X射線分幅相機發(fā)展研究

白雁力，張 馳，張敬金

(1.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，廣東深圳518060;2.桂林電子科技大學 教學實踐部，廣西 桂林541004)

責任編輯:任健男

慣性約束聚變(Inertial Confined Fusion，ICF)是可控核聚變實現(xiàn)的一種形式，它的工作過程是將激光束聚焦到裝有氘—氚燃料的微型靶丸上，在高溫和高壓作用下，靶丸內(nèi)部的聚變?nèi)剂媳粔嚎s聚集至高密度，最后，被壓縮的高溫高壓等離子體在擴散之前，完成全部核反應(yīng)，并釋放巨大的能量[1]。

在ICF診斷的研究中，測量等離子體溫度和密度兩維空間分布及其隨時間的變化是研究的核心。由于ICF診斷的持續(xù)時間僅為1 ns，因此要求X射線分幅攝影具有皮秒級別的時間分辨能力和一次獲得多幅圖像的能力。而在當前ICF診斷工具中，僅有X射線分幅相機同時具備這樣的分辨能力和圖像獲取功能，所以，X射線分幅相機成為最有效的ICF診斷工具。

此外，在研究靶的對稱壓縮及不穩(wěn)定性方面，在獲取內(nèi)爆壓縮動態(tài)圖像二維空間分布方面，在研究臨界面運動規(guī)律、界面不穩(wěn)定性以及輻射場均勻性方面，X射線分幅相機具有關(guān)鍵的作用，是以上多方面診斷的重要工具。

1 X射線分幅相機

X射線分幅相機從出現(xiàn)到發(fā)展已經(jīng)幾十年，其基本原理和結(jié)構(gòu)已漸趨成熟，但是隨著ICF研究的深入，X射線分幅相機的主要指標，如時間分辨率、空間分辨率等都需要不斷的提高來滿足人們對ICF診斷的需求，此外光陰極量子效率、相機的增益均勻性及動態(tài)范圍尚有待大幅改善和提高。

X射線分幅相機利用變像管來實現(xiàn)圖像的光電轉(zhuǎn)換、脈沖選通以及圖像增強，是研究亞納秒時間范圍內(nèi)瞬變現(xiàn)象的主要工具。由于X射線分幅相機的光電陰極響應(yīng)波段從紫外到X射線，并具有良好的時間分辨、二維的空間分辨和能譜分辨、畫幅數(shù)多、動態(tài)范圍大、抗干擾能力強、靈敏度高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于X射線激光、等離子體、強場物理等研究。如果將光電陰極改為近紅外或可見光陰極，則對光物理、光化學、光生物、激光等瞬態(tài)光學現(xiàn)象的研究有很大幫助[2-7]。

2 X射線分幅相機的發(fā)展

X射線分幅相機的發(fā)展以變像管的發(fā)展為標志，共經(jīng)歷了四個階段:快門式分幅相機，掃描式分幅相機，陰極選通型分幅相機，行波選通型分幅相機。其中行波選通型分幅相機是當今研究的熱點。

2.1 快門式分幅相機

X射線分幅相機發(fā)展的第一階段，之所以稱之為快門式分幅相機，是源于其分幅變像管的工作原理與照相機類似，即變像管在光電陰極附近裝有選通柵，利用快門脈沖加到選通柵上使變像管迅速地通和斷，從而產(chǎn)生一個快門作用，快速地控制變像管，其工作原理是:當控制柵極上加拒斥場時，陰極發(fā)射的光電子不能通過它;當控制柵極加上一系列的矩形正脈沖時，光電子通過聚焦極成像在熒光屏上，如果同時在偏轉(zhuǎn)板上加臺階波形電壓，不同時刻的圖像就成在屏上的不同位置，以此達到分幅的目的。這一階段的發(fā)展的變像管典型的型號主要有:美國的RCA C73435，法國的OBD1105，中國的JTG305，前蘇聯(lián)的3C-1。

美國的控制柵極快門式變像管，型號為RCA C73435，具有靜電聚焦和偏轉(zhuǎn)功能，是一個同心球系統(tǒng)，由光電陰極、陽極、聚焦電極、快門柵極和偏轉(zhuǎn)板等構(gòu)成[8]。利用該變像管制造STL高速攝影機。該相機具有7分幅功能，其曝光時間為0.1～10μs可調(diào)，靜態(tài)空間分辨率為22 lp/mm(線對/毫秒)。

法國研制的OBD1105型高速攝影變像管，采用了在同一空間實現(xiàn)兩維偏轉(zhuǎn)的花樣偏轉(zhuǎn)器，可獲得9幅圖像、曝光時間為30 ns、靜態(tài)中心分辨率為28 lp/mm、動態(tài)中心分辨率為15 lp/mm。

中國的JTG305型變像管[9]，由球面光電陰極、陽極、聚焦電極和環(huán)狀快門電極組成，其中聚焦系統(tǒng)采用四電極靜電聚焦。其靜態(tài)空間極限分辨率為30～35 lp/mm，最短曝光時間為30 ns，動態(tài)空間分辨率為6～8 lp/mm，動態(tài)范圍為128。在3幅工作情況下，每2幅間隔200 ns時，動態(tài)空間分辨率為5～7 lp/mm。在6幅工作情況下，每2幅間隔200 ns時，動態(tài)空間分辨率為3～5 lp/mm，曝光時間均為30 ns。

前蘇聯(lián)的3C-1變像管，能實現(xiàn)4分幅，曝光時間為五檔可調(diào):10 ns，20 ns，50 ns，100 ns，200 ns，固有時間延遲小于10 ns。

快門式分幅相機開啟了人類對納秒數(shù)量級的高速攝影，其優(yōu)點是曝光時間和重復(fù)頻率間具有獨立性;但是其缺點也相當明顯，即為以快門脈沖必須近似于矩形波為代價，保證動態(tài)空間分辨率;同時，空間電荷效應(yīng)造成圖像畸變和空間分辨率的降低;曝光時間和畫幅間隔較長，這些缺點，都限制該類相機的應(yīng)用。

2.2 掃描式分幅相機

掃描式分幅相機與快門式分幅相機不同，其分幅是通過快門板和光闌實現(xiàn)。掃描式變像管在電子運動軌跡上加了快門和光闌，快門電壓使電子束掃開，只有某段時間發(fā)射的光電子能通過光闌成像于熒光屏。在補償板上加上與快門板上反相的電壓，使從陰極同一點發(fā)出的通過光闌的電子在屏上重新聚焦。偏轉(zhuǎn)板使不同時刻的圖像成像在屏上不同位置。典型的掃描分幅相機有以下幾種:

1)前蘇聯(lián)的掃描式分幅變像管，型號是M[10]。該變像管具有4對用電場來進行掃描和關(guān)閉的偏轉(zhuǎn)板。該管曾獲得16幅分幅圖像，其分辨率為30 lp/mm。

2)英國的P856型變像管，該變像管用偏轉(zhuǎn)板研制。并利用該管制造了Imacon變像管高速攝影機。其中，Imacon700型高速攝影機拍攝頻率為2×104～2×107幅/s，曝光時間為10μs～10 ns，Imacon600型高速攝影機拍攝頻率為6×108幅/s，曝光時間為2 ns。

3)美國成功研制一種分解型的分幅像管。該變像管利用掃描方式實現(xiàn)分幅照相，利用快速偏轉(zhuǎn)電路，實現(xiàn)小于100 ps的曝光時間。

4)中國研制成功的掃描式分幅變像管，利用該變像管制造的分幅相機，能獲得4幅圖像，曝光時間為170 ps，空間分辨率為5 lp/mm。

掃描式分幅相機主要通過使用偏轉(zhuǎn)板和偏轉(zhuǎn)電路來提高分幅相機的時間分辨率。在電子線路制作方面，掃描時分幅變像管比柵極快門式分幅變像管更容易;其缺陷在于:在短曝光時間情況下，由于偏轉(zhuǎn)板連接件的雜散電容和電感帶來位相的變動，將會造成移動精確補償?shù)睦щy。

2.3 陰極選通分幅相機

陰極選通型分幅相機出現(xiàn)在20世紀70年代末，此類相機的出現(xiàn)源于兩個原因:一是微通道板(MCP)技術(shù)的發(fā)展，使得MCP廣泛應(yīng)用于電子倍增器件;二是等離子體和ICF研究的深入發(fā)展。典型的相機主要有以下幾種:

1)雙近貼聚焦結(jié)構(gòu)的變像管。該管型的選通是利用在微通道板輸出面間施加矩形正脈沖而實現(xiàn)。這是因為在陰極產(chǎn)生的光電子只有在高壓脈沖持續(xù)的期間，才能通過微通道板進行倍增，并轟擊熒光屏，這樣才能構(gòu)成快門管，其曝光時間就是矩形脈沖的寬度。這類管型由于微通道板輸入端面的電阻較大，以及微通道板與陰極近貼距離間的電容較大，因此其曝光時間一般為2～10 ns。

2)英國Blackett實驗室研制的分幅相機。該相機的原理是:將陰極制作在Al襯底上，形成微帶傳輸線，在微帶線上加選通脈沖，銅網(wǎng)接地，微帶線和銅網(wǎng)之間產(chǎn)生電場。通過此原理研制的分幅相機可以得到到50 ps的時間分辨率。

3)美國利弗莫爾實驗室(LLNL)研制的MCP分幅相機。制作該相機硬件條件:在厚度為50μm的鈹窗上制作寬度為25 mm的CsI微帶陰極，近貼距離為l mm，MCP孔徑為12μm，長徑比為20，斜切角為4°。電壓條件為:在MCP上不加電壓，在陰極上加-5 kV的電壓，選通脈沖寬度為50 ns。測量結(jié)果:光電陰極發(fā)射的光電子被磁場偏轉(zhuǎn)，通過MCP后被CCD探測，空間分辨率為18 lp/mm，時間分辨率為50 ps。

陰極選通型分幅相機由于使用了MCP作為的電子倍增器件，因此，具有結(jié)構(gòu)小巧、增益高、便捷、工作電壓低、限制強光、成像面積大、像質(zhì)均勻、無空間畸變、對快門脈沖要求較低、抗干擾強、空間分辨率高等優(yōu)點;同時由于MCP對X射線敏感，也存在成像質(zhì)量低和幅數(shù)少的缺點。

2.4 行波選通分幅相機

行波選通型分幅相機主要由針孔陣列、MCP變像管、選通脈沖發(fā)生器和圖像記錄裝置(CCD或膠卷)組成，其中MCP變像管是相機的核心部件，由MCP和制作在光纖面板上的熒光屏組成。相機的工作原理如下:將被拍攝等離子體的X射線像經(jīng)針孔陣列，同時成在MCP輸入面對應(yīng)的制備在微帶線上的光陰極陣列上，若選通脈沖未加至某光陰極上時，該光陰極上的X射線圖像將被MCP吸收，在變像管的熒光屏上沒有圖像輸出。當選通快門脈沖加至某一微帶光陰極上時，該微帶光陰極上的X射線像產(chǎn)生的光電子像將被MCP倍增，轟擊熒光屏上形成可見光圖像。選通快門脈沖以行波方式依次通過對應(yīng)光陰極，于是在熒光屏上的對應(yīng)位置將得到對應(yīng)的可見光圖像，行波通過相鄰光陰極間微帶線所用時間，為畫幅間隔時間，輸出的可見光圖像用CCD進行記錄處理。

行波選通型分幅相機是伴隨著微通道板(Micro Channel Plate，MCP)技術(shù)的成熟和皮秒高壓電脈沖技術(shù)的突破，而發(fā)展起來的;它是X射線分幅相機發(fā)展的當前階段，也是X分射線幅相機領(lǐng)域的研究熱點。在國內(nèi)外具有標志性意義的相機主要有:

1)美國LLNL(勞倫斯利弗莫爾國家實驗室)從20世紀80年代中期開始對行波選通分幅相機進行研究。研究的主要方向是針對MCP和脈沖電路進行改進。具有代表意義的是:

(1)150 ps的微帶選通型X射線分幅相機。該相機的MCP具有電極功能和光電陰極功能，其2個端面具有微帶傳輸線結(jié)構(gòu)。微帶線直接鍍在MCP的輸入面，而在MCP輸出面鍍電極。另外，還研制了具有同等功能的單條彎曲型微帶線MCP。采用此類型的MCP的相機，能獲得14幅激光聚爆圖像，每幅時間分辨為100 ps。在此基礎(chǔ)上，還研制出帶反射鏡濾片組的12分幅相機，其曝光時間小于100 ps，空間分辨率為10μm。

(2)薄MCP和雙MCP分幅相機。前者的MCP，厚度僅為0.2 mm。曝光時間為35 ps;后者采用雙MCP設(shè)計探測器，該探測器上有4條微帶，每條微帶成一幅圖像，可以獲得小于100 ps的時間分辨率。

(3)大成像面積短脈沖的16分幅相機，其快門時間小于40 ps和柔性X射線成像器(Flexible X-ray Imager，F(xiàn)XI)。

2)美國LANL(洛斯阿拉莫斯國家實驗室)研制了大尺寸的行波選通X射線分幅相機，使用3塊35 mm×105 mm的MCP，探測面積高達105 mm×105 mm，有6條13 mm寬的微帶線，選通脈沖寬度200～1 300 ps連續(xù)可調(diào)，快門時間80～1 000 ps。

3)英國

(1)英國St Andrews大學的四分幅相機。該相機的曝光時間為100 ps，空間分辨率為8 lp/mm。

(2)英國的X射線分幅相機，選通脈沖寬度為100 ps時，獲得了40 ps的時間分辨率。該相機是唯一作為零售的分幅相機，具有良好的通用性。

4)在國內(nèi)，從20世紀90年代開始，我國的科學研究者開始致力于行波選通型分幅相機的研究。具有代表性的相機有:

(1)單彎曲型微帶X射線皮秒分幅相機和在此基礎(chǔ)上研制的四微帶X射線分幅相機。其中四微帶分幅相機時間分辨為100 ps，空間分辨為20～25 lp/mm，動態(tài)范圍為500～1 000，可進行時、空、能三維分辨聯(lián)合測量[11-13]。

(2)雙門控MCP結(jié)構(gòu)的分幅相機。2片MCP均加選通脈沖，在MCP上加幅值為-2.8 kV、半高寬為210 ps的選通脈沖和-150 V的直流偏置時，測得該相機的曝光時間為60 ps，空間分辨為25 lp/mm。

(3)四通道行波選通分幅相機，該相機可連拍12幅圖像，曝光時間為60～100 ps、空間分辨率15 lp/mm。

MCP行波選通分幅相機經(jīng)過多年發(fā)展，逐漸廣泛應(yīng)用于ICF診斷實驗，但是，隨著ICF研究的不斷發(fā)展和深入，對儀器的精密程度要求將越來越高。在這個需要高精度的時代中，MCP行波選通分幅相機也要求不斷的發(fā)展，并提高精度，如時間分辨率、空間分辨率等來滿足人們對ICF診斷的需求。在過去的十多年中，國內(nèi)外學者都致力于研究提高分幅相機主要指標的方法，這些方法都歸結(jié)于對MCP和高壓脈沖發(fā)生器進行改進和優(yōu)化，如使用兩片MCP，或者改變MCP厚度、改變MCP長徑比、采用多通道MCP、擴寬MCP上的微帶、改進高壓脈沖發(fā)生器，改進延時系統(tǒng)，只要在測試相機參數(shù)時用到的設(shè)備，都會進行研究。但是由于國內(nèi)缺少國外的高速電子元件，使得曝光時間都在100 ps左右，而國外在高速電子元件的作用下，可以獲得30～40 ps的曝光時間。

3 當前發(fā)展及前景預(yù)測

最近在分幅相機上有所突破的是，2010年美國提出的一種5 ps的分幅相機，該相機采用的是一種基于電子彌散的脈沖擴張原理。該原理是:在光電陰極和陽極柵網(wǎng)之間施加一個斜坡下降的時變脈沖電壓，當X射線照射到光電陰極上時，會產(chǎn)生電子束團，該電子束團在時變脈沖電壓的影響下，依據(jù)電子彌散的原理，會造成電子束團中的電子在發(fā)射速度上的差異，由于所加的是時變下降電壓，故根據(jù)動能原理，先從光電陰極發(fā)出的電子會獲得比后發(fā)出電子更大的速度，所以電子束團會在漂移區(qū)中進行擴張，最后電子束團到達光電倍增陣列。由此在熒光屏上進行成像。使用此方法可以對時間進行放大，提高相機的時間分辨率。該相機在最后還提出了一個新的改進思想，即由于針孔成像系統(tǒng)在低亮度射線源中無法提供足夠的信號強度進行成像，所以提出采用KB顯微鏡成像系統(tǒng)來進行優(yōu)化，但是一直沒有進行實驗。成功與否尚未知曉。在2011年應(yīng)用脈沖擴張技術(shù)的分幅相機成功應(yīng)用于NIF上，獲得了40～100 ps的時間分辨率。

從20世紀80年代行波選通分幅相機的出現(xiàn)，到如今發(fā)展到5 ps的分幅相機，分幅相機的原理已經(jīng)相當成熟，其時間和空間分辨能力，主要受選通脈沖的寬度、幅度、形狀以及MCP的厚度、孔徑比、開口面積等諸多因素的影響和制約。行波選通型分幅相機的在未來發(fā)展中的研究重點主要有:1)考慮使用K-B顯微鏡成像系統(tǒng)代替現(xiàn)在使用的針孔成像系統(tǒng);2)MCP的最優(yōu)化，如厚度、孔徑比、開口面積等的最優(yōu)化比例;3)高壓選通脈沖信號的制作新方法的研究;4)脈沖擴張技術(shù)的深入研究。

分幅相機的研究目的是取得更好的時間分辨率，空間分辨率等重要參數(shù)，以滿足不斷發(fā)展的ICF研究。在未來的發(fā)展中，希望通過以上4個方面的詳細研究，進一步提高分幅相機在ICF研究中的作用，取得更加重要的數(shù)據(jù)。

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