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。     

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。     

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。     

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。     

各向异性聚焦大动态条纹变像管

建立了各向异性聚焦大动态条纹变像管电子光学模型,通过求解整个系统的电场分布对可能的高压打火点进行了分析,研究了电四极透镜对条纹管放大倍率以及静态和动态像质的影响,并计算了该管型的时间畸变.结果表明,在20mm长狭缝的情况下,时间畸变为15ps,在这15ps内,偏转器所施加的扫描电压的变化范围仅为3.06V,因此由时间畸变导致狭缝像弯曲的现象几乎可以忽略.实验测试得该条纹相机的时间分辨可达1.8ps,在时间分辨为8ps时,动态范围超过1 000∶1.     

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.     

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。     

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.     

用于激光雷达的大探测面积超小型条纹管

利用三维电磁仿真软件CST模拟设计了一款小型电聚焦条纹管,在模拟中采用了正交实验法来确定条纹管各电极间距离及各电极电压。同时,根据条纹管像差定义对其像质进行了全面的理论分析和评价。优化设计的条纹管阴极有效工作面积直径大于28 mm,物理时间分辨率优于30 ps,边缘静态空间分辨率大于20 lp/mm,条纹管放大倍率为1.07,总管长仅为100 mm,管外围直径为50 mm。满足航天、空间探测以及海洋执法等应用领域非扫描式激光雷达技术对大探测面积、超小型条纹变像管的应用需求。     

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.     

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.     

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%.     

X射线皮秒变象管扫描相机时空分辨率测量

X射线皮秒变象管扫描相机是一种应用变象管技术测量X射线波段脉冲辐射而能达到皮秒级时间分辨率和微米级空间分辨率的时空测试系统,是高功率激光打靶产生等离子体诊断的有力工具。时间分辨率和空间分辨率是X射线皮秒变象管扫描相机最基本的性能参数。这些参数的测量有其不同于可见光扫描相机的特殊性。     

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。     

激光聚变领域高性能条纹相机研究现状与展望

条纹相机（包括X射线条纹相机和可见光光学条纹相机）是一种高时空分辨的诊断设备,在激光惯性约束聚变（ICF）物理实验研究中具有非常重要的应用。介绍了当今国内外激光聚变领域获得广泛应用的两种主要类型条纹相机的技术性能以及各自的技术特点,它们分别采用了同轴电极双聚焦电子光学扫描变像管和双板电极电子光学扫描管。在技术指标方面,重点论述了条纹相机动态范围的判据,分析了激光聚变实验对条纹相机动态范围的需求,介绍了当今国际上高性能条纹相机动态范围指标的现状。文章也介绍了和条纹相机发展应用相关的几项重要技术进展,这些进展包括先进光时标、抗辐射加固记录系统和抑制相机背景噪声的阴极选通技术。     

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.     

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。