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。     

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.     

行波偏转器前置短磁聚焦条纹变像管理论设计与实验研究

条纹变像管因其超高时间分辨特性而成为实现皮秒至飞秒量级时间分辨的重要测量仪器.本文设计了一种同时兼顾高时空分辨的行波偏转器前置短磁聚焦条纹变像管.该管型通过减小电子渡越时间以抑制空间电荷效应、采用偏转器前置以及行波偏转方式提高偏转灵敏度,实现整管时空分辨率的大幅提升.利用CST微波工作室有限元法数值计算条纹变像管行波偏转器的通频带宽、偏转灵敏度,结果表明:本设计中的行波偏转器因其较高的通频带宽特性实现了偏转器上的电磁波相速度在很宽频率范围内与电子轴向群速度匹配,产生更有效偏转.利用CST粒子工作室模拟追踪光电子的运行轨迹,通过最佳像面上的时间调制传递函数和空间调制传递函数,计算得到其理论时间分辨率可达220 fs,空间分辨率高于100 lp/mm.同时根据像差定义给出追踪实际电子轨迹的像差计算方法,实现对变像管成像质量评价.最后利用紫外灯对其进行静态测试,获得静态空间分辨率优于35 lp/mm的结果.     

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%.     

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.     

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。     

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.     

大动态范围长狭缝条纹相机系统

 为了满足ICF实验等离子体诊断需要,研制了一种大动态范围长狭缝软X射线条纹相机系统。该系统在保证30 mm的长狭缝的情况下,通过设计一种短聚焦区高压电子光学系统大大缩短电子的渡越时间、提高阳极工作电压至16.5 kV、弃用MCP内增强器、采用光纤面板耦合和使用制冷CCD等一系列措施,达到改善扫描变像管条纹相机动态范围的目的,同时保证具有较高的时间分辨力。动态测试表明,该系统动态空间分辨力为15 lp/mm,时间分辨力优于31 ps,动态范围大于922。     

大动态范围高时空性能X射线条纹相机的研制

为了满足激光驱动惯性约束聚变(ICF)的诊断需求,研制了一台大动态范围高时空性能X射线条纹相机系统;通过优化电子光学设计、改进条纹变像管的制作工艺,以及制作和使用高效器件来达到提高条纹相机动态范围以及时间和空间性能的目的;设计相机的阴极工作长度为30mm,聚焦电压为12kV;借助飞秒和皮秒激光器组建相机的静态和动态标定测试系统。结果表明:该相机系统的空间分辨率大于20lp/mm,时间分辨率达到5ps,动态范围达到2237∶1,扫描速度非线性小于3%;相机具有4个挡位,可以实现4个扫描速度下的超快信号获取;该相机性能优良,可以满足激光聚变研究中时间、空间、能谱分辨的精密化诊断要求。     

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.     

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。     

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.