分幅变像管动态空间分辨率的标定

为了提高激光惯性约束聚变实验二维成像诊断的精密化程度, 提出了分幅变像管动态空间分辨率的标定方法. 标定原理是以直边函数为物, 经光学系统成像后求解系统的调制传递函数, 从而获得系统的空间分辨率. 在神光Ⅱ装置上利用八路激光打靶产生1-3.5 keV能区的连续X 射线标定源, 照射高Z刀边材料, 并成像到分幅变像管阴极上, 分幅变像管采用脉冲选通工作模式获得动态像. 对分幅变像管采集的动态图像进行处理得到系统的调制传递函数. 根据调制传递函数为0.1时对应的空间截止频率, 得到系统的空间分辨率为20 lp/mm. 根据分幅变像管的动态空间分辨理论, 计算系统的极限空间分辨率为22.8 lp/mm. 标定结果略低于极限空间分辨率, 与理论基本吻合. 根据传统标定方法得到该分幅变像管的静态空间分辨率为22 lp/mm, 比动态空间分辨率略高. 在二维成像诊断时, 分幅变像管工作于动态选通模式, 故动态空间分辨率的标定结果更能真实地反映其成像诊断能力.     

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.     

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.     

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.     

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。     

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.     

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%.     

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。     

脉冲展宽分幅变像管色差特性分析

提出了一种短磁透镜成像的脉冲展宽分幅变像管,变像管阴极加载偏置-3 000 V直流电压和斜率为10 V/ps的斜坡电脉冲,斜坡脉冲使阴栅间加速电压发生变化,进而引入了与脉冲斜率成正比的额外色差,对该色差特性进行了分析。仿真结果表明,在色差作用下,不考虑电子图像时间长度,瞬态轴上空间分辨率在20 ps内从约60 lp/mm下降至约2 lp/mm;考虑电子图像时间长度后,电子图像的空间分辨率在20 ps内从约10 lp/mm下降至约2 lp/mm。根据仿真模型搭建了实验平台,实验结果表明,当阴极电压从-3 000 V变化至-2 860 V时,2.5 lp/mm分划板的图像调制度下降约为10%。     

全光固体条纹相机的理论及其静态实验研究

全光固体条纹相机采用空间调制抽运光激发平板波导光偏转器,通过精确控制抽运光和信号光之间的时间延迟,实现对入射到波导芯层信号光的偏转扫描.它能有效解决传统变像管条纹相机因空间电荷效应造成的动态范围降低以及光电阴极材料在红外波段探测受限等问题,且结构简单,系统稳定性高,理论时间分辨率可达皮秒甚至亚皮秒量级.本文围绕全光固体条纹相机的核心部件—–AlxGa1-xAs/GaAs/AlxGa1-xAs平板波导光偏转器,研究了在带填充效应、带隙收缩效应以及自由载流子吸收效应作用下GaAs折射率的变化情况;在GaAs折射率变化达到0.01量级,信号光束斑大小和波导宽度之比p=0.5时,得到系统的理论时间分辨率为2 ps;按照静态实验条件求得的理论空间分辨率为17 lp/mm,实验结果显示其值为9 lp/mm.     

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.     

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.     

Design study of hard X-ray tomography system to obtain a spatial resolution of 100 nm

An optic-based X-ray tomography system of a high spatial resolution using a conventional X-ray tube was proposed. The system had several X-ray optics: multilayer mirror for monochromatic X-ray, capillary optic for focusing X-ray onto a sample, and objective zone plate. The X-ray tomography system was designed for obtaining a spatial resolution of 100 nm. Design parameters for each optic were determined and optimized by ray tracing in considering X-ray intensity and reflectivity. The X-ray tomography system with a spatial resolution of 100 nm will provide a good inspect tool in bio-medical field and semiconductor applications.     

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。     

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。     

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。