短磁聚焦时间展宽分幅变像管成像性能及像差分析

分幅变像管是惯性约束聚变诊断实验中重要的二维空间分辨诊断设备。为研究短磁聚焦时间展宽分幅变像管的成像性能,通过计算像管中电子运动轨迹和成像分布来模拟空间分辨率和成像面,并采用像差理论展开分析。结果表明,短磁聚焦成像系统的球差和场曲是造成像管空间分辨性能下降的主要因素,单/双透镜像管球差系数分别为0.229和0.07,场曲分别为0.021和0.009。球差系数和场曲越小,像管的成像性能越好。     

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.     

基于条纹管的压缩超快成像系统理论模拟

对基于压缩感知和条纹相机的压缩超快成像系统进行模拟仿真,原始三维图像I(x-y-t)经数字微镜设备（digital micromirror devices, DMD）进行编码调制,然后传输至狭缝全开条纹变像管,经偏转电场作用后,多幅不同时间图像将叠加,并在CCD上输出最后积分图像。采用总变分还原算法将CCD积分图像重构出多幅原始图像I(x-y-t)。对压缩超快成像系统的图像采集过程及还原算法进行了模拟仿真,获得了激光在空气介质中传输过程的8幅动态二维图像,每幅图像的曝光时间为12.5 ps,重构信号与原始信号的相似度为92%。     

棱镜分光光谱仪的光学系统设计与光谱特性计算

设计了离轴全球面成像光谱仪和离轴校正透镜棱镜分光成像光谱仪两种光学系统.在离轴全球面成像光谱仪的基础上,提出了改进型离轴校正透镜光谱仪,仅采用一个色散棱镜,避免了大口径同心透镜;有效校正了大视场像差,色散非线性修正效果显著.通过调节离轴角和光谱仪的焦距控制了畸变,补偿了与波长相关的狭缝弯曲,减小了残余像差,并降低了整个光谱仪工程实施的难度.从工程合理性、加工可实现性和光学性能等方面比较了两个系统的特点,推导和给出了光谱分辨率和狭缝弯曲的计算结果.从设计结果看,改进型离轴校正透镜光谱仪的传递函数最小值大于75%,而离轴全球面成像光谱仪的最小值只大于60%.从加工难易程度看,离轴全球面成像光谱仪采用一个接近Φ200mm的石英透镜,其透射材料远不如改进型离轴校正透镜光谱仪透镜材料的均匀性和面形准确度高,而且大口径透镜大大增加了制备难度和成本.从工程布局看,改进型离轴校正透镜光谱仪充分考虑了与机械结构的匹配,狭缝与第一面反射镜的轴向距离较合理.从光谱特性看,两个光学系统的光谱分辨率结果基本接近,离轴全球面成像光谱仪光谱弯曲结果略好于离轴校正透镜结构.因此,综合比较得出离轴校正透镜光谱仪是最佳的选择方案,该系统可应用在短波红外波段的光谱成像的遥感探测.     

棱镜分光光谱仪的光学系统设计与光谱特性计算

设计了离轴全球面成像光谱仪和离轴校正透镜棱镜分光成像光谱仪两种光学系统.在离轴全球面成像光谱仪的基础上,提出了改进型离轴校正透镜光谱仪,仅采用一个色散棱镜,避免了大口径同心透镜;有效校正了大视场像差,色散非线性修正效果显著.通过调节离轴角和光谱仪的焦距控制了畸变,补偿了与波长相关的狭缝弯曲,减小了残余像差,并降低了整个光谱仪工程实施的难度.从工程合理性、加工可实现性和光学性能等方面比较了两个系统的特点,推导和给出了光谱分辨率和狭缝弯曲的计算结果.从设计结果看,改进型离轴校正透镜光谱仪的传递函数最小值大于75％,而离轴全球面成像光谱仪的最小值只大于60％.从加工难易程度看,离轴全球面成像光谱仪采用一个接近Φ200 mm的石英透镜,其透射材料远不如改进型离轴校正透镜光谱仪透镜材料的均匀性和面形准确度高,而且大口径透镜大大增加了制备难度和成本.从工程布局看,改进型离轴校正透镜光谱仪充分考虑了与机械结构的匹配,狭缝与第一面反射镜的轴向距离较合理.从光谱特性看,两个光学系统的光谱分辨率结果基本接近,离轴全球面成像光谱仪光谱弯曲结果略好于离轴校正透镜结构.因此,综合比较得出离轴校正透镜光谱仪是最佳的选择方案,该系统可应用在短波红外波段的光谱成像的遥感探测.     

高灵敏高稳定的碘化铯阴极密封式分幅变像管研制

为解决采用Au光电阴极、开放式结构的分幅变像管探测效率低、稳定性差的问题,研制了一种采用CsI光电阴极的密封式分幅变像管。为了对比不同光电阴极对X射线的响应强度,密封式分幅变像管制作有一条Au微带阴极和一条CsI微带阴极。完成了密封式分幅变像管的结构设计、工艺制作和实验测试。研究结果表明:当加载半高宽度200 ps、幅值?2.7 kV的选通脉冲时测得其时间分辨为65 ps;在非单色高能X射线源照射下,CsI阴极的静态响应强度是Au阴极的3.4倍;大气环境中存储1000 h后密封式分幅变像管的静态响应强度仅降低到完成制作时的83%。上述结果表明采用CsI阴极的密封式分幅变像管具有更高的探测效率和稳定性,可有效提升X射线分幅成像质量和可靠性。     

时间展宽X射线分幅相机空间分辨特性

利用Monte Carlo方法、有限元法和有限差分法建立了时间展宽X射线分幅相机的理论模型,对相机静态空间分辨特性进行了理论研究。当光电阴极的电压为-3kV,采用三个磁透镜,成像倍率为2:1时,相机的静态空间分辨率优于110μm.研究了空间分辨率与发射位置、阴极电压、磁聚焦透镜数量的关系.模拟结果表明,发射位置离中心越近,阴极电压越高,磁聚焦透镜个数越多,空间分辨率越好.此外,平面的光电阴极经磁聚焦透镜成像后,像面不是一个平面而是一个曲面.     

应用于数字高速成像的离轴光学系统设计

为提高数字高速多幅相机的像面照度,简化光学系统结构,提出一种离轴光学系统设计方法。该系统使用多组相同物镜,采用圆心一组,圆周均匀分布多组的方式平行阵列排布。分布于圆周上的物镜,其像面接收器相对物镜轴心平移离轴,以获得与圆心物镜相同的物面图像。分析了单物镜像面照度、畸变等与视场有关参数对光学系统各像面匹配的影响。在此基础上给出一个5通道离轴光学系统设计实例,系统空间分辨率优于30 lp/mm,畸变小于0.1%,F数2.0。相比目前广泛采用的棱锥、棱镜分幅方式,该离轴光学系统像面照度增加5倍以上,系统结构简易。     

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%。     

大视场离轴三反光学系统场曲特性与装调方法

基于矢量波像差理论,分析了离轴三反光学系统装调过程中在小量失调状态下的场曲特性,提出了通过倾斜焦面补偿系统失调产生场曲的方法。在此基础上,结合某遥感相机进行了仿真模拟,具体分析了焦面分视场数目与三反射镜安装精度要求的关系,提出了系统装调流程和方法。利用测试相机调制传递函数的方法,对相机的场曲特性进行了测试,并通过修正焦面倾角实现场曲像差补偿。修正后的相机边缘视场调制传递函数得到明显提升,相机各视场调制传递函数均优于0.21。