短磁聚焦分幅变像管空间分辨率的模拟与测试

白雁力，龙井华，蔡厚智，雷云飞，张又文，李仕潭，刘进元

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，深圳 518060；2)桂林电子科技大学教学实践部，广西桂林 541004；3)深圳大学物理科学与技术学院，深圳 518060

【光电工程 / Optoelectronic Engineering】

短磁聚焦分幅变像管空间分辨率的模拟与测试

白雁力1，2，龙井华3，蔡厚智1，雷云飞1，张又文1，李仕潭1，刘进元1

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，深圳 518060；2)桂林电子科技大学教学实践部，广西桂林 541004；3)深圳大学物理科学与技术学院，深圳 518060

模拟和设计短磁聚焦分幅变像管，研究变像管空间分辨特性及其影响因素.采用洛伦兹软件Lorentz 3D-EM建立变像管模型，通过分析变像管磁场和模拟电子成像，估算变像管阴极中心空间分辨率为～16.61 lp/mm(阴极电压-3.0 kV). 模拟阴极上不同离轴点、变像管不同成像倍率和不同阴极电压3种情况对变像管空间分辨率的影响. 通过设计变像管，构建实验平台，测试变像管空间分辨率，在阴极电压为-3.0 kV时，测试结果为 ～13 lp/mm.

超快诊断技术;分幅变像管;短磁聚焦;空间分辨率;微通道板;洛伦兹软件

以微通道板(micro-channel plate，MCP)为核心的X射线分幅相机，是一种具有高时空分辨能力的诊断工具，被广泛用于惯性约束聚变 (inertial confinement fusion，ICF)、同步辐射和Z箍缩等离子体的测量[1-7]. 基于MCP选通的分幅相机工作原理是将被拍摄等离子体经成像系统在MCP输入面的光阴极微带上成像，若选通脉冲未加至光阴极微带上时，该光阴极上的图像将被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微带光阴极上时，该光阴极上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.目前，实用化分幅相机曝光时间为～100 ps，采用直径56 mm和厚度0.5 mm的MCP，在MCP输入面上镀有4条宽6 mm的微带线. 据文献[8-12]记载，对分幅相机的研究主要集中在大探测面积和短曝光时间两方面，尤其是短曝光时间.Oertel等[8]采用3块35 mm×105 mm的MCP进行拼接，研制出探测面积为105 mm×105 mm的MCP，并在MCP输入面上镀有6条13 mm宽的微带线，其曝光时间约为100 ps，这是至今为止最大探测面积的MCP；曝光时间方面，Bradley等[9]采用厚度为0.2 mm 的MCP，通过减小电子在MCP中的渡越时间，将曝光时间缩短到～35 ps.但薄的MCP信噪比差、增益低、显示面积小，因此无法广泛使用. 近几年，一种采用脉冲展宽技术的分幅相机，进一步将曝光时间提升到<10 ps[10-12]. 该种相机的阴极和MCP由漂移区分开，在阴极斜坡脉冲作用下，使电子具有不同的速度，通过漂移区的传输后，电子束团在时间上得到展宽，并通过匀强磁场成像. 本研究在此结构基础上，充分利用短磁透镜具有二阶像差较小和易于改变图像倍率的优点，将短磁聚焦系统[13]应用于分幅相机，对其空间分辨特性进行模拟和测试.

1 短磁聚焦分幅变像管仿真模型

IES(Intergrated Engineering Software)公司的Lorentz软件，是针对电磁场中粒子与粒子束轨迹进行仿真分析的软件. 本研究利用Lorentz 3D-EM模块设计分幅变像管. 考虑到主要研究对象是电子成像的空间分辨率，所以像管仿真模型只包括光电阴极、阳极、漂移区、短磁透镜和成像面，仿真模型剖面如图1(a)，具体参数为：阴极和阳极之间的距离为1 mm；加速电场强度是3 kV/mm. 短磁透镜由软铁壳、铝轱辘和线圈组成，外直径为256 mm；内直径为160 mm；磁透镜宽为100 mm；在磁透镜内壳上开4 mm的狭缝，以使磁场分布集中；短磁透镜位于像管的中间，确保变像管成像比例为1∶1；漂移区长500 mm. 在成像最清晰时，由图1(a)中灰度变化可以判断磁场强度从漂移区中心向两端逐渐减弱.图1(b)为漂移区轴上磁场强度曲线，是一个轴对称不均匀分布. 最佳成像时，轴上最大磁感应强度为4.28×10-3T.

图1 仿真模型剖面图及成像最清晰时轴上磁场强度分布Fig.1 (Color online) Cross-section of simulation model and magnetic filed distribution of best imaging

2 变像管空间分辨率

变像管的空间分辨率是指变像管分辨空间物体最小细节的能力，通常用1 mm能分辨的线对数来表示. 其模拟过程为：首先，在阴极表面同一点发出若干个光电子. 由于光电子的初始参量存在差异，如能量和发射角度等，这些光电子经过电场加速和不均匀磁场聚焦后，在成像面上所成的像不再是一个理想点，而是呈现一定分布.然后，对成像点进行位置统计，计算成像分布的均方根半径[14].最后，通过式(1)计算空间调制传递函数(spatial modulation transfer function，SMTF). SMTF曲线由空间频率(单位：lp/mm)和SMTF的强度值组成，通常将SMTF强度降至0.1时，对应的极限空间频率定义为阴极上该点的空间分辨率. SMTF为

(1)

(2)

图2 阴极中心空间分辨率模拟Fig.2 (Color online) Simulated spatial resolution on cathode center

从阴极中心随机抽样发射405个电子，光电子的初始能量服从0～1eV上的β(1，4)分布，发射仰角服从0°～90°上的余弦分布，方位角服从0°～180°上的均匀分布，初始位置服从均匀分布. 图2(a)是阴极电压-3.0kV时，阴极中心发射的电子在成像面上的分布. 由式(2)可算得系统均方根半径为29.13μm，通过式(1)计算SMTF，其曲线如图2(b). 曲线横坐标为空间频率，纵坐标为SMTF强度. 当SMTF的强度值降到0.1时，对应空间频率为 16.61lp/mm，即变像管阴极中心点的空间分辨率.

根据上述阴极中心点空间分辨率的模拟方法，在离轴点、像管成像倍率和阴极电压3方面对短磁聚焦分幅变像管的空间分辨特性进行研究.

2.1 阴极表面不同离轴点的空间分辨率

在阴极电压-3.0kV时，模拟离轴距离d=5、10和15mm的点的空间分辨率.图3(a)是不同离轴距离点发射的电子在成像面上的分布，随着与轴距离的增加，电子在磁场作用下偏转变大，使成像面上的点分布范围变大，即均方根半径变大；图3(b)是不同离轴点的空间传递函数曲线，从图可见，随着与轴距离增加，空间分辨率渐减，在与轴距离超过5mm后，成像质量已经非常差.

图3 不同离轴点空间分辨率模拟Fig.3 (Color online) Simulation of deferent off-axis points

2.2 变像管不同成像倍率下的空间分辨率

当阴极电压为-3.0kV时，在不同成像倍率下，对阴极中心的空间分辨率进行模拟. 图4分别为成像放大2倍和1倍、缩小1/2和2/3时，阴极中心的空间传递函数曲线，从图4可见，成像倍率越大，能分辨空间物体最小细节的能力就越强，空间分辨率就越好.

图4 不同成像倍率的空间分辨率模拟 Fig.4 (Color online) Simulation of deferent magnification

图5 不同阴极电压的空间分辨率模拟Fig.5 (Color online) Simulation at deferent cathode voltages

2.3 不同阴极电压下的空间分辨率

在不同阴极电压下，对阴极中心点的空间分辨率进行模拟. 图5表示阴极电压-3.5、-5.0和-10.0kV时，阴极中心点的空间传递函数曲线.从图5可见，阴极电压变化对空间分辨率有重要影响，随着阴极电压的上升，空间分辨率也随着提高.

通过对变像管在不同条件下的空间分辨特性研究，可知，阴极表面离轴距离、 成像倍率和阴极电压都是影响变像管空间分辨率的因素. 因此，在条件允许时，为避免空间分辨率的损失，应尽可能减小电子离轴距离，适当增加阴极电压和成像倍率.

3 空间分辨率测试

图6 静态空间分辨率测试Fig.6 Static spatial resolution measurement

采用短磁聚焦分幅相机的静态空间分辨率指在阴极和MCP上都加直流电压时的空间分辨率，测试系统如图6(a).测试采用紫外盘形灯照射2#石英分辨率板，通过平行光管光学系统将石英分辨率板的图像成像在光电阴极的工作区域内，阴极产生的光电子经电压加速和短磁聚焦系统聚焦在MCP上，MCP对电子进行倍增，倍增后的电子经屏压加速轰击荧光屏，形成可见光图像，用电荷藕合器件(chargecoupleddevice，CCD)图像传感器观察采集所成的分辨率板图像，在计算机上观测分辨率板组数，并将其转换成空间分辨率线对数. 测试中，在光电阴极、MCP和荧光屏分别加-3.0kV、-540.0V和3.4kV的直流偏置. 2#分辨率板的测试结果和局部放大如图6(b)，从中可分辨第5组的4个方向，2#分辨率板的第5组的条纹宽度为15.9μm，平行光管放大率为2.5倍，通过式(3)计得分幅相机的空间分辨率为1 000/(2×2.50×15.90)～13lp/mm.

结 语

模拟和测试短磁聚焦分幅变像管空间分辨特性.通过洛伦兹软件Lorentz3D-EM建模，分析像管磁场和模拟电子成像，估算变像管阴极中心点空间分辨率为～16.61lp/mm(阴极电压为-3.0kV)，模拟不同离轴点、不同成像倍率和不同阴极电压对变像管空间分辨率的影响，为今后成像管的优化提供依据. 设计变像管，在阴极电压为-3.0kV时，测试其静态空间分辨率，测试结果为～13lp/mm. 下一步我们将就如何提高变像管空间分辨率及模拟测试变像管动态特性进行深入研究.

/ References：

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【中文责编：方 圆；英文责编：木 南】

Simulated and measured spatial resolution of framing converter using short magnetic focusing

Bai Yanli1, 2, Long Jinghua3†, Cai Houzhi1, Lei Yunfei1, Zhang Youwen1,Li Shitan1, and Liu Jinyuan1

1) Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems of Ministry of Education, Key Laboratory of Optoeleetronic Devices and Systems of Guangdong Province, Shenzhen University, Shenzhen 518060, P.R.China 2) Department of Education Practice, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, Guangxi Province, P.R.China 3) College of Physics Science and Technology, Shenzhen University, Shenzhen 518060, P.R.China

The characteristic and influencing factors of spatial resolution of a framing converter with short magnetic focusing were studied. The model of the framing converter was built by Lorenz 3D-EM software. The calculated spatial resolution is about 16.61 lp/mm(cathode voltage at -3.0 kV) by analyzed magnetic field and simulated electron imaging. The influencing factors of spatial resolution were also simulated, which are on different off-axis points of cathode, with different imaging magnification and at different cathode voltages. The spatial resolution was measured through designing experimental system and the result is about 13 lp/mm when cathode voltage at -3.0 kV.

ultrafast diagnostic technique; framing converter; short magnetic focusing; spatial resolution; micro channel plate; Lorenz 3D-EM

：Bai Yanli，Long Jinghua，Cai Houzhi，et al．Simulated and measured spatial resolution of framing converter using short magnetic focusing[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2015, 32(2): 178-182.(in Chinese)

TN 143; O 536

A

10.3724/SP.J.1249.2015.02178

国家自然科学基金资助项目(11305107)；广西壮族自治区教育厅科研资助项目(LX2014125)

白雁力(1979—)，男(回族)，广西壮族自治区桂林市人，深圳大学博士研究生.E-mail：bayaly@szu.edu.cn

Received：2014-09-11；Accepted：2014-11-20

Foundation：National Natural Science Foundation of China (11305107)；Scientific Project of Education Department of Guangxi (LX2014125)

† Corresponding author：Associate professor Long Jinghua．E-mail： jhlong@szu.edu.cn

引 文：白雁力，龙井华，蔡厚智，等．短磁聚焦分幅变像管空间分辨率的模拟与测试[J]. 深圳大学学报理工版，2015，32(2)：178-182.