应用于ICF的大动态软X射线扫描相机

宗方轲，顾 礼，张敬金，雷保国，郭宝平，杨勤劳

1) 深圳大学光电工程学院，广东深圳518060；2)深圳大学光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，广东深圳518060

扫描变像管相机是具备超高时间分辨、高空间分辨和宽光谱响应的高端科学测量与诊断仪器，在材料科学、等离子体物理、基础前沿科学研究和精密加工与制造等领域具有非常广泛的用途[1]，尤其在惯性约束聚变(inertial confinement fusion, ICF)、核爆模拟、先进常规武器设计与研制等国家战略技术研究中不可或缺，甚至是唯一的重要诊断技术手段[2-4]．在ICF实验中靶丸内部聚爆过程以及点火过程的研究中，高温高密度等离子体所携带的能谱、空间以及时间信息是研究受控聚变技术的关键，目前仅有变像管相机能满足这一领域的需求[5-6]，其可获取内爆动力学及内爆压缩动态图像的一维空间分布及其随时间的变化规律，具有皮秒级的高时间分辨，是研究临界面运动规律、界面不稳定性及辐射场均匀性不可缺少的诊断工具[7-8]．

目前，中国深圳大学光电工程学院超快诊断中心对变像管超快相机的研究处于世界领先水平[9]，具备研制高性能软X射线皮秒条纹相机的能力，其研制的条纹相机已具备20 lp/mm的空间分辨率和10 ps的时间分辨率，动态范围已达2 000∶1[10]．随着中国激光聚变研究的逐步推进，基于原型实验装置的探索，正式实验装置现正在搭建，它是一种拥有更大功率的三倍频固体激光打靶实验装置，辐射更强．为满足打靶实验中核爆辐射信息的时空能谱等多维诊断，要求诊断设备具有更大的动态范围和更强的抗辐射干扰能力[11]．

本研究根据中国激光聚变实验装置特殊要求，研制应用于ICF诊断平台实验专用的软X射线扫描相机，与前期研制的应用于ICF的X射线扫描相机样机相比有以下改进：① 优化电子光学系统，提高动态范围；② 采用防电磁干扰技术手段提高相机抵抗强电磁辐射能力；③ 进一步扩大阴极狭缝长度，扩展相机所获取的信息量，满足时间演化、空间分布及能谱变化等多维信息的精密化测量．

1 扫描相机设计

1.1 相机机构的总体设计

按照激光聚变实验装置的要求，相机需要搭载于公共诊断搭载平台上工作，需满足在公共诊断搭载平台上实现安装、调试、送进、收回和指向调节等功能．考虑到实验平台的特殊要求，相机的总体设计考虑以下原则：① 相机的所有组件都需要具备模块化结构，以利于易损部件的维修、更换和屏蔽；② 相机的常规操作均采用远程控制，通过内嵌的计算机控制器和以太网接口远程控制整个相机系统；③ 相机应具备自我工作状态的监视能力，并采取自动报警和保护措施，确保相机安全运行；④ 相机需满足严格的电磁屏蔽要求，以避免点火装置高能量激光发射的电磁干扰影响相机正常工作；⑤ 可从靶室外用光纤引入时标光，从而使相机具备时间基准和扫速校准功能．

按照以上设计原则，X射线扫描相机将具备模块化的结构特点，各模块均有技术指标要求和相对独立的结构，各模块之间的连接和拆卸简便易行，以便快速更换维护．所设计的X射线扫描相机由气室、条纹管、高性能门控像增强器、高压电源模块、扫描电路模块、触发信号延时模块、基于嵌入式计算机(PC104)的相机远程控制系统、基于数字信号处理器(digital signal processor, DSP)的工作参数及环境监测系统和CCD数据采集系统9部分组成．相机结构原理见图1．控制中心发出的信号指令通过光电转换传输到相机，作为相机控制中枢的PC104控制相机的每一步动作，触发信号通过延时系统控制扫描电路以及快门脉冲的产生，使扫描信号和增强器快门脉冲信号能够在光信号到达相机时同时到达，确保光信号与电信号同步；直流高压电源模块为条纹管和增强器提供高压支持，电源分配系统为高压模块、CCD和PC104等提供低压电源，确保整个系统的正常工作．

图1 X射线扫描相机结构原理图Fig.1 Schematic diagram of X-ray streak camera

1.2 相机的气室设计

相机的工作外部环境为高真空，所以气密性是设计重点，相机的气室结构见图2．气室外结构件均采用Al-Mg合金，可减小试验中的中子活化干扰；气室腔体采用异形结构在保证受力刚性的前提下减轻整体重量；采用整体加工以保证气密性．气室端面预备有光纤输入输出接口、电信号输入接口、电源接口、冷却循环水输入输出以及空气循环输入输出接口．由于气室外部为高真空工作环境，所有接口均使用航空级气密接插件以保障气密性．

由于空间限制，气室内部安置部件较密集，嵌入式计算机和电路控制部分的散热问题也需要综合考虑．热源需分散处理并对各组件进行合理布局，以保证热气流能顺利排出．此外，在局部发热较大区域(如PC104)增加水冷散热片，从而控制内部工作温度，保证相机的正常运行．

图2 相机的气室及其内部结构Fig.2 (Color online)Mechanism of the air chamber for streak camera and its internal structure

1.3 X射线扫描相机远程监测与控制设计

按照相机总体技术要求和使用环境的限制，相机控制与监测系统主要由远程控制、环境检测、扫描控制系统和CCD图像采集4部分组成．

1.3.1 硬 件

远程监测与控制系统基于DSP和复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device，CPLD)设计，两器件通过总线连接，实现相机的全部状态监测和操作控制功能．其中，DSP为相机监控和信号处理器件，与温度、湿度、气压、流量、液位及高压等传感器通信；CPLD用于扩展DSP的外部接口．可通过有线或无线手持调试设备实现人机交互，方便现场调试．

1.3.2 软 件

在相机内置的PC104上安装Windows 操作系统，基于Windows系统的C语言编程开发相机监控系统软件，利用以太网络和光电转换收发器实现上位机和下位机的实时通信，实现对相机的远程操作与控制．

1.4 大动态高分辨X射线扫描管设计

软X射线扫描相机的核心器件是条纹变像管，其剖面如图3．条纹变像管是一种利用光电转换技术把光学信息转变为电子图像的真空电子器件，其电子聚焦系统具有强聚焦特性，能把光电子束聚焦到微米量级，再利用荧光粉颗粒发光具有高分辨的特点得到高空间分辨图像；它能利用光电阴极的快速时间响应和电子束易于快速偏转的优点分离出其携带的时间信息，从而得到高时间分辨图像．

图3 X射线条纹管模型剖面图Fig.3 (Color online)Profile of the universal X-ray streak tube

根据总体技术指标、各环节参数匹配条件以及工程化相机系统的特殊要求，兼顾并均衡大工作面积、高时间分辨、高空间分辨及小时间畸变等参数之间相互制约问题，优化电子光学系统和结构设计，保证各项性能指标均满足相机系统的技术指标要求．总体设计原则如下：① 重新优化设计扫描管高压电子光学和结构，进一步提高动态空间分辨率，扩展动态范围；② 增大放大倍率；③ 缩短聚焦区长度；④ 提高电光转换效率；⑤ 较高的扫描管工作电压，兼顾高的电光转换效率和高的偏转灵敏度；⑥ 增大荧光屏工作电压；⑦ 通过优化电子光学设计减小空间电荷效应等措施，进一步提升动态范围．

1.5 X射线扫描相机耐高压与抗电磁干扰设计

1.5.1 耐高压方案

1)内部环节：提升扫描变像管自身耐高场强性能；优化扫描变像管工作环境(如提高真空度和优化真空卫生等)．

2)外部环节：采用精巧的密封结构，解决了高压电源、分压器、高压调整(聚焦调整电位器)及高压接头等对空气放电的难题．

1.5.2 抗电磁干扰方案

1) 各主要部分实现模块化并合理布局(防外部和互干扰)．

2) 采用大功率电子器件，增强扫描电路的抗电磁干扰能力，使扫描电路在强辐射下依然能保持正常工作状态．

3) 扫描管样管光输入端采用电屏蔽结构．

4) 气室内采用特殊的电磁复合屏蔽结构．

5) 气室结构及表面采取特殊技术处理，保证电连续性，抵消部分电磁干扰．

2 实验测试方案

动态实验使用一台钛宝石紫外飞秒激光器作为辐射光源，通过调整使其在单次输出状态工作，输出激光脉宽为130 fs、单脉冲能量为30 μJ，波长为266 nm ．扫描相机动态测试光路排布如图4．主激光束经取样镜后进入分束镜(45°半透半反)，分束镜透射的激光由吸收体吸收，反射的激光进入法布里-波罗标准具，标准具用于提供一个标准的时间刻度，由2片表面严格平行的反射镜组成，前反射镜的后表面镀半透半反膜，后反射镜的前表面镀全反膜．当一束激光脉冲由前反射镜入射时，标准具将反射一系列等时间间隔、能量等比衰减的脉冲序列．脉冲的时间间隔Δt由两反射镜间距d确定(Δt=2nd/c，其中，n为空气折射率； c为光速)，可根据标定不同档位时的需要进行调节．由标准具反射的激光脉冲序列经光纤或准直系统后进入扫描相机照射在光电阴极上辐射出光电子，当这些光电子经扫描管的加速聚焦后到达偏转系统入口时，触发信号触发扫描电路使偏转器处于正常工作状态，这样电子脉冲序列就按照时间顺利依次偏转轰击荧光屏产生等间距的一系列条纹，利用这些条纹间距代表的时间信息就可以标定相机的时间特性．扫描相机的触发信号由取样镜输入触发探测器产生，为使相机触发信号的传输与信号光的传输同步, 在探测器与扫描相机间连接一个可调时间延迟的延时箱．光脉冲序列产生的光电子脉冲序列经扫描变像管扫描偏转分离出其携带的时间信息并成像于荧光屏上，最后由CCD相机读取和记录．

图4 X射线扫描相机实验测试原理图Fig.4 Experimental principle of X-ray streak camera

3 测试结果和讨论

根据实验测试方案建立专用实验平台，通过调整合适激光强度对研制的X射线扫描相机进行测试实验，并利用SI1000科学级CCD相机获得数据．相机最高电压设置为12 kV，阴栅电场为4 kV/mm，扫速分为2、4、8和16 ns 4挡，分别满足核爆测试时对宽量程和精细化测量的不同需求．

相机的动态分辨测试结果见图5．在加载动态扫描电压情况下，荧光屏上显示的图像条纹对比度见表1．可见，15 lp/mm的条纹对比度达到了32.5%，20 lp/mm的条纹对比度达到了26.9%，由此确定相机的动态空间分辨大于20线对．

图5 X射线条纹相机动态空间分辨测试图Fig.5 (Color online)Dynamic spatial resolution of X-ray streak camera

分化条纹分辨率/lp·mm-1背景强度峰值强度谷值强度调制度/%1519352231432.52019359942726.9

动态测试时，时间标准距的光程差设置为18 mm，时间间隔120 ps．相机设置在扫速最高档，测试结果见图6．测试光斑按照时间顺序依次被扫描开，2个光斑的距离对应标准距所确定的时间差，即120 ps，经数据后期计算处理，狭缝像峰峰间距125像素，条纹平均宽度5.25像素，按照相机的设定扫速为89.6 ps/mm，则经过换算得到像宽5.25像素代表的时间宽度为5.04 ps，所以，可以确定本扫描管的时间分辨率可以到达5.04 ps．

扫描相机动态范围定义为在条纹宽度扩展小于20%情况下，最大光强与最小可探测光强之比[12]．图7为扫描相机的动态范围测试结果．动态范围的测试值和光阴极感光范围及其平均辐照光强度有关，阴极受辐射的范围越长，动态范围的测试值会下降，这与变像管中的光电流密度有关，工作状态下光电子数目越多，光电流密度越大，电子束空间电荷效应增强使电子束扩展严重，从而导致动态范围下降明显．在ICF诊断中核爆辐射照射阴极时也只是覆盖一小部分，并没有照亮全阴极．因此，根据中国ICF研究对变像管扫描相机的实际使用情况，并结合中国对扫描相机动态范围通用的测试方法，本研究在测试扫描相机的动态范围时，也仅在阴极一小部分感光的情况下进行．按照中国对动态范围的通用计算方法，在条纹宽度扩展小于20%的状态下，最大条纹强度Imax=24 701.28，最小条纹强度Imin=15.16，背景强度Iback=4.12，光强扣除背景噪声后，动态范围D为

图6 扫描相机动态时间分辨率测试图Fig.6 (Color online)Dynamic temporal resolution test chart

图7 扫描相机动态范围测试结果Fig.7 (Color online)Test results for dynamic range of streak camera

结 语

本研究按照中国激光聚变研究多维信息诊断的精密化测量需求，根据中国激光聚变实验装置特点，研制应用于ICF诊断平台实验专用软X射线扫描相机．在原有实验样机的研发基础上，通过优化扫描变像管电子光学设计，提升扫描相机的时间分辨性能和动态范围．测试实验结果表明，所研制的X射线扫描相机时间分辨为5 ps，动态空间分辨大于20 lp/mm，动态范围为2 237∶1，扫描相机性能比前期制作的相机有显著提高，满足中国现阶段激光聚变研究装置的应用需求，对未来激光聚变试验的多维精密化诊断提供有力技术支持，对ICF研究中更精确高效地获取内爆信息具有重要的意义．