应用于激光等离子体实验的脉冲展宽分幅相机

雷云飞，刘进元，蔡厚智，王 东，黄峻堃，王 勇，邓珀昆

深圳大学物理与光电工程学院，广东深圳 518060

惯性约束聚变(inertial confinement fusion, ICF)内爆燃烧后阶段的持续时间约为100 ps，在此期间等离子体发射的X射线被高速诊断设备所探测，可提供关于内爆过程的对称性、瞬态特征和停滞时间等重要实验信息．应用于ICF实验的行波选通型X射线分幅相机不仅具备应对瞬态过程的高时间分辨率，同时还能获取内爆压缩过程的二维空间图像，用于实验研究临界面运动规律、界面不稳定性及辐射场均匀性等[1-5]．

在行波选通型X射线分幅相机中，信号选通是通过沿着微通道板(microchannel plate, MCP)微带阴极传输的选通快门电脉冲来实现的，选通脉冲对信号产生增益，增益后的信号被探测设备记录．然而，电子通过MCP时的渡越时间和渡越时间弥散限制了行波选通型分幅相机的时间分辨率，该类型分幅相机的曝光时间约为100 ps[6-7]，为了更好探测ICF点火实验中的瞬态特征，需要曝光时间小于30 ps的超快诊断设备[8-9]．提高探测信号时间分辨能力主要有2种途径：① 提高探测设备自身的时间分辨能力；② 在探测器自身时间分辨能力无法提高的情况下，使被测信号在时间上进行展宽并测量，再对测量出的信号进行时间压缩与脉冲重建．途径 ② 将脉冲展宽技术引入行波选通型X射线分幅相机中，即将随时间变化的展宽电脉冲加载于光电阴极，从而在阴栅之间引入与时间相关的光电子加速电位，变化的电场赋予光电子束轴向速度色散．由于光电子束前后速度的差距，其经过漂移区到达MCP输入面时被拉伸，实现电子束的时间放大，从而提高分幅相机时间分辨率，因此，脉冲展宽分幅相机是一种将电子脉冲展宽技术与传统行波选通分幅技术相结合的分幅相机．目前，美国利弗莫尔实验室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)研发的脉冲展宽分幅相机，采用长磁透镜进行成像，成像比例分别为3∶1和1∶1，空间分辨率分别为3 lp/mm 和20 lp/mm，时间分辨率分别为6 ps和30 ps[10-11]；中国深圳大学超快诊断课题组研制的电子束脉冲展宽皮秒分幅相机，采用短磁透镜进行成像[12]，成像比例为2∶1和1∶1[13-14]，空间分辨率分别为5 lp/mm和10 lp/mm[15-16]，时间分辨率分别为4 ps和11 ps[17-18]．

本研究研制一种X射线脉冲展宽分幅相机，利用激光轰击靶材产生的超短X射线均匀照射相机微带阴极，并对电子信号图像进行拟合分析，测得时间分辨率约为20 ps．通过分析电子信号图像强度，得到在微带阴极长度小于20 mm范围内，相机的增益均匀性优于20%．采用直流紫外灯对相机的静态空间分辨率进行测试，在成像面直径小于56 mm范围内，空间分辨率测量值达到10 lp/mm．

1 脉冲展宽分幅相机工作原理

电子束脉冲展宽技术首先由PROSSER[19]提出，通过赋予电子束团额外的速度差异来增加电子探测器的带宽．在电子束展宽技术中，阴栅之间的斜坡电脉冲引起光电阴极上所产生电子束团的速度变化，产生时间较早的光电子较产生时间较晚的光电子具有更高的轴向速度，在通过漂移区后，电子束将在时间上展宽．随后，在行波选通型X射线分幅相机上形成展宽后的电子图像[20-21]．

脉冲展宽分幅相机结构如图1，由光电阴极、阳极栅网、分布式磁透镜组、漂移区、MCP、荧光屏、电控系统及电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)组成．相机工作时，首先在光电阴极、MCP和荧光屏上加直流电压，调节磁透镜电流使相机的成像比例为1∶1；随后在阴极和MCP上分别加载斜坡展宽电脉冲与选通电脉冲，调节延迟时间使入射光脉冲与展宽脉冲在时间上同步，同时使到达MCP的电子图像与选通脉冲在时间上同步；最后将获得的图像信号通过CCD记录，并传至电脑．

图1 分幅相机结构示意图Fig.1 Draft of the framing camera

变像管的光电阴极由3条金微带组成，每条金阴极的宽度为12 mm，相邻两个微带之间的间隙为9 mm．金条带的厚度为80 nm，蒸镀在厚度为50 μm碳氢薄膜上，碳氢薄膜圆片直径约为90 mm．栅极为20 lp/mm的镍制栅网，阴极和栅网之间的距离为1 mm．磁透镜组由4个短磁透镜组成，磁透镜线圈2 320匝，外包铁壳，内径160 mm，外径256 mm，宽度约49 mm，按彼此间隔59.5 mm安装于长度为550 cm的漂移管上．磁透镜铁壳内径部分开有4 mm狭缝，磁场通过狭缝泄漏至漂移区，将阴极电子图像按1∶1成像于MCP输入面上．MCP的厚度为0.5 mm，直径为90 mm，微通道直径为12 μm．MCP输入面有3条金属微带阳极，每条微带的宽度为15 mm．两条相邻微带之间的间隙为6.6 mm, MCP 输出面镀金．荧光屏距离MCP 输出面0.5 mm，电子图像轰击荧光屏转变为可见光图像，荧光屏通过光锥与CCD耦合．

电控系统提供直流电压与超快高压电脉冲．变像管有2种工作模式，其中，动态模式为通常工作模式，此时阴极、MCP输入面及荧光屏的直流电压分别为-3 kV、-483 V及3.4 kV，管壳，栅网与MCP输出面接地，阴极条带上加载2.7 V/ps的斜坡电脉冲，MCP条带上加载半高宽度(full width at half maximum, FHWM)290 ps的选通电脉冲．静态模式主要用于静态空间分辨率测试与成像系统像差校正，该模式下MCP输入面电压为-700 V，其余电压偏置与动态模式相同，阴极与MCP不加载高压脉冲．

2 实验过程

2.1 激光等离子体相互作用实验

利用Amplitude激光器在靶室进行打靶，激光器的脉冲持续时间约为100～150 fs，波长为780 nm，单脉冲能量约50 mJ．激光轰击金靶材产生的X射线以点光源的形式均匀照射在变像管阴极上，阴极发射的光电子被斜坡电脉冲进行速度调制后进入漂移区，经磁透镜成像于MCP接收面，由选通电脉冲进行曝光，以此来标定相机的时间分辨率和增益均匀性．相机安装于靶室观测口上，光电阴极距离靶点约1.2 m，实验装置如图2．打靶过程中，将阴极微带上下两条加载-3 kV的直流电压偏置，中央条带空置，MCP直流电压设置为-700 V，获得的静态图像如图3．中央亮条带为直穿信号光穿透阴极后形成的背景噪声，强度计数约为234；两侧实线标示部分的图像为电子信号和背景噪声的叠加，强度计数约为283，信噪比约为1∶5．因此，在静态模式下，电子信号被背景噪声所淹没．

图2 分幅相机实验装置Fig.2 (Color online) Photograph of the framing tube

图3 激光打靶静态图像Fig.3 (Color online) Static image of laser target shooting

图4 脉冲展宽选通成像结果Fig.4 Results of gating image with pulse-dilation

当上下两条阴极微带工作于动态模式时，加载-3 kV直流偏置电压与斜率为2.7 V/ps的斜坡电脉冲，中央条带空置，其驱动电脉冲用于同步监测，MCP直流电压调节为-483 V，并加载半高宽为290 ps的选通电脉冲，得到的单一发次动态图像如图4(a)．选通脉冲在MCP微带上按照箭头方向传输，传输速度约为1.87×108m/s，信号1与信号2分别为上下两条微带上传输的选通脉冲所增益记录的电子信号，根据脉冲传输速度将图像的长度转换为时间，并计算其半高宽度即可得到相机的时间分辨率．图4(b)为信号1的强度分布曲线．信号1的峰值强度约为250，噪声本底约为25，信噪比约为9∶1，噪声信号受到较好抑制．直穿光与电子信号到达MCP接收面的时间不同，直穿光通过漂移管的时间约为1.83 ns，而电子信号通过漂移管的时间约为16 ns，与MCP输入面的选通电脉冲同步并获得增益．图4(b)中实线为实验数据的高斯拟合曲线，半高宽度为20 ps，对应横向距离约为3.8 mm，因此，相机的时间分辨率为20 ps．

由图4(a)可见，选通电脉冲沿箭头方向在微带上传播，随着传播距离增加，选通脉冲幅度会发生一定衰减，导致系统的增益均匀性发生变化．由图4(c)可见，信号2的时间位置相对信号1前进了约100 ps，对应传播距离为1.87×108×100×10-12≈ 0.02 m,即相对于信号1增加了约20 mm，峰值强度下降为200，即增益下降了约20%，因此，在忽略上下两条微带输入的选通电脉冲波形差异的条件下，在阴极微带长度小于20 mm范围内，相机的增益均匀性优于20%．信号2拟合曲线的半高宽度比信号1增加了约3.6 ps．

2.2 空间分辨率测试

分幅相机的空间性能测试使用均匀照明直流紫外光源进行．由于存在像差，相机的空间分辨率会随离轴距离增加而变化，因此，需要同时测试相机的空间分辨率和有效工作面积．图5为分划板阴极实验照片，分划板被直接制作在相机阴极上，可在1次曝光实验中获得整个工作面上不同离轴距离的空间分辨率信息．此外，该方法能够避免测试过程中受到光学成像误差的影响，阴极受到紫外光源激发后，分划板的电子图像直接经过磁透镜以1∶1成像于MCP接收面．

图5 分划板阴极Fig.5 Mask on the cathode

相机工作于静态模式时，得到的成像结果见图6(a)．像面内共有11组分划板，将其中10 lp/mm分划板放大以后的图像见图6(b)．其中，离轴4.5 mm与28.5 mm处的分划板清晰度较差，离轴20 mm附近分划板清晰度较高．

图6 分划板阴极成像结果Fig.6 Image of the mask

对10 lp/mm分划板进行调制度分析，调制度随离轴距离的变化曲线如图7．可见，调制度较低的分划板分别位于离轴28.5 mm和4.5 mm处，调制度分别为7.8%和8.2%；调制度较高的分划板位于离轴20 mm处，调制度达到19%；在离轴距离小于28.5 m的范围内，所有10 lp/mm线对分划板的调制度均超过5%．因此，在成像面直径小于56 mm的工作面积上，相机的静态空间分辨率为10 lp/mm．

图7 10 lp/mm分划板调制度随离轴距离变化Fig.7 Modulation of the 10 lp/mm image versus off-axis distance

结 语

本研究研制一种基于电子束脉冲展宽技术的X射线分幅相机，并对其时间分辨率和空间分辨率进行标定．实验结果表明，采用激光打靶产生的短X射线均匀照射在分幅相机阴极，阴极电子图像通过磁透镜成像于MCP接收面，对单一发次动态图像进行高斯拟合并计算半高宽度，测得相机的时间分辨率为20 ps．通过对图像强度进行对比分析，得到相机的增益均匀性在微带阴极长度小于20 mm范围内优于20%．采用直流紫外光源对相机分划板阴极进行照射，并对成像结果进行调制度分析，以此对相机的静态空间分辨率进行标定，在相机成像面直径小于56 mm的范围内，静态空间分辨率可以达到10 lp/mm．