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.     

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.     

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.     

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.     

采用多狭缝条纹管实现激光三维成像

为了实现高清晰,高准确的近距离和中距离探测,介绍了一种采用多狭缝条纹管实现激光三维成像的方法.多狭缝条纹管作为成像系统的核心器件,对成像准确起主要影响.通过对成像原理的分析以及条纹管参数之间的关系推导,对多狭缝条纹管的技术指标进行了计算和设计,得出了电子光学系统的主要设计指标.     

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.     

条纹管激光成像系统空间分辨力实验研究

简要分析了非扫描激光成像的技术优势,介绍了利用条纹管实现非扫描激光成像的工作原理,说明了图像空间分辨力与系统距离精度的对应关系。对影响图像空间分辨力的主要因素进行了理论分析,得到了系统总空间分辨力与各单元器件空间分辨力和放大倍率的对应关系,在此基础上,对现有条纹管成像系统进行了相应的计算,得到了空间分辨力的理论预期值;最后,提出了一种基于分辨力板成像的系统空间分辨力测试方法,设计了相应的验证实验,对实测图像进行了去噪处理和数据分析,得到了图像的衬比度传递函数(CTF)曲线,通过衬比度传递函数分析,计算出了成像系统的实际空间分辨力,并将实测的分辨力数据与理论值进行了对比分析。     

射束有效宽度与成像系统MTF关系的研究

射线成像系统的射线有效宽度是评定系统成像分辨率的重要成像指标。以试验的方法,通过测试系统成像的MTF,通过对成像分辨率与射线有效宽度的关系进行研究,为射线数字成像(DR)及工业CT系统设计提供了参考。     

飞秒条纹变相管的设计

设计了一种飞秒条纹变相管.采用静电聚焦,用Monte Carlo方法对光电子的初能量、初角度以及初位置进行抽样;用有限差分法计算阴极和栅极之间以及偏转板之间的电场分布;用四阶Lunge-Kutta法模拟跟踪大量（3000个）光电子的运行轨迹;统计分析了3000个电子在最佳像面上的时间分布、位置分布;给出了变相管的空间调制传递函数、时间分辨能力等基本参量.其时间分辨能力可望达到290.4 fs.     

一种多狭缝条纹变相管

设计了一种动态范围大、小型化条纹变相管,其时间分辨能力在2.6 ps左右,变相管的长度为196.532 mm,可以工作在单狭缝和多狭缝模式下,使得这种条纹变相管不但可以应用在激光核聚变、等粒子物理、激光技术、光生物、光化学等传统的超快诊断领域内,而且可以应用于海底探测以及空中预警等领域,可获得高速运动目标的三维空间+一维强度信息的探测.     

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。     

装架准确度对条纹管性能参量影响的研究

通过理论计算研究装架精度对条纹管性能的影响.计算条纹管偏差装架时的电子轨迹;计算条纹管偏差装架时的空间调制函数以及阴极面处圆图案在最佳相面处的图像,从而研究条纹管装架过程中各电极的偏差安装对条纹管空间分辨率、图像畸变程度的影响.结果表明.各电极的同轴度以及电极筒本身的加工精度是影响条纹管性能指标尤其是空间分辨率的主要因素.     

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。     

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。