各向异性聚焦大动态条纹变像管

发布时间：2020-02-07

　　摘 要：建立了各向异性聚焦大动态条纹变像管电子光学模型，通过求解整个系统的电场分布对可能的高压打火点进行了分析，研究了电四极透镜对条纹管放大倍率以及静态和动态像质的影响，并计算了该管型的时间畸变.结果表明，在20mm 长狭缝的情况下，时间畸变为15ps，在这15ps内，偏转器所施加的扫描电压的变化范围仅为3.06V，因此由时间畸变导致狭缝像弯曲的现象几乎可以忽略.实 验 测 试得该条纹相机的时间分辨可达1.8ps，在时间分辨为8ps时，动态范围超过1000∶1.

　　关键词：条纹相机;数值计算;动态范围;狭缝像;时间畸变;电四极透镜

　　0 引言

　　激光惯性约束聚变(InertialConfinementFusion，ICF)研究对推动高能量密度物理发展和可控核聚变能源开发等具有重要意义[1].近年来，随着超强超短激光和高能粒子束能量、功率的不断提高，ICF研究持续深入，取得了许多重大进展[1].然而，在逐渐逼近认知不足的极端物理状态时，ICF研究依然存在很多难题，如辐射或粒子与等离子体的相互作用微观机制、高能量密度物质的产生及其宏观物理性质等[2]，这些研究势必需要借助于高分辨超快诊断设备的发展.条纹相机同时具备皮秒级乃至飞秒级时间分辨和微米级空间分辨，可用于对ICF实验中内爆过程与靶丸运行轨迹的诊断以及内爆等离子体辐射信息的测量，是ICF研究中微观和超快过程探测的重要手段.

　　但在ICF实验中，需要在极端状态下(高温约108K，高密度约200g/cm3，强干扰)，通过单次实验诊断极小空间尺度(约100μm)、超快时间尺度(小于100ps)的大范围辐射强度变化(约10000∶1)的信号.其中，待测信号的强度变化范围对条纹相机的动态范围提出了极高的要求[3].条纹相机的动态范围主要受到条纹变像管和像增强器两方面的限制.条纹变像管方面，限制动态范围的因素主要是电子光学系统中的空间电荷效应和噪声，当待测光信号太强时，阴极产生的光电子数很多，空间电荷效应严重，电子脉冲峰值高度降低，偏离了与原信号幅度成正比的关系，探测信号失真.当待测光信号太弱时，光电子易被噪声淹没.所以空间电荷效应与噪声限制了条纹相机可探测的强弱信号比，导致动态范围降低.为此，法国的 Photonis公司和德国 Optronis公司提出采用矩形框聚焦电极系统与电四极透镜组合的方案[4-5]，使电子束在变像管运行过程中时间方向与空间方向的焦点位于不同位置，从而避免产生电荷密度高度集中的交叉点，有效地抑制了空间电荷效应，提高动态范围与时间分辨[6-7].国内西安光机所田进寿课题组在此基础上进一步优化设计[8]，研制了多种大动态范围条纹相机[9-10]，但相机的光谱响应范围均局限于紫外光到 X射线波段，要将光谱响应范围拓展到可见光范围，还需要克服因碱金属在条纹管内沉积引起的打火、降低噪声以及提高阴极均匀性等一系列工艺难题.

　　本文对各向异性聚焦条纹变像管进行了数值分析与实验测试.首先，建立了条纹管电子光学模型，利用三维电磁场数值计算了其电位、电场分布，主要分析了条纹管轴上电位、边缘电场强度以及四极透镜内部场分布，发现实际中容易产生的高压打火点;其次，追踪了从阴极狭缝发射的电子运行轨迹，分析了静态和动态扫描下的狭缝像，并计算了条纹管的时间畸变;最后，实验测试了该大动态条纹相机的动态范围与时间分辨等性能参数.

　　1 大动态条纹管工作原理及其场分布特性

　　大动态范围条纹变像管采用矩形框电极组与电四极透镜组合的方案使电子束实现各向异性聚焦，有效地抑制了变像管中电子束的空间电荷效应，从而提高动态范围、时间分辨，并减小时间畸变.具体结构包括阴极、栅网、时间预聚焦电极组、空间聚焦电四极透镜、时间聚焦电极组、偏转器、荧光屏等.其工作原理是：入射光经物镜传送至光电阴极上，光电阴极在输入光的激发下，发射出与入射光强度成正比的光电子脉冲，且电子脉冲持续时间与入射光脉冲几乎一致;电子脉冲经栅网加速后进入时间预聚焦电极组受到时间方向(即扫描方向)的首次聚焦作用;随后进入空间聚焦电四极透镜受到空间方向(即狭缝方向)的聚焦力;再进入时间聚焦电极组，完成时间方向的进一步聚焦;经过时间与空间方向聚焦透镜组的各向异性聚焦后，电子脉冲进入偏转系统，受到随时间线形变化的偏转电压的作用，沿扫描方向展开，最终到达荧光屏上，其纵轴，即扫描方向对应着电子脉冲的时间信息，从而实现超快脉冲的诊断.

　　采用三维电磁场仿真软件(ComputerSimulationTechnology，CST)[11]的粒子工作室(Particlestudio)建 立条纹管三维电子光学模型如图1所示.利用有限积分技术(Finiteintegrationtechnique)[12]计算条纹管内部静电场分布，图2为条纹管轴上电位差以及电场分布.在阴极(z=0mm)到栅网很小的距离内，条纹管电势差瞬间增大，形成很强的加速电场(5MV/m)，从而减小电子束渡越时间，减弱空间电荷效应，提高动态范围与时间分辨.电子束经过栅网后进入到较小的减速-加速交替场，如图2(b)，这种交替的场结构有助于抵消部分时间畸变和时间弥散[13].

　　四极透镜是各向异性聚焦系统中的核心部件，是控制束流横向运动最有力、也最灵活的元件.在各向异性聚焦条纹变像管中，静电四极透镜可实现电子束空间方向(沿x 方向)的聚焦.另外，四极透镜也决定空间方向交叉点位置，因此可通过调节其压控制系统放大倍率.静电四极透镜在垂直于z轴的x-y 二维平面上的场分布满足双曲分布，当电极间的距离为2a，电极电压为Va 时，忽略边缘场效应，电四极透镜内部的电位分布为

　　显然，四极透镜的横向场强与坐标成线性关系，图3(a)为电四极透镜内沿x 方向的电场在x 轴上的分布，满足良好的线性关系.图3(b)为距离z轴10mm 处的x 与y 方向的电场分布，其中绿色矩形框部分为电四极透镜区域，可见x方向的电场为负，y方向的电场为正，即电子束在x方向受到聚焦场作用，在y方向受到发散场作用，体现了电四极透镜的线聚焦特性.

　　由于大动态条纹相机具有很强的电场以及复杂的电子光学结构，可能伴有高压打火现象，为此计算了可能存在的高压打火点.计算条纹管内部电场分布，发现高压打火点主要分布在电极端点处，如图4(a)，将矩形框电极局部放大后观察到的电场分布，在尖端部分由于场增强效应会产生比电极正常电场大很多的现象，容易引起打火问题.图4(b)为整个条纹管内矩形框电极对角点处的沿z方向的电场分布，可见在除去阴极高压处，时间预聚焦电极组与时间聚焦电极组的端点处也可能出现高压打火点，因此在加工装配中需要对这些区域做特殊抛光处理，以防打火，影响条纹管的工作稳定性以及探测性能.

　　2 动态特性

　　条纹管阴极前端设有狭缝光阑，荧光屏上获得的狭缝像弥散越小时间分辨越高.为此，模拟条纹管实际工作过程，在阴极狭缝范围内发射光电子，分析荧光屏上的狭缝像研究条纹管整体性能.阴极狭缝尺寸为20mm×40μm，光电阴极在激光照射下激发的光 电 子 其 位 置 服 从 均 匀 分 布，发 射 仰 角 服 从0～90°的余弦分布，方位角服从0～2π的均匀分布，能量服 从0～0.6eV 的β(1，4)分布.采 用 Monto-Carlo法进行统计抽样，抽样有效电子数为30000.图5为条 纹 管 狭 缝 电 子 的 运 行 轨 迹 示 意 图.研 究 条图5 狭缝电子运行轨迹示意图Fig.5 Generalviewoftheparticles′trajectory纹管荧光屏上的静态与动态狭缝像，图6(a)为偏转板未施加偏转电压时狭缝电子到达荧光屏上的静态像.静态情况下狭缝电子在扫描方向由40μm 展宽到200μm，狭缝方向由20mm 放大至35mm，放大倍率约为35mm/20mm=1.75.图6(b)为偏转板施加偏压200V 后狭缝电子到达荧光屏上的分布，狭缝像偏离荧光屏中心位置约7.8mm，即偏转灵敏度约为P=7.8mm/200V=0.039mm/V.狭缝出现了弯曲现象，在扫描方向的展宽也有所增加，约为270μm.在偏转电压下狭缝像弯曲有两方面的原因，一是边缘电子的偏转灵敏度更大，因为边缘电子(如距中心10mm处的光电子)在偏转板区域走的路程更长，受到偏转场的作用时间略微长一些;二是边缘光电子弥散更大.各向异性聚焦条纹管动态测试中，偏转板施加斜坡扫描电压，如图7.其 斜率k=0.185V/s，则扫描速度为v=k·P=7.2×106m/s.选择合适的工作点，使得狭缝电子在扫描电 压的线性部分到达偏转板入口处.图8为偏转板有无预偏电压的情况下狭缝电子经扫描电压后到达荧光屏上的狭缝像.无预偏电压时，40μm的狭缝电子源对 应 的 狭 缝 像 弯 曲 严 重，展 宽 至400μm.加 上200V预偏电 压 后 狭 缝 像 处 于 荧 光 屏 中 心 位 置，且狭缝像展宽很小，接近静态像，仅为220μm.当施加预偏电压时，狭缝像回到荧光屏中心位置，减小了边缘弥散，可见偏转板施加预偏电压可有效减小条纹管成像畸变，提高时空分辨.另外，该条纹变像管在扫描电压下狭缝像长度为35mm，即动态扫描下的条纹管放大倍率为35mm/20mm=1.75，与静态计算结果一致.

　　3、 时间畸变

　　时间畸变为阴极面上不同初始高度发出的光电子的主轨迹与轴上光电子的主轨迹的渡越时间之差.一般阴极工作区域越大，时间畸变越大[14]，各向异性聚焦条纹管狭缝长度达到20mm，但其聚焦电极采用矩形框电极与静电四极透镜组合的各向异性聚焦方案，电场分布均匀，中心和边缘的电子受到的电场力均匀一致，相比于旋转对称电极，引入的时间畸变小.为此，有必要对其时间畸变进行分析，保证该方案可以有效地 减小时间畸变，从而降低成像畸变.统计阴极中心处电子与距中心10mm 处的电子到达偏转板入口处的 时间，计算时间畸变.无论偏转板是否施加预偏电压，狭缝中心电子与边缘电子到达偏转板入口处的时间都分别为3220ps和3235ps。

　　表1为阴极中心处与距中心10mm 处(以下称边缘电子)的电子到达条纹管不同位置处(A，B，C)的运行时间统计，A 为偏转板入口处，B为偏转板出口处，C 为荧光屏位置.不论有无预偏电压，狭缝中心电子与边缘电子到达 A、B、C的时间差都逐渐增大;有无预偏电压对时间畸变的影响很小;但相比于无预偏电压的情况，加预偏电压后，狭缝电子到偏转板出口与荧光屏的运行距离更小，因此运行时间更短.

　　4、大动态条纹相机实验测试

　　根据理论设计与模拟计算，成功研制了具有大动态范围的高性能条纹相机，精密调节条纹管的各电极位置及电压参数，并对其性能参数进行了测试.时间分辨采用钛宝石激光器产生的800nm 的激光脉冲作为光源进行标定，激光器的本身脉宽为100fs左右，将激光器本身的脉冲作为窄脉冲，不计激光器脉宽的影响，则可根据展宽法评价条纹相机的时间分辨率[15].当一定时间间隔的激光脉冲入射到光电阴极，基于光电效应，光电阴极发射出强度和脉宽与激光脉冲相对应的电子脉冲，经过条纹管扫描后在荧光屏上产生狭缝扫描像，图9(a)为脉冲间隔为10ps的两条狭缝扫描像.对其强度分布进行高斯拟合，结果如图9(b)所示，可见10ps间隔的条纹清晰可辨.根据高斯函数模型拟合结果，单个条纹半高宽对应的时间分辨为τ=1.8ps，即该条纹相机的时间分辨可达1.8ps.

　　各向异性聚焦大动态条纹变像管相关期刊推荐：《应用光学》(双月刊)创刊于1980年，是由中国兵器工业集团公司主管、中国兵工学会和中国兵器工业第二〇五研究所主办的综合性技术类期刊。本刊主要设有：理论研究、综述、光学设计、微光技术、激光技术、红外技术、光纤技术、稳瞄技术、图像处理、薄膜光学、光电器件、光学测试等栏目。