基于超快激光调制的纳秒脉冲X 射线发射源*

李昀 苏桐 盛立志 张蕊利 刘舵 刘永安 强鹏飞 杨向辉 许泽方

1) (中国科学院西安光学精密机械研究所,瞬态光学与光子技术国家重点实验室,西安 710119)

2) (中国科学院大学光电学院,北京 100049)

3) (邯郸学院数理学院,邯郸 056005)

面向基础科学与空间应用研究领域对小型化超快脉冲X 射线发射源的需求,设计并研制了基于激光调制光源与光电阴极X 射线管的超快脉冲X 射线发生器,解决了传统X 射线调制发射装置重复频率低、时间稳定性差、脉冲特性差等应用难题.本文主要开展了脉冲X 射线发生器的超快调制控制模块研究,并利用基于预调制的激光控制光源实现了高时间精度、高时间稳定度的超快时变光子信号以及纳秒脉冲X 射线产生.理论方面,建立了脉冲X 射线发生器时间响应模型,分析了出射脉冲X 射线的时域时间特性.实验方面,搭建了基于超快闪烁体探测器的脉冲X 射线时间特性实验测试系统,测试了激光控制光源及脉冲X 射线发射源的时间特性参数.实验结果表明脉冲X 射线发生器可同时实现高重频(12.5 MHz)、超快脉冲(4 ns)、高时间稳定度(400 ps)特性,且与所建立的理论模型高度符合.相比于传统X 射线调制方案,脉冲时间参数指标得到了大幅提升、应用场景获得了极大拓展,本项研究有望为实现超高时间稳定性、超快脉冲X 射线发射源提供新思路.

1 引言

超快光子是面向极端尺度与极端时间的新型研究领域,其中脉冲X 射线调制发射源在材料科学、瞬时成像[1]和X 射线通信等领域具有广泛应用.例如,闪烁体材料的时间特性标定需要发射源产生脉冲宽度小于材料荧光衰减时间的脉冲X 射线;高速运动物体的瞬时成像需要曝光时间短、束流强度大的X 射线;脉冲星导航的地面验证实验中需要高时间稳定度的任意波形X 射线发生装置[2].这些应用场合都对调制X 射线源的脉冲特性,时间特性,以及频率特性提出了迫切需求.

传统的脉冲X 射线发生装置可分为外调制,内调制和闪光式三种.其中,外调制利用高速旋转的斩波器产生特定时域轮廓的X 射线,但斩波后X 射线边缘模糊,时间稳定性极差(ms 量级)[3].以栅控X 射线发射源为代表的内调制方式,通过在阳极和阴极之间增加栅极控制电子的加速过程实现对X 射线的强度调制,但栅控电压的建立时间限制了脉冲宽度[4,5].闪光式X 射线发射源基于短时间产生高强度脉冲电子束的方式,可以实现亚纳秒脉冲宽度的X 射线,但其重复频率低、输出脉冲宽度变化大(变化范围在几纳秒内)、时间精度差[6],应用场景受限.因此,传统的X 射线调制发射源因为调制方式的固有缺陷[7–9],难以产生同时具备超快脉冲、高精度时间特性的脉冲X 射线,这也极大限制了X 射线脉冲发射源的应用及相关领域的进展[10].

本文提出了基于激光控制光源与光电阴极X 射线管的脉冲调制方案,设计并研制了小型化脉冲X 射线发生器,搭建了基于超快闪烁体探测器的脉冲X 射线时间特性实验测试系统.测试结果显示,该脉冲X 射线发生器具备12.5 MHz 的高重频、4 ns 的超快脉冲和400 ps 的高时间稳定度的优越时间特性.

2 方案设计与理论模型

2.1 脉冲X 射线发生器原理

图1 给出了脉冲X 射线发生器的工作原理,该发生器主要由两部分组成: 激光控制光源和光电阴极X 射线管.其中,激光控制光源的主要功能是提供高时间精度的时变光子信号,以激发光电阴极并启动X 射线的发生.光电阴极X 射线管是一种由S20 光电阴极、金属阳极、电子光学元件组成,高度精密的真空X 射线发生装置[11,12].其核心在于采用蒸镀技术,在光电阴极X 射线管的光学元件上沉积了Na,Sb,K,Cs 四种金属制备而成的S20光电阴极.这种多碱阴极能够将一定波长范围的时变光子信号转化为时变电子脉冲.时变电子脉冲通过阳极高压和电子光学元件的共同作用,高度聚焦和加速,最终实现了电子束与金属阳极的精确碰撞,从而产生时变脉冲X 射线.

图1 脉冲X 射线发生器的原理图Fig.1.Schematic diagram of pulsed X-ray generator.

2.2 激光控制光源设计

传统的激光调制电路通常采用直接调制的方法,但这种方法在高速通信或高精度应用中会导致调制信号的高频失真以及信号畸变.本文设计了基于预调制的激光控制光源,通过复杂的电控系统来为激光二极管提供稳定的脉冲电流输出,从而实现高带宽和低失真的时变光子信号输出.图2 为激光控制光源模块的设计图,通过仿真电路的拓扑结构,合理布局来保证激光的调制精度.六路并联的调制放大电路为激光二极管提供了其额定输出功率.同时,考虑到X 射线发生器的输运匹配关系,选择了波长为468—478 nm 的激光光源来匹配S20光电阴极,使得S20 光电阴极的量子效率能够达到10%—15%,表1 为激光控制光源的特性参数表.

表1 激光控制光源的特性参数Table 1.Characteristics of laser controlled light source.

图2 激光控制光源的设计图Fig.2.Design diagram of laser controlled light source.

2.3 脉冲X 射线发生器时间特性

图3 给出了脉冲X 射线发生器的时域分析结果[13,14],可知脉冲X 射线发生器的时间特性由激光控制光源的电路延时、激光脉冲宽度、光电阴极X 射线管的延时等因素综合决定.其中,激光控制光源的电路延时主要产生于脉冲的上升沿和下降沿[15,16],激光脉冲信号的非线性问题源于激光二极管的阈值电流特性.光电阴极X 射线管光子到电子再到X 射线的过程中存在的延时txd.txd可以用光子击中光电阴极表面引发光电子发射的时间延迟以及光电阴极X 射线管中电子的渡越时间来表示:

图3 脉冲X 射线发生器对短脉冲的时间响应曲线Fig.3.Time response curve of pulsed X-ray generator to short pulse.

这里,V(z) 为电子轴向的电位,η为电子的荷质比,电子初始能量Ez0=eεz0,εz0表示电子的初始电位,(1)式描述了光电阴极X 射线管的延时,通过仿真计算可得光电阴极X 射线管引发的延时在6.916—4.271 ns 之间.

2.3.1 最高重复频率

从时域上分析,脉冲X 射线发生器的最短周期主要受激光控制光源的限制,可以表示为

其中td是激光控制光源的电路延时;τld是激光二极管的最短脉冲宽度.使用开关电路等效模型对激光控制光源的开关延时进行分析,可以得到:

这里,tCL是电流在电路中的振荡和反应的时间,ton是调制放大电路从关闭到打开的时间.toff是调制放大电路从导通到关闭的时间,L,C,R是驱动电路的等效电感、等效电容、等效电阻,C1是与激光二极管并联的电容,Vd为激光二极管供电电压,V0为驱动电路初始电压.为求激光二极管最短脉冲宽度,将激光二极管转化为等效电路,可得:

其中τld是激光二极管最短脉冲宽度;Lld,Cld,Rld是激光二极管的等效电感、等效电容、等效电阻;Vd是供电电压.由脉冲X 射线发生器的最短周期可以得到最高重复频率为

脉冲X 射线发生器的最大调制频率由激光控制光源的电路延时以及激光二极管最短脉冲宽度共同决定.由(5)式可以估算出激光控制光源的最大调制频率约为88.47 MHz,该值代表了理论上系统可以达到的最高调制频率.

2.3.2 时间弥散

图4 为脉冲X 射线发生器的时间弥散曲线,脉冲X 射线发生器的时间弥散来源于激光控制光源与光电阴极X 射线管的共同作用[17–19].激光控制光源采用六路并联的调制放大电路,由于电路板中的元器件参数、布局和线路长度等因素的不确定性,导致六路电信号到达激光二极管的时间存在差异,引起出射的激光脉冲的时间弥散现象,光电阴极X 射线管的时间弥散效应包括多个方面的影响因素[20].首先,电子在光电阴极上释放的位置不同,初速度也有所不同.其次,在电子传输过程中,这些电子在束流中会经历不同的运动轨迹和聚焦效应.这一系列因素会导致电子到达靶材的时间存在差异,进而对出射的X 射线的时间弥散产生影响.

图4 脉冲X 射线发生器的时间弥散曲线Fig.4.Time dispersion curve of pulsed X-ray generator.

由电路引起的时间弥散是典型的随机过程,利用高斯分布来建模描述激光控制光源的时间弥散:

这里,g1(t) 表示电路响应的幅度,µ1表示激光控制光源时间弥散的均值,σ1表示激光控制光源时间弥散的标准差.可使用基于高斯分布的展宽公式来计算这种高斯分布的标准差:

式中,tl是激光控制光源时间弥散高斯分布的半高宽.可以得到时间弥散对出射的时变光子信号的重复频率影响:

当时间弥散的标准差增大时,重复频率的变化量也会增大,时变光子信号的时间间隔会变得更加不稳定,这种不稳定性对激光控制光源的高度精确时间同步产生负面影响.而脉冲X 射线发生器出射的X 射线重复频率受激光控制光源的重复频率限制,因此光电阴极X 射线管产生的时间弥散虽然不会直接影响X 射线的重复频率,但会间接影响系统整体的时序精度.

光电阴极X 射线管中电子从光电阴极释放时,释放位置和初速度的分布导致到达时间的差异,这可视为一个随机过程;同样,电子在传输过程中受外部力和聚焦效应的影响导致的时间差异,也可视为随机过程.这两种时间弥散的分布都可以用高斯分布来建模.最终脉冲X 射线发生器的时间弥散的分布将是多种高斯分布的卷积,可表示为

其中,σ1,σ2,σ3是多种时间弥散分布的标准差,µ1,µ2,µ3是多种时间弥散分布的均值.得到脉冲X 射线发生器的时间弥散分布为新的高斯分布.

3 实验系统及测量结果分析

3.1 激光控制光源的重复频率测试

为了测试激光控制光源的时间特性,选用时间精度为ps 量级、上升时间为500 ps、探测波段为320—900 nm 的MPPC 探测器来接收激光控制光源产生的时变光子信号,并利用示波器观察MPPC探测器的输出信号.图5 为激光控制光源在不同重复频率下由MPPC 探测得到的输出光信号.

图5 不同重复频率下激光控制光源的输出光信号(蓝色为输入电信号,红色为MPPC 探测器接收到的光信号)(a) 1 MHz;(b) 5 MHz;(c) 10 MHz;(d) 40 MHzFig.5.Light signals of LD light source at different modulation rates under different modulation frequencies (Blue is the input electrical signal,red is the light signal received by the MPPC detector): (a) 1 MHz;(b) 5 MHz;(c) 10 MHz;(d) 40 MHz.

实验结果表明,激光控制光源的调制速率能够达到40 MHz.实际调制速率未达到理论计算的最大值88.47 MHz,这是由于温度影响电路参数所导致的.激光控制光源在持续稳定工作时,激光二极管的电光转换效率为33%,大量电能被转化为热量,从而引起温度的上升.温度的上升导致激光控制光源的等效模型参数发生显著变化,使激光控制光源的实际最高调制频率小于理论计算的最高调制频率.通过示波器观察波形曲线,可以观察到激光控制光源的电路延时、输出时变光子信号的非线性问题以及时间弥散现象,这与之前对激光控制光源时间特性的理论分析相一致.在实现40 MHz 调制时,由于频率过高,信号在传输过程中受到衰减,导致信号强度减小,波形出现一定程度的失真.通过对时间精度的测试,得到激光控制光源的时间延时为19.89 ns,时变光子信号的时间弥散高斯分布的半高宽为70 ps,时间弥散高斯分布的标准差为17.15 ps.时间弥散效应会导致轻微的重复频率波动,当重复频率为1 MHz时,波动范围为1 MHz ±17.15 Hz;而当重复频率增加到40 MHz时,波动范围扩大到40 MHz ± 27.44 kHz.在较低的调制频率下,波动的量级相对较小.

3.2 脉冲X 射线发生器的重复频率测试

该测试模块是对脉冲X 射线发生器出射的时变X 射线的重复频率进行测试.考虑到出射的X 射线具有极窄的脉冲特性,需要在极短的时间尺度内测试和分析X 射线的时间特性,选用超快闪烁体探测器.该探测器由荧光衰减时间为900 ps的 BaF2晶体与光电倍增管相结合,可以有效地输出负值信号.这种荧光衰减时间为900 ps 的BaF2晶体虽然具备良好的时间特性,但BaF2在30 keV能量处荧光光子产生效率相对较低.脉冲X 射线时间特性实验测试系统如图6 所示.

图6 基于超快闪烁体探测器的脉冲X 射线时间特性实验测试系统Fig.6.Experimental testing system for pulsed X-ray time characteristics based on ultrafast scintillator detector.

由于激光控制光源在提高重复频率的过程中,重复频率的稳定性会降低.为确保激光控制光源提供稳定的重复频率,选用重复频率为12.5 MHz,波动范围为12.5 MHz ± 2.7 kHz 的激光光源,在阳极高压为30 kV时,得到脉冲X 射线的重复频率测试结果如图7 所示.

图7 重复频率为12.5 MHz 的实验结果图 (蓝色为输入电信号,红色为超快闪烁体探测器得到的X 射线信号)Fig.7.Experimental results with a modulation frequency of 12.5 MHz (Blue is the input electrical signal,red is the Xray signal from scintillator detection).

由测试结果可知,脉冲X 射线发生器的重复频率能够达到12.5 MHz,脉冲X 射线时间测试系统的时间延时为28.76 ns.脉冲X 射线信号的重复频率表现相对稳定,在接近12.5 MHz 的范围内存在轻微波动.脉冲X 射线发生器出射的X 射线脉冲波形与激光控制光源出射的激光脉冲波形相似,两种脉冲有着同步性,相对延时为8.87 ns,这与之前对光电阴极X 射线管的延时计算相近,理论分析相一致.

3.3 脉冲X 射线发生器的最短脉冲宽度测试

该测试模块是对脉冲X 射线发生器出射的时变脉冲X 射线的最窄脉冲宽度进行测试.通过调整激光控制光源的输出脉冲宽度,并保持阳极高压为30 kV,进行脉冲X 射线的最短脉冲宽度测试,测试结果如图8 所示.

图8 脉冲宽度为4 ns 的实验结果图 (蓝色为输入电信号,红色为超快闪烁体探测器得到的X 射线信号)Fig.8.Experimental results with a pulse width of 4 ns(Blue is the input electrical signal,red is the X-ray signal from scintillator detection).

由于BaF2闪烁体在30 keV 能量处荧光光子产生效率较低,示波器上出现了信号脉冲与本底噪声脉冲高度相近、但在一定的积分时间内信号出现次数明显更多的情况.由测试结果可知,4 ns 的脉冲宽度为脉冲X 射线发生器的性能极限.结合理论分析,脉冲X 射线的时间弥散遵循高斯分布.使用商用TDC 对时间精度进行测试,可以得到脉冲X 射线发生器引起的时间弥散高斯分布的半高宽为400 ps,时间弥散高斯分布的标准差为98 ps.

对出射X 射线信号的传输质量进行验证.设置脉冲X 射线发生器的重复频率为12.5 MHz、脉冲宽度为32 ns,通过单位面积的半导体探测器在一定距离下进行探测和耦合可得X 射线的输出功率为7.84×10-4W,总噪声功率为5.46×10-7W,信噪比大于22.19 dB.这一高信噪比表明脉冲X 射线发生器产生的X 射线信号具有出色的清晰度和质量.

4 结论

本文研制了一种新型脉冲X 射线发生器,该发生器结合了激光控制光源和光电阴极技术.该项技术克服了传统装置在重复频率、时间稳定性和脉冲特性等方面的限制.脉冲X 射线发生器能在12.5 MHz 的高重复频率下,展现出了超快的脉冲宽度(4 ns)和卓越的时间稳定度(400 ps).这些时间特性使其在时间精确度要求极高的应用中表现出色,例如材料荧光衰减时间标定、高速运动物体瞬时成像、X 射线通信等.同时将进一步优化该装置的性能,提高重复频率和时间精度,以满足更广泛的应用需求.