短磁聚焦分幅變像管空間分辨率的模擬與測試

白雁力，龍井華，蔡厚智，雷云飛，張又文，李仕潭，劉進(jìn)元

1)深圳大學(xué)光電子器件與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省光電子器件與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518060；2)桂林電子科技大學(xué)教學(xué)實(shí)踐部，廣西桂林 541004；3)深圳大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，深圳 518060

【光電工程 / Optoelectronic Engineering】

短磁聚焦分幅變像管空間分辨率的模擬與測試

白雁力1，2，龍井華3，蔡厚智1，雷云飛1，張又文1，李仕潭1，劉進(jìn)元1

1)深圳大學(xué)光電子器件與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省光電子器件與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518060；2)桂林電子科技大學(xué)教學(xué)實(shí)踐部，廣西桂林 541004；3)深圳大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，深圳 518060

模擬和設(shè)計(jì)短磁聚焦分幅變像管，研究變像管空間分辨特性及其影響因素.采用洛倫茲軟件Lorentz 3D-EM建立變像管模型，通過分析變像管磁場和模擬電子成像，估算變像管陰極中心空間分辨率為～16.61 lp/mm(陰極電壓-3.0 kV). 模擬陰極上不同離軸點(diǎn)、變像管不同成像倍率和不同陰極電壓3種情況對(duì)變像管空間分辨率的影響. 通過設(shè)計(jì)變像管，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測試變像管空間分辨率，在陰極電壓為-3.0 kV時(shí)，測試結(jié)果為 ～13 lp/mm.

超快診斷技術(shù);分幅變像管;短磁聚焦;空間分辨率;微通道板;洛倫茲軟件

以微通道板(micro-channel plate，MCP)為核心的X射線分幅相機(jī)，是一種具有高時(shí)空分辨能力的診斷工具，被廣泛用于慣性約束聚變 (inertial confinement fusion，ICF)、同步輻射和Z箍縮等離子體的測量[1-7]. 基于MCP選通的分幅相機(jī)工作原理是將被拍攝等離子體經(jīng)成像系統(tǒng)在MCP輸入面的光陰極微帶上成像，若選通脈沖未加至光陰極微帶上時(shí)，該光陰極上的圖像將被MCP吸收，在變像管的熒光屏上沒有圖像輸出. 當(dāng)選通快門脈沖加至微帶光陰極上時(shí)，該光陰極上產(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.目前，實(shí)用化分幅相機(jī)曝光時(shí)間為～100 ps，采用直徑56 mm和厚度0.5 mm的MCP，在MCP輸入面上鍍有4條寬6 mm的微帶線. 據(jù)文獻(xiàn)[8-12]記載，對(duì)分幅相機(jī)的研究主要集中在大探測面積和短曝光時(shí)間兩方面，尤其是短曝光時(shí)間.Oertel等[8]采用3塊35 mm×105 mm的MCP進(jìn)行拼接，研制出探測面積為105 mm×105 mm的MCP，并在MCP輸入面上鍍有6條13 mm寬的微帶線，其曝光時(shí)間約為100 ps，這是至今為止最大探測面積的MCP；曝光時(shí)間方面，Bradley等[9]采用厚度為0.2 mm 的MCP，通過減小電子在MCP中的渡越時(shí)間，將曝光時(shí)間縮短到～35 ps.但薄的MCP信噪比差、增益低、顯示面積小，因此無法廣泛使用. 近幾年，一種采用脈沖展寬技術(shù)的分幅相機(jī)，進(jìn)一步將曝光時(shí)間提升到<10 ps[10-12]. 該種相機(jī)的陰極和MCP由漂移區(qū)分開，在陰極斜坡脈沖作用下，使電子具有不同的速度，通過漂移區(qū)的傳輸后，電子束團(tuán)在時(shí)間上得到展寬，并通過勻強(qiáng)磁場成像. 本研究在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，充分利用短磁透鏡具有二階像差較小和易于改變圖像倍率的優(yōu)點(diǎn)，將短磁聚焦系統(tǒng)[13]應(yīng)用于分幅相機(jī)，對(duì)其空間分辨特性進(jìn)行模擬和測試.

1 短磁聚焦分幅變像管仿真模型

IES(Intergrated Engineering Software)公司的Lorentz軟件，是針對(duì)電磁場中粒子與粒子束軌跡進(jìn)行仿真分析的軟件. 本研究利用Lorentz 3D-EM模塊設(shè)計(jì)分幅變像管. 考慮到主要研究對(duì)象是電子成像的空間分辨率，所以像管仿真模型只包括光電陰極、陽極、漂移區(qū)、短磁透鏡和成像面，仿真模型剖面如圖1(a)，具體參數(shù)為：陰極和陽極之間的距離為1 mm；加速電場強(qiáng)度是3 kV/mm. 短磁透鏡由軟鐵殼、鋁轱轆和線圈組成，外直徑為256 mm；內(nèi)直徑為160 mm；磁透鏡寬為100 mm；在磁透鏡內(nèi)殼上開4 mm的狹縫，以使磁場分布集中；短磁透鏡位于像管的中間，確保變像管成像比例為1∶1；漂移區(qū)長500 mm. 在成像最清晰時(shí)，由圖1(a)中灰度變化可以判斷磁場強(qiáng)度從漂移區(qū)中心向兩端逐漸減弱.圖1(b)為漂移區(qū)軸上磁場強(qiáng)度曲線，是一個(gè)軸對(duì)稱不均勻分布. 最佳成像時(shí)，軸上最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為4.28×10-3T.

圖1 仿真模型剖面圖及成像最清晰時(shí)軸上磁場強(qiáng)度分布Fig.1 (Color online) Cross-section of simulation model and magnetic filed distribution of best imaging

2 變像管空間分辨率

變像管的空間分辨率是指變像管分辨空間物體最小細(xì)節(jié)的能力，通常用1 mm能分辨的線對(duì)數(shù)來表示. 其模擬過程為：首先，在陰極表面同一點(diǎn)發(fā)出若干個(gè)光電子. 由于光電子的初始參量存在差異，如能量和發(fā)射角度等，這些光電子經(jīng)過電場加速和不均勻磁場聚焦后，在成像面上所成的像不再是一個(gè)理想點(diǎn)，而是呈現(xiàn)一定分布.然后，對(duì)成像點(diǎn)進(jìn)行位置統(tǒng)計(jì)，計(jì)算成像分布的均方根半徑[14].最后，通過式(1)計(jì)算空間調(diào)制傳遞函數(shù)(spatial modulation transfer function，SMTF). SMTF曲線由空間頻率(單位：lp/mm)和SMTF的強(qiáng)度值組成，通常將SMTF強(qiáng)度降至0.1時(shí)，對(duì)應(yīng)的極限空間頻率定義為陰極上該點(diǎn)的空間分辨率. SMTF為

(1)

(2)

圖2 陰極中心空間分辨率模擬Fig.2 (Color online) Simulated spatial resolution on cathode center

從陰極中心隨機(jī)抽樣發(fā)射405個(gè)電子，光電子的初始能量服從0～1eV上的β(1，4)分布，發(fā)射仰角服從0°～90°上的余弦分布，方位角服從0°～180°上的均勻分布，初始位置服從均勻分布. 圖2(a)是陰極電壓-3.0kV時(shí)，陰極中心發(fā)射的電子在成像面上的分布. 由式(2)可算得系統(tǒng)均方根半徑為29.13μm，通過式(1)計(jì)算SMTF，其曲線如圖2(b). 曲線橫坐標(biāo)為空間頻率，縱坐標(biāo)為SMTF強(qiáng)度. 當(dāng)SMTF的強(qiáng)度值降到0.1時(shí)，對(duì)應(yīng)空間頻率為 16.61lp/mm，即變像管陰極中心點(diǎn)的空間分辨率.

根據(jù)上述陰極中心點(diǎn)空間分辨率的模擬方法，在離軸點(diǎn)、像管成像倍率和陰極電壓3方面對(duì)短磁聚焦分幅變像管的空間分辨特性進(jìn)行研究.

2.1 陰極表面不同離軸點(diǎn)的空間分辨率

在陰極電壓-3.0kV時(shí)，模擬離軸距離d=5、10和15mm的點(diǎn)的空間分辨率.圖3(a)是不同離軸距離點(diǎn)發(fā)射的電子在成像面上的分布，隨著與軸距離的增加，電子在磁場作用下偏轉(zhuǎn)變大，使成像面上的點(diǎn)分布范圍變大，即均方根半徑變大；圖3(b)是不同離軸點(diǎn)的空間傳遞函數(shù)曲線，從圖可見，隨著與軸距離增加，空間分辨率漸減，在與軸距離超過5mm后，成像質(zhì)量已經(jīng)非常差.

圖3 不同離軸點(diǎn)空間分辨率模擬Fig.3 (Color online) Simulation of deferent off-axis points

2.2 變像管不同成像倍率下的空間分辨率

當(dāng)陰極電壓為-3.0kV時(shí)，在不同成像倍率下，對(duì)陰極中心的空間分辨率進(jìn)行模擬. 圖4分別為成像放大2倍和1倍、縮小1/2和2/3時(shí)，陰極中心的空間傳遞函數(shù)曲線，從圖4可見，成像倍率越大，能分辨空間物體最小細(xì)節(jié)的能力就越強(qiáng)，空間分辨率就越好.

圖4 不同成像倍率的空間分辨率模擬 Fig.4 (Color online) Simulation of deferent magnification

圖5 不同陰極電壓的空間分辨率模擬Fig.5 (Color online) Simulation at deferent cathode voltages

2.3 不同陰極電壓下的空間分辨率

在不同陰極電壓下，對(duì)陰極中心點(diǎn)的空間分辨率進(jìn)行模擬. 圖5表示陰極電壓-3.5、-5.0和-10.0kV時(shí)，陰極中心點(diǎn)的空間傳遞函數(shù)曲線.從圖5可見，陰極電壓變化對(duì)空間分辨率有重要影響，隨著陰極電壓的上升，空間分辨率也隨著提高.

通過對(duì)變像管在不同條件下的空間分辨特性研究，可知，陰極表面離軸距離、 成像倍率和陰極電壓都是影響變像管空間分辨率的因素. 因此，在條件允許時(shí)，為避免空間分辨率的損失，應(yīng)盡可能減小電子離軸距離，適當(dāng)增加陰極電壓和成像倍率.

3 空間分辨率測試

圖6 靜態(tài)空間分辨率測試Fig.6 Static spatial resolution measurement

采用短磁聚焦分幅相機(jī)的靜態(tài)空間分辨率指在陰極和MCP上都加直流電壓時(shí)的空間分辨率，測試系統(tǒng)如圖6(a).測試采用紫外盤形燈照射2#石英分辨率板，通過平行光管光學(xué)系統(tǒng)將石英分辨率板的圖像成像在光電陰極的工作區(qū)域內(nèi)，陰極產(chǎn)生的光電子經(jīng)電壓加速和短磁聚焦系統(tǒng)聚焦在MCP上，MCP對(duì)電子進(jìn)行倍增，倍增后的電子經(jīng)屏壓加速轟擊熒光屏，形成可見光圖像，用電荷藕合器件(chargecoupleddevice，CCD)圖像傳感器觀察采集所成的分辨率板圖像，在計(jì)算機(jī)上觀測分辨率板組數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成空間分辨率線對(duì)數(shù). 測試中，在光電陰極、MCP和熒光屏分別加-3.0kV、-540.0V和3.4kV的直流偏置. 2#分辨率板的測試結(jié)果和局部放大如圖6(b)，從中可分辨第5組的4個(gè)方向，2#分辨率板的第5組的條紋寬度為15.9μm，平行光管放大率為2.5倍，通過式(3)計(jì)得分幅相機(jī)的空間分辨率為1 000/(2×2.50×15.90)～13lp/mm.

結(jié) 語

模擬和測試短磁聚焦分幅變像管空間分辨特性.通過洛倫茲軟件Lorentz3D-EM建模，分析像管磁場和模擬電子成像，估算變像管陰極中心點(diǎn)空間分辨率為～16.61lp/mm(陰極電壓為-3.0kV)，模擬不同離軸點(diǎn)、不同成像倍率和不同陰極電壓對(duì)變像管空間分辨率的影響，為今后成像管的優(yōu)化提供依據(jù). 設(shè)計(jì)變像管，在陰極電壓為-3.0kV時(shí)，測試其靜態(tài)空間分辨率，測試結(jié)果為～13lp/mm. 下一步我們將就如何提高變像管空間分辨率及模擬測試變像管動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行深入研究.

/ References：

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【中文責(zé)編：方 圓；英文責(zé)編：木 南】

Simulated and measured spatial resolution of framing converter using short magnetic focusing

Bai Yanli1, 2, Long Jinghua3?, Cai Houzhi1, Lei Yunfei1, Zhang Youwen1,Li Shitan1, and Liu Jinyuan1

1) Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems of Ministry of Education, Key Laboratory of Optoeleetronic Devices and Systems of Guangdong Province, Shenzhen University, Shenzhen 518060, P.R.China 2) Department of Education Practice, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, Guangxi Province, P.R.China 3) College of Physics Science and Technology, Shenzhen University, Shenzhen 518060, P.R.China

The characteristic and influencing factors of spatial resolution of a framing converter with short magnetic focusing were studied. The model of the framing converter was built by Lorenz 3D-EM software. The calculated spatial resolution is about 16.61 lp/mm(cathode voltage at -3.0 kV) by analyzed magnetic field and simulated electron imaging. The influencing factors of spatial resolution were also simulated, which are on different off-axis points of cathode, with different imaging magnification and at different cathode voltages. The spatial resolution was measured through designing experimental system and the result is about 13 lp/mm when cathode voltage at -3.0 kV.

ultrafast diagnostic technique; framing converter; short magnetic focusing; spatial resolution; micro channel plate; Lorenz 3D-EM

：Bai Yanli，Long Jinghua，Cai Houzhi，et al．Simulated and measured spatial resolution of framing converter using short magnetic focusing[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2015, 32(2): 178-182.(in Chinese)

TN 143; O 536

A

10.3724/SP.J.1249.2015.02178

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11305107)；廣西壯族自治區(qū)教育廳科研資助項(xiàng)目(LX2014125)

白雁力(1979—)，男(回族)，廣西壯族自治區(qū)桂林市人，深圳大學(xué)博士研究生.E-mail：bayaly@szu.edu.cn

Received：2014-09-11；Accepted：2014-11-20

Foundation：National Natural Science Foundation of China (11305107)；Scientific Project of Education Department of Guangxi (LX2014125)

? Corresponding author：Associate professor Long Jinghua．E-mail： jhlong@szu.edu.cn

引 文：白雁力，龍井華，蔡厚智，等．短磁聚焦分幅變像管空間分辨率的模擬與測試[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2015，32(2)：178-182.