1 引言

惯性约束聚变(ICF)研究的对象是激光打靶产生的高温、高密度等离子体,其辐射可以遍布整个电磁波谱,同时还伴随发射大量的电子、中子、α粒子和其它粒子,对等离子体密度、温度及其变化的测量等是超快诊断技术的功能^[1-3]。由于软X射线条纹相机具有频谱变换功能,并且具有高的时空分辨率,因此是软X射线时空分辨谱诊断的重要工具^[4-5]。

研究软X射线的时间谱既要认识软X射线的时空特性,又要了解不同谱的强度对比,因此不但要求X射线条纹相机具有高的时空分辨率,而且其应能同时记录X射线的全部谱。随着实验的进展,ICF实验谱诊断对X射线条纹相机提出新的要求,即阴极有效工作直径达50 mm,动态空间分辨率优于每毫米20 lp,整个阴极范围内分辨线对总数达1000 lp,时间分辨优于5 ps,并具有大的动态范围。

目前国际上已知的高性能X射线条纹相机之一为美国劳伦斯利弗莫尔(LLNL)实验室的第二代X射线条纹相机(P2XSC)^[6],其时间分辨率一些为5 ps,动态范围达6500∶1(通道动态范围),并且其阴极直径为50 mm,具有阴极线对数为1000 lp的动态分辨信息总量。

需要说明的是,由于美国第二代X射线条纹相机的动态范围为计算单个CCD像素的满阱电子数(65536)与扣除背景噪声后的最弱信号强度10(CCD制冷降温后背景暗噪声约为400)之比,而非实测条纹图像的最大值和最小值(扣除噪声后)的比值,故其计算所得值偏高;相比较之下,目前国内所报导的性能较优越的X射线条纹相机时间分辨率达5 ps^[7-9],动态范围优于2000∶1(实测值,如果按照美国相机动态范围的计算方法亦可达6500∶1),然而其阴极工作面积直径仅为30 mm,动态空间分辨率为20 lp,分辨信息总量仅为600 lp,无法满足ICF所提出的大信息捕捉量的要求。

作者曾设计出一种阴极直径为50 mm的类同心球系统X射线条纹管^[10],整个阴极范围内其信息分辨总量可达1500 lp;然而目前该管型尚在研制过程中,仍未有相应的测试数据,不具备相应的实用性。本文目的在于研制一种大物面高时空分辨X射线条纹管,以满足ICF所提出的大信息捕捉量的要求。

2 大物面条纹管结构设计

X射线条纹相机的工作原理是将人眼不可见的X射线辐射的时间信息转变为荧光屏上可见的空间信息。具体过程为:1)待表征的X射线脉冲经狭缝照射到光电阴极上产生光电子,其相应的时序时间、时间间隔、强度分布等诊断信息线性传递给电子脉冲;2)电子束经过加速后进入聚焦区,在聚焦电极形成的静电透镜作用下会聚;3)进入偏转系统,偏转板上所加随时间线性变化的扫描电压在板间形成相应线性偏转电场,不同时刻的电子脉冲在其中受到大小不同的偏转力,从而在空间上展开分布,实现将电子束所包含的时间信息投影成为空间信息;4)利用CCD器件采集电子束轰击荧光屏所得图像,其成像原理如图1所示。

图 1. 条纹相机工作原理

Fig. 1. Principle of streak camera

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本课题组研制出的条纹相机^[9]时间分辨能力以及动态范围等参数均较优,然而其阴极狭缝工作长度仅为30 mm,所能提供的分辨信息总量未能满足ICF实验所需。大物面条纹管将以此管型为原型进行优化设计所得,在保留其优越的时间分辨能力以及大动态范围的性能前提下,进一步提升其信息捕捉总量,以满足ICF所提出的大信息捕捉量要求。

在宽束成像器件中,尤其在探测面积较大的情况下,场曲的影响占主要作用。场曲的形成原因是因为离轴远的电子束更容易聚焦从而使其像面呈现非平面。几何光学系统中由于透镜的折射率是可突变的,因而可引入透镜组校正场曲等各种像差的影响;与其不同的是电子光学系统中折射率是连续变化的,几何光学系统中的方法无法直接应用到其中,其替代方案是采用球面阴极或者采用球面荧光屏来校正场曲^[11]。

原管型结构中最大电极管径为60 mm,若在此参数条件下将狭缝长度扩展到50 mm,则会使离轴远的电子束受边缘场影响较大,成像性能恶化,阴极狭缝有效长度受限。因此将条纹管聚焦区电极直径扩展为100 mm,并重新设计光电阴极。

在制备X射线条纹管光电阴极时,要将作为衬底的聚对二甲苯薄膜(对X射线透过率高^[12])制作成球面则必须在将其弯曲的同时保证其表面的平滑性,制作难度非常大,所以大物面条纹管的光电阴极仍采用平面阴极;而为了减轻场曲的影响,荧光屏采用球面荧光屏。

此外,由电子光学的理论^[13]可知,电子束所受会聚力还与其在聚焦区内任意轴向位置离轴高度成正比。此时,为了在电子光学系统上减少场曲的形成,应尽可能降低电子束在聚焦区内的离轴高度^[14]。若只采用薄透镜则只能改变电子束的方向而无法改变其离轴距离^[13],因此必须采用厚透镜,而这势必加大聚焦区长度,不利于时间分辨率的提升。为了提高最终的时间分辨率,可以采用增加阳极总压、缩短聚焦区的渡越时间来提升物理时间分辨率,并通过提高偏转灵敏度来降低技术时间分辨率。

在优化设计后所得大物面条纹管样管如图2所示,其内部电极结构示意图如图3所示,而表1为其相应的结构性能参数。

图 2. 大物面条纹管实物图

Fig. 2. Photograph of large format streak tube

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图 3. 大物面条纹管内部电极结构

Fig. 3. Structural diagram of internal electrode in large format streak tube

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2.1 光电阴极分划板设计

在光电阴极上有制作流程中光刻好的各种分辨线,其结构示意图如图4所示。

图4中的圆点为阴极中心标记点,便于成像时找出图像中心。每一组分辨线块(宽矩形具有分辨线,细矩形仅为通光孔)长度为1 mm,彼此间隔为1 mm,圆点左右两侧第一个分辨块(对应20 lp/mm和 15 lp/mm)之间相距为0.5 mm。

图 4. 分划板结构示意图

Fig. 4. Structural diagram of reticle

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在中心点左右两侧对称的位置设置不同的分辨线块是为了观测在同样的离轴高度情况下所具备的最高分辨能力(若图像能同时显示中心点两侧1~2 mm处对应的分辨线块为20 lp/mm和15 lp/mm,则说明离轴高度1~2 mm的范围内均可分辨至少20 lp/mm)。

2.2 球面荧光屏曲率半径的选择

为了确定合适的球面荧光屏曲率半径,可计算各离轴高度电子束在其最佳像面上的落点分布,如表2所示。利用球缺公式可计算出相应的曲率半径为44 mm^[15],然而在之前的实验中发现,采用离心沉积法制作荧光屏时,曲率半径<64 mm时荧光粉会产生脱落,因此只能选定曲率半径为64 mm的球面荧光屏进行测试。

3 实验测试及分析

3.1 静态空间分辨率测试及分析

由表1可知,实验中所用阴极长度为50 mm,条纹管放大倍率为1.35,亦即图像长度应为67.5 mm;然而现有荧光屏的尺寸限制,使得最多只能显示长度约为52 mm的像;同时,由于CCD尺寸(27 mm×27 mm,2048 pixel×2048 pixel)的限制,单次测量时仅能测出27 mm的长度。为此,保持荧光屏位置不动,可通过2次调整CCD与荧光屏的相对位置(左、右)来完成52 mm图像的测量。实验测试时各电极电压如表3所示,以紫外灯为光源时所测实验图如图5所示。

图 5. 静态空间分辨率测试图。(a)阴极中心左侧实验图;(b)阴极中心右侧实验图

Fig. 5. Test results of static spatial resolution. (a) Image of left part of cathode; (b) image of right part of cathode

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在图5(a)中,最左侧为暗背景是由于装配精度的问题使得条纹管中各电极不同轴而引起的,图像整体往左侧偏移约3 mm,所以本应显示的分辨线块(对应图4中最左侧的16和15 lp/mm)超出荧光屏的左边界,故CCD仅抓取到暗背景;而在图5(b)中,由于往右调整CCD与荧光屏的相对位置时未移动足够的量,使得其余分辨块(对应图4中最右侧的19和20 lp/mm)超出CCD的右边界(但未超出荧光屏右边界),故图中无显示。

表4所示为图5中各分划线块对应的对比度大小,并取调制度为5%时计算所得相应极限分辨率。

根据在2.1节中所设计的分划板实际尺寸,图4中相邻2组分划板条纹像中心相距为3 mm,加之每一分划板自身长度为1 mm,因此可认为每一组分划板条纹(包括具有分辨线对的分划板,无分辨线对的矩形通光孔以及彼此之间的2组间距)的有效分辨范围为4 mm。从图5可以看出,在仅观测到的范围内,阴极的工作面积有8组条纹,因此总成像长度至少为32 mm。

在此阴极范围内,该条纹管可提供的分辨元数为

Nrange=(31+33+32+33+24+26+28+25)×4=928。(1)

此外,由表4可知,在离轴15~20 mm范围内发射的电子束,球面屏对其图像对比度的改善作用仍旧有效。因此,即便由于CCD尺寸的限制无法观测到32 mm范围外的条纹图像,但仍可以根据图5两侧条纹对比度及球面屏的有效范围推断出至少阴极中心最左侧的分划板(对应图4左侧的15 和16 lp/mm分划板)具备15 lp/mm的极限空间分辨率,亦即至少仍旧有9 mm的阴极是可分辨的,可提供至少135个分辨元的信息量。换言之,在静态工作模式下,大物面条纹管的阴极工作长度至少可达40 mm,总共可提供1000个分辨元的信息量。

3.2 动态空间分辨率测试

动态测试中所使用的仪器包括有3倍频钛宝石飞秒脉冲激光器(中心波长为266 nm,脉冲宽度为130 fs)、像增强器、紫外光标准具、高压电源、真空机组、科学级风冷CCD、PIN光电二极管探头、延迟电路盒子;其中标准具是由紫外全反镜以及半反半透镜组合而成,间距为21.2 mm,对应脉冲序列时间间隔为141.2 ps。

测试时,令激光器输出的266 nm光束输入到紫外标准具中形成对应时间间隔的脉冲序列,照射到光电阴极上;同时使激光器输出的800 nm红光触发PIN光电二极管探头产生电信号,经由延迟电路盒子(T.D)后与266 nm紫光同步,触发扫描电路完成动态扫描,由CCD进行图像捕捉输入电脑中记录存储,动态测试原理图如图6所示,测试现场照片如图7所示。

由于动态测试时激光照射时间较短,光电阴极产生的信号较弱,所以在做动态测试时必须采用增强器;加之CCD的软硬件亦具有增益作用,为了防止采用大增益时光强使CCD饱和而影响测试结果,所以在测试时将CCD增益和增强器增益均调整为第二档;同时,扫描电路此时也设置为第二档,得到测试结果如图8所示。从图8中可读出其相应的I_max、I_min、I_nos分别为2276、1855、100,此时20 lp/mm 对应的对比度为0.107。

图 6. 动态测试原理图

Fig. 6. Schematic of dynamic test

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图 7. 测试现场照片

Fig. 7. Photograph of test-site

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图 8. 动态空间分辨率测试图。(a)动态空间分辨率实验图;(b)信号强度曲线最大值;(c)信号强度曲线最小值

Fig. 8. Test results of dynamic spatial resolution. (a) Image of spatial resolution; (b) maximum intensity of signal; (c) minimum intensity of signal

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3.3 时间分辨率的测试

时间分辨率测试的目的是为测试仪器所能达到的最佳时间分辨率。荧光屏的尺寸是有限的,意味着所对应占用的CCD像素数是固定的,换言之在不同的扫描速度情况下,每个CCD像素所需的扫描时间亦不相同。在测试时间分辨率时,若所选择的扫描速度偏小,此时每个像素对应的时间分辨率可能较大,则由所读取的单个时间脉冲所占像素数计算出的时间分辨力并不能反应条纹相机的最佳时间分辨特性。由于扫描电路的每一档扫全屏时间逐档增加,所以为了精确测量时间分辨率,测试时扫描电路选第一档;此外,为了防止增强器增益过大而导致CCD数据饱和,同时为了保证最小可探测脉冲具备一定亮度,则CCD增益调制为第三档,增强器增益调制为第一档。时间分辨率测试结果如图9所示。

图 9. 动态时间分辨测试图。(a)时间分辨实验图;(b)信号强度曲线

Fig. 9. Test results of dynamic temporal resolution. (a) Image of temporal resolution; (b) curve of signal intensity

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图9中峰峰间距为214 pixel,对应时间间隔为141.2 ps,故每个像素对应时间分辨能力为0.66 ps,单个脉冲半峰全宽占5 pixel,因此由像宽确定的时间分辨率可以到达3.3 ps。

3.4 动态范围测试

在进行动态范围测试时,为了保证能探测到最小脉冲强度,同时为了避免脉冲展宽20%,所以CCD增益调整为第三档,增强器增益调整为第一档,扫描电路设置在第二档;同时为了降低背景噪声,CCD降温至-15 ℃。测试时先抓取无光照时的图像用于做背景噪声扣除,继而再捕捉扫描图像,已扣除背景噪声之后的动态范围测试图如图10所示。

图 10. 动态范围测试结果。(a)动态范围扫描图像;(b)信号强度曲线最大值;(c)信号强度曲线最小值

Fig. 10. Test results of dynamic range. (a) Image of dynamic range; (b) maximum intensity of signal; (c) minimum intensity of signal

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工程中动态范围的计算公式为

D=Imax-InosImin-Inos,(2)

式中I_max、I_min和I_nos分别为序列条纹图中的最大强度值、最小强度值和图像的背景噪声。

由图10中可读出扣除背景噪声之后的最大强度值和最小强度值分别为22334和9.79,从而由(2)式计算得出大物面条纹管的动态范围约为2281∶1。

4 实验对比

所研制的不等径大物面条纹管与P2XSC的测试结果如表5所示。需要强调的是:1)在P2XSC结构中,条纹管结构是以同心球静电聚焦系统RCA 73435 为原型的,而本实验测试用管型结构为非同心球结构,同时为了提高成像性能采用了球面荧光屏;2)P2XSC在阴栅之间采用射电脉冲的形式,而本文中管型采用直流加压;3)在测试空间分辨率时,P2XSC采用的是7 lp/mm的分划板测试,再用调制传递函数推算出其极限空间分辨率,而本文中则是采用20 lp/mm的分划板直接测试,得到其对比度为10%;4)P2XSC的动态范围可达6500(通道动态范围),其测试方法是在单个CCD像元测试最大强度与噪声之后获得,而本文则采用通用方法,实测得出的动态范围优于2000。

5 结论

为了满足ICF实验对X射线条纹相机提出的新技术要求,研制了一种大物面X射线条纹变像管,其阴极总长度为50 mm,有效长度可达40 mm,静态空间分辨率信息分辨总量可达1000 lp,动态空间分辨率为20 lp/mm,时间分辨率达3.3 ps,动态范围可达2281∶1,能够满足ICF实验所提出的大信息捕捉量的要求,是目前国内已知的具有实用价值的最大探测面积X射线条纹相机。