宗方軻，顧 禮，張敬金，雷保國，郭寶平，楊勤勞

1) 深圳大學(xué)光電工程學(xué)院，廣東深圳518060；2)深圳大學(xué)光電子器件與系統(tǒng)教育部/廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518060

掃描變像管相機(jī)是具備超高時間分辨、高空間分辨和寬光譜響應(yīng)的高端科學(xué)測量與診斷儀器，在材料科學(xué)、等離子體物理、基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究和精密加工與制造等領(lǐng)域具有非常廣泛的用途[1]，尤其在慣性約束聚變(inertial confinement fusion, ICF)、核爆模擬、先進(jìn)常規(guī)武器設(shè)計(jì)與研制等國家戰(zhàn)略技術(shù)研究中不可或缺，甚至是唯一的重要診斷技術(shù)手段[2-4]．在ICF實(shí)驗(yàn)中靶丸內(nèi)部聚爆過程以及點(diǎn)火過程的研究中，高溫高密度等離子體所攜帶的能譜、空間以及時間信息是研究受控聚變技術(shù)的關(guān)鍵，目前僅有變像管相機(jī)能滿足這一領(lǐng)域的需求[5-6]，其可獲取內(nèi)爆動力學(xué)及內(nèi)爆壓縮動態(tài)圖像的一維空間分布及其隨時間的變化規(guī)律，具有皮秒級的高時間分辨，是研究臨界面運(yùn)動規(guī)律、界面不穩(wěn)定性及輻射場均勻性不可缺少的診斷工具[7-8]．

目前，中國深圳大學(xué)光電工程學(xué)院超快診斷中心對變像管超快相機(jī)的研究處于世界領(lǐng)先水平[9]，具備研制高性能軟X射線皮秒條紋相機(jī)的能力，其研制的條紋相機(jī)已具備20 lp/mm的空間分辨率和10 ps的時間分辨率，動態(tài)范圍已達(dá)2 000∶1[10]．隨著中國激光聚變研究的逐步推進(jìn)，基于原型實(shí)驗(yàn)裝置的探索，正式實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)正在搭建，它是一種擁有更大功率的三倍頻固體激光打靶實(shí)驗(yàn)裝置，輻射更強(qiáng)．為滿足打靶實(shí)驗(yàn)中核爆輻射信息的時空能譜等多維診斷，要求診斷設(shè)備具有更大的動態(tài)范圍和更強(qiáng)的抗輻射干擾能力[11]．

本研究根據(jù)中國激光聚變實(shí)驗(yàn)裝置特殊要求，研制應(yīng)用于ICF診斷平臺實(shí)驗(yàn)專用的軟X射線掃描相機(jī)，與前期研制的應(yīng)用于ICF的X射線掃描相機(jī)樣機(jī)相比有以下改進(jìn)：① 優(yōu)化電子光學(xué)系統(tǒng)，提高動態(tài)范圍；② 采用防電磁干擾技術(shù)手段提高相機(jī)抵抗強(qiáng)電磁輻射能力；③ 進(jìn)一步擴(kuò)大陰極狹縫長度，擴(kuò)展相機(jī)所獲取的信息量，滿足時間演化、空間分布及能譜變化等多維信息的精密化測量．

1 掃描相機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 相機(jī)機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

按照激光聚變實(shí)驗(yàn)裝置的要求，相機(jī)需要搭載于公共診斷搭載平臺上工作，需滿足在公共診斷搭載平臺上實(shí)現(xiàn)安裝、調(diào)試、送進(jìn)、收回和指向調(diào)節(jié)等功能．考慮到實(shí)驗(yàn)平臺的特殊要求，相機(jī)的總體設(shè)計(jì)考慮以下原則：① 相機(jī)的所有組件都需要具備模塊化結(jié)構(gòu)，以利于易損部件的維修、更換和屏蔽；② 相機(jī)的常規(guī)操作均采用遠(yuǎn)程控制，通過內(nèi)嵌的計(jì)算機(jī)控制器和以太網(wǎng)接口遠(yuǎn)程控制整個相機(jī)系統(tǒng)；③ 相機(jī)應(yīng)具備自我工作狀態(tài)的監(jiān)視能力，并采取自動報警和保護(hù)措施，確保相機(jī)安全運(yùn)行；④ 相機(jī)需滿足嚴(yán)格的電磁屏蔽要求，以避免點(diǎn)火裝置高能量激光發(fā)射的電磁干擾影響相機(jī)正常工作；⑤ 可從靶室外用光纖引入時標(biāo)光，從而使相機(jī)具備時間基準(zhǔn)和掃速校準(zhǔn)功能．

按照以上設(shè)計(jì)原則，X射線掃描相機(jī)將具備模塊化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，各模塊均有技術(shù)指標(biāo)要求和相對獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，各模塊之間的連接和拆卸簡便易行，以便快速更換維護(hù)．所設(shè)計(jì)的X射線掃描相機(jī)由氣室、條紋管、高性能門控像增強(qiáng)器、高壓電源模塊、掃描電路模塊、觸發(fā)信號延時模塊、基于嵌入式計(jì)算機(jī)(PC104)的相機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、基于數(shù)字信號處理器(digital signal processor, DSP)的工作參數(shù)及環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9部分組成．相機(jī)結(jié)構(gòu)原理見圖1．控制中心發(fā)出的信號指令通過光電轉(zhuǎn)換傳輸?shù)较鄼C(jī)，作為相機(jī)控制中樞的PC104控制相機(jī)的每一步動作，觸發(fā)信號通過延時系統(tǒng)控制掃描電路以及快門脈沖的產(chǎn)生，使掃描信號和增強(qiáng)器快門脈沖信號能夠在光信號到達(dá)相機(jī)時同時到達(dá)，確保光信號與電信號同步；直流高壓電源模塊為條紋管和增強(qiáng)器提供高壓支持，電源分配系統(tǒng)為高壓模塊、CCD和PC104等提供低壓電源，確保整個系統(tǒng)的正常工作．

圖1 X射線掃描相機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of X-ray streak camera

1.2 相機(jī)的氣室設(shè)計(jì)

相機(jī)的工作外部環(huán)境為高真空，所以氣密性是設(shè)計(jì)重點(diǎn)，相機(jī)的氣室結(jié)構(gòu)見圖2．氣室外結(jié)構(gòu)件均采用Al-Mg合金，可減小試驗(yàn)中的中子活化干擾；氣室腔體采用異形結(jié)構(gòu)在保證受力剛性的前提下減輕整體重量；采用整體加工以保證氣密性．氣室端面預(yù)備有光纖輸入輸出接口、電信號輸入接口、電源接口、冷卻循環(huán)水輸入輸出以及空氣循環(huán)輸入輸出接口．由于氣室外部為高真空工作環(huán)境，所有接口均使用航空級氣密接插件以保障氣密性．

由于空間限制，氣室內(nèi)部安置部件較密集，嵌入式計(jì)算機(jī)和電路控制部分的散熱問題也需要綜合考慮．熱源需分散處理并對各組件進(jìn)行合理布局，以保證熱氣流能順利排出．此外，在局部發(fā)熱較大區(qū)域(如PC104)增加水冷散熱片，從而控制內(nèi)部工作溫度，保證相機(jī)的正常運(yùn)行．

圖2 相機(jī)的氣室及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 (Color online)Mechanism of the air chamber for streak camera and its internal structure

1.3 X射線掃描相機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制設(shè)計(jì)

按照相機(jī)總體技術(shù)要求和使用環(huán)境的限制，相機(jī)控制與監(jiān)測系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程控制、環(huán)境檢測、掃描控制系統(tǒng)和CCD圖像采集4部分組成．

1.3.1 硬 件

遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制系統(tǒng)基于DSP和復(fù)雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device，CPLD)設(shè)計(jì)，兩器件通過總線連接，實(shí)現(xiàn)相機(jī)的全部狀態(tài)監(jiān)測和操作控制功能．其中，DSP為相機(jī)監(jiān)控和信號處理器件，與溫度、濕度、氣壓、流量、液位及高壓等傳感器通信；CPLD用于擴(kuò)展DSP的外部接口．可通過有線或無線手持調(diào)試設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，方便現(xiàn)場調(diào)試．

1.3.2 軟 件

在相機(jī)內(nèi)置的PC104上安裝Windows 操作系統(tǒng)，基于Windows系統(tǒng)的C語言編程開發(fā)相機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，利用以太網(wǎng)絡(luò)和光電轉(zhuǎn)換收發(fā)器實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的實(shí)時通信，實(shí)現(xiàn)對相機(jī)的遠(yuǎn)程操作與控制．

1.4 大動態(tài)高分辨X射線掃描管設(shè)計(jì)

軟X射線掃描相機(jī)的核心器件是條紋變像管，其剖面如圖3．條紋變像管是一種利用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)把光學(xué)信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訄D像的真空電子器件，其電子聚焦系統(tǒng)具有強(qiáng)聚焦特性，能把光電子束聚焦到微米量級，再利用熒光粉顆粒發(fā)光具有高分辨的特點(diǎn)得到高空間分辨圖像；它能利用光電陰極的快速時間響應(yīng)和電子束易于快速偏轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)分離出其攜帶的時間信息，從而得到高時間分辨圖像．

圖3 X射線條紋管模型剖面圖Fig.3 (Color online)Profile of the universal X-ray streak tube

根據(jù)總體技術(shù)指標(biāo)、各環(huán)節(jié)參數(shù)匹配條件以及工程化相機(jī)系統(tǒng)的特殊要求，兼顧并均衡大工作面積、高時間分辨、高空間分辨及小時間畸變等參數(shù)之間相互制約問題，優(yōu)化電子光學(xué)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足相機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求．總體設(shè)計(jì)原則如下：① 重新優(yōu)化設(shè)計(jì)掃描管高壓電子光學(xué)和結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高動態(tài)空間分辨率，擴(kuò)展動態(tài)范圍；② 增大放大倍率；③ 縮短聚焦區(qū)長度；④ 提高電光轉(zhuǎn)換效率；⑤ 較高的掃描管工作電壓，兼顧高的電光轉(zhuǎn)換效率和高的偏轉(zhuǎn)靈敏度；⑥ 增大熒光屏工作電壓；⑦ 通過優(yōu)化電子光學(xué)設(shè)計(jì)減小空間電荷效應(yīng)等措施，進(jìn)一步提升動態(tài)范圍．

1.5 X射線掃描相機(jī)耐高壓與抗電磁干擾設(shè)計(jì)

1.5.1 耐高壓方案

1)內(nèi)部環(huán)節(jié)：提升掃描變像管自身耐高場強(qiáng)性能；優(yōu)化掃描變像管工作環(huán)境(如提高真空度和優(yōu)化真空衛(wèi)生等)．

2)外部環(huán)節(jié)：采用精巧的密封結(jié)構(gòu)，解決了高壓電源、分壓器、高壓調(diào)整(聚焦調(diào)整電位器)及高壓接頭等對空氣放電的難題．

1.5.2 抗電磁干擾方案

1) 各主要部分實(shí)現(xiàn)模塊化并合理布局(防外部和互干擾)．

2) 采用大功率電子器件，增強(qiáng)掃描電路的抗電磁干擾能力，使掃描電路在強(qiáng)輻射下依然能保持正常工作狀態(tài)．

3) 掃描管樣管光輸入端采用電屏蔽結(jié)構(gòu)．

4) 氣室內(nèi)采用特殊的電磁復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)．

5) 氣室結(jié)構(gòu)及表面采取特殊技術(shù)處理，保證電連續(xù)性，抵消部分電磁干擾．

2 實(shí)驗(yàn)測試方案

動態(tài)實(shí)驗(yàn)使用一臺鈦寶石紫外飛秒激光器作為輻射光源，通過調(diào)整使其在單次輸出狀態(tài)工作，輸出激光脈寬為130 fs、單脈沖能量為30 μJ，波長為266 nm ．掃描相機(jī)動態(tài)測試光路排布如圖4．主激光束經(jīng)取樣鏡后進(jìn)入分束鏡(45°半透半反)，分束鏡透射的激光由吸收體吸收，反射的激光進(jìn)入法布里-波羅標(biāo)準(zhǔn)具，標(biāo)準(zhǔn)具用于提供一個標(biāo)準(zhǔn)的時間刻度，由2片表面嚴(yán)格平行的反射鏡組成，前反射鏡的后表面鍍半透半反膜，后反射鏡的前表面鍍?nèi)茨ぃ?dāng)一束激光脈沖由前反射鏡入射時，標(biāo)準(zhǔn)具將反射一系列等時間間隔、能量等比衰減的脈沖序列．脈沖的時間間隔Δt由兩反射鏡間距d確定(Δt=2nd/c，其中，n為空氣折射率； c為光速)，可根據(jù)標(biāo)定不同檔位時的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)．由標(biāo)準(zhǔn)具反射的激光脈沖序列經(jīng)光纖或準(zhǔn)直系統(tǒng)后進(jìn)入掃描相機(jī)照射在光電陰極上輻射出光電子，當(dāng)這些光電子經(jīng)掃描管的加速聚焦后到達(dá)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)入口時，觸發(fā)信號觸發(fā)掃描電路使偏轉(zhuǎn)器處于正常工作狀態(tài)，這樣電子脈沖序列就按照時間順利依次偏轉(zhuǎn)轟擊熒光屏產(chǎn)生等間距的一系列條紋，利用這些條紋間距代表的時間信息就可以標(biāo)定相機(jī)的時間特性．掃描相機(jī)的觸發(fā)信號由取樣鏡輸入觸發(fā)探測器產(chǎn)生，為使相機(jī)觸發(fā)信號的傳輸與信號光的傳輸同步, 在探測器與掃描相機(jī)間連接一個可調(diào)時間延遲的延時箱．光脈沖序列產(chǎn)生的光電子脈沖序列經(jīng)掃描變像管掃描偏轉(zhuǎn)分離出其攜帶的時間信息并成像于熒光屏上，最后由CCD相機(jī)讀取和記錄．

圖4 X射線掃描相機(jī)實(shí)驗(yàn)測試原理圖Fig.4 Experimental principle of X-ray streak camera

3 測試結(jié)果和討論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試方案建立專用實(shí)驗(yàn)平臺，通過調(diào)整合適激光強(qiáng)度對研制的X射線掃描相機(jī)進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，并利用SI1000科學(xué)級CCD相機(jī)獲得數(shù)據(jù)．相機(jī)最高電壓設(shè)置為12 kV，陰柵電場為4 kV/mm，掃速分為2、4、8和16 ns 4擋，分別滿足核爆測試時對寬量程和精細(xì)化測量的不同需求．

相機(jī)的動態(tài)分辨測試結(jié)果見圖5．在加載動態(tài)掃描電壓情況下，熒光屏上顯示的圖像條紋對比度見表1．可見，15 lp/mm的條紋對比度達(dá)到了32.5%，20 lp/mm的條紋對比度達(dá)到了26.9%，由此確定相機(jī)的動態(tài)空間分辨大于20線對．

圖5 X射線條紋相機(jī)動態(tài)空間分辨測試圖Fig.5 (Color online)Dynamic spatial resolution of X-ray streak camera

分化條紋分辨率/lp·mm-1背景強(qiáng)度峰值強(qiáng)度谷值強(qiáng)度調(diào)制度/%1519352231432.52019359942726.9

動態(tài)測試時，時間標(biāo)準(zhǔn)距的光程差設(shè)置為18 mm，時間間隔120 ps．相機(jī)設(shè)置在掃速最高檔，測試結(jié)果見圖6．測試光斑按照時間順序依次被掃描開，2個光斑的距離對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)距所確定的時間差，即120 ps，經(jīng)數(shù)據(jù)后期計(jì)算處理，狹縫像峰峰間距125像素，條紋平均寬度5.25像素，按照相機(jī)的設(shè)定掃速為89.6 ps/mm，則經(jīng)過換算得到像寬5.25像素代表的時間寬度為5.04 ps，所以，可以確定本掃描管的時間分辨率可以到達(dá)5.04 ps．

掃描相機(jī)動態(tài)范圍定義為在條紋寬度擴(kuò)展小于20%情況下，最大光強(qiáng)與最小可探測光強(qiáng)之比[12]．圖7為掃描相機(jī)的動態(tài)范圍測試結(jié)果．動態(tài)范圍的測試值和光陰極感光范圍及其平均輻照光強(qiáng)度有關(guān)，陰極受輻射的范圍越長，動態(tài)范圍的測試值會下降，這與變像管中的光電流密度有關(guān)，工作狀態(tài)下光電子數(shù)目越多，光電流密度越大，電子束空間電荷效應(yīng)增強(qiáng)使電子束擴(kuò)展嚴(yán)重，從而導(dǎo)致動態(tài)范圍下降明顯．在ICF診斷中核爆輻射照射陰極時也只是覆蓋一小部分，并沒有照亮全陰極．因此，根據(jù)中國ICF研究對變像管掃描相機(jī)的實(shí)際使用情況，并結(jié)合中國對掃描相機(jī)動態(tài)范圍通用的測試方法，本研究在測試掃描相機(jī)的動態(tài)范圍時，也僅在陰極一小部分感光的情況下進(jìn)行．按照中國對動態(tài)范圍的通用計(jì)算方法，在條紋寬度擴(kuò)展小于20%的狀態(tài)下，最大條紋強(qiáng)度Imax=24 701.28，最小條紋強(qiáng)度Imin=15.16，背景強(qiáng)度Iback=4.12，光強(qiáng)扣除背景噪聲后，動態(tài)范圍D為

圖6 掃描相機(jī)動態(tài)時間分辨率測試圖Fig.6 (Color online)Dynamic temporal resolution test chart

圖7 掃描相機(jī)動態(tài)范圍測試結(jié)果Fig.7 (Color online)Test results for dynamic range of streak camera

結(jié) 語

本研究按照中國激光聚變研究多維信息診斷的精密化測量需求，根據(jù)中國激光聚變實(shí)驗(yàn)裝置特點(diǎn)，研制應(yīng)用于ICF診斷平臺實(shí)驗(yàn)專用軟X射線掃描相機(jī)．在原有實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的研發(fā)基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化掃描變像管電子光學(xué)設(shè)計(jì)，提升掃描相機(jī)的時間分辨性能和動態(tài)范圍．測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的X射線掃描相機(jī)時間分辨為5 ps，動態(tài)空間分辨大于20 lp/mm，動態(tài)范圍為2 237∶1，掃描相機(jī)性能比前期制作的相機(jī)有顯著提高，滿足中國現(xiàn)階段激光聚變研究裝置的應(yīng)用需求，對未來激光聚變試驗(yàn)的多維精密化診斷提供有力技術(shù)支持，對ICF研究中更精確高效地獲取內(nèi)爆信息具有重要的意義．