李晉 楊品 楊志文 張興 劉慎業(yè) 董建軍 楊正華 任寬 李穎潔 張璐 胡昕

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽 621900)

為解決基于X 光條紋相機(jī)技術(shù)的時(shí)間分辨光譜診斷系統(tǒng)存在測譜范圍窄、譜分辨較差的問題,采用雙通道電四極透鏡在空間方向聚焦電子和平板電極在時(shí)間方向壓縮電子的方法,研制出一種雙通道條紋相機(jī)掃描變像管,這種變像管可同時(shí)對兩條陰極發(fā)射電子束進(jìn)行聚焦掃描偏轉(zhuǎn),能大幅度提升變像管有效陰極長度,從而提升時(shí)間分辨光譜診斷系統(tǒng)的測譜范圍和譜分辨.實(shí)測結(jié)果表明,研制的變像管有效陰極長度達(dá)到44 mm,空間分辨優(yōu)于15 lp/mm,偏轉(zhuǎn)靈敏度優(yōu)于40 mm/kV.進(jìn)一步優(yōu)化變像管結(jié)構(gòu)和采用高靈敏度圖像記錄系統(tǒng)以去除像增強(qiáng)器,可將變像管有效陰極提升到50 mm,空間分辨提升到25 lp/mm.

1 引言

基于X 光條紋相機(jī)[1?11]技術(shù)的時(shí)間分辨光譜測量系統(tǒng)[12?19]是診斷待測X 射線能譜隨時(shí)間變化過程的核心診斷設(shè)備,在高溫輻射物理與輻射流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)、極端條件高壓物理實(shí)驗(yàn)、內(nèi)爆物理實(shí)驗(yàn)等諸多激光聚變物理實(shí)驗(yàn)研究和高能量密度物理實(shí)驗(yàn)研究中都是不可或缺的診斷設(shè)備[12,14,16?23].時(shí)間分辨光譜測量系統(tǒng)采用晶體、光柵或反射鏡等作為分光元件將靶點(diǎn)出射的不同波長X 光分光到條紋相機(jī)陰極的不同位置,X 光條紋相機(jī)作為記錄設(shè)備,沿著陰極狹縫方向記錄X 射線的譜信息,而在垂直于陰極狹縫方向記錄信號的時(shí)間信息.顯然,X 光條紋相機(jī)的有效陰極長度和空間分辨對時(shí)間分辨光譜測量系統(tǒng)的測譜范圍和譜分辨具有重要影響.受制于當(dāng)前X 光條紋相機(jī)的有效陰極長度和空間分辨,通常使用的時(shí)間分辨光譜測量系統(tǒng)存在測譜范圍窄、譜分辨較差的缺點(diǎn).

X 射線條紋相機(jī)是通過掃描變像管將X 射線轉(zhuǎn)換為電子,然后將電子聚焦偏轉(zhuǎn)到熒光屏的不同位置而獲得時(shí)間分辨.因此變像管是X 射線條紋相機(jī)的核心組成部分,對相機(jī)性能具有重要影響,特別是變像管的有效陰極長度決定了相機(jī)的視場大小.文獻(xiàn)[2,5,8]報(bào)道的實(shí)用型X 光條紋相機(jī)變像管陰極長度為30 mm,但受像差影響,變像管中心與邊緣的空間分辨差別較大,實(shí)際可使用的陰極長度較短.美國LLNL 實(shí)驗(yàn)室的MacPhee 等[10]通過矯像差技術(shù)提升了變像管邊緣的空間分辨,使得變像管的陰極長度達(dá)到30 mm 時(shí),陰極各位置的空間分辨都可以維持在15 lp/mm 左右,這較大程度提升了變像管性能.但未來在更大激光裝置上開展的慣性約束聚變物理實(shí)驗(yàn)中,需要測量的靶尺寸以及譜范圍、譜分辨都有更高的要求,需要更長的陰極以獲得更多的分辨單元.傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的單陰極X 射線條紋相機(jī)陰極尺寸受變像管限制,很難做到40 mm 以上.因此,本文創(chuàng)新發(fā)展了一種雙陰極X 射線掃描變像管,其有效陰極長度達(dá)到了44 mm,陰極各位置空間分辨優(yōu)于15 lp/mm,為當(dāng)前陰極長度最長的X 射線條紋相機(jī)掃描變像管.

2 雙陰極變像管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

為提升變像管有效陰極長度,創(chuàng)新采用平板電極加兩組電四極透鏡變像管結(jié)構(gòu),使得變像管能夠同時(shí)對兩條陰極電子束進(jìn)行掃描偏轉(zhuǎn),設(shè)計(jì)的變像管電子光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示,結(jié)構(gòu)類似于法國Photonis 公司推出的雙板變像管[1],其包含陰極、時(shí)間方向預(yù)聚焦電極組、電四極透鏡電極組、時(shí)間方向主聚焦電極組、掃描偏轉(zhuǎn)板以及熒光屏,但與文獻(xiàn)[1]中的雙板變像管結(jié)構(gòu)不同的是,本文的變像管具有兩條狹縫陰極,當(dāng)X 射線入射時(shí),可以同時(shí)發(fā)射出兩條電子束,并且該變像管的電四極透鏡電極組由8 個(gè)弧形電極組成兩組電四極透鏡,如圖2 所示.變像管陰極發(fā)射出的兩條電子束,在時(shí)間方向上先由時(shí)間方向預(yù)聚焦電極組加速并進(jìn)行預(yù)聚焦,后由時(shí)間方向主聚焦電極組進(jìn)行壓縮;在空間方向上,兩條電子束分別由兩組電四極透鏡進(jìn)行獨(dú)立聚焦.電子束經(jīng)過聚焦電極后,由偏轉(zhuǎn)板掃描偏轉(zhuǎn)到熒光屏的不同位置而獲得時(shí)間分辨.這種新穎結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),能使變像管能夠同時(shí)對兩條電子束同時(shí)進(jìn)行聚焦,可增大變像管陰極的可用長度.兩條電子束在時(shí)間方向上共用平板聚焦電極使得變像管的結(jié)構(gòu)緊湊,而在空間方向上的電四極透鏡電極結(jié)構(gòu)小巧,不會使變像管體積增大太多.

圖1 雙陰極變像管結(jié)構(gòu) 1-光陰極,2-平板電極I,3-平板電極II,4-平板電極III,5-電四極透鏡聚焦組,6-平板電極IV,7-平板電極V,8-平板電極VI,9-偏轉(zhuǎn)板,10-熒光屏Fig.1.Structure of dual-cathode streak tube: 1-photocathode,2-plate electrode I,3-plate electrode II,4-plate electrode III,5-quadrupole lens,6-plate electrode IV,7-plate electrode V,8-plate electrode VI,9-deflector,10-screen.

圖2 電四極透鏡結(jié)構(gòu)Fig.2.Structure of quadrupole lens.

設(shè)計(jì)的變像管陰極電壓為–12 kV,陰柵距離為5 mm,陰柵場強(qiáng)為2.4 kV/mm;陰極分為兩段,間距約為 13 mm,每段陰極長度大于 20 mm,陰極距離熒光屏 300 mm,沿著陰極方向最長尺寸為90 mm.圖3 給出了雙陰極變像管的陰極發(fā)射面和成像面的電子分布,根據(jù)電子分布情況可以得出變像管的放大倍數(shù)和有效陰極長度.從圖3 可看出,陰極發(fā)射面的單條陰極電子分布長度為25 mm,成像后單條陰極電子長度為39 mm,故變像管的放大率約為1.56 倍,采用80 mm 口徑熒光屏能滿足50 mm 長度陰極成像需求.同時(shí)可以看出兩條電子束在像面上中心存在一定間隔,能保證兩條電子束不會相互竄擾.設(shè)計(jì)過程中值得注意的是,兩組電極透鏡之間可能由于距離較近,電場會存在相互干擾導(dǎo)致電場畸變.通過對模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,當(dāng)兩組電四極透鏡距離為6 mm 時(shí),兩電四極透鏡間不存在相互干擾,可保證成像質(zhì)量.

圖3 陰極成像效果(藍(lán)色為陰極發(fā)射面電子分布,紅色為像面電子分布)Fig.3.Cathode imaging results (Blue is electron distribution on cathode emission plane,red is electron distribution on image plane).

完成變像管電子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后,對變像管進(jìn)行封裝設(shè)計(jì),采用高強(qiáng)度鋁合金骨架對各電極進(jìn)行支撐,同時(shí)采用精密陶瓷定位塊保證電極的裝配精度和電極間的絕緣,變像管內(nèi)部電極的電壓加載由后端轉(zhuǎn)接法蘭上面的氣密高壓連接器輸入,設(shè)計(jì)的變像管和實(shí)際制作的結(jié)構(gòu)如圖4 所示.

圖4 變像管結(jié)構(gòu) (a) 內(nèi)部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu);(b) 外部結(jié)構(gòu);(c) 內(nèi)部實(shí)際制作結(jié)構(gòu)Fig.4.Structure of the streak tube: (a) Internal design structure; (b) external structure; (c) actual production structure.

3 雙陰極變像管性能測試

對雙陰極變像管的空間分辨、有效陰極長度、偏轉(zhuǎn)靈敏度等性能進(jìn)行測試,測試排布如圖5 所示.由于雙陰極變像管的熒光屏較大,達(dá)到了80 mm,而當(dāng)前能夠獲得的像增強(qiáng)器尺寸僅為40 mm,圖像記錄系統(tǒng)有效記錄尺寸為37 mm,因此采用大面陣縮比光錐對熒光屏圖像進(jìn)行縮像后,再耦合40 mm 高空間分辨像增強(qiáng)器對圖像進(jìn)行增強(qiáng),最后在像增強(qiáng)器后端耦合高性能科學(xué)級CCD 相機(jī)對圖像進(jìn)行記錄存儲.對變像管的性能進(jìn)行測試時(shí),陰極采用分劃陰極,每組分劃陰極圖案包含5,10,15,20,25 和30 lp/mm 6 種分辨單元.

圖5 變像管性能測試器件排布圖Fig.5.Layout of test devices for streak tube performance.

圖6 為采用光錐對圖像縮像后,再耦合像增強(qiáng)器對圖像進(jìn)行正確增強(qiáng),由CCD 相機(jī)記錄得到的圖像,圖像中心空間分辨皆達(dá)到了15 lp/mm,邊緣為10 lp/mm.為進(jìn)一步研究變像管的性能,還采用去除光錐,直接耦合像增強(qiáng)器的方式對空間分辨進(jìn)行了測試,測試結(jié)果見圖7.此時(shí),中心空間分辨達(dá)到25 lp/mm,邊緣空間分辨達(dá)到20 lp/mm.由此可見,像增強(qiáng)器對空間分辨造成了較大的影響,采用更高靈敏度的圖像記錄系統(tǒng)以去除像增強(qiáng)器的使用,可提升變像管空間分辨,同時(shí)保證變像管的靈敏度.

圖6 耦合像增強(qiáng)器時(shí)的空間分辨率測試圖像Fig.6.Spatial resolution test image coupled with image intensifier.

圖7 無像增強(qiáng)器時(shí)的空間分辨率測試圖像Fig.7.Spatial resolution test image without image intensifier.

從圖6 和圖7 中還可得出陰極有效長度,圖像上共約有10 組分辨單元,實(shí)際制作的分劃陰極每組分辨單元占用的長度為4.4 mm,因此得出有效陰極長度約為44 mm,實(shí)際測試與設(shè)計(jì)的50 mm有一定差別,這是由于實(shí)際結(jié)構(gòu)中熒光屏到陰極的距離比設(shè)計(jì)長約10 mm,這導(dǎo)致變像管放大倍數(shù)更大,設(shè)計(jì)值為1.57,而實(shí)際值約為1.7 倍.通過縮短實(shí)際結(jié)構(gòu)中熒光屏到陰極的距離,可以將有效陰極長度提升到50 mm,但這會縮小變像管放大倍數(shù),可能會對空間分辨造成一定影響.

偏轉(zhuǎn)靈敏度是評估變像管掃描快慢的重要指標(biāo),對條紋相機(jī)時(shí)間分辨存在較大影響.對雙陰極變像管的偏轉(zhuǎn)靈敏度進(jìn)行測試,測試時(shí)在偏轉(zhuǎn)板上加載一定偏壓,實(shí)現(xiàn)對電子束的靜態(tài)偏轉(zhuǎn),根據(jù)偏轉(zhuǎn)距離和加載的偏轉(zhuǎn)電壓計(jì)算得出偏轉(zhuǎn)靈敏度.偏轉(zhuǎn)靈敏度測試圖像如圖8 所示,其中最右邊為偏轉(zhuǎn)板接地時(shí)的靜態(tài)像,中間為上偏轉(zhuǎn)板加+100 V、下偏轉(zhuǎn)板加–100 V 時(shí)的偏轉(zhuǎn)像,左邊為上偏轉(zhuǎn)板加+200 V、下偏轉(zhuǎn)板加–200 V 時(shí)的偏轉(zhuǎn)像,依據(jù)偏轉(zhuǎn)距離計(jì)算得出偏轉(zhuǎn)靈敏度為40 mm/kV (陰極電壓為–10 kV).研究表明,當(dāng)偏轉(zhuǎn)電壓增大到一定程度后,電子將被偏轉(zhuǎn)板邊緣攔截,變像管實(shí)際有效掃描范圍約為40 mm.假設(shè)全屏測量時(shí)間窗口為2 ns,則掃速為50 ps/mm,結(jié)合變像管的陰柵場強(qiáng)和靜態(tài)像寬初步推算其時(shí)間分辨優(yōu)于10 ps.

圖8 偏轉(zhuǎn)靈敏度測試圖像Fig.8.Deflection sensitivity test image.

4 結(jié)論

采用雙通道電四極透鏡,在空間方向聚焦電子和平板電極,在時(shí)間方向壓縮電子的方法,發(fā)展了一種雙通道條紋相機(jī)掃描變像管,初步測試結(jié)果表明,變像管有效陰極長度為44 mm,偏轉(zhuǎn)靈敏度達(dá)到40 mm/kV.在采用像增強(qiáng)器對圖像進(jìn)行增強(qiáng)時(shí),空間分辨中心位置優(yōu)于15 lp/mm,邊緣優(yōu)于10 lp/mm.去除像增強(qiáng)器后,變像管空間分辨中心位置提升到25 lp/mm,邊緣提升到20 lp/mm.像增強(qiáng)器對變像管空間分辨存在較大影響,去除像增強(qiáng)器可提升變像管空間分辨,但整體靈敏度將會受到影響.采用高靈敏度圖像記錄系統(tǒng),直接耦合變像管熒光屏實(shí)現(xiàn)圖像的記錄存儲應(yīng)是獲得高空間分辨同時(shí)維持整體靈敏度的折中方法.進(jìn)一步優(yōu)化變像管陰極到熒光屏的距離,可將變像管有效陰極長度提升到50 mm 以上.