管阴极有效尺寸达到6mm,放大率为2.4~2.5,动态空间分辨力大于55lp/mm。经保守估算,条纹管的时间分辨力有望达到245fs。     

全光固体条纹相机的理论及其静态实验研究

全光固体条纹相机采用空间调制抽运光激发平板波导光偏转器,通过精确控制抽运光和信号光之间的时间延迟,实现对入射到波导芯层信号光的偏转扫描.它能有效解决传统变像管条纹相机因空间电荷效应造成的动态范围降低以及光电阴极材料在红外波段探测受限等问题,且结构简单,系统稳定性高,理论时间分辨率可达皮秒甚至亚皮秒量级.本文围绕全光固体条纹相机的核心部件—–AlxGa1-xAs/GaAs/AlxGa1-xAs平板波导光偏转器,研究了在带填充效应、带隙收缩效应以及自由载流子吸收效应作用下GaAs折射率的变化情况;在GaAs折射率变化达到0.01量级,信号光束斑大小和波导宽度之比p=0.5时,得到系统的理论时间分辨率为2 ps;按照静态实验条件求得的理论空间分辨率为17 lp/mm,实验结果显示其值为9 lp/mm.     

大物面高时空分辨X射线条纹管成像研究

为了满足惯性约束聚变(ICF)实验对X射线条纹相机提出的新技术要求,设计并研制了一种大物面X射线条纹变像管,利用球面荧光屏减轻场曲的影响,并通过提高阳极总压、增大偏转灵敏度来提高时间分辨率。测试结果表明:阴极有效长度可达40mm,静态空间分辨率信息分辨总量可达1000lp,动态空间分辨率为20lp/mm,时间分辨率达3.3ps,动态范围可达2281…1,能满足ICF实验所提出的大信息捕捉量的要求。     

偏转板对条纹变像管性能参数的影响

针对一款多用途条纹变像管,研究了扫描板位置对其性能参数的影响,分析了扫描板在条纹管轴向和径向的装架偏差对条纹变像管的时空分辨能力造成的影响。首先通过模拟得到大量服从一定统计规律电子的运动轨迹,然后利用调制传递函数对时空分辨能力进行评价。结果表明:偏转板放置在阳极光阑处条纹管可获得最佳时间分辨能力,而放置在电子束径最小的地方可以获得最佳空间分辨能力和最大阴极有效面积,同时,偏转板中心轴应该与条纹管旋转对称轴严格重合。     

小型条纹管时空分辨及增益特性研究

围绕小型条纹变像管,数值研究了光电阴极发射的光电子的初始能量及球面阴极曲率半径对物理时间分辨率及时间畸变的影响.结果表明:物理时间分辨率受光电子初始能量影响较大,受阴极曲率半径及离轴距离影响较小;离轴距离越大,时间畸变越大;平面型光电阴极在离轴8mm的物点处,时间畸变大于40ps;随着阴极曲率半径的减小,时间畸变逐渐由正值变为负值;当阴极曲率半径为70mm时,条纹管在整个阴极工作狭缝16mm内的时间畸变小于8ps;同时,在4.3ns全屏扫描时间条件下,光电阴极发射的狭缝像在荧光屏上几乎没有弯曲,且即使在离轴8mm的物点处,光电阴极空间分辨率仍可高达25lp/mm@MTF=10%.此外,实验测试了条纹变像管的静态空间分辨率、阴极积分灵敏度及条纹变像管的亮度增益特性.测试结果显示:光电阴极中心处空间分辨率高于28lp/mm,边缘处高于18lp/mm;阴极灵敏度为178μA/lm,亮度增益高于12,远高于具有相同探测面积的皮秒条纹变像管的亮度增益(亮度增益仅为0.5),在条纹管激光雷达领域具有较强的弱信号探测能力.     

基于电子轰击式CCD的大动态条纹相机研究

为了实现对更弱、以及物理量跨度更大的信号探测, 满足材料、生物、信息、半导体物理以及能源等重大科学领域对诊断精密化的进一步需求, 需要提高条纹相机的动态范围、空间分辨率和信噪比. 为此, 本文研制了基于电子轰击式CCD(EBCCD)的大动态条纹相机, 条纹变像管采用时间和空间方向分别聚焦的矩形框电极和电四极透镜结构, 可降低空间电荷效应. 并提高电子加速电压, 减小电子渡越时间以降低空间电荷相互作用时间. 采用基于电子轰击读出技术的背照式CCD(BCCD)作为读出器件, 取代传统的像增强CCD(ICCD)以缩短图像转换链, 较大地降低了超快诊断设备转换过程中的图像衰减, 从而提高条纹相机图像的信噪比、空间分辨率和动态范围. 实验得到静态空间分辨率高于35 lp/mm, 动态空间分辨率达到20 lp/mm, 偏转灵敏度为60.76 mm/kV, 动态范围达到2094:1, 扫描速度非线性为5.04%, 条纹相机的电子轰击半导体(EBS)增益达到3000以上.     

大动态双聚焦条纹变像管设计

为满足ICF实验中对X射线条纹相机大动态能力的需求,设计了一款大动态双聚焦X射线条纹变像管。其偏转灵敏度为39 mm/kV,静态空间分辨率在阴极中心处优于30 lp/mm,边缘优于10 lp/mm,时间分辨率在10 ps左右,阴极有效长度为30 mm,放大率为1.3,管子总长为425 mm。此款变像管主要通过提高电子飞行速度而缩短电子相互作用时间,从而达到降低空间电荷效应、提高动态范围的目的。最终设计的变像管轴上电势最高16.5 kV,最低5 kV,电子从阴极到达荧光屏的时间仅为6.62 ns。基于设计的变像管参数,对管子进行了加工制造,并进行了初步调试和测试,变像管具有最佳成像效果时各电极实际电压与设计电压几乎一样,放大率为1.35,偏转灵敏度为40 mm/kV,与设计值十分吻合。     

小型条纹管数值模拟及实验研究

针对无人机载及星载激光成像雷达系统对条纹管的小型化、高空间分辨率与大探测面积的应用需求,研制了一台具有高边缘空间分辨能力、高亮度增益的小型条纹相机.采用球面光电阴极、球面荧光屏技术提高了条纹相机的边缘空间分辨率和探测面积,有利于增大激光成像雷达的探测视场;采用狭缝型加速电极代替传统栅网电极,有利于提高条纹相机的电耐性和可靠性;设计了加载高达-15 kV工作电压的像缩小型条纹管,增大了条纹管的亮度增益,有助于增大激光雷达系统的探测距离.测试结果显示：在有效工作面积16 mm×2 mm内,条纹管静态空间分辨率高于29.3 lp/mm@MTF=5%（MTF表示调制传递函数）,亮度增益高达39.4.条纹相机光电阴极处静态空间分辨率高于15 lp/mm@CTF=11.64%（CTF表示对比度传递函数）;边缘动态空间分辨率高于9.8 lp/mm@CTF=5.51%;时间分辨率优于54.6 ps@T_screen=4.3 ns（T_screen为全屏时间）且在整个工作面积内具有较高的一致性;动态范围为345：1@54.6 ps.同时,为满足不同的景深及探测精度需求,相机设置六个扫描档位,可以实现不同扫速下的超快速目标诊断.该条纹相机在无人机载及星载激光成像雷达探测中具有潜在的实用价值.     

超小型条纹管的动态特性研究

基于条纹相机的非推扫式激光雷达可以实现三维多光谱荧光及偏振成像,克服了传统雷达技术中由于目标和搭载平台之间相对移动形成的图像畸变,图像刷新率高,也便于小型化.本文针对这一新技术发展的需求设计了一款大面积(阴极有效面积?25)、超小型(阴极到荧光屏净尺寸为100 mm)、无栅网、球面阴极、球面荧光屏的条纹管,利用电子轨迹追踪法理论分析了偏转板位置对偏转灵敏度和空间分辨率的影响.动态分析演示了从阴极面狭缝上同时出发的光电子在条纹管内部不同飞行阶段的时间畸变过程,给出了条纹管在扫描工作模式下狭缝像弯曲所对应的定量时间畸变值.该条纹管极限时间分辨率优于30 ps,在其阴极狭缝长28 mm的范围内,边缘动态空间分辨率大于10 lp/mm,阴极狭缝为30 mm×50μm时条纹管的动态时间分辨率优于50 ps,放大倍率为1.2.     

双板电极条纹变像管设计

为满足惯性约束聚变（ICF）实验等离子体诊断中对X射线条纹相机大动态和高时空分辨能力的需求,设计了一款利用板状电极对加电四极透镜聚焦方式的变像管。此款变像管最主要的特点为时空方向聚焦方式不同,在时间方向上采用两对平板电极聚焦电子,而在空间方向上采用电四极透镜对电子进行聚焦,其空间分辨能力在阴极边缘处达到了40 lp/mm,时间分辨能力在10 ps左右,阴极有效长度为20 mm。由于变像管采用时空方向分别聚焦方式,相对传统轴对称管型来说,电子不会聚焦成点,空间电荷效应更弱,所以具有大动态能力。     

一种新型皮秒同步扫描变像管

本文描述了一种新型皮秒同步扫描变像管的设计特点及实验结果。其静态空间分辨率为50lp/mm,时间分辨率为1.1ps。     

模块化程控各向异性聚焦条纹相机

通过采用各向异性聚焦及电四极透镜技术,设计出物理弥散达到0.38 ps,边缘空间分辨力达到56 lp/mm的新型条纹变像管。研制出对条纹相机高压输出、环境监测、扫描档位切换和相机工作方式选择的模块化程控系统。利用Nd:YLF（脉冲宽度8 ps、波长263 nm）脉冲激光器对相机的性能指标进行了标定,测得静态和动态空间分辨力分别为35 lp/mm和25 lp/mm,动态范围达到950∶1,时间分辨力达到8 ps,在扫描和狭缝方向可实现独立变倍和KB显微镜耦合,便于对目标的空间分辨力进行灵活配置。     

同步扫描管时空分辨特性研究

设计了一种具有高空间分辨率、高时间分辨率和大工作面积的同步扫描条纹管.建立三维模型,系统地分析了物理时间分辨率与加速电压、空间分辨率与偏转系统-光电阴极的距离、动态空间分辨率和时间分辨率与扫描速度的关系.给出最优化结构参数和电气参数:d_DC=100 mm,U_g=700 V,T_screen=0.5 ns.数值模拟结果表明,在光电阴极有效工作面积18 mm×2 mm范围内,静态和动态空间分辨率分别高于25 lp/mm@MTF=10%和16 lp/mm@MTF=10%.在T_screen=0.5 ns时,同步条纹管的时间分辨率优于5.6 ps.此外,实验测试得到在400 nm波长处,光电阴极的辐射灵敏度为51 mA/W,光电阴极有效面积内的静态空间分辨率高于25 lp/mm@CTF=13%.     

多狭缝条纹变相管的设计

设计了一种有效面积大、体积小、重量轻的多狭缝条纹变相管.通过自行编程并进行Monte-Carlo模拟计算，在离轴10 mm处，静态空间分辨率可达20 lp/mm，静态物理时间分辨率达100 ps.在电子光学设计的基础上，完成了多狭缝条纹变相管的结构设计和机械加工，通过工艺设计，制作样管，阴极有效面积达22mm.最后进行静态测试，获得了具有一定分辨能力的静态图像.该像管可以用作变相管激光雷达的探测器，实现非扫描激光三维成像.