分压电路对X射线条纹相机成像稳定性的影响

顾 礼，李 翔，宗方轲，周军兰，杨勤劳，郭宝平

1)深圳大学光电工程学院，光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，广东深圳518060；2)深圳大学信息工程学院，广东深圳518060；3)深圳大学高等研究院，广东深圳518060

【光电工程/OptoelectronicEngineering】

分压电路对X射线条纹相机成像稳定性的影响

顾 礼1,2，李 翔3，宗方轲1,2，周军兰1，杨勤劳1，郭宝平1

1)深圳大学光电工程学院，光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，广东深圳518060；2)深圳大学信息工程学院，广东深圳518060；3)深圳大学高等研究院，广东深圳518060

在X射线条纹相机静态测试中，发现分压电路的稳定性显著影响条纹相机成像性能．为提高成像稳定性，对分压电路进行测试，发现分压电路输出不稳定性由电流热效应导致，对此采用小电流分压电路方法，以降低电流热效应．测试和比较了两种分压电路的电压和电流输出，条纹相机静态成像性能和系统调制传递函数．理论分析和实验结果表明，相机在使用小电流分压电路加电20 min后，工作电流、温度及电子透镜焦距分别改变了1.4%、7.5%和0.14%，静态成像以及系统调制传递函数均优于原有方法．

光电子学与激光技术；惯性约束聚变；核仪器；X射线条纹相机；条纹变像管；分压电路；调制传递函数

X射线条纹相机是激光惯性约束聚变(inertial confinement fusion，ICF)研究内爆动力学及内爆压缩规律，获取等离子辐射连续时空变化图像的重要诊断仪器[1-3]．通过获取等离子体辐射的X射线时间、空间和强度分布信息，能够诊断内爆压缩过程，得到靶在聚变时的各种基本参数[4-7]．随着中国ICF研究的深入，对X射线条纹相机提出了时、空、能谱诊断“精密化”的要求[8-11]，要求X射线条纹相机不但需具有高时空分辨率、大动态范围，且具有较高的工作稳定性．

本课题组为神光III所研制的X射线条纹相机，其核心部件为静态聚焦型X射线条纹变像管．在X射线条纹变像管静态测试中，发现分压稳定性显著影响条纹相机成像性能．采用小电流的分压电路方法，通过减小分压电路的电流，降低电阻的发热效应，实现高压输出的稳定性．实验测试了条纹相机空间分辨率，理论分析了电子光学系统电子透镜焦距和条纹相机的调制传递函数(modulation transfer function，MTF)的变化，实验和理论研究表明，该方案实现了条纹相机较高的工作稳定性．

1 条纹变像管设计

图1 静态聚焦型条纹变像管示意图Fig.1 The diagram of electrostatic focusing streak tube

静态聚焦型条纹变像管示意图如图1，电压参数如表1．在条纹变像管内部，光电阴极P/C产生信号光电子，阴极和栅网M形成均匀加速场，加速光电子．光电子在第1聚焦电极F1、第1阳极A1、第2聚焦电极F2及第2阳极A2组成的聚焦区聚焦后，穿过偏转板DP，在荧光屏P/S上完成电光转化并成像．在聚焦电极中，F1和A1组成第1聚焦透镜，对聚焦电子束和调整聚焦点位置起到重要作用，同时进一步加速光电子并减少时间失真．F2和A2组成第2聚焦透镜，用于细调成像位置并使几何像差最小化．电压加载采用负高压加载的方式，实现电子在完成聚焦偏转后飞行在稳定接地的等位区．

表1 条纹变像管电压参数

2 分压电路影响与相机测试

2.1条纹相机静态测试

为获得条纹变像管分辨率信息，制作了测试用分划阴极．该阴极的石英衬底上具有100nm的导电铝膜，利用专门制作的掩模版，在铝膜上光刻出狭缝型分辨率图案，最后蒸镀30nm金发射膜．分划阴极的狭缝总长30mm，中心左右两侧长3mm，宽0.1mm的区域具有20lp/mm和22lp/mm分辨率图案，图案分辨率以4lp/mm间隔递减到阴极边缘．同时保证分辨率图案线条的误差均在1μm范围内．

图2 条纹相机静态测试原理图Fig.2 Schematic diagram of streak camera static experiment

条纹相机静态测试原理如图2．紫外盘形灯发射的紫外光照射在条纹变像管金阴极上，分划条纹的金阴极发射光电子，加速并聚焦成像到荧光屏上，转换成可见光，被CCD接收转换成计算机处理的数字信号．通过获取和考察分划条纹的数字图像，可以得到条纹相机成像的空间分辨率．高压电源和分压器用于给条纹变像管各个电极提供稳定直流高压．

2.2分压电路设计

由于条纹变像管在装架中存在不可避免的误差等因素，在测试中需要对条纹变像管电子光学系统电压参数进行调整，以达到最优的成像性能．分压电路原理如图3，电路中电压输出达到设计值，同时使用两个1MΩ的高压高精密可调电阻实现F2电压的细微调整．图3(a)中，当分压电路总阻值为90.9MΩ，输入电压为-12kV时，电流为132μA，F2-1和F2-2实现的电压调整区间分别为-10.207～-10.339kV和-10.075～-10.207kV．

图3 条纹相机分压电路原理图(单位：MΩ)Fig.3 Schematic diagram of voltage divider circuits of the streak camera(unit: MΩ)

2.3分压稳定性与空间分辨率

图4 条纹相机使用分压器1静态测试图像Fig.4 The static experiment image of streak camera under voltage divider 1

调整条纹变像管F2电极电压，得到相机使用分压器1静态测试最优的分划图案，如图4(a)．201p/mm和22lp/mm区域的明暗条纹清晰可见．但是条纹变像管在加载电压20min后，图像变得模糊对比度下降，221p/mm区域明暗条纹已很难分辨，如图4(b)．为此，本研究在0～20min每5min测量分压器1电流，F1、F2、A1/M的输出电压及分压电阻的温度，结果见表2．可见，F1、F2及A1/M的输出电压变小，电流变大，电阻温度上升．其中，电流变化2.3%，温度变化14.1%．分压电路在加载电压一段时间后，由于电流热效应，电阻发热，阻值改变，输出电压发生改变，电极电压的改变导致条纹相机图像分辨率变差．

表2 条纹相机分压器1测试结果

为提高分压稳定性，同时保证条纹变像管F2电极电压具有一定的调整区间，改变分压电路设计，保持分压不变，增大总电阻阻值，减小工作电流，降低电流热效应影响，如图3(b)．当分压电路2总阻值173.9 MΩ，输入电压-12 kV时，电流为69 μA、F2-1和F2-2实现的电压调整区间分别为-10.075～-10.144 kV和-10.006～-10.075 kV．

图5 条纹相机使用分压器2静态测试图像Fig.5 The static experiment image of streak camera under voltage divider 2

相机使用分压器2静态测试获得的分划图案如图5，在0 min时，20和22 lp/mm区域的明暗条纹清晰．电压加载20 min时，条纹清晰度明显好于分压器1的情况．在0～35 min每5 min测量分压器2的电流，F1、F2、A1/M的输出电压，以及电阻的温度，结果如表3．可见，电压、电流及温度随时间的变化程度均小于分压器1，其中，20 min时电流变化1.4%、温度变化7.5%；35 min时电流变化1.4%、温度变化10.9%．实验结果表明，较小电流的分压电路能降低电流热效应，改善电阻发热，提高分压器高压输出和条纹相机成像的稳定性．

表3 条纹相机分压器2测试结果

3 理论分析

静态聚焦型条纹变像管电极F1、F2及A1/M电压的不稳定性，导致了电子光学系统成像特性的改变，尤其是F1和A1电压的不稳定性，改变了第1聚焦透镜对电子的会聚成像性能．

F1与A1电压之比小于4，电极为等直径双圆筒，直径为60 mm，大于电极间距8 mm，所形成的第1聚焦透镜属于弱浸没电子透镜[12]，其透镜焦距为

(1)

其中，f1为电子透镜焦距；C=VA/VF为A1和F1的电压之比；R为等径圆筒半径．

由式(1)、表2和表3的测试数据可得条纹变像管在使用分压器1和2时第1聚焦透镜焦距变化，如图6．由于电压的改变，电子透镜焦距均随时间有不同程度改变，使用分压器2的焦距变化明显小于分压器1．分压器1加载电压0 min时焦距为1.470 m，20 min后焦距为1.490 m，相比变化1.4%．分压器2加载电压0 min时焦距为1.473 m，20 min后焦距为1.471 m，相比变化0.14%，35 min后焦距为1.470 m，改变小于0.2%．

图6 条纹变像管电子聚焦透镜焦距变化Fig.6 The focal length change of electronic focus lens of streak tube

根据获取的分划条纹图像可得明暗条纹的对比度，由对比度传递函数(contrast transfer function，CTF)和MTF的关系式[13]，可得该离轴距离和空间分辨率下的条纹相机的空间调制度为

MTF(f)=πCTF(f)/4

(2)

其中，f为空间频率．Csorba[14]提出使用式(3)表示电子光学成像系统的空间MTF，

MTF(f)=exp[-(πρef)2]

(3)

其中，ρe被称为聚焦误差系数．周立伟院士等[15]进一步证明：ρe是电子在最佳像面处落点的均方根半径，并通过均方根半径把空间分辨率和空间MTF联系到一起．物理意义上，均方根半径体现了电子落点在像面上的密集程度，电子落点越密集，系统MTF越优．

图7 条纹相机MTFFig.7 The MTF of streak camera

由式(3)可得离轴2 mm、20 lp/mm的条纹相机探测得到的电子落点均方根半径，从而得到条纹相机的MTF．利用条纹相机的MTF可以客观评价相机对高频空间分辨率信号的调制度，得到相机的极限空间分辨率．图7为分别使用分压器1和2，在0和20 min时，离轴2 mm的条纹相机MTF．可见，条纹相机使用分压器1的0 min时，MTF曲线下降缓慢，20 min后，曲线剧烈下降，各个调制度所对应的空间频率变小；使用分压器2的0 min时，MTF曲线下降缓慢，20 min后MTF曲线下降仍较为缓慢，各个空间分辨率对应的调制度均优于分压器1．

结 语

在静态聚焦型条纹变像管静态测试中，发现分压稳定性显著影响X射线条纹相机的成像性能．受限于高压高精密的可调电阻阻值，为使电子光学系统的电压参数具有一定的调整范围，分压电路中需要具有一定的工作电流．较大的工作电流产生较大的电流热效应，使电阻阻值不稳定，导致了分压电路的高压输出不稳定性，在工作一定时间后，条纹相机空间分辨率变差．采用较大的总电阻值，较小的工作电流，并保证最优的电压参数在可调整的区间内，来设计分压电路才能使条纹相机成像稳定可靠，以满足ICF研究中对诊断仪器X射线条纹相机高精密和高稳定的需求．

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【中文责编：方圆；英文责编：木南】

InfluenceofvoltagedividercircuitonimagingstabilityofX-raystreakcamera

GuLi1,2,LiXiang3,ZongFangke1,2,ZhouJunlan1,YangQinlao1,andGuoBaoping1

1)CollegeofOptoelectronicEngineering,KeyLaboratoryofOptoelectronicDevicesandSystemsofMinistryofEducationandGuangdongProvince,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,GuangdongProvince,P.R.China2)CollegeofInformationEngineering,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,GuangdongProvince,P.R.China3)InstituteforAdvancedStudy,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,GuangdongProvince,P.R.China

In the static test of the X-ray streak camera,it is shown that the stability of the voltage divider circuit significantly affects the imaging performance of the streak camera. In order to improve the imaging stability, we analyze the voltage divider circuit. We find that the output instability of the voltage divider circuit is caused by the current thermal effect.The voltage circuit with smaller current is adopted to reduce the current thermal effect. We test and compare the voltages, current outputs, the static imaging performances of the streak cameras and the system modulation transfer functions for the two voltage dividers. Both theoretical analysis and experimental results show that after the camera has been powered with the smaller current divider circuit for20min, the operating current, the system temperature and electron lens focal length change by1.4%,7.5% and0.14%, respectively.And the static image quality and modulation transfer function are improved.

optoelectronics and laser technology; inertial confinement fusion; nuclear instrumentation; X-ray streak camera; streak tube; voltage divider circuit; modulation transfer function

2017-03-30；Accepted：2017-06-01

Professor Yang Qinlao. E-mail: qlyang@szu.edu.cn

TL 65.1；TB 872

：Adoi：10.3724/SP.J.1249.2017.05532

Foundation：National Key Scientific Instrument and Equipment Development Projects (2014YQ230659)；National Natural Science Foundation of China (11705119)；Natural Science Foundation of Guangdong Province (2017A030310142)；Shenzhen Science and Technology Project (JCYJ20170302152748002)

：Gu Li, Li Xiang, Zong Fangke, et al. Influence of voltage divider circuit on imaging stability of X-ray streak camera[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(5): 532-536.(in Chinese)

国家重大科学仪器设备开发专项资助项目(2014YQ 230659)；国家自然科学基金资助项目(11705119)；广东省自然科学基金项目(2017A030310142)；深圳市科技计划资助项目(JCYJ20170302152748002)

顾 礼(1983—)，男，深圳大学博士后研究人员．研究方向：超快诊断技术．E-mail：flutelad@126.com

引文：顾 礼，李 翔，宗方轲，等. 分压电路对X射线条纹相机成像稳定性影响[J]. 深圳大学学报理工版，2017，34(5)：532-536.