空間電荷效應(yīng)對條紋像管分辨率的影響

柳　鈺，袁 月，梅策香，高 煜

（1.咸陽師范學院 物理與電子工程學院，陜西 咸陽 712000；2.陸軍航空兵學院 飛行器系統(tǒng)與工程系，北京 101100）

空間電荷效應(yīng)對條紋像管分辨率的影響

柳鈺1，袁 月1，梅策香1，高 煜2

（1.咸陽師范學院 物理與電子工程學院，陜西 咸陽 712000；2.陸軍航空兵學院 飛行器系統(tǒng)與工程系，北京 101100）

條紋相機是一種重要的超快診斷儀器，在對超快現(xiàn)象進行研究的諸多科研領(lǐng)域里具有重要的應(yīng)用價值。利用CST軟件建立了一種條紋像管模型，通過數(shù)值模擬電子在條紋像管中的飛行過程，獲得條紋像管的掃描圖像，對比不同發(fā)射電流下的掃描圖像，發(fā)現(xiàn)空間電荷效應(yīng)使得掃描條紋形狀發(fā)生扭曲，所攜帶的信息受到了影響。在考慮空間電荷效應(yīng)的情況下對一種大動態(tài)條紋像管模型進行電極參數(shù)優(yōu)化，通過提高發(fā)射電壓并調(diào)整聚焦電極的電壓，該條紋像管的邊緣放大率與中心放大率的一致性由1.086變?yōu)?.064，減小了空間電荷效應(yīng)對該模型成像質(zhì)量的影響。實驗結(jié)果表明優(yōu)化方向和設(shè)計方案是正確的。

條紋相機；條紋像管；空間電荷效應(yīng)；空間分辨率

在近年的科學研究中，很多生物、物理、化學過程，其發(fā)生時間都達到了10-12s甚至10-15s量級。為了研究這樣的超快現(xiàn)象，需要有超高時間分辨率的診斷儀器［1］。在各種超快診斷儀器中，條紋相機具有其他類型診斷技術(shù)所不具有的優(yōu)勢［2］。條紋相機具有最優(yōu)秀的時間分辨能力，最高能達到80 as［3］。當要研究發(fā)光現(xiàn)象的10-12s至10-15s級信息時，條紋相機是最優(yōu)的，甚至是唯一的診斷手段［4］。條紋相機作為一種具備很高的時間分辨本領(lǐng)的診斷儀器，能夠很好地滿足人們對超快現(xiàn)象的研究需要，因此具有重要的研究意義。條紋像管是條紋相機的核心部件，其成像過程中由于空間電荷效應(yīng)、電子光學系統(tǒng)本身像差等原因，成像受到了影響［5-6］。電荷密度較大時，電荷間的相互作用對條紋管成像會產(chǎn)生明顯影響。空間電荷效應(yīng)會導致轉(zhuǎn)換中的光電子脈沖在運動過程中發(fā)生展寬，影響入射光強度的測量，從而影響動態(tài)范圍?？臻g電荷效應(yīng)也會影響條紋管的時間分辨率與空間分辨率，因為空間電荷相互作用力的軸向分量使光電子的分布分散，徑向分量使電子向遠離對稱軸的方向發(fā)散，電子束的橫截面面積變大，從而影響了光電子所攜帶的時間和空間信息。這種效應(yīng)存在于光電子脈沖從陰極飛行至熒光屏的全過程。M M Shakya等［7］將一個狹縫引入條紋像管的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)與陽極之間，將進入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電子束的電子斷面縮小，使得條紋相機的時間分辨率得到提高，達280 fs。H Niu等［8］提出利用蒙特卡洛分布模擬電子發(fā)射，并理論分析了極限時間分辨率。田進壽等［9］在理論上設(shè)計了一種利用靜電系統(tǒng)聚焦的條紋像管，分辨率達290 fs。

為了提高設(shè)計的可靠性和準確性，在進行實物生產(chǎn)之前需要對條紋像管進行數(shù)值仿真。這樣可以在計算機上對條紋像管各部分進行分析，降低實驗成本。本文分析空間電荷效應(yīng)對條紋像管的掃描圖像的影響和空間電荷效應(yīng)對條紋像管空間分辨率的影響，最后在考慮空間電荷效應(yīng)時對一種大動態(tài)條紋相機的參數(shù)進行優(yōu)化，提高了該條紋相機的成像質(zhì)量。

1　建立條紋像管的仿真模型

在CST中建立的條紋像管模型，主要為4個部分：陰極發(fā)射部分、聚焦部分、掃描偏轉(zhuǎn)部分、接收部分。

1.1搭建條紋像管的幾何模型

通過CST粒子工作室中的建立模型功能，搭建如圖1所示的模型。其中，光電陰極、聚焦電極、掃描偏轉(zhuǎn)板的材料為理想導電體，加速柵網(wǎng)的材料是電子通過率為100%的理想導電體，接收面設(shè)置為真空。

圖1　條紋像管模型

1.2設(shè)置各電極電壓

條紋像管各部分電壓設(shè)置如下，光電陰極：-12 kV；加速柵網(wǎng)：-4 kV；聚焦電極：-7 kV。掃描偏轉(zhuǎn)電極的設(shè)置需利用CST的激勵信號，設(shè)置激勵信號為斜坡信號，掃描電極的電壓掃描范圍設(shè)置為-150～150 V。

2　條紋像管成像分析

2.1掃描圖像分析

定義發(fā)射區(qū)域為光電陰極上半徑為3 mm的圓面，發(fā)射點為31個。要得到條紋像管的掃描圖像，需要使用粒子云網(wǎng)格求解器進行模擬。在數(shù)值模擬中，調(diào)整電子槍陰極的發(fā)射電流，可以得到不同的掃描圖像，從而觀察空間電荷效應(yīng)對條紋像管成像的影響。

（1）發(fā)射電流為0.1 mA時，觀察掃描圖像的形狀，這里將某些掃描條紋的圖像放大，以方便觀察。掃描條紋放大后如圖2所示。

圖2　局部放大圖像（發(fā)射電流為0.1 mA）

此時各個發(fā)射點對應(yīng)的掃描圖像基本是一條線段，方向是豎直的，沒有出現(xiàn)傾斜，這與不考慮空間電荷效應(yīng)時的情況是一致的。因此，在0.1 mA的發(fā)射電流下，空間電荷效應(yīng)的影響可以忽略不計。

圖3　局部放大圖像（發(fā)射電流為6 mA）

（2）發(fā)射電流為6 mA時，觀察某些掃描條紋的放大圖像（圖3），掃描條紋變的傾斜，電子隨著掃描偏轉(zhuǎn)電壓的增大在水平方向的發(fā)散變大，這說明空間電荷效應(yīng)對條紋像管的空間信息造成了明顯的影響。

將圖2與圖3進行對比，發(fā)現(xiàn)隨著發(fā)射電流的增大，也就是電子槍陰極發(fā)射電子數(shù)目的增多，條紋的長度變長。這表明空間電荷效應(yīng)對條紋像管成像的時間信息造成了較大影響。

2.2空間分辨率分析

利用粒子追蹤求解器能夠獲得電子在空間上的密度分布，從而得到條紋像管的空間分辨率。由于這里的計算不考慮偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，故整個系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)對稱的，可以通過計算x方向的空間分辨率來代表條紋像管的空間分辨率。發(fā)射源定義為光電陰極上半徑為0.4 mm的圓面。可以對比不考慮空間電荷效應(yīng)和考慮空間電荷效應(yīng)下空間分辨率的區(qū)別。

2.2.1不考慮空間電荷效應(yīng)時的空間分辨率

通過在條紋像管熒光屏的位置設(shè)置接收面，通過積分方法可以得到電子在x方向的密度分布，即空間點擴展函數(shù)，然后進行傅里葉變換，得到空間調(diào)制傳遞函數(shù)。此時，不使用電子槍迭代算法，可以得到空間點擴展函數(shù)和空間傳遞調(diào)制函數(shù)。由該函數(shù)可知，當空間調(diào)制傳遞函數(shù)下降到10%時，對應(yīng)的空間分辨率為735.61l p/mm，即條紋像管的空間分辨率為735.61l p/mm。

2.2.2考慮空間電荷效應(yīng)時的空間分辨率

考慮空間電荷效應(yīng)時，需要利用電子槍迭代算法進行數(shù)值模擬。在外加場的情況下，一方面電子受到電磁場的作用，另一個方面，電子在電磁場作用下的運動又會產(chǎn)生電磁場，算出電子產(chǎn)生的電磁場，然后再把其迭代進去，等這個過程迭代到平衡就可以考察不同情況下電荷效應(yīng)的影響。

（1）發(fā)射電流為6 mA時，由空間點擴展函數(shù)和空間傳遞調(diào)制函數(shù)可知，當空間調(diào)制傳遞函數(shù)下降到10%時，對應(yīng)的空間分辨率為693.69l p/mm，即條紋像管此時的空間分辨率為693.69l p/mm。

（2）發(fā)射電流為20 mA時，由空間點擴展函數(shù)和空間傳遞調(diào)制函數(shù)可知，當空間調(diào)制傳遞函數(shù)下降到10%時，對應(yīng)的空間分辨率為466.03l p/mm，即條紋像管此時的空間分辨率為466.03l p/mm。

根據(jù)以上分析，空間電荷效應(yīng)使得條紋像管的空間分辨率下降，發(fā)射電流越大這種影響越明顯。當發(fā)射電流為20 mA時，空間分辨率從不考慮空間電荷效應(yīng)時的735.61l p/mm下降到了466.03l p/mm，嚴重影響了條紋像管的空間分辨能力。

3　實驗?zāi)M

3.1空間電荷效應(yīng)對模型成像質(zhì)量的影響

引入一種聚焦系統(tǒng)由4個圓筒電極組成的大動態(tài)條紋像管模型，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4所示。

圖4　大動態(tài)條紋像管結(jié)構(gòu)參數(shù)

4個圓筒電極從左至右分別為第一圓筒、第二圓筒、第三圓筒、第四圓筒，系統(tǒng)各電極的電壓設(shè)置如下，陰極：-16.5 kV；加速柵網(wǎng)：-4.5 kV；第一圓筒：-7.3 kV；第二圓筒：-4.5 kV；第三圓筒：-11.5 kV；第四圓筒：0 kV。發(fā)射源定義為在光電陰極上半徑為15 mm的圓面。

不考慮空間電荷效應(yīng)時，通過分析電子發(fā)射時和飛行到接收面上時的位置，可以得到條紋像管的邊緣放大率為1.314，中心放大率為1.257，一致性為1.045。

考慮空間電荷效應(yīng)時，令發(fā)射電流為20 mA，其它設(shè)置不變，此時可以得到條紋像管的邊緣放大率為1.261，中心放大率為1.161，一致性為1.086。

可以看到，考慮空間電荷效應(yīng)時，條紋像管的邊緣放大率與空間分辨率一致性變差了，邊緣放大率與中心放大率的一致性由不考慮空間電荷效應(yīng)時的1.045變?yōu)榭紤]空間電荷效應(yīng)時的1.086，成像質(zhì)量受到了影響。

3.2對模型的電極參數(shù)進行優(yōu)化

為了減小空間電荷效應(yīng)的影響，對光電陰極的電壓進行調(diào)整，提高加速電壓。這樣可以提升電子的飛行速度，使電子飛行的時間變短，減弱空間電荷效應(yīng)對條紋像管成像質(zhì)量的影響。

改變加速電壓后，要讓電子的聚焦點位置不變，要對其它電極的電壓也進行調(diào)整。調(diào)整后的各電極電壓設(shè)置如下，陰極：-20 kV；加速柵網(wǎng)：-4.5 kV；第一圓筒：-8 kV；第二圓筒：-4.5 kV；第三圓筒：-14 kV；第四圓筒：0 kV。仍然設(shè)置發(fā)射電流為20 mA，可以得到條紋像管的中心放大率為1.287，一致性為1.071?？梢钥吹?，此時空間電荷效應(yīng)的影響減小了一些，但仍然存在。

進一步提高發(fā)射電壓，將各電極電壓設(shè)置調(diào)整如下，陰極：-24 kV；加速柵網(wǎng)：-4.5 kV；第一圓筒：-9 kV；第二圓筒：-4.5 kV；第三圓筒：-16.4 kV；第四圓筒：0 kV。

得到條紋像管的邊緣放大率為1.368，中心放大率為1.285，一致性為1.064。此時，空間電荷效應(yīng)的影響進一步減小。

可以看到，通過提高發(fā)射電壓并調(diào)整聚焦電極的電壓，邊緣放大率與中心放大率的一致性由1.086變?yōu)?.064，減小了空間電荷效應(yīng)對該大動態(tài)條紋像管成像質(zhì)量的影響。

4　結(jié)語

通過設(shè)定不同的發(fā)射電流得到不同的掃描圖像進行對比，得到了空間電荷效應(yīng)在不同的發(fā)射電流下對掃描圖像的影響，發(fā)現(xiàn)了空間電荷效應(yīng)對電子條紋的掃描偏轉(zhuǎn)距離的影響。計算了條紋像管在不考慮和考慮空間電荷效應(yīng)情況下的空間分辨率，得到了空間電荷效應(yīng)對條紋像管空間分辨率影響的定量結(jié)論。

在考慮空間電荷效應(yīng)的情況下改良了一種大動態(tài)條紋相機的電極電壓參數(shù)，通過施加更高的加速電壓并調(diào)整聚焦電極電壓，邊緣放大率與中心放大率的一致性由1.086變?yōu)?.064，減小了空間電荷效應(yīng)對該大動態(tài)條紋像管成像的影響。該模擬實驗對于其它類型的條紋相機提高成像質(zhì)量提供了一種切實可行的改進方法。

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Influence of Space Charge Effect on the Resolution of Streak Image Tube

LIU Yu1，YUAN Yue1，MEI Cexiang1，GAO Yu2
（1.School of Physics and Electronic Engineering，Xianyang Normal University，Xianyang 712000，Shaanxi，China；2.Department ofAircraft Systems and Engineering，ArmyAviationAcademy，Beijing 101100，China）

Streak camera is an ultrafast diagnostic instrument，and is of great significance in many scientific researches whose work involves study about ultrafast phenomenon.In this paper，in order to study the influence of the space charge effect on the image quality of the streak image tube，CST is used for modeling and numerical analysis.This paper presents a parameter optimization of a streak camera with a large dynamic range considering the space charge effect by improving the launch of the focusing electrode voltage and voltage regulation，the consistency of the image tube’s edge magnification and center magnification changed from 1.086 to 1.064，which reduced the space charge effect on imaging quality of the model.This indicates the optimization and the program design is correct.

streak camera；streak image tube；space charge effect；spatial resolution

TN102

A

1672-2914（2016）02-0056-04

2015-11-17

陜西省教育廳科研基金項目（15JK1793）；咸陽師范學院科研基金項目（07XSYK285）。

柳 鈺（1981—），女，陜西澄城縣人，咸陽師范學院物理與電子工程學院講師，研究方向為物理電子。