X射线分幅相机发展研究

白雁力，张 驰，张敬金

(1.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，广东深圳518060;2.桂林电子科技大学 教学实践部，广西 桂林541004)

责任编辑:任健男

惯性约束聚变(Inertial Confined Fusion，ICF)是可控核聚变实现的一种形式，它的工作过程是将激光束聚焦到装有氘—氚燃料的微型靶丸上，在高温和高压作用下，靶丸内部的聚变燃料被压缩聚集至高密度，最后，被压缩的高温高压等离子体在扩散之前，完成全部核反应，并释放巨大的能量[1]。

在ICF诊断的研究中，测量等离子体温度和密度两维空间分布及其随时间的变化是研究的核心。由于ICF诊断的持续时间仅为1 ns，因此要求X射线分幅摄影具有皮秒级别的时间分辨能力和一次获得多幅图像的能力。而在当前ICF诊断工具中，仅有X射线分幅相机同时具备这样的分辨能力和图像获取功能，所以，X射线分幅相机成为最有效的ICF诊断工具。

此外，在研究靶的对称压缩及不稳定性方面，在获取内爆压缩动态图像二维空间分布方面，在研究临界面运动规律、界面不稳定性以及辐射场均匀性方面，X射线分幅相机具有关键的作用，是以上多方面诊断的重要工具。

1 X射线分幅相机

X射线分幅相机从出现到发展已经几十年，其基本原理和结构已渐趋成熟，但是随着ICF研究的深入，X射线分幅相机的主要指标，如时间分辨率、空间分辨率等都需要不断的提高来满足人们对ICF诊断的需求，此外光阴极量子效率、相机的增益均匀性及动态范围尚有待大幅改善和提高。

X射线分幅相机利用变像管来实现图像的光电转换、脉冲选通以及图像增强，是研究亚纳秒时间范围内瞬变现象的主要工具。由于X射线分幅相机的光电阴极响应波段从紫外到X射线，并具有良好的时间分辨、二维的空间分辨和能谱分辨、画幅数多、动态范围大、抗干扰能力强、灵敏度高等优点，被广泛应用于X射线激光、等离子体、强场物理等研究。如果将光电阴极改为近红外或可见光阴极，则对光物理、光化学、光生物、激光等瞬态光学现象的研究有很大帮助[2-7]。

2 X射线分幅相机的发展

X射线分幅相机的发展以变像管的发展为标志，共经历了四个阶段:快门式分幅相机，扫描式分幅相机，阴极选通型分幅相机，行波选通型分幅相机。其中行波选通型分幅相机是当今研究的热点。

2.1 快门式分幅相机

X射线分幅相机发展的第一阶段，之所以称之为快门式分幅相机，是源于其分幅变像管的工作原理与照相机类似，即变像管在光电阴极附近装有选通栅，利用快门脉冲加到选通栅上使变像管迅速地通和断，从而产生一个快门作用，快速地控制变像管，其工作原理是:当控制栅极上加拒斥场时，阴极发射的光电子不能通过它;当控制栅极加上一系列的矩形正脉冲时，光电子通过聚焦极成像在荧光屏上，如果同时在偏转板上加台阶波形电压，不同时刻的图像就成在屏上的不同位置，以此达到分幅的目的。这一阶段的发展的变像管典型的型号主要有:美国的RCA C73435，法国的OBD1105，中国的JTG305，前苏联的3C-1。

美国的控制栅极快门式变像管，型号为RCA C73435，具有静电聚焦和偏转功能，是一个同心球系统，由光电阴极、阳极、聚焦电极、快门栅极和偏转板等构成[8]。利用该变像管制造STL高速摄影机。该相机具有7分幅功能，其曝光时间为0.1～10μs可调，静态空间分辨率为22 lp/mm(线对/毫秒)。

法国研制的OBD1105型高速摄影变像管，采用了在同一空间实现两维偏转的花样偏转器，可获得9幅图像、曝光时间为30 ns、静态中心分辨率为28 lp/mm、动态中心分辨率为15 lp/mm。

中国的JTG305型变像管[9]，由球面光电阴极、阳极、聚焦电极和环状快门电极组成，其中聚焦系统采用四电极静电聚焦。其静态空间极限分辨率为30～35 lp/mm，最短曝光时间为30 ns，动态空间分辨率为6～8 lp/mm，动态范围为128。在3幅工作情况下，每2幅间隔200 ns时，动态空间分辨率为5～7 lp/mm。在6幅工作情况下，每2幅间隔200 ns时，动态空间分辨率为3～5 lp/mm，曝光时间均为30 ns。

前苏联的3C-1变像管，能实现4分幅，曝光时间为五档可调:10 ns，20 ns，50 ns，100 ns，200 ns，固有时间延迟小于10 ns。

快门式分幅相机开启了人类对纳秒数量级的高速摄影，其优点是曝光时间和重复频率间具有独立性;但是其缺点也相当明显，即为以快门脉冲必须近似于矩形波为代价，保证动态空间分辨率;同时，空间电荷效应造成图像畸变和空间分辨率的降低;曝光时间和画幅间隔较长，这些缺点，都限制该类相机的应用。

2.2 扫描式分幅相机

扫描式分幅相机与快门式分幅相机不同，其分幅是通过快门板和光阑实现。扫描式变像管在电子运动轨迹上加了快门和光阑，快门电压使电子束扫开，只有某段时间发射的光电子能通过光阑成像于荧光屏。在补偿板上加上与快门板上反相的电压，使从阴极同一点发出的通过光阑的电子在屏上重新聚焦。偏转板使不同时刻的图像成像在屏上不同位置。典型的扫描分幅相机有以下几种:

1)前苏联的扫描式分幅变像管，型号是M[10]。该变像管具有4对用电场来进行扫描和关闭的偏转板。该管曾获得16幅分幅图像，其分辨率为30 lp/mm。

2)英国的P856型变像管，该变像管用偏转板研制。并利用该管制造了Imacon变像管高速摄影机。其中，Imacon700型高速摄影机拍摄频率为2×104～2×107幅/s，曝光时间为10μs～10 ns，Imacon600型高速摄影机拍摄频率为6×108幅/s，曝光时间为2 ns。

3)美国成功研制一种分解型的分幅像管。该变像管利用扫描方式实现分幅照相，利用快速偏转电路，实现小于100 ps的曝光时间。

4)中国研制成功的扫描式分幅变像管，利用该变像管制造的分幅相机，能获得4幅图像，曝光时间为170 ps，空间分辨率为5 lp/mm。

扫描式分幅相机主要通过使用偏转板和偏转电路来提高分幅相机的时间分辨率。在电子线路制作方面，扫描时分幅变像管比栅极快门式分幅变像管更容易;其缺陷在于:在短曝光时间情况下，由于偏转板连接件的杂散电容和电感带来位相的变动，将会造成移动精确补偿的困难。

2.3 阴极选通分幅相机

阴极选通型分幅相机出现在20世纪70年代末，此类相机的出现源于两个原因:一是微通道板(MCP)技术的发展，使得MCP广泛应用于电子倍增器件;二是等离子体和ICF研究的深入发展。典型的相机主要有以下几种:

1)双近贴聚焦结构的变像管。该管型的选通是利用在微通道板输出面间施加矩形正脉冲而实现。这是因为在阴极产生的光电子只有在高压脉冲持续的期间，才能通过微通道板进行倍增，并轰击荧光屏，这样才能构成快门管，其曝光时间就是矩形脉冲的宽度。这类管型由于微通道板输入端面的电阻较大，以及微通道板与阴极近贴距离间的电容较大，因此其曝光时间一般为2～10 ns。

2)英国Blackett实验室研制的分幅相机。该相机的原理是:将阴极制作在Al衬底上，形成微带传输线，在微带线上加选通脉冲，铜网接地，微带线和铜网之间产生电场。通过此原理研制的分幅相机可以得到到50 ps的时间分辨率。

3)美国利弗莫尔实验室(LLNL)研制的MCP分幅相机。制作该相机硬件条件:在厚度为50μm的铍窗上制作宽度为25 mm的CsI微带阴极，近贴距离为l mm，MCP孔径为12μm，长径比为20，斜切角为4°。电压条件为:在MCP上不加电压，在阴极上加-5 kV的电压，选通脉冲宽度为50 ns。测量结果:光电阴极发射的光电子被磁场偏转，通过MCP后被CCD探测，空间分辨率为18 lp/mm，时间分辨率为50 ps。

阴极选通型分幅相机由于使用了MCP作为的电子倍增器件，因此，具有结构小巧、增益高、便捷、工作电压低、限制强光、成像面积大、像质均匀、无空间畸变、对快门脉冲要求较低、抗干扰强、空间分辨率高等优点;同时由于MCP对X射线敏感，也存在成像质量低和幅数少的缺点。

2.4 行波选通分幅相机

行波选通型分幅相机主要由针孔阵列、MCP变像管、选通脉冲发生器和图像记录装置(CCD或胶卷)组成，其中MCP变像管是相机的核心部件，由MCP和制作在光纤面板上的荧光屏组成。相机的工作原理如下:将被拍摄等离子体的X射线像经针孔阵列，同时成在MCP输入面对应的制备在微带线上的光阴极阵列上，若选通脉冲未加至某光阴极上时，该光阴极上的X射线图像将被MCP吸收，在变像管的荧光屏上没有图像输出。当选通快门脉冲加至某一微带光阴极上时，该微带光阴极上的X射线像产生的光电子像将被MCP倍增，轰击荧光屏上形成可见光图像。选通快门脉冲以行波方式依次通过对应光阴极，于是在荧光屏上的对应位置将得到对应的可见光图像，行波通过相邻光阴极间微带线所用时间，为画幅间隔时间，输出的可见光图像用CCD进行记录处理。

行波选通型分幅相机是伴随着微通道板(Micro Channel Plate，MCP)技术的成熟和皮秒高压电脉冲技术的突破，而发展起来的;它是X射线分幅相机发展的当前阶段，也是X分射线幅相机领域的研究热点。在国内外具有标志性意义的相机主要有:

1)美国LLNL(劳伦斯利弗莫尔国家实验室)从20世纪80年代中期开始对行波选通分幅相机进行研究。研究的主要方向是针对MCP和脉冲电路进行改进。具有代表意义的是:

(1)150 ps的微带选通型X射线分幅相机。该相机的MCP具有电极功能和光电阴极功能，其2个端面具有微带传输线结构。微带线直接镀在MCP的输入面，而在MCP输出面镀电极。另外，还研制了具有同等功能的单条弯曲型微带线MCP。采用此类型的MCP的相机，能获得14幅激光聚爆图像，每幅时间分辨为100 ps。在此基础上，还研制出带反射镜滤片组的12分幅相机，其曝光时间小于100 ps，空间分辨率为10μm。

(2)薄MCP和双MCP分幅相机。前者的MCP，厚度仅为0.2 mm。曝光时间为35 ps;后者采用双MCP设计探测器，该探测器上有4条微带，每条微带成一幅图像，可以获得小于100 ps的时间分辨率。

(3)大成像面积短脉冲的16分幅相机，其快门时间小于40 ps和柔性X射线成像器(Flexible X-ray Imager，FXI)。

2)美国LANL(洛斯阿拉莫斯国家实验室)研制了大尺寸的行波选通X射线分幅相机，使用3块35 mm×105 mm的MCP，探测面积高达105 mm×105 mm，有6条13 mm宽的微带线，选通脉冲宽度200～1 300 ps连续可调，快门时间80～1 000 ps。

3)英国

(1)英国St Andrews大学的四分幅相机。该相机的曝光时间为100 ps，空间分辨率为8 lp/mm。

(2)英国的X射线分幅相机，选通脉冲宽度为100 ps时，获得了40 ps的时间分辨率。该相机是唯一作为零售的分幅相机，具有良好的通用性。

4)在国内，从20世纪90年代开始，我国的科学研究者开始致力于行波选通型分幅相机的研究。具有代表性的相机有:

(1)单弯曲型微带X射线皮秒分幅相机和在此基础上研制的四微带X射线分幅相机。其中四微带分幅相机时间分辨为100 ps，空间分辨为20～25 lp/mm，动态范围为500～1 000，可进行时、空、能三维分辨联合测量[11-13]。

(2)双门控MCP结构的分幅相机。2片MCP均加选通脉冲，在MCP上加幅值为-2.8 kV、半高宽为210 ps的选通脉冲和-150 V的直流偏置时，测得该相机的曝光时间为60 ps，空间分辨为25 lp/mm。

(3)四通道行波选通分幅相机，该相机可连拍12幅图像，曝光时间为60～100 ps、空间分辨率15 lp/mm。

MCP行波选通分幅相机经过多年发展，逐渐广泛应用于ICF诊断实验，但是，随着ICF研究的不断发展和深入，对仪器的精密程度要求将越来越高。在这个需要高精度的时代中，MCP行波选通分幅相机也要求不断的发展，并提高精度，如时间分辨率、空间分辨率等来满足人们对ICF诊断的需求。在过去的十多年中，国内外学者都致力于研究提高分幅相机主要指标的方法，这些方法都归结于对MCP和高压脉冲发生器进行改进和优化，如使用两片MCP，或者改变MCP厚度、改变MCP长径比、采用多通道MCP、扩宽MCP上的微带、改进高压脉冲发生器，改进延时系统，只要在测试相机参数时用到的设备，都会进行研究。但是由于国内缺少国外的高速电子元件，使得曝光时间都在100 ps左右，而国外在高速电子元件的作用下，可以获得30～40 ps的曝光时间。

3 当前发展及前景预测

最近在分幅相机上有所突破的是，2010年美国提出的一种5 ps的分幅相机，该相机采用的是一种基于电子弥散的脉冲扩张原理。该原理是:在光电阴极和阳极栅网之间施加一个斜坡下降的时变脉冲电压，当X射线照射到光电阴极上时，会产生电子束团，该电子束团在时变脉冲电压的影响下，依据电子弥散的原理，会造成电子束团中的电子在发射速度上的差异，由于所加的是时变下降电压，故根据动能原理，先从光电阴极发出的电子会获得比后发出电子更大的速度，所以电子束团会在漂移区中进行扩张，最后电子束团到达光电倍增阵列。由此在荧光屏上进行成像。使用此方法可以对时间进行放大，提高相机的时间分辨率。该相机在最后还提出了一个新的改进思想，即由于针孔成像系统在低亮度射线源中无法提供足够的信号强度进行成像，所以提出采用KB显微镜成像系统来进行优化，但是一直没有进行实验。成功与否尚未知晓。在2011年应用脉冲扩张技术的分幅相机成功应用于NIF上，获得了40～100 ps的时间分辨率。

从20世纪80年代行波选通分幅相机的出现，到如今发展到5 ps的分幅相机，分幅相机的原理已经相当成熟，其时间和空间分辨能力，主要受选通脉冲的宽度、幅度、形状以及MCP的厚度、孔径比、开口面积等诸多因素的影响和制约。行波选通型分幅相机的在未来发展中的研究重点主要有:1)考虑使用K-B显微镜成像系统代替现在使用的针孔成像系统;2)MCP的最优化，如厚度、孔径比、开口面积等的最优化比例;3)高压选通脉冲信号的制作新方法的研究;4)脉冲扩张技术的深入研究。

分幅相机的研究目的是取得更好的时间分辨率，空间分辨率等重要参数，以满足不断发展的ICF研究。在未来的发展中，希望通过以上4个方面的详细研究，进一步提高分幅相机在ICF研究中的作用，取得更加重要的数据。

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