磁脉冲压缩的分幅相机超快选通脉冲研究

为拓展脉冲功率技术在超快诊断领域的发展和磁脉冲压缩技术的应用，基于磁性元件良好的开关性能和脉冲宽度压缩原理，采用具有多重压缩特性的级联磁开关，设计磁脉冲压缩电路，并将输出的皮秒选通脉冲应用于分幅相机时间分辨率研究。研究结果显示，磁脉冲压缩电路能产生适用于分幅相机的皮秒选通脉冲，当直流电源为500 V，磁开关电感量为1μH，初级线圈回路充电电容为4μF，变压器匝数比为10∶1，磁开关线圈匝数比为1∶2，复位电流为1 A，次级线圈回路和两级磁开关电路充电电容为1 pF时，获得幅值为-3.2 kV和半高宽为149 ps的选通脉冲，将其加载于采用蒙特卡洛法建立的微通道板通道内光电子动态倍增模型，通过计算随选通脉冲的时变增益和构建微通道板上的时间-增益曲线，可实现87 ps的分幅相机时间分辨率。研究结论可为应用于分幅相机的皮秒选通脉冲产生以及磁脉冲压缩电路的拓展应用提供新思路。     

软X射线皮秒分幅相机的增益压窄效应

 高速行波选通的X射线皮秒分幅相机的时间分辨率受皮秒选通脉冲的宽度和幅值的非线性关系直接影响。针对微通道板(MCP)行波选通皮秒分幅相机中的“增益压窄效应”,在高斯型皮秒选通电脉冲作用下,通过计算MCP分幅管的时间分辨率和对增益压窄效应的分析,得到MCP皮秒选通分幅管的增益压窄指数约为10.0,分幅管的时间分辨率约为选通脉冲脉宽的1/3.16。并在脉冲参数（250 ps,－1 100 V）和（220 ps,－900 V）下进行了分幅相机时间分辨率理论计算和实验测试,分别得到了理论时间分辨率为78.8 ps和67.6 ps,相机实验时间分辨率为76.4 ps 和66.5 ps的结果。     

微通道板行波选通X射线皮秒分幅相机动态空间分辨率的优化

通过微通道板皮秒脉冲选通动态模型结合近贴聚焦系统的空间调制传递函数理论模型,研究了微通道板X射线分幅相机系统的动态空间分辨能力与屏压,近贴距离,皮秒选通脉冲的幅值与宽度等参数的关系.计算了常用参数下的微通道板行波选通X射线皮秒分幅相机的系统动态空间分辨率,讨论了提高相机动态空间分辨率的措施,提出了优化相机结构参数的方法.     

用于行波分幅的大功率皮秒高压电脉冲的产生

针对行波分幅相机的要求,用纯电子学线路产生了幅度2.1kV、宽度210ps的高压皮秒脉冲,并将其用于行波分幅相机作为MCP的选通脉冲,获得了60ps的时间分辨率。     

微通道板中电子时间倍增特性的数值模拟

 对微通道板的动态特性进行了数值模拟,得到了电子的渡越时间与入射时刻的关系曲线。获得了光电子的倍增次数随入射时刻而变化,并在考虑了入射电子为一高斯电子脉冲的情况下,分析了选通脉冲的幅度、宽度和波形对选通特性的影响。结果表明：随着倍增次数增多,渡越时间越大;当电压幅度不同时,增益曲线的峰值所对应的电子入射时刻也不同。     

脉冲叠加技术提升脉冲展宽分幅相机时间均匀性

脉冲展宽分幅相机是时间分辨率优于10 ps的二维超快诊断设备,但展宽脉冲沿阴极传输会引起阴极不同位置的电压分布出现差异,这会导致相机时间不均匀现象的产生,从而限制了大探测面相机的实现。采用雪崩三极管、雪崩二极管和高通滤波器设计了一种快斜率皮秒选通脉冲,基于电脉冲叠加原理,探讨了选通脉冲下降沿对时间不均匀性的提升效果。研究结果显示：当阴极电压为-2 kV、电子束初始时间宽度为5 ps和展宽斜率为11.9 V/ps时,随着展宽脉冲沿阴极起点传输到终点,阴极上的电子束展宽倍率由11.74增至39.04,基于相对误差原理,两者相差232.5%;当将选通脉冲下降沿和展宽脉冲同时加载至阴极时,电子束展宽倍率由11.28变化至14.23,两者相差下降至40.21%,此时脉冲展宽分幅相机的时间分辨均匀性得到了有效提升。     

一种双MCP选通型30~40 ps软X射线分幅相机

研制了一种双微通道板（Microchannel Plate,MCP）双选通型软X射线分幅相机.该相机采用两块厚度为0.5 mm的MCP,近贴放置成“V”形结构,用两列高压脉冲依次选通两块级联的MCP,通过控制两列脉冲之间的延迟时间,利用微通道板的电子渡越时间效应和非线性增益的相互作用,以损失一部分电子为代价获得比单MCP（60 ps）选通相机更短的曝光时间,并且可以降低直穿X射线造成的背景光噪音.     

微通道板选通X射线皮秒分幅相机曝光时间的均匀设计

将均匀设计法应用于微通道板选通X射线皮秒分幅相机(MCP－XPFC)曝光时间的研究工作中,目的是找到一个简单高效的试验预估方法来指导分幅相机的研制和试验工作.基于分幅相机皮秒动态选通理论模型,建立了采用0.5 mm厚、长径比40的MCP的皮秒分幅相机选通脉冲参量与曝光时间之间的快速预估模型.利用这一模型得出了相机的曝光时间随选通脉冲脉宽和幅值分别呈抛物线变化,且脉宽和幅值对曝光时间具有交互影响作用.在试验参量范围内,此预估模型能够精确地代替相机理论模型和高效地指导实验.通过实验验证了预估模型,并分析了影响结果的因素.     

微通道板皮秒选通特性的数值模拟

运用“能量正比假设”对微通道板在皮秒高压脉冲下的特性进行了模拟,发现光电子的倍增次数与光子的入射时刻有关,不能被视为常数。研究了快门脉冲的幅度,宽度和反向偏压对选通特性的影响。曝光时间最终受到选通图象信噪比的限制。     

变象管、双近贴象增强器及带微通道板光电倍增管的快门选通电路

本文主要简介我国变象管、双近贴象增强器毫微秒分幅相机的研制现状,并讨论这些相机的快门脉冲发生器电路。同时还介绍了用于带微通道板光电倍增管的选通电路。这些电路作适当修改后可用于微光硅靶摄象管的控制,高压电器特性试验,毫微秒脉冲源以及激光调制等场合中。     

电子束时间聚焦技术

利用时间展宽分幅相机研究电子束的时间聚焦现象.当阴极未加载脉冲电压时,测得相机的时间分辨率为80ps.当阴极加载斜率为14V/ps的脉冲电压、电路延时为11.395ns时,相机的时间分辨率为8.8ps,电子束的时间宽度经历了被压缩到被展宽的过程.改变阴极脉冲下降沿斜率,研究电子束时间聚焦时系统时间分辨与下降沿斜率的关系.当下降沿斜率为1V/ps时,时间分辨近似等于80ps,电子束到达微通道板时其时间宽度约等于原始宽度.当斜率大于1V/ps时,时间分辨小于80ps,到达微通道板时电子束时间宽度被展宽.当斜率为0.5V/ps时,时间分辨大于80ps,到达微通道板时电子束时间宽度被压缩.     

变像管皮秒分幅和飞秒扫描相机的实验研究

本文将描述两种变像管皮秒分幅相机和一种飞秒扫描相机的设计特点、动态测试方法和实验结果。第一种变像管皮秒分幅相机采用了交叉点扫描多光栏分幅的方法,其变像管具有长加速电极和短阳极的静电弱聚焦系统与偏转灵敏度高、偏转像质好的偏转群体结构;其超快速控制电路只需一个光电开关斜坡电压脉冲发生器和一个特殊设计的脉冲成形网络即可送出具有合适时间关联的4对正负极性三角波和一对正负极性的单台阶液电压脉冲。实验表明,该相机在提供6幅分幅图像的情况下,每幅图像全曝光时间为80ps,除 3～4幅图像间的时间间隔为680ps外,其余均为160ps,动态空间分辨率达到5.51p/mm。第二种变像管皮秒分幅相机采用快门式分幅方法;其变像管采用行波偏转系统,内增强MCP做成带状线结构,并具有输入输出阻抗变换器,其三台阶波和快门脉冲序列均由光电开关电路和脉冲成形网络产生。该相机在提供三幅分幅图像的情况下,每幅图像全曝光时间为660ps,画幅之间的时间间隔均为4ns,动态空间分辨率为5.5lp/mm。飞秒扫描相机采用MCP内增强飞秒扫描变像管、具有负时间畸变的中继透镜和无触发晃动的光电开关扫描电路。实验证明,该相机在时间分辨率为500fs时,其动态范围为30;当时间分辨率为1.2ps时,其动态范围可达500;无扫描图像弯曲现象,触发晃动为±2ps.     

微通道板增益对光子计数探测器成像性能影响

微通道板作为二维位置灵敏阳极光子计数探测器中的电子倍增器件,其增益特性直接影响探测器的成像性能。搭建了系统测试平台,测量了微通道板的增益随电压变化曲线,并获得了3块微通道板叠加后的脉冲高度分布曲线。根据测试结果以及脉冲高度分布曲线的能量分辨率与探测器增益的均匀性之间的物理关系,选择合适电压值和增益对探测器的性能进行优化,探测器分辨率由3.56 lp/mm 提高到4.49 lp/mm ,获得了清晰图像,为探测器的研制提供了技术支持。     

雪崩三极管串联的纳秒脉冲发生器

雪崩三极管因其快速性、高重复频率等特点被广泛应用于纳秒脉冲发生器。为了提高输出电压,常采用多管串联Marx电路。采用二极管代替传统多管串联Marx电路中的部分限流电阻以减少能量损耗,加快充电速度,提高重复频率,并分析了主电容和限流电阻对输出脉冲幅值和频率的影响。通过雪崩三极管的单管击穿实验,单个三极管的导通内阻最小约为2.5 Ω,多管串联Marx电路中的等效内阻使负载侧的输出电压降低,故采用多路Marx并联电路以提高输出电压幅值。通过改变Marx并联模块数量,研究了电路等效内阻对输出脉冲的影响;通过改变负载电阻值,验证了Marx并联电路在小负载下升压效果更佳。实验结果表明,通过相同的4路Marx并联电路进行放电实验,在50 Ω负载侧输出上升沿为3.4 ns、幅值为2.5 kV、可在15 kHz下稳定工作的脉冲。     

基于光电子脉冲展宽的高时间分辨成像技术

为获取超快光脉冲信号,提出了一种基于光电子脉冲准线性展宽的高时间分辨二维成像技术。利用高频时变电场的线性工作区加速光电子脉冲信号,通过优化阴极激励源的电参数,选择光电子进入加速区的时刻实现光电子脉冲的准线性展宽。利用曝光时间100ps的门控选通微通道板在脉冲展宽模块的记录面进行选通曝光成像,实现高时间分辨的二维成像。为改善系统的空间分辨和成像畸变,添加轴向聚焦磁场解决电子漂移区中由电子空间电荷效应引起的时间和空间弥散,对于能量4 keV、出射角0.1°的电子束,聚焦磁场的最佳强度为0.057 T,此时阴极中心位置的空间分辨可达5 1p/mm,阴极边缘位置空间分辨稍差。基于光电子脉冲准线性展宽技术,可将漂移距离50 cm,初始脉宽10 ps的电子脉冲展宽10倍,从而可将门控MCP探测器的时间分辨提高1个量级(即10 ps以内)。     

X射线分幅相机不同直流偏置下的皮秒选通特性

 利用SILEX-I装置打靶产生的亚皮秒X射线源研究了X射线分幅相机不同直流偏置下的选通特性。建立了曝光时间的X射线点源测量方法,基于系统原理定义了相机的动态增益。实验发现：与不加直流偏置相比,加载-100 V时曝光时间展宽10 ps,动态增益增大到4.5倍。动态增益增幅较理论模拟值偏大,加载负偏压可能改变了初始光电子的动力学特性。     

亚纳秒重频脉冲信号源设计与实验

亚纳秒前沿、数百伏幅度、近似高斯单周波的重频窄脉冲信号源在超宽带探测、电磁兼容测试等领域有着十分广泛的应用。设计了一种全固态Marx电路结构型重频脉冲信号源,选用云母电容、雪崩三极管、贴片电阻、电感等元器件,根据信号输出要求优化印制电路板（PCB）布局及微带线结构,调整匹配电路元件参数,在50Ω电阻负载上获得了脉冲峰值约1 kV、脉宽约650 ps、前沿约450 ps、后沿约700 ps的单极性负脉冲信号,脉冲波形前后沿相似且光滑陡峭,实现了10 kHz重频输出,波形峰值抖动和半高宽抖动均小于10%。     

多路Marx并联高压脉冲电源研究

脉冲功率技术在工业和生物医学领域有着广泛的应用,很多应用场合要求输出数百安培的高压脉冲。固态Marx发生器虽已研究多年,但是被广泛采用直插封装的IGBT和MOSFET功率半导体开关管的额定电流通常都低于100 A,无法满足低阻抗负载的应用需求。为提高输出脉冲电流幅值,提出两种多路Marx发生器并联的脉冲电源的拓扑结构,第一种方案采用多路Marx发生器直接并联,第二种是共用一组充电开关管的多路Marx发生器并联。由FPGA提供充放电控制信号,采用串芯磁环隔离驱动方案实现带负压偏置的同步驱动,主电路选用开通速度快、通流能力强的IGBT为主开关的半桥式固态方波Marx电路。实验结果表明,6路16级Marx直接并联的脉冲发生器能输出重频100 Hz高压方波脉冲幅值可达10 kV,在30Ω负载侧输出峰值电流可达300 A,上升时间230 ns。共用充电开关管的6路4级Marx并联发生器在5Ω电阻负载上的输出电流峰值可达300 A,最大输出电流可达460 A,上升时间272 ns。表明多路Marx发生器并联可以有效地减小系统内阻,提高系统带载能力;改进后的并联方案实现大电流脉冲输出的同时,所采用的开关管数量减小近一半,提高了系统的抗干扰能力的同时,降低了脉冲电源的成本;且增加级间并联导线可进一步改善均流效果。     

基于高速肖特基二极管的100 ps瞬态取样门设计与仿真

 皮秒级瞬态取样门主要应用于激光聚变实验和高能物理实验中，对单次高速脉冲进行实时取样。提出了一种新颖的基于肖特基二极管桥的平衡取样门，给出其模型和具体电路设计。电路仿真结果表明，对称的选通设计保证了选通脉宽为100 ps时，取样间隔也为100 ps，取样门带宽为4.4 GHz，可应用于多路超短激光脉冲取样。     

300 kV高压脉冲发生器

介绍了脉冲X光机驱动源300 kV高压脉冲发生器的研制,高压脉冲发生器选择双边充电回路的Marx发生器结构,采用紫铜火花隙开关和隔离电感为发生器的结构元件,低感陶瓷电容为储能元件,这种结构不仅减小了回路电感,同时实现了脉冲发生器的小型化与模块化。所设计的高压脉冲发生器在75 负载上获得脉冲半高宽小于等于100 ns、幅值200～300 kV可调的输出电压。高压脉冲发生器内可直接安装X光管也可通过高压电缆与X光管连接,很好地满足了X光机的需要,研制的高压脉冲发生器具有性能稳定、结构紧凑、使用方便等特点。