相同激励下双磁透镜分幅变像管的成像研究
2017-01-04廖昱博龙井华蔡厚智陈家堉刘进元
廖昱博，龙井华，蔡厚智，陈家堉，刘进元
1)深圳大学光电子器件与系统教育部重点实验室，广东深圳 518060；2)赣南师范大学物理与电子信息学院，江西赣州 341000；3)深圳大学物理与能源学院，广东深圳 518060
【光电工程 / Optoelectronic Engineering】
相同激励下双磁透镜分幅变像管的成像研究
廖昱博1，2，龙井华3，蔡厚智1，陈家堉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，广东深圳 518060；2)赣南师范大学物理与电子信息学院，江西赣州 341000；3)深圳大学物理与能源学院，广东深圳 518060
设计研制了大面积阴极双磁透镜分幅变像管，考察双磁透镜系统相同激励下1∶1的成像.从薄透镜成像关系出发，分析满足成像条件的4种情况，并求得各种情况下双透镜位置与焦距的关系式.通过阴极微带光刻分辨率板法进行成像的测试与验证.测试结果表明，双磁透镜仅在少数几个位置能成较高质量的1∶1像.影响双磁透镜像管1∶1成像的因素主要包括磁透镜的磁化饱和效应、铁磁材料间的磁场干扰以及透镜厚度.
核仪器仪表；超快诊断技术；分幅变像管；双磁透镜；激励条件；成像规律
变像管是一种光电子束成像器件，主要由光电阴极、电子光学系统及荧光屏组成.光电阴极把光学像转变成电子像，经电子光学系统聚焦成像在荧光屏上，荧光屏再把电子像转变成光学像，由电荷耦合元件(charge-coupled device, CCD)或胶卷记录下来.变像管分幅相机通过变像管实现图像的光电转换、脉冲选通与图像增强，是研究亚纳秒时间范围内瞬变现象的主要工具.其借助光电阴极来实现波长转换，所以具有较宽的波长响应范围，可覆盖从紫外光到X射线区段.变像管分幅相机利用微通道板(micro-channel plate, MCP) 实现光电子信号的倍增，故具有很高的灵敏度.尤其是20世纪90年代以来，采用MCP行波选通技术使分幅相机的时间分辨率得以显著提升，最高可达35ps[1]，因此可广泛用于X射线激光、惯性约束核聚变(inertial confinement fusion, ICF)、Z-箍缩(Z-pinch)以及强场物理等[2-6]重大研究领域.2010年，Hilsabeck等[7]将脉冲展宽技术(pulse-dilation technique) 和MCP行波选通技术相结合，研制了时间展宽分幅相机，使时间分辨率进一步提升至5ps.在这种像管中，光阴极与MCP之间以漂移区分开.当X光脉冲照射到阴极上，激发的光电子信号在阴栅之间的斜坡电压脉冲作用下产生速度梯度，使信号前沿部分比后沿部分具有更高的速度.因而经过漂移区后，光电子束在时间上被展宽，并通过长磁透镜将其成像在MCP微带上，经快门脉冲的选通作用，获取动态图像，测得动态空间分辨率～300μm.在此基础上，本课题组通过改进磁透镜结构，在电子光学设计中引入短磁透镜替代长磁聚焦，测得时间分辨率为11ps, 后经优化提高至4ps，动态空间分辨率优于100μm[8-9].进一步研究表明，采用双磁透镜电子光学系统有助改善像质，提升空间分辨率[10].为此，有必要深入研究变像管在双磁透镜系统下的成像特征.本研究先考察两结构相同的磁透镜在相同激励下1∶1的成像.从薄透镜成像关系出发，讨论双透镜成等大的像时磁透镜位置与成像激励(或焦距)的关系；再通过静态测试加以验证，并对磁透镜在不同位置的成像特征进行分析比较.
1 相同激励下双透镜成等大像的条件
假设物面(阴极发射面)与成像面的间距为D(即变像管的长度)，在实际测试中保持不变．短磁透镜的焦距f与励磁电流I之间近似满足[11]
(1)
其中，V、 R和N分别对应电子束加速电压、磁透镜线圈的平均半径和线圈匝数.因物侧磁透镜L1和像侧磁透镜L2具有完全相同的结构，故在相同激励下，两者也具有相同的焦距.以下利用光学透镜成像关系对不同相对位置下双磁透镜1∶1成像进行分析，为简单起见，磁透镜作薄透镜处理．
1.1 两次成像均为实物成实像
图1为两次成像均为实物成实像时的双透镜位置.可见，此时中间像位于L1与L2之间，且L1的物距s1>f.两次成像满足高斯成像关系
(2)
(3)
图1 两次成像均为实物成实像时的双透镜位置Fig.1 The positions of the double lenses at which the two real images are formed
(4)
(5)
即L1与物面距离等于L2与像面距离.另据图1可知
(6)
2s2-Ds+Df=0
(7)
即为这种情况下透镜位置与透镜焦距应满足的关系式.
1.2 中间像为虚像
(8)
由图2中的几何关系可知
(9)
联立式(2)、(3)、(8)和(9)可得
D=4f
(10)
图2 中间像为虚像时的双透镜位置Fig.2 The positions of the double lenses at which a virtual intermediate image is formed
1.3 中间像为虚物
这种情况的成像关系仍满足式(2)和式(3)，最终成倒立的实像.因此，所满足的关系形式与式(8)、(9)和(10)一样，只是s1>f且s2<0.
1.4 物面和像面分别位于L1前焦面和L2后焦面
此时，L1与L2之间形成平行束，显然有
(11)
2 静态测试与结果分析
2.1 静态测试方法
变像管的静态成像测试采用最新研制的大面积阴极像管，其物面是尺寸为72mm×12mm的镀金微带阴极，后面是长1mm的阴栅加速区．为便于测试空间分辨率，利用光刻技术在阴极微带上规则地刻划上各种空间频率的分辨率板，每块分辨率板是尺寸为3mm×3mm的小方格，其线对数分别为2、5、10、15, 直至35lp/mm．像管末端装配有MCP、荧光屏和CCD图像采集系统.MCP也是镀金微带结构，其尺寸为40mm×8mm．像管前端光阴极至后端成像面的距离D为50cm．成像透镜采用线圈密绕于铝芯，外覆软铁屏蔽罩的短磁透镜结构．线圈匝数N为1320，磁透镜轴向宽度为10.0cm, 平均半径R为10.4cm，内壳上开有4mm宽的环形空气缝隙．测试所用光源为紫外灯，测试条件为：阴极电压-3.0kV、MCP电压-560V、屏压+3.4kV, 像管内部真空压强控制在1.0×10-3Pa以下．阴极成像测试之前，先获取MCP上微带的CCD图像(图3)，以备确定成像倍率．阴极成像测试时，将2个磁透镜正向串接，改变两透镜在像管中的相对位置，调整透镜激励，使成等大的像．
图3 MCP微带的CCD图像Fig.3 The image acquired by CCD of micro-stripes on the MCP
2.2 测试结果与分析
表1给出2个透镜均为实物成实像情况下的透镜位置(s值)，与之对应的焦距(激励)理论值及激励的测试值．此时的中间像介于2个透镜之间，透镜焦距较短，因而激励电流较大．同时，激励电流的测试结果与理论计算值存在较大偏差，这主要是由于磁透镜已达磁饱和状态，偏离了磁化线性区的缘故，如图4所示，这种非线性效应使成像出现了明显畸变．
表1 双磁透镜均为实物成实像时的透镜位置与成像激励
Table 1 The positions and imaging excitations of the magnetic double lenses at which two real images are formed
s/cm计算值f/cm计算值I/A测试值I'/A11.06.160.4350.50512.06.240.4320.50612.56.250.4320.50913.06.240.4320.50614.06.160.4350.50815.06.000.4400.51716.05.760.4500.52517.05.440.4630.536
图4 双透镜均为实物成实像时的测试结果(s=130mm)Fig.4 One of the test results for the double-lens system when the two lenses are placed to form two real images (s=130mm)
如前所述，1.2和1.3节两种情形的1∶1成像均须满足式(8)和式(10)，即此时磁透镜焦距f为12.5cm，两个透镜中心距离保持25.0cm．测试了双磁透镜在几种不同位置下的成像，成像激励电流见表2．其中，第1、2行对应s1
表2 双磁透镜在几种不同位置下的成像激励电流
Table2 The imaging excitations of the magnetic double lenses placed at several different positions
s1/cms2'/cm计算值f/cm计算值I/A测试值I'/A11.014.012.50.3050.30012.013.012.50.3050.30013.012.012.50.3050.30214.011.012.50.305-1)15.010.012.50.305-1)
1)-表示未获得1∶1的成像
图5 双磁透镜在几种不同位置下的1∶1成像测试图(上为；中为s1=12.0cm,；下为Fig.5 The test images at 1∶1magnification ratio formed when the double lenses are placed at several different positions
阴极物面与成像面分别位于磁透镜L1前焦面和L2后焦面处的成像激励测试结果如表3，几种不同位置对应的测试图像见图6．此类成像的磁透镜摆放位置与1.1节的情况完全一样，都是关于中心对称放置．但是，前者成像的激励电流明显比后者要小，成像质量和空间分辨率一般也会优于后者．焦距从12.0～13.0cm所对应的成像激励与中间虚像或虚物情形非常接近，因而也具有相对较好的成像质量和较高的空间分辨率．尤其是f=12.5cm时，整个像管构成4f成像系统，成像的空间分辨率最高．相比之下，f在15.0cm以上的成像，空间分辨明显更差，而且焦距越长，成像质量越差，成像激励的测试值与理论计算值的偏差也越大．这主要是因为焦距越长，所对应的两个磁透镜的间距就越小，因而，两个磁透镜铁磁材料间磁场可能的相互干扰也越大，最终导致磁场畸变，影响成像质量．
表3 物、像分别位于L1前焦面和L2后焦面时的透镜放置与成像激励电流
Table 3 The positions and imaging excitations of the magnetic double lenses when the object plane and the image plane are placed at the front focal plane of ens2, respectively
s/cm计算值f/cm计算值I/A测试值I'/A11.011.00.3250.32212.012.00.3110.30712.512.50.3050.29913.013.00.2990.29214.014.00.2880.27915.015.00.2790.26416.016.00.2700.25217.017.00.2620.24218.018.00.2540.228
图6 阴极物面和成像面分别位于L1前焦面和L2后焦面时的测试图像.从左至右分别对应：s=11.0、12.5、13.0、15.0及 17.0cmFig.6 The test images acquired when the cathode object plane and the image plane are placed at the front focal plane of lens 1and the back focal plane of lens2, respectively.From left to right: s=11.0, 12.5, 13.0, 15.0and 17.0cm
综上所述，由于受到实际磁透镜磁化饱和、双磁透镜铁磁材料之间的磁场相互干扰以及透镜厚度等因素的影响，之前由薄透镜成像关系所得的4种可能的1∶1成像情形，只有有限的几种透镜位置组合能成等大的像．如中间像为虚像或虚物，同时物侧磁透镜距离阴极较近的情形(s1=11.0～13.0cm)；或是物面、像面位于透镜前、后焦面，而两透镜间隔较大的情形(s=11.0～14.0cm)．在实际静态测量或动态测试中，出于对空间分辨率和像质的考虑，应合理调整磁透镜激励电流, 就本磁透镜系统而言，可使激励电流接近0.300A，此时的磁透镜焦距恰好与单磁透镜1∶1成像的焦距值相近．此外，对于大口径磁透镜，两透镜之间间隔不宜过小，以免铁磁材料的磁场之间产生较强的相互干扰．同时还可设法对透镜结构做适当修正，如缩小内周环形空气隙缝开口，或增大软铁屏蔽罩厚度等，从而进一步减弱透镜间的磁化干扰．
结 语
在所研制大面积阴极变像管的基础上，考察双磁透镜像管的1∶1成像．从薄透镜成像关系出发得出满足等大成像的4种可能磁透镜位置组合．即中间像分别为实像、虚像、虚物以及物面和像面分别位于透镜前、后焦面的情形．经测试发现，双磁透镜仅在少数几个位置能成较高质量的1∶1的像．影响双磁透镜像管1∶1成像的因素主要包括：磁透镜的磁化饱和、铁磁材料间的磁场干扰以及透镜厚度．在双磁透镜成像中，两透镜在相同激励下1∶1的成像是其中最简单的情形．下一步工作的重点是进一步探讨双磁透镜像管在不同激励以及不同倍率下的成像规律．
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【中文责编：方 圆；英文责编：木 南】
Imaging evaluation of magnetic double-lens framing tube under the same excitation
Liao Yubo1，2，Long Jinghua3†，Cai Houzhi1，Chen Jiayu1，and Liu Jinyuan1
1)Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems of Ministry of Education, Shenzhen University,Shenzhen 518060，Guangdong Province, P.R.China 2) School of Physics and Electronic Information Science, Gannan Normal University, Ganzhou 341000,Jiangxi Province, P.R.China 3) College of Physics and Energy, Shenzhen University, Shenzhen 518060，Guangdong Province, P.R.China
A large cathode framing tube is designed and developed.Its imaging at a magnification ratio of 1∶1is investigated by using a magnetic double-lens system with the same excitation.Firstly, based on the imaging formula of thin lens, four imaging situations are analyzed, and the relationship between the positions of the two magnetic lenses and the focal length is derived.Then, resolution plates photo-etched on the cathode micro-stripe are adopted to test the imaging quality of the tube under the four situations.The test results show that 1∶1imaging with higher image quality occurs only when the double lenses are placed in a few positions.The factors that affect the 1∶1imaging of the magnetic double-lens system are mainly the magnetization saturation effect of the lens, magnetic-field interference between the ferromagnetic materials of the two lenses, and the lens thickness.
nuclear instrumentation; ultrafast diagnostic technique; framing tube; magnetic double lenses; excitation condition; imaging rules
TN 143；O 536
10.3724/SP.J.1249.2016.06593
国家自然科学基金资助项目 (11305107)
廖昱博(1982—)，男，深圳大学博士研究生、赣南师范大学讲师．研究方向：超快诊断技术． E-mail：bobocome@126.com
引 文：廖昱博，龙井华，蔡厚智，等．相同激励下双磁透镜分幅变像管的成像研究[J].深圳大学学报理工版，2016，33(6)：593-598.
