大面积MCP选通X射线分幅相机的研制

蔡厚智，龙井华，刘进元，彭 翔，贾 凌，张 月，黄 龙，杨国洪，刘慎业，丁永坤

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;3)深圳大学物理科学与技术学院，深圳518060;4)中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳621900

在激光与物质相互作用、惯性约束聚变、等离子体物理等超快研究及其应用领域，需要研究持续时间为纳秒及亚纳秒量级的超快物理过程及物理参数，微通道板 (microchannel plate，MCP)选通X射线分幅相机是关键诊断工具之一，它可完成超快现象的高时间、空间分辨与捕获，具有皮秒量级的时间分辨和二维空间分辨能力，且其一次曝光可获得不同时刻的多幅图像［1-3］.

随着MCP的发展及皮秒高压电脉冲技术的突破，MCP行波选通分幅相机的性能得到逐渐提高.目前实用化分幅相机的时间分辨率为60～100 ps［4-5］，采用薄MCP(厚度为0.2 mm)技术，可将时间分辨率提高至35 ps左右［6］.近年Hilsabeck T J等［7］采用电子束时间放大系统，研制出时间分辨率为5 ps的X射线分幅相机样机.随着分幅相机时间分辨率的提高，对画幅尺寸和事件时间记录长度的要求也不断提高.画幅尺寸由微带阴极宽度决定，时间记录长度由微带阴极长度决定［8］.目前，分幅相机多使用小MCP［9］，若在MCP输入面镀上4条相互独立的直微带阴极，每条微带阴极的长度为40 mm，宽度为6 mm，则时间记录长度约为1 ns，X射线像的大小需在0.5 mm内 (假设被拍摄等离子体的X射线像经放大倍数为12的针孔阵列成像在微带阴极上).为增大画幅尺寸，增加时间记录长度，本文研制大面积MCP行波选通X射线分幅相机，在MCP输入面上镀有6条相互独立的直微带阴极，并测量该分幅相机的性能指标.

1 大面积MCP选通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分幅变像管、选通脉冲发生器和CCD构成.选通脉冲通过以MCP为电介质的微带阴极加在MCP上，被拍摄等离子体的X射线图像经针孔阵列同时成于MCP输入面的不同部位，若MCP上不加电压，则X射线图像将被MCP吸收，在MCP分幅变像管的荧光屏上没有图像输出.当选通脉冲沿微带阴极在MCP上传输时，某时刻仅有一段微带区域存在电压，经某个针孔而成在该区域的X射线像所产生的光电子图像将被MCP增强，并到达荧光屏形成可见光图像.经过一段时间传输后，选通脉冲到达另一个针孔所成的X射线像区域，此时该图像将被输出.这样，这些针孔所成的像将依次逐个被选通，输出的可见光图像用紧贴在光纤面板的CCD记录.

MCP分幅变像管是相机的核心部件，由阻抗渐变线、微带阴极、MCP和制作在光纤面板上的荧光屏组成，如图1，其作用是将X射线转换成可见光，实现时空分辨.低背景噪声，大动态范围等性能指标的实现均主要取决于该系统.本研究中MCP分幅变像管的主要参数为:MCP外径106 mm、厚0.5 mm、通道直径12 μm、通道间距14 μm、斜切角6°.在MCP输入面上蒸镀6条宽度为12 mm、间隔为3 mm的微带阴极 (500 nm Cu和100 nm Au)，MCP输出面蒸镀与输入面相同厚度的Cu和Au.MCP与荧光屏的距离为1 mm.

图1 MCP变像管实物图Fig.1 Physical map of the MCP imager

电控系统由选通脉冲发生器、MCP静态及偏置电源、荧光屏电源、延时控制器等组成.选通脉冲发生器是电控系统的核心部分，由雪崩三极管线路(图2)和雪崩二极管脉冲成形电路组成.其基本原理是雪崩三极管线路产生一个有较快前沿的高压斜坡脉冲，利用此高压斜坡脉冲驱动雪崩二极管脉冲成形电路，从而得到皮秒选通脉冲［10］.

图2 雪崩三极管线路示意图Fig.2 Schematic diagram of avalanche triode circuit

本研究中选通脉冲信号经50 Ω的同轴电缆送入MCP分幅变像管外端的SMA插头，然后短接PCB板上的50 Ω微带线，经过一段50～11 Ω的阻抗渐变线与MCP上的微带阴极阻抗匹配，通过微带阴极后，再经过另一段11～50 Ω阻抗渐变线与50 Ω同轴电缆连接至外引线，并在外引线端头实现阻抗匹配.

2 实验结果

2.1 微带阴极的时域反射测量

图3为取样示波器测得6条微带的时域反射曲线.其中，曲线中标注为1的部分为50 Ω同轴电缆的阻抗;2为MCP分幅变像管SMA插头处阻抗;3为阻抗渐变线的阻抗;4为阻抗渐变线与MCP微带阴极连接处的阻抗;5为MCP微带阴极的阻抗.可见，6条微带阴极的特性阻抗均约为11 Ω，一致性较好，总的时间记录长度约为3 ns.

2.2 静态空间分辨率测量

用紫外盘形灯作为光源照射石英分辨率板，通过平行光管的光学系统将石英分辨率板的图像成像在微带阴极的工作区域内，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轰击荧光屏形成可见光图像.用CCD采集荧光屏上所成的分辨率板图像，并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，再将对应的组数换算成空间分辨率线对数.

当MCP电压为－600 V，屏压为4.0 kV时，获得的静态空间分辨率图像如图4.其中，第1～12单元组的4个方向都较清晰，石英分辨率板单元号为12时，条纹宽度为10.6 μm，平行光管放大倍数为2.5，则静态空间分辨率为

图3 微带阴极的时域反射曲线Fig.3 Measured time domain reflectometry of the six microstrip lines

图4 静态空间分辨率测量结果Fig.4 The measured result of the static spatial resolution

2.3 时间分辨率测量

曝光时间 (即时间分辨率)定义为分幅相机增益－时间曲线的半峰全宽，是相机最重要的性能指标之一.曝光时间与MCP选通脉冲的幅值和宽度有关，幅值越大宽度越小，曝光时间越短.曝光时间测量装置如图5.实验首先在MCP上加直流电压，测量微带的静态像，得到入射光在微带上的静态分布.然后进行动态测量，脉冲宽度为100 fs，波长为266 nm的紫外激光，经延时后照射扩束镜(图5中L)，扩束后均匀照明整个微带阴极.主光路另一束波长为400 nm的紫光送入PIN探测器，产生一个触发脉冲，触发选通脉冲发生器，调节电路延迟，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，得到微带像的动态分布，将微带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的影响，再由选通脉冲在微带阴极上的传输速度，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5 曝光时间测量装置Fig.5 The experimental setup of the exposure time measurement

图6为微带的静态图像.当幅值为－2.16 kV、宽度为165 ps的选通脉冲传输到MCP微带阴极，且MCP上加－50 V的直流偏置后获得的动态图像如图7.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为时间分布，结果如图8，图中曲线的半峰全宽为62 ps，因此，得到相机的曝光时间为62 ps.曝光时间的测量结果与所用激光器的脉冲宽度有关，本课题组之前的理论分析表明，激光器脉冲宽度为10 ps时，对曝光时间测量结果的影响为1.1%［11］.本研究中激光器脉冲宽度为100 fs，对曝光时间测量结果的影响甚微.

图6 微带静态图像Fig.6 The static image of the microstrip line

图7 微带动态图像Fig.7 The gating image of the microstrip line

图8 曝光时间的测量结果Fig.8 The measured result of the exposure time

图9为MCP上加幅值为－2.16 kV、宽度为165 ps的高斯脉冲和－50 V的直流偏置后获得的增益－时间曲线的理论结果，理论模型见参考文献［11］.曝光时间的理论结果为41 ps，比实际测量的结果小21 ps，原因之一是选通脉冲在传输过程中被不断衰减，在MCP微带阴极上的选通脉冲幅值要小于－2.16 kV，限于实验条件，目前尚无法测量微带阴极上的选通脉冲幅值.

图9 曝光时间的理论结果Fig.9 The theoretical result of the exposure time

结 语

研制大面积MCP行波选通X射线皮秒分幅相机.MCP的外径为106 mm，在MCP的输入面蒸镀了6条微带阴极，每条微带阴极的宽度为12 mm，微带阴极间距离为3 mm.对微带阴极进行时域反射测量，得到微带阴极的特性阻抗约为11 Ω，总的时间记录长度约为3 ns.当幅度为－2.16 kV、宽度为165 ps的选通脉冲传输到MCP微带阴极，且MCP上加－50 V的直流偏置时，测得相机的时间分辨率为62 ps，大于时间分辨率的理论结果41 ps.设置相机工作在静态模式，测得相机的静态空间分辨率为18.87 lp/mm.

/References:

［1］ Liu Jinyuan，Niu Lihong，Peng Wenda，et al.Application of a fast electrical pulse in gated multichannel plate camera［J］.Review of Scientific Instruments，2007，78(5):055104-1-055104-4.

［2］ Kruschwitz A C，Wu M，Rochau G A.Monte Carlo simulations of microchannel plate detectors.II.pulsed voltage results ［J］.Review of Scientific Instruments，2011，82(2):023102-1-023102-8.

［3］ Xiong Gang，Hu Zhimin，Li Hang，et al.One-dimensional space resolving flat-field holographic grating soft X-ray framing camera spectrograph for laser plasma diagnostics［J］.Review of Scientific Instruments，2011，82(4):043109-1-043109-5.

［4］ Bell P M，Bradley D K，Kilkenny J D，et al.Radiation hardening of gated x-ray imagers for the National Ignition Facility ［J］.Review of Scientific Instruments，2010，81(10):10E540-1-10E540-3.

［5］ Cai Houzhi，Liu Jinyuan，Peng Xiang，et al.Design of an X-ray framing camera with wide microstrip line［J］.Chinese Journal of Lasers，2012，39(1):0117001-1-0117001-7.(in Chinese).蔡厚智，刘进元，彭 翔，等.宽微带X射线分幅相机的研制 ［J］.中国激光，2012，39(1):0117001-1-0117001-7.

［6］ Bell P M，Kilkenny J D，Hanks R，et al.Measurements with a 35-psec gate time microchannel plate camera［C］//International Conference on Ultrahhigh-and High-Speed Photography，Videography，Photonics and Velocimetry.［s.l.］:SPIE，1990，1346:456-464.

［7］ Hilsabeck T J，Hares J D，Kilkenny J D，et al.Pulse-dilation enhanced gated optical imager with 5 ps resolution［J］.Review of Scientific Instruments，2010，81(10):10E317-1-10E317-6.

［8］ Oertel J A，Archuleta T，Bakeman M，et al.A large-format gated x-ray framing camera［C］//International Conference on Fourth-Generation X-Ray Sources and Ultrafast X-Ray Detectors. Bellingham(USA):SPIE，2004，5194:214-222.

［9］ Cai Houzhi，Liu Jinyuan，Peng Xiang，et al.Investigation of picosecond X-ray framing camera［J］.Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2012，29(2):123-128.(in Chinese)蔡厚智，刘进元，彭 翔，等.X射线皮秒分幅相机的研制［J］.深圳大学学报理工版，2012，29(2):123-128.

［10］ Cai Houzhi，Liu Jinyuan.Investigation and application of ultrafast pulse circuitry［J］.Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2010，27(1):33-36.(in Chinese)蔡厚智，刘进元.超快脉冲电路的研制及应用 ［J］.深圳大学学报理工版，2010，27(1):33-36.

［11］ Cai Houzhi，Liu Jinyuan，Niu Lihong，et al.Monte Carlo simulation for microchannel plate framing camera ［J］.Optical Engineering，2010，49(8):080502-1-080502-3.