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。     

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。     

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。     

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。     

一小型化多用途条纹变像管

为适应便携式和小型化发展的需要,设计了一款管长119.773 mm的静电聚焦式条纹变像管,模拟了2 000个阴极出射光电子在该管内电场中运动的轨迹.根据模拟计算的结果计算和分析了该管的时间点扩展函数、空间分辨率和工作在动态情况下的时间分辨率和空间分辨率等主要技术指标参量.结果表明,该变像管时间分辨率达到2.9 ps,阴极有效面积直径达到15 mm,且具有较大的动态范围.     

大动态范围软X射线飞秒变像管

为获得能够实际应用的飞秒时间分辨软X射线变像管,提出并完成了一种新的扫描变像管管型的理论设计。新管型采用五电极平面对称静电柱透镜,它易于对电子束进行强聚焦,且没有轴对称透镜的电子束聚焦交叉点,由此可以缩短变像管长度,减小渡越时间弥散和抑制空间电荷效应,从而提高动态范围和时间分辨率。通过模拟计算得到：在光电子初能量色散半高宽为1.6 eV、狭缝面积为10 mm×20 μm、时间分辨能力为500 fs时,软X射线变像管有用的动态范围约100倍。     

附加电极对扫描变像管性能的优化

通过分析影响变像管性能的主要因素,以提高其时间分辨率、空间分辨率和动态范围为优化思路,确定了在扫描变像管中荧光屏邻近区域引入等径螺旋电极以产生纵向均匀加速场的优化方案。分析得知,该优化结构可以在几方面改善变像管的性能:增加粒子到达荧光屏的纵向速度、减小粒子通过偏转板与荧光屏之间区域的渡越时间和渡越时间弥散、提高荧光屏的亮度。在横向约束带电粒子束的发散,通过减小空间电荷像差而改善电子光学系统的空间分辨率。另外,附加电极的引入也为降低加速阳极电位和偏转电极电位从而提高偏转系统的灵敏度提供了一定的空间。     

附加电极对扫描变像管性能的优化

 通过分析影响变像管性能的主要因素,以提高其时间分辨率、空间分辨率和动态范围为优化思路,确定了在扫描变像管中荧光屏邻近区域引入等径螺旋电极以产生纵向均匀加速场的优化方案。分析得知,该优化结构可以在几方面改善变像管的性能:增加粒子到达荧光屏的纵向速度、减小粒子通过偏转板与荧光屏之间区域的渡越时间和渡越时间弥散、提高荧光屏的亮度。在横向约束带电粒子束的发散,通过减小空间电荷像差而改善电子光学系统的空间分辨率。另外,附加电极的引入也为降低加速阳极电位和偏转电极电位从而提高偏转系统的灵敏度提供了一定的空间。     

双板电极结构X射线变像管数值模拟

对条纹相机所使用的一种具有双板电极结构的变像管（Bilamellar）进行了研究,这种变像管使用平板状电极和电四极透镜等设计,改善了传统轴对称结构变像管存在的不足。通过仿真模拟的方法建立了Bilamellar变像管的工作模型,对其结构构成、工作模式、成像特点等性能作出了分析评估。计算结果表明:根据这一思想设计的变像管结构可以更有效地控制空间电荷效应,并提高时间、空间分辨能力。     

大动态范围软X射线扫描变像管设计与测试

提出并设计了一种旨在获得大动态范围的软X射线扫描变像管.该管型在保证大的阴极有效使用面积的情况下,通过减小电子的渡越时间来减小空间电荷效应对扫描变像管性能的影响,从而改善扫描变像管的动态范围.借助于YAG皮秒激光器对其性能进行了实验评价,获得了时间分辨率优于31 ps和动态范围大于922的结果.     

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.     

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.     

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。     

行波前置短磁聚焦飞秒条纹管设计

设计了一款长度为265 mm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6 mm,放大率为2.4~2.5,动态空间分辨力大于55 lp/mm。经保守估算,条纹管的时间分辨力有望达到245 fs。     

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.     

Analysis of detectable range of multiple-slit streak tube imaging lidar

Multiple-slit streak tube imaging lidar is a promising flash imaging system. Its detectable range, affected by the detection of the unit sensitivity, operating mode, and visibility, are critical factors for the system design and applications. In order to discuss the lidar range measurement performance, a lidar equation based on the Lambert law is analyzed, and the relationship between the lidar detectable range and the emission power is simulated at different levels of visibility; the result shows that the detectable range of lidar developed in our laboratory reaches 2,500 m for a 23 km visibility. Outfield experiments were carried out to evaluate the system performance; a clear stripe image for a target located 1386 m away was gained under the condition of 15 km visibility. Finally, parameters that affect the lidar detectable range are discussed, and relevant methods to improve the lidar performance are proposed.