高動態(tài)范圍激光等離子體診斷系統(tǒng)及其在慣性約束聚變實驗中的應(yīng)用*

曹柱榮 張海鷹 董建軍 袁 錚 繆文勇 劉慎業(yè) 江少恩 丁永坤

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心，綿陽 621900)(2010年5月22日收到;2010年6月7日收到修改稿)

高動態(tài)范圍激光等離子體診斷系統(tǒng)及其在慣性約束聚變實驗中的應(yīng)用*

曹柱榮 張海鷹 董建軍 袁 錚 繆文勇 劉慎業(yè) 江少恩 丁永坤

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心，綿陽 621900)(2010年5月22日收到;2010年6月7日收到修改稿)

基于高功率激光等離子體X射線輻射譜特性，設(shè)計和研制了一種大畫幅高動態(tài)范圍MCP選通型分幅相機(jī).單畫幅寬度13 mm，長度36 mm，曝光時間0.5—5 ns可調(diào).與X射線CCD比較，系統(tǒng)在1.0—10 keV的譜響應(yīng)相對平整，無高能增強(qiáng)效應(yīng).利用高功率激光打靶實驗進(jìn)行了性能考核實驗，結(jié)果表明，系統(tǒng)的信噪比明顯好于 X射線CCD系統(tǒng)，動態(tài)范圍大于3×103.系統(tǒng)已經(jīng)在神光Ⅱ裝置ICF物理實驗中獲得成功應(yīng)用.

動態(tài)范圍，譜響應(yīng)，激光等離子體診斷，分幅相機(jī)

PACS:52.70.La，52.50.Jm，07.85.Fv，07.68.+m

1.引 言

利用大功率激光裝置打靶方式可以在實驗室產(chǎn)生類似黑體輻射的高溫X射線輻射源，從而為探索天體物理狀態(tài)下的流體力學(xué)、輻射流、輻射不透明度、高馬赫數(shù)射流、狀態(tài)方程、相對論等離子體等物理現(xiàn)象提供實驗數(shù)據(jù)，也使校驗超新星研究及慣性約束聚變(inertial confinement fusion，ICF)數(shù)值模擬程序成為可能［1—6］.多路激光或者幾百路激光同步注入產(chǎn)生強(qiáng)輻射源是激光慣性約束聚變的實驗條件.激光慣性約束聚變研究的主要物理過程包括高能量密度物理、內(nèi)爆物理、輻射輸運(yùn)和流體力學(xué)不穩(wěn)定性等［3］.

目前，美國國家點火裝置使用的打靶束為192路，激光能量與功率為1.8 MJ和500 TW.國內(nèi)ICF研究平臺使用的大型激光裝置基本為8路，激光能量與功率為 10 kJ 和 10 TW［3，5］.顯然，激光注入、彈著點瞄準(zhǔn)、光斑尺寸、多路同步等是激光等離子體輻射源特性的基本參數(shù).這些參量的診斷需要利用實時在線的X射線成像方式實現(xiàn).最常用的方法是針孔相機(jī)配 X射線 CCD(charge-coupled device，CCD)實現(xiàn)在線測量［7］.由于 X射線 CCD都有一定的飽和閾值，X射線信號不能超過 CCD的飽和閾值.但是，神光Ⅱ和神光Ⅲ原型裝置的信號估計和測量結(jié)果都表明，使用X射線CCD作記錄設(shè)備時存在過強(qiáng)的輸入信號，CCD信號超過閾值兩個量級.因此，需要利用濾片和平面鏡衰減信號才能獲得有效的數(shù)據(jù)［8］.

本工作利用微通道板(MCP)選通技術(shù)建立了一種適合大型激光裝置X射線診斷的軟X射線在線測量技術(shù)，在譜響應(yīng)范圍、靈敏度調(diào)整、信噪比等方面具有較強(qiáng)的實用性.利用神光Ⅱ裝置第九路打靶實驗，考核了系統(tǒng)性能，并獲得初步應(yīng)用.

2.系統(tǒng)的物理設(shè)計

大型激光裝置開展的ICF實驗中，通常使用針孔成像技術(shù)獲得實驗系統(tǒng)的激光瞄準(zhǔn)檢測、多路激光同步以及激光等離子體運(yùn)動狀態(tài)等信息［8］.因此本系統(tǒng)以針孔成像配MCP選通技術(shù)型分幅相機(jī)進(jìn)行物理設(shè)計［9］，系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示.圖1(a)為針孔成像原理，激光打靶產(chǎn)生的X射線輻射通過針孔成像被記錄系統(tǒng)記錄，本系統(tǒng)記錄設(shè)備采用MCP選通相機(jī)，圖1(b)為 MCP選通原理.X射線輻照MCP微孔結(jié)構(gòu)的光電陰極后產(chǎn)生光電子，光電子通過MCP獲得高增益輸出，進(jìn)而被加速到熒光屏，屏發(fā)光再被科學(xué)級可見光CCD記錄，最終獲得X射線圖像.其中MCP表面的微帶狀光電陰極為金屬導(dǎo)電層，具有傳輸高壓窄脈沖的特性，因此，在窄脈沖通過時作為光電子選擇增益的時間，從而建立時間選通型照相技術(shù)［10］.

本系統(tǒng)設(shè)計的微帶寬度13 mm，長度36 mm，微帶數(shù)目為兩條，對于500 μm目標(biāo)至少需要可以放大26倍，并實現(xiàn)四分幅同時記錄.兩條微帶對應(yīng)兩個選通脈沖傳輸通道，可以方便的對圖像增益進(jìn)行調(diào)節(jié)和對比，選通脈沖電源為寬度曝光時間0.5 ns，1 ns，2 ns，3 ns，5 ns檔位可調(diào)，脈沖幅度 600—2000 V連續(xù)可調(diào).MCP輸出端和屏的間隙為500 μm，相機(jī)的分辨好于20 lp/mm.

圖1 診斷方法示意 (a)針孔成像系統(tǒng);(b)MCP記錄系統(tǒng)原理

假設(shè)系統(tǒng)放大倍數(shù)為M，源到探測面的距離L，針孔直徑為d，光源的亮度符合余弦定律的輻射體的亮度，那么記錄系統(tǒng)單位面積上的X射線通量為

其中 表示光源的直徑(假設(shè)光源為圓形)，c表示源點通過針孔在像面上的投影面直徑，P(λ)表示輻射譜.在神光裝置千焦耳或者萬焦耳級的激光能量下，X射線輻射通量較大，輻射近似普朗克黑體輻射譜特征，其典型的譜型如圖2所示.圖中譜的測量來自金黑腔靶，測量方法為透射光柵配 CCD，光柵和CCD利用北京同步輻射裝置進(jìn)行標(biāo)定.由圖可見，激光等離子體時空特征測量必須結(jié)合譜發(fā)射特性，比較有意義的兩個能段是600 eV以下低能X射線和金M帶2800 eV附近能段.

如果采用X射線CCD直接測量，X射線能量越高計數(shù)越強(qiáng).由單位面積上的X輻射通量，CCD每個像素上平均產(chǎn)生的自由電子數(shù)為［8］

圖2 神光Ⅱ裝置典型輻射譜

其中ω為CCD靈敏層中產(chǎn)生一對電子空穴對消耗的能量，QCCD為CCD量子效率，E為X射線能量.圖3為CCD量子效率和基于能量沉積估計的響應(yīng)強(qiáng)度曲線.量子效率是指單個光子與CCD的Si材料發(fā)生光電吸收轉(zhuǎn)換的概率，圖中量子效率曲線采用PI-SX系列CCD效率曲線［11］.能量沉積是指發(fā)生吸收后的光子將沉積能量轉(zhuǎn)換為電子空穴對的過程.通常一個電子空穴對需要3.65 eV能量，則3.65 keV的X射線子與CCD作用后，產(chǎn)生的電子空穴可達(dá)1000個，所以X射線能力越高計數(shù)越強(qiáng)，能量沉積形成的計數(shù)增強(qiáng)稱為CCD內(nèi)部增益.由于對X射線的內(nèi)部增益強(qiáng)，所以可以將CCD作為單光子計數(shù)器，并且可以同時進(jìn)行X射線的空間和能譜分辨.

圖3 X射線CCD量子效率曲線與信號響應(yīng)曲線

由圖3可見，如果作為積分成像記錄系統(tǒng)，響應(yīng)能區(qū)集中在6.4—9.3 keV，系統(tǒng)對激光等離子體輻射譜的積分測量將呈現(xiàn)較強(qiáng)的飽和狀態(tài).如果采用濾片衰減方法，也只能使系統(tǒng)響應(yīng)更集中在高能區(qū)間，不能很好的表征激光等離子體的時間空間特性.

MCP陰極為反射式陰極結(jié)構(gòu)，因此不存在能量沉積帶來的高能區(qū)信號增強(qiáng)問題.設(shè)陰極響應(yīng)面的占空比為σ，MCP相機(jī)的增益為G，則單位面積MCP的響應(yīng)強(qiáng)度為

其中QMCP為MCP金陰極的量子效率.σ主要決定于MCP反射式的陰極結(jié)構(gòu)，對于8°傾角的 MCP，陰極分布于MCP微孔深度10 μm的范圍，則有效陰極面只占開口面積的10%，另外還有通道本身的開口比，一般MCP的σ約為5%.增益G主要由MCP電子增益和屏的發(fā)光效率決定，可以通過電壓幅度進(jìn)行調(diào)整，一般工作條件下G在103左右.由(2)式和(3)式可見，MCP相機(jī)的響應(yīng)特性主要決定于陰極量子效率，而CCD相機(jī)則主要決定于入射X射線光子的能量.

圖4為金陰極效率曲線和鍍金陰極MCP的響應(yīng)曲線.其中金陰極效率曲線來自Henke等人的結(jié)果［12］，鍍金陰極MCP響應(yīng)曲線來自 Ze等人的測量結(jié)果［13］.由圖可見，除了在2.4 keV附近的響應(yīng)較高外，在1—10 keV范圍的 MCP效率曲線比較平滑.與圖2的X射線輻射譜相比，MCP選通相機(jī)的響應(yīng)曲線與ICF實驗的輻射譜比較符合，因此MCP測量系統(tǒng)的譜響應(yīng)特性可以避免系統(tǒng)響應(yīng)能區(qū)偏硬的問題.同時在中低能區(qū)(2.4 keV附近)的響應(yīng)相對較強(qiáng)，適合金靶M帶發(fā)射譜的時空診斷.

圖4 金陰極效率曲線和鍍金陰極MCP的響應(yīng)曲線

3.實驗結(jié)果與分析

利用神光Ⅱ裝置第九路打靶實驗可以考核MCP選通分幅相機(jī)的性能，并與X射線CCD結(jié)果進(jìn)行比較.圖5分別為第九路激光打靶的分幅相機(jī)圖像和X射線CCD的圖像.第九路激光參數(shù)為3倍頻，能量1200 J，脈寬2 ns，加蠅眼透鏡，照射背光靶中心，背光靶采用 Mo，Mo靶線譜中心的能點2.5 keV.分幅相機(jī)的針孔放大倍數(shù)10，濾片為20 μm的Be，2.5 keV透過率85%.X射線 CCD系統(tǒng)的針孔放大倍數(shù)10，由于低能區(qū)測試容易飽和，濾片采用5.2 μm 的 Ti，2.5 keV 透過率 29%.

系統(tǒng)信噪比是成像系統(tǒng)動態(tài)范圍和圖像質(zhì)量的決定因素之一.由圖5可以比較兩套系統(tǒng)的信噪比.在獲得的圖像中統(tǒng)計非信號區(qū)域的 CCD本底，分幅相機(jī)的本底最大值 17，最小值 0，平均值為0.0057，標(biāo)準(zhǔn)差0.226.X射線CCD系統(tǒng)的本底最大值2608，最小值 23，平均值為 525.244，標(biāo)準(zhǔn)差235.977.由此可見，分幅相機(jī)具有很好的信噪比，而X射線CCD系統(tǒng)由于對高能X射線的強(qiáng)響應(yīng)，背景噪聲較強(qiáng).

分幅相機(jī)噪聲水平低主要有三個方面的原因.首先是由于系統(tǒng)具有門控特性，避免了MCP長時間加電的暗電流噪聲;其次是由于MCP金陰極對高能X射線響應(yīng)度不高，避免了通過針孔板直穿光引起的噪聲.再次，穿透MCP的直穿光信號熒光屏響應(yīng)極小，可以忽略.而科學(xué)級X射線CCD不具有以上特性，因此噪聲相對較高.

圖5 第九路激光打靶的分幅相機(jī)圖像和X射線CCD圖像

利用一定能量的激光條件和相同的打靶條件可以獲得系統(tǒng)的動態(tài)范圍.定義MCP選通分幅相機(jī)成像系統(tǒng)的動態(tài)范圍為:一定的源強(qiáng)度下，保障圖像清晰可辨并且圖像中無飽和輸出的情況下，最高增益圖像的亮度與最低增益圖像亮度的比值.最高增益圖像是指測試圖像中信號較強(qiáng)，但圖象中不存在飽和信號，最低低增益圖像是指測試圖像的信息基本完整，并且信噪比大于某個值，如信噪比大于10.

圖6為MCP選通分幅相機(jī)在不同MCP選通電壓幅度下的光斑尺寸與強(qiáng)度分布的關(guān)系.選通脈沖的脈沖寬度 3 ns，幅度分別為 640，890，1170 V 和1700 V.相機(jī)記錄系統(tǒng)所用CCD為PI-SXC型科學(xué)級 CCD，像元尺寸 24 μm ×24 μm.由圖6 可見，光斑強(qiáng)度隨著電壓幅度升高而增大，光斑尺寸基本一致，不同電壓值下的差異在20%以內(nèi)(FWHM).如果記錄系統(tǒng)飽和，CCD像元的電流將會出現(xiàn)溢出，所記錄的圖像在形貌和寬度尺寸上將會出現(xiàn)不一致.本實驗最大電壓幅度為1700 V下，光斑區(qū)無飽和信號，電壓幅度為640 V下，光斑完整且信噪比大于10.

圖6 不同MCP脈沖電壓幅度下測得的光斑尺寸與強(qiáng)度分布

由1700和640 V的實驗結(jié)果可以獲得系統(tǒng)的動態(tài)范圍.不妨以圖像中最強(qiáng)信號值作為圖像亮度的表征值［14］，圖 7畫出了四個電壓值下的信號與電壓值的關(guān)系.圖中同時畫出了CCD飽和限位值在65000，噪聲最大值17.由圖7可見，在640 V到1700 V測量范圍內(nèi)，信號強(qiáng)度與電壓值在對數(shù)坐標(biāo)下基本成線性，并且系統(tǒng)的動態(tài)范圍大于3×103.由圖可見，800 V以上線性度較好，640 V以下響應(yīng)非線性較強(qiáng).系統(tǒng)響應(yīng)的線性度受到CCD響應(yīng)的一致性和穩(wěn)定性、源信號的一致性、MCP增益線性度和增益的穩(wěn)定性以及選通脈沖形狀的變化和漲落等等因素的影響.

圖7 脈沖電壓幅度與光斑最大亮度的關(guān)系

由于本系統(tǒng)具有好的譜響應(yīng)特性、低噪聲水平、大畫幅和高動態(tài)范圍等特性，在ICF輻射物理、黑腔物理、內(nèi)爆動力學(xué)物理、流體力學(xué)不穩(wěn)定性實驗以及其他類型的等離子體裝置中具有廣泛的應(yīng)用［15—18］.同時，利用本系統(tǒng)與高線對光柵、球面鏡、KBA型或 KB型X顯微鏡等分光系統(tǒng)的配接［15］，可以發(fā)展多種高性能的新型診斷系統(tǒng).

4.結(jié) 論

通過MCP金光電陰極的譜響應(yīng)特性與X射線CCD譜響應(yīng)特性的比較，設(shè)計和研制了一種適合高功率激光等離子體時空測量的大畫幅高動態(tài)范圍MCP選通型分幅診斷系統(tǒng).單畫幅寬度達(dá)到13 mm，長度36 mm，具有雙通道結(jié)構(gòu).由于系統(tǒng)曝光時間在0.5—5 ns可調(diào)，系統(tǒng)具有很好的信噪比.利用神光Ⅱ裝置激光打靶實驗進(jìn)行了系統(tǒng)性能考核，并與X射線CCD進(jìn)行了比較.實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)譜響應(yīng)平整，噪聲水平低，動態(tài)范圍大于3×103.系統(tǒng)已在神光Ⅱ裝置ICF實驗中獲得成功應(yīng)用，在ICF實驗中具有廣泛的應(yīng)用前景，為發(fā)展多種高性能新型診斷技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ).

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PACS:52.70.La，52.50.Jm，07.85.Fv，07.68.+m

High dynamic range imaging and application to laser-plasma diagnostics in inertial confinement fusion(ICF)experiment*

Cao Zhu-Rong Zhang Hai-Ying Dong Jian-Jun Yuan Zheng Miao Wen-Yong Liu Shen-Ye
Jiang Shao-En Ding Yong-Kun(Research Center of Laser Fusion，Chinese Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China)(Received 22 May 2010;revised manuscript received 7 June 2010)

High dynamic range and large format technique of micro-chanunel plate(MCP)，gated framing camera is developed to diagnose high-power laser-plasma X-ray emission spectra.The single frame format is 13 mm×36 mm，and exposure time is adjustable from 0.5 ns to 5 ns.Its spectral response in 1.0—10 keV is more flat than that of X-ray charge-coupled device(CCD)，and there exists no energetic enhancement effect.Performance evaluation has been conducted on high power laser devices，and the results show that the system has a high signal-to-noise ratio and the dynamic range is greater than 3×103.The system has been applied successfully to inertial confinement fusion(ICF)physics experiment.

dynamic range，spectral response，laser-plasma diagnostics，framing camera

*國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號10905050)資助的課題.

E-mail:cao33jin@yahoo.com.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.10905050).

E-mail:cao33jin@yahoo.com.cn