X射線皮秒分幅相機的研制

蔡厚智，劉進元，彭 翔，牛麗紅，彭文達，顧 禮

1)天津大學精密儀器與光電工程學院，天津300072;2)深圳大學光電子器件與系統(tǒng)教育部重點實驗室，廣東省光電子器件與系統(tǒng)教育部重點實驗室，深圳518060

X射線分幅相機是研究慣性約束聚變 (inertial confinement fusion，ICF)實驗中，靶的對稱壓縮和不穩(wěn)定性方面最有效的診斷工具;是獲取內(nèi)爆動力學及內(nèi)爆壓縮動態(tài)圖像二維空間分布的唯一診斷工具;是研究臨界面運動規(guī)律、界面不穩(wěn)定性及輻射場均勻性必備的診斷設(shè)備［1-3］.X射線分幅相機的發(fā)展主要經(jīng)歷了柵極快門式分幅相機、近貼式陰極選通分幅相機和行波選通分幅相機等階段［4］.隨著微通道板 (microchannel plate，MCP)的發(fā)展及皮秒高壓電脈沖技術(shù)的突破，MCP行波選通分幅相機逐漸成為研究的熱點［5-6］.1986 年，Eckart［7］提出把微帶陰極直接鍍在MCP輸入面，MCP輸出面鍍電極，使得MCP的兩個端面形成微帶傳輸線結(jié)構(gòu).1988年，美國利弗莫爾實驗室將曝光時間為150 ps的微帶選通型X射線分幅相機成功應用于NOVA裝置進行ICF研究［8］.1989年，該實驗室使用單條彎曲微帶陰極，采用MCP選通方式獲得了14幅激光聚爆圖像，每幅時間分辨為100 ps［9］.單條彎曲微帶分幅相機，其畫幅時間間隔固定，且微帶陰極較長，對選通脈沖的衰減較大，影響增益的均勻性.目前應用較多的多通道分幅相機較單條彎曲微帶相機具有測量時間范圍大、增益均勻性好、畫幅時間間隔可調(diào)等優(yōu)點［10-12］.

本研究介紹的X射線皮秒分幅相機，在MCP輸入面上鍍有4條相互獨立的直微帶陰極，由4路選通脈沖驅(qū)動，并測量了該分輻相機的性能指標.

1 X射線分幅相機結(jié)構(gòu)

X射線分幅相機系統(tǒng)主要由成像針孔陣列、MCP分幅管、選通脈沖發(fā)生器和圖像記錄裝置構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1.

MCP分幅管是分幅相機系統(tǒng)的核心部件，由微帶陰極、MCP和制于光纖面板上的熒光屏組成，結(jié)構(gòu)如圖2.MCP分幅管的功能是:①光電陰極接收X射線激發(fā)出光電子;②選通期間MCP將光電子增益并輸出;③屏壓將輸出電子加速并轟擊熒光屏;④熒光屏將電子轉(zhuǎn)換為可見光輸出.本研究設(shè)置MCP分幅管的主要參數(shù)為:MCP外徑56 mm，厚0.5 mm，通道直徑12 μm，通道間距14 μm，斜切角6°.微帶陰極 (500 nm Cu+100 nm Au)寬6 mm、間隔2 mm.MCP與熒光屏的距離為0.5 mm.

圖2 MCP分幅管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of the MCP imager

電控系統(tǒng)由4路選通脈沖發(fā)生器、MCP靜態(tài)、偏置電源、熒光屏電源及延時器等組成.MCP靜態(tài)電壓為－700 V，偏置電壓為±200、±100和0 V共5檔.熒光屏電壓3.5、4.0和4.5 kV 3檔.為便于使被測目標與選通脈沖信號同步，電控系統(tǒng)有0.1、0.2、0.4、0.8、1.6、3.2、6.4 和12.8 ns共8個延時器.延時器由琴鍵開關(guān)陣列和各種所需長度的50同軸延時線組成.

選通脈沖發(fā)生器是電控系統(tǒng)的核心部分，其難點一是如何同時產(chǎn)生4路選通脈沖及減小脈沖源間的串擾;二是如何獲得一致性較好的選通脈沖，包括波形一致性較好和觸發(fā)晃動較小.本研究用一個斜坡脈沖電路產(chǎn)生的高壓斜坡脈沖驅(qū)動兩個脈沖成形電路，每個脈沖成形電路有2路皮秒脈沖輸出，最終產(chǎn)生4路皮秒高壓選通脈沖［5］，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.該方案優(yōu)點是選通脈沖同時產(chǎn)生，各脈沖間幾乎無觸發(fā)晃動;且使用同一驅(qū)動源更容易調(diào)整脈沖成形電路的參數(shù)，使各路選通脈沖波形一致性較好;但該方案對驅(qū)動源要求較高.

圖3 選通脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of the gating pulse generator

2 實驗結(jié)果

2.1 選通脈沖實驗結(jié)果

2.1.1 選通脈沖寬度和幅值

選通脈沖寬度定義為分幅相機MCP選通脈沖信號的半峰全寬.4路選通脈沖寬度和幅值測試數(shù)據(jù)如表1，選通脈沖的波形如圖4.由表1可知，4路選通脈沖的一致性較好，寬度約為300 ps，幅值約為－1.9 kV.

表1 選通脈沖寬度和幅值測試結(jié)果Table 1 The width and amplitude of the gating pulse

圖4 選通脈沖波形Fig.4 The wave form of the gating pulse

2.1.2 相機固有延遲

相機固有延遲定義為輸入觸發(fā)電脈沖和第1路選通脈沖之間的延時.其測試方案結(jié)構(gòu)示意圖如圖5，將觸發(fā)電脈沖和第1路選通脈沖同時輸入到示波器中，進行實時測量.其測試數(shù)據(jù)如表2，測試波形如圖6，圖6中C3為觸發(fā)電脈沖，C2為選通脈沖.由表2可得，相機的固有延遲約為42.9 ns.

表2 固有延遲測試數(shù)據(jù)Table 2 The experimental data of the inherent delay measurement

圖5 固有延遲測試方案結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 The experimental method of the inherent delay measurement

2.2 分幅相機系統(tǒng)空間分辨率

空間分辨率包括靜態(tài)空間分辨率 (MCP分幅管工作在直流電壓下的空間分辨能力)和動態(tài)空間分辨率 (MCP分幅管在選通脈沖驅(qū)動下工作的空間分辨能力).靜態(tài)空間分辨率測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖7.紫外盤形燈照射石英分辨率板，通過平行光管的光學系統(tǒng)將石英分辨率板的圖像成像在Au陰極的工作區(qū)域內(nèi)，設(shè)置相機工作在靜態(tài)模式下，陰極產(chǎn)生的光電子經(jīng)MCP倍增，倍增電子經(jīng)屏壓加速后轟擊熒光屏形成可見光圖像，用CCD觀測采集熒光屏上所成的分辨率板圖像，在計算機上觀測分辨率線對數(shù)，觀察4個方向都清晰的單元組，并將其換算成空間分辨率線對數(shù).動態(tài)空間分辨率測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與圖7相似.區(qū)別在于將紫外盤形燈換成紫外激光器，且設(shè)置相機工作在動態(tài)模式下.

圖6 固有延遲測試波形Fig.6 The wave form of the inherent delay measurement

圖7 靜態(tài)空間分辨率測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 The experimental setup ofthe static spatial resolution

MCP加－700 V直流電壓，屏壓為4.25 kV時，獲得靜態(tài)空間分辨率圖像如圖8.圖8中可分清第1～11組，分辨率板第11組的條紋寬度為11.2 μm，平行光管的放大倍數(shù)為2.5倍，則靜態(tài)空間分辨率 (單位:lp/mm)為

圖8 靜態(tài)空間分辨率測量結(jié)果Fig.8 The measured result of the static spatial resolution

動態(tài)空間分辨率測試結(jié)果如圖9.圖9也可分清第1～11組，動態(tài)空間分辨率為17.86 lp/mm.因為MCP分幅管工作在近貼成像方式，動態(tài)工作時的選通脈沖僅作為開關(guān)光電子的作用，對成像質(zhì)量沒有顯著的影響，因此分幅管的靜態(tài)空間分辨率和動態(tài)空間分辨率差別不大.

圖9 動態(tài)空間分辨率測量結(jié)果Fig.9 The measured result of the dynamic spatial resolution

假設(shè)石英分辨率板的調(diào)制度為1，由靜態(tài)空間分辨率圖像可得相機的調(diào)制傳遞函數(shù) (modulation transfer function，MTF)曲線，如圖10.由圖10可得:MTF值隨著空間頻率的增大而減小;空間頻率為17.86 lp/mm時，4個方向的MTF值均大于0.03.

圖10 MTF曲線Fig.10 The MTF curve

2.3 分幅相機系統(tǒng)曝光時間

曝光時間 (時間分辨率)定義為分幅相機增益－時間曲線的半峰全寬.曝光時間的測試方案采用光纖傳光束法，光纖傳光束由30根長度依次遞增的光纖組成，紫外光在光纖中的傳輸時間按30 ps遞增，光纖束輸出面按照光纖的長度依次排列并編號，如圖11，最短的光纖編號為1，編號每增加1，光纖中紫外光的傳輸時間就增加30 ps，從而使得這30個光點的到達時間均勻增加.

圖11 光纖束輸出面光纖排列示意圖Fig.11 Schematic diagram of the array of the fiber bunch output end

首先，在MCP上加直流電壓，測量光纖束在微帶上的靜態(tài)像，得到入射光在微帶上的靜態(tài)分布.曝光時間測量裝置如圖12，激光器產(chǎn)生的光脈沖經(jīng)放大、四倍頻 (波長變?yōu)?66 nm)、延時后均勻照射光纖束輸入面，紫外光經(jīng)光纖束形成相鄰時間間隔為30 ps的30個光點，這些光點經(jīng)平行光管(L1和L2)成像在MCP微帶上.主光路另一束波長為532 nm的綠光送入PIN探測器，產(chǎn)生一個觸發(fā)脈沖，觸發(fā)選通脈沖發(fā)生器，調(diào)節(jié)電路延時，使得光信號和選通脈沖到達微帶陰極的時間同步，從而產(chǎn)生動態(tài)圖像，用CCD讀出系統(tǒng)記錄動態(tài)圖像，得到光點像的動態(tài)分布，把光點像的動態(tài)分布和靜態(tài)分布進行歸一化處理，消除光脈沖的空間不均勻性對測量造成的影響，再由光點的時間延遲差，將歸一化的動態(tài)像光強空間分布換算成時間分布，從而得到相機的曝光時間.

圖12 曝光時間測量裝置Fig.12 The experimental setup of the exposure time measurement

圖13 (a)為光纖束靜態(tài)圖像.在MCP上加－1.9 kV、300 ps的選通脈沖和－300 V的直流偏置后獲得動態(tài)圖像如圖13(b).對動態(tài)圖像和靜態(tài)圖像進行歸一化處理后，將歸一化的動態(tài)像光強空間分布換算成時間分布，結(jié)果如圖14.其高斯擬合曲線的半峰全寬為110 ps，因此相機的曝光時間為110 ps.

圖13 靜態(tài)圖像和動態(tài)圖像Fig.13 The static image and gating image

圖14 曝光時間測量結(jié)果Fig.14 The measured result of the exposure time

結(jié) 語

研制了4微帶MCP行波選通X射線皮秒分幅相機，每條微帶陰極的寬度為6 mm，微帶陰極間距離為2 mm.研制了4路選通脈沖幅值約－1.9 kV、寬度約300 ps，固有延遲約42.9 ns的電控系統(tǒng).對分幅相機進行聯(lián)調(diào)實驗，測得相機的時間分辨率為110 ps，空間分辨率為17.86 lp/mm.

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