X射线皮秒分幅相机的研制

蔡厚智，刘进元，彭 翔，牛丽红，彭文达，顾 礼

1)天津大学精密仪器与光电工程学院，天津300072;2)深圳大学光电子器件与系统教育部重点实验室，广东省光电子器件与系统教育部重点实验室，深圳518060

X射线分幅相机是研究惯性约束聚变 (inertial confinement fusion，ICF)实验中，靶的对称压缩和不稳定性方面最有效的诊断工具;是获取内爆动力学及内爆压缩动态图像二维空间分布的唯一诊断工具;是研究临界面运动规律、界面不稳定性及辐射场均匀性必备的诊断设备［1-3］.X射线分幅相机的发展主要经历了栅极快门式分幅相机、近贴式阴极选通分幅相机和行波选通分幅相机等阶段［4］.随着微通道板 (microchannel plate，MCP)的发展及皮秒高压电脉冲技术的突破，MCP行波选通分幅相机逐渐成为研究的热点［5-6］.1986 年，Eckart［7］提出把微带阴极直接镀在MCP输入面，MCP输出面镀电极，使得MCP的两个端面形成微带传输线结构.1988年，美国利弗莫尔实验室将曝光时间为150 ps的微带选通型X射线分幅相机成功应用于NOVA装置进行ICF研究［8］.1989年，该实验室使用单条弯曲微带阴极，采用MCP选通方式获得了14幅激光聚爆图像，每幅时间分辨为100 ps［9］.单条弯曲微带分幅相机，其画幅时间间隔固定，且微带阴极较长，对选通脉冲的衰减较大，影响增益的均匀性.目前应用较多的多通道分幅相机较单条弯曲微带相机具有测量时间范围大、增益均匀性好、画幅时间间隔可调等优点［10-12］.

本研究介绍的X射线皮秒分幅相机，在MCP输入面上镀有4条相互独立的直微带阴极，由4路选通脉冲驱动，并测量了该分辐相机的性能指标.

1 X射线分幅相机结构

X射线分幅相机系统主要由成像针孔阵列、MCP分幅管、选通脉冲发生器和图像记录装置构成，系统结构框图如图1.

MCP分幅管是分幅相机系统的核心部件，由微带阴极、MCP和制于光纤面板上的荧光屏组成，结构如图2.MCP分幅管的功能是:①光电阴极接收X射线激发出光电子;②选通期间MCP将光电子增益并输出;③屏压将输出电子加速并轰击荧光屏;④荧光屏将电子转换为可见光输出.本研究设置MCP分幅管的主要参数为:MCP外径56 mm，厚0.5 mm，通道直径12 μm，通道间距14 μm，斜切角6°.微带阴极 (500 nm Cu+100 nm Au)宽6 mm、间隔2 mm.MCP与荧光屏的距离为0.5 mm.

图2 MCP分幅管结构示意图Fig.2 Structure diagram of the MCP imager

电控系统由4路选通脉冲发生器、MCP静态、偏置电源、荧光屏电源及延时器等组成.MCP静态电压为－700 V，偏置电压为±200、±100和0 V共5档.荧光屏电压3.5、4.0和4.5 kV 3档.为便于使被测目标与选通脉冲信号同步，电控系统有0.1、0.2、0.4、0.8、1.6、3.2、6.4 和12.8 ns共8个延时器.延时器由琴键开关阵列和各种所需长度的50同轴延时线组成.

选通脉冲发生器是电控系统的核心部分，其难点一是如何同时产生4路选通脉冲及减小脉冲源间的串扰;二是如何获得一致性较好的选通脉冲，包括波形一致性较好和触发晃动较小.本研究用一个斜坡脉冲电路产生的高压斜坡脉冲驱动两个脉冲成形电路，每个脉冲成形电路有2路皮秒脉冲输出，最终产生4路皮秒高压选通脉冲［5］，其结构示意图如图3.该方案优点是选通脉冲同时产生，各脉冲间几乎无触发晃动;且使用同一驱动源更容易调整脉冲成形电路的参数，使各路选通脉冲波形一致性较好;但该方案对驱动源要求较高.

图3 选通脉冲发生器结构示意图Fig.3 Structure diagram of the gating pulse generator

2 实验结果

2.1 选通脉冲实验结果

2.1.1 选通脉冲宽度和幅值

选通脉冲宽度定义为分幅相机MCP选通脉冲信号的半峰全宽.4路选通脉冲宽度和幅值测试数据如表1，选通脉冲的波形如图4.由表1可知，4路选通脉冲的一致性较好，宽度约为300 ps，幅值约为－1.9 kV.

表1 选通脉冲宽度和幅值测试结果Table 1 The width and amplitude of the gating pulse

图4 选通脉冲波形Fig.4 The wave form of the gating pulse

2.1.2 相机固有延迟

相机固有延迟定义为输入触发电脉冲和第1路选通脉冲之间的延时.其测试方案结构示意图如图5，将触发电脉冲和第1路选通脉冲同时输入到示波器中，进行实时测量.其测试数据如表2，测试波形如图6，图6中C3为触发电脉冲，C2为选通脉冲.由表2可得，相机的固有延迟约为42.9 ns.

表2 固有延迟测试数据Table 2 The experimental data of the inherent delay measurement

图5 固有延迟测试方案结构示意图Fig.5 The experimental method of the inherent delay measurement

2.2 分幅相机系统空间分辨率

空间分辨率包括静态空间分辨率 (MCP分幅管工作在直流电压下的空间分辨能力)和动态空间分辨率 (MCP分幅管在选通脉冲驱动下工作的空间分辨能力).静态空间分辨率测试系统结构示意图如图7.紫外盘形灯照射石英分辨率板，通过平行光管的光学系统将石英分辨率板的图像成像在Au阴极的工作区域内，设置相机工作在静态模式下，阴极产生的光电子经MCP倍增，倍增电子经屏压加速后轰击荧光屏形成可见光图像，用CCD观测采集荧光屏上所成的分辨率板图像，在计算机上观测分辨率线对数，观察4个方向都清晰的单元组，并将其换算成空间分辨率线对数.动态空间分辨率测试系统的结构与图7相似.区别在于将紫外盘形灯换成紫外激光器，且设置相机工作在动态模式下.

图6 固有延迟测试波形Fig.6 The wave form of the inherent delay measurement

图7 静态空间分辨率测试系统结构示意图Fig.7 The experimental setup ofthe static spatial resolution

MCP加－700 V直流电压，屏压为4.25 kV时，获得静态空间分辨率图像如图8.图8中可分清第1～11组，分辨率板第11组的条纹宽度为11.2 μm，平行光管的放大倍数为2.5倍，则静态空间分辨率 (单位:lp/mm)为

图8 静态空间分辨率测量结果Fig.8 The measured result of the static spatial resolution

动态空间分辨率测试结果如图9.图9也可分清第1～11组，动态空间分辨率为17.86 lp/mm.因为MCP分幅管工作在近贴成像方式，动态工作时的选通脉冲仅作为开关光电子的作用，对成像质量没有显著的影响，因此分幅管的静态空间分辨率和动态空间分辨率差别不大.

图9 动态空间分辨率测量结果Fig.9 The measured result of the dynamic spatial resolution

假设石英分辨率板的调制度为1，由静态空间分辨率图像可得相机的调制传递函数 (modulation transfer function，MTF)曲线，如图10.由图10可得:MTF值随着空间频率的增大而减小;空间频率为17.86 lp/mm时，4个方向的MTF值均大于0.03.

图10 MTF曲线Fig.10 The MTF curve

2.3 分幅相机系统曝光时间

曝光时间 (时间分辨率)定义为分幅相机增益－时间曲线的半峰全宽.曝光时间的测试方案采用光纤传光束法，光纤传光束由30根长度依次递增的光纤组成，紫外光在光纤中的传输时间按30 ps递增，光纤束输出面按照光纤的长度依次排列并编号，如图11，最短的光纤编号为1，编号每增加1，光纤中紫外光的传输时间就增加30 ps，从而使得这30个光点的到达时间均匀增加.

图11 光纤束输出面光纤排列示意图Fig.11 Schematic diagram of the array of the fiber bunch output end

首先，在MCP上加直流电压，测量光纤束在微带上的静态像，得到入射光在微带上的静态分布.曝光时间测量装置如图12，激光器产生的光脉冲经放大、四倍频 (波长变为266 nm)、延时后均匀照射光纤束输入面，紫外光经光纤束形成相邻时间间隔为30 ps的30个光点，这些光点经平行光管(L1和L2)成像在MCP微带上.主光路另一束波长为532 nm的绿光送入PIN探测器，产生一个触发脉冲，触发选通脉冲发生器，调节电路延时，使得光信号和选通脉冲到达微带阴极的时间同步，从而产生动态图像，用CCD读出系统记录动态图像，得到光点像的动态分布，把光点像的动态分布和静态分布进行归一化处理，消除光脉冲的空间不均匀性对测量造成的影响，再由光点的时间延迟差，将归一化的动态像光强空间分布换算成时间分布，从而得到相机的曝光时间.

图12 曝光时间测量装置Fig.12 The experimental setup of the exposure time measurement

图13 (a)为光纤束静态图像.在MCP上加－1.9 kV、300 ps的选通脉冲和－300 V的直流偏置后获得动态图像如图13(b).对动态图像和静态图像进行归一化处理后，将归一化的动态像光强空间分布换算成时间分布，结果如图14.其高斯拟合曲线的半峰全宽为110 ps，因此相机的曝光时间为110 ps.

图13 静态图像和动态图像Fig.13 The static image and gating image

图14 曝光时间测量结果Fig.14 The measured result of the exposure time

结 语

研制了4微带MCP行波选通X射线皮秒分幅相机，每条微带阴极的宽度为6 mm，微带阴极间距离为2 mm.研制了4路选通脉冲幅值约－1.9 kV、宽度约300 ps，固有延迟约42.9 ns的电控系统.对分幅相机进行联调实验，测得相机的时间分辨率为110 ps，空间分辨率为17.86 lp/mm.

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