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)。     

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.     

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。     

一种用于距离选通的ICCD设计与实现

研制了一种短余辉、高分辨率、快时间响应的高速选通超二代像增强器,通过光纤锥与CCD进行耦合成高性能距离选通ICCD,理论分析各部件的性能及其对系统空间分辨率的影响;采用FPGA设计电路控制系统,该系统产生出纳秒级的选通门宽以实现对ICCD的数字控制,同时可以对选通脉冲宽度和延时时间进行调整以实现不同亮度以及距离目标的清晰成像,降低背景噪音以及增大成像的动态范围.此外,该系统具有增益监控和调节功能,信噪比达到20∶1dB,在超二代像增强器阴极和微通道板输入面之间加幅度为-200V、宽度为3ns直流连续可调的选通脉冲以实现对增强器的选通,为了提高光电阴极补充电子的速度,在输入窗内表面光刻有线宽为5μm、间距为50μm正方形格栅以保证选通门宽为3ns时光电阴极有足够快的响应速度,选通频率最高可达到300kHz,实验测试在微通道板电压为700V、荧光屏电压为5 000 V时增强器增益可达10 718cd/m2 lx,ICCD系统空间分辨率达到29.7lp/mm.     

大面积X射线分幅变像管的设计

提出了一种实现大工作面积分幅变像管的方法。设计了一种大输入光电阴极、小输出图像的静电聚焦变像管,输出端配接常规小工作面积快门选通微通道板（MCP）分幅管单元,实现图像选通和增强功能。这种分幅变像管与直接采用大面积MCP相比,不仅省去了制作大面积MCP的高昂成本,而且避免了由于微带线过长引起的选通脉冲传输衰减大、增益不均匀性严重等固有缺陷。设计的分幅变像管输入阴极有效直径100 mm,输出图像直径40 mm,放大倍率为0.4。中心空间分辨力达到14.4 lp/mm,边缘空间分辨力达到11.2 lp/mm,几何畸变不超过15%,其分幅特性由MCP分幅单元决定。     

采用微通道板(MCP)增强器的光闸

对18毫米近贴聚焦式微通道板增强器的光电阴极或微通道板进行选通,可获得曝光时间约为1毫微秒的光闸。本文介绍光闸性能的测量结果,包括多个增强器在各种不同的脉冲形态下的总光门、均匀性与时间的关系、分辨率、线性度和动态范围。讨论了与快速选通有关的增强器的参数以及由增强器的几何形状造成的选通速度的局限性。还给出了作过特殊改进的增强器的结果,其中除光电阴极的3毫米×18毫米区域外,全用不透明的金属底涂层覆盖。同时也给出了第三代(GaAs光电阴极)增强器选通的初步结果。各种光闸性能评价用的表征方法也在讨论之内,许评论了增强器选通用的快速电脉冲发生器。     

像增强器进展

像增强器是直径一般为 1 8或 2 5 mm的圆柱形真空管。输入端的多碱膜或半导体层起光电阴极的作用。能量超过光阴极材料功函数的入射光子可引起光电效应而发射自由电子。用栅极电压 (一般为 2 0 0 V)场将发射的电子加速到微通道板 ( MCP)。MCP是一特种玻璃圆片 ,有许多紧密排列的孔或通道穿过它。玻璃稍稍导电 ,这样外加的电压 (一般 80 0 - 1 0 0 0 V)就会沿微通道长度方向产生一恒定的电场。该场使光电子加速穿过孔 ,当它们擦过通道壁时产生级联二级电子。离开通道板后 ,通过大电压 (数千伏 )进一步把电子加速到荧光屏 ,产生原始输入光…     

防离子反馈微通道板的最佳工作电压试验研究

带防离子反馈膜的微通道板(micro-channe plate,MCP)是负电子亲和势光电阴极微光像增强器的关键部件之一,其工作状态对负电子亲和势光电阴极微光像增强器的性能有严重影响,通过对无膜MCP及镀有不同厚度防离子反馈膜的MCP在不同阴极电压下、不同MCP电压下增益的测试与分析,最终确定出防离子反馈MCP的最佳工作电压:①对于负电子亲和势光电阴极像增强器用无膜MCP,其最佳工作电压为:当阴极电压大于一定值V_c1时,MCP增益几乎不变,说明此时的阴极电压V_c1为无膜MCP的最佳工作电压;当MCP电压为某一特定值V_m1(阴极电压为大于V_c1的任一值)值时,MCP出现增益,但增益值很低,当MCP电压大于(V_m1+100V)值时,MCP增益较大(大于20 000),可认为板压为(V_m1+100V)值为无膜MCP最佳工作板压;②对于同种材料的带膜MCP,其最佳工作电压为阴极电压V_c=无膜MCP的最佳阴极电压V_c1与防离子反馈膜的阈值电压的代数和,MCP电压为V_m > (V_m1+100V),具体值应根据防离子反馈MCP增益值的线性工作区来确定。该文的研究对防离子反馈MCP的最佳工作电压的确定及对负电子亲和势光电阴极像增强器性能的提高具有重要的意义。     

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。     

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。     

金阴极的选择性光电效应

提出了一种测量金阴极的紫外光谱响应特性的方法.利用微通道板(microchannel plate,简称MCP)对电子的高增益特性,通过直接测量金阴极MCP探测器输出电流表征金阴极的紫外光响应.测量金阴极MCP探测器在200—340 nm波段的光谱响应,得到金阴极的谱响应特性:金作为逸出功较大的金属,也具有碱金属才有的选择性光电效应. 其选择峰值位于5.72 eV处,通过理论验证了该峰值的位置.     

脉冲光电流效应的机理研究

本文介绍一种用于脉冲激光激励空心阴极放电光电流效应的改进的表象理论,它以原子的能级集居数及电子密度变化的速率方程为基础,考虑到放电管内电子运动及电流回路方程获得了一组方程。该方程组很好地解决了脉冲光电流信号随电流、电压及激光光强的变化关系及时间特性(这一理沦提出了利用脉冲光电流效应测量某些低压气体等离子体参数的可能性)。     

三通道门控分幅相机及其触发晃动测量

研制了三通道微通道板(MCP)门控X射线分幅相机,其MCP微带阴极宽度为8 mm,相邻两阴极间隔为2.8mm,由幅值为-1.9kV和宽度为210ps的门控脉冲进行驱动。采用光纤传光束法测量了相机的触发晃动。实验结果表明,相机的触发晃动约为94ps,与高速示波器测得的90ps基本一致。此外,测得相机的时间分辨率约为100ps。     

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。     

飞秒电子衍射系统中调制传递函数的理论计算

主要介绍了飞秒电子衍射系统的组成及设计指标. 包括光电阴极、电子聚焦系统、电子偏转系统、双微通道板(MCP)电子探测器等，并给出了基本的设计思路、设计结果. 光电阴极是由位于蓝宝石晶体上面的银膜构成，为了获得足够小的电子束斑以及减小电子上靶时的角度，紧贴栅极后放置一个100μm的小孔，对电子束的形状和大小进行限制. 采用磁电子透镜进行聚焦，电子衍射图样由放置在样品后面的双MCP像增强器进行探测. 在设计计算时，用Monte Carlo方法对光电子的初能量、初角度以及初位置分布进行抽样，用有限元法计算磁透镜 关键词： 飞秒电子枪 有限元法 Monte Carlo模拟 调制传递函数     

距离选通成像系统分辨力模拟测试装置的设计

距离选通成像系统采用的是脉冲激光主动照明与ICCD选通技术相结合的方法。为了在室内模拟测试在一定大气条件下距离选通成像系统的分辨力,设计了一套模拟测试装置。以辐射传输理论为基础,建立了大气距离选通成像系统后向散射光和信号光的模型。该模型给出了后向散射光和信号光在光电阴极面上照度随时间的变化规律。采用两个模拟光源,分别模拟了信号光和后向散射光。采用阴极面等效辐射照度法,给出了模拟光源功率的方法。以S 20光电阴极的像增强器与CCD的耦合为例,计算了模拟光源的功率。     

微通道板增益模型的首次碰撞问题

研究了入射电子首次碰撞微通道板(MCP)所产生的二次电子的初能量对基于“能量正比假设”的MCP增益模型的影响,给出的增益公式与实验结果在很大的电压范围内符合较好。     

距离选通变增益光电倍增管探测系统的设计

 为实时动态测量未知深度水下目标微弱后向散射信号,设计了一种新型的光电倍增管(PMT)选通变增益探测系统。采用给PMT外加选通和变增益纳秒电脉冲的方法,通过改变PMT光阴极与第一打拿极之间电势差,实现PMT选通;借助给PMT最后一个打拿极外加变增益高压脉冲改变PMT最后一个打拿极与前置打拿极间的电势差,实现PMT变增益。实验结果明：在选通和变增益脉冲到来时,阳极输出相应的脉冲信号,信号脉宽为40ns,脉冲幅值增大,证明该方法能够实现PMT选通和变增益。     

ICCD选通脉冲源的设计与实验研究

基于微处理器并结合模拟延迟电路以及数字逻辑电路,设计了分辨率可达5ns、最小脉宽为65ns、频率高达1MHz、且通过上位机可以远程控制的选通脉冲源.用该脉冲源结合选通电源测试了阴极上镀有金属导电基底和没有金属导电基底的ICCD的选通快门时间.结果表明当镀有金属基底时,ICCD具有更短的开启时间.建立相应的等效电路模型和阴极开关过程满足的RC等效方程,定性分析得出阴极面电阻的减小是使得ICCD开启时间缩短的主要因素.     

单一视角X射线分幅变像管设计

针对传统X射线快门选通微通道板(MCP)分幅相机利用针孔阵列获取目标图像时视角不一致的问题,提出一种单一视角X射线变像管分幅方法。利用电子束团在电子光学交叉点所携带信息的全息性和可分割性,设计了一种单一视角多幅输出图像的静电聚焦变像管,输出端配接MCP分幅单元以实现图像选通和增强功能。与传统门控MCP分幅管相比,其既能实现图像视角的同一性,又可以避免直穿光激发荧光屏对输出图像的影响,具有更高的信噪比。所设计的分幅变像管阴极有效工作直径为40mm,输出荧光屏直径为40mm,放大倍率为1.29,中心理论空间分辨率达到60lp/mm,边缘空间分辨率达到26lp/mm,分幅曝光时间特性由快门选通MCP分幅单元的选通脉宽决定。该方法为实现X射线分幅相机视角同一性给出了一条有效途径。