分壓電路對X射線條紋相機成像穩(wěn)定性的影響

顧 禮，李 翔，宗方軻，周軍蘭，楊勤勞，郭寶平

1)深圳大學(xué)光電工程學(xué)院，光電子器件與系統(tǒng)教育部/廣東省重點實驗室，廣東深圳518060；2)深圳大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東深圳518060；3)深圳大學(xué)高等研究院，廣東深圳518060

【光電工程/OptoelectronicEngineering】

分壓電路對X射線條紋相機成像穩(wěn)定性的影響

顧 禮1,2，李 翔3，宗方軻1,2，周軍蘭1，楊勤勞1，郭寶平1

1)深圳大學(xué)光電工程學(xué)院，光電子器件與系統(tǒng)教育部/廣東省重點實驗室，廣東深圳518060；2)深圳大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東深圳518060；3)深圳大學(xué)高等研究院，廣東深圳518060

在X射線條紋相機靜態(tài)測試中，發(fā)現(xiàn)分壓電路的穩(wěn)定性顯著影響條紋相機成像性能．為提高成像穩(wěn)定性，對分壓電路進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)分壓電路輸出不穩(wěn)定性由電流熱效應(yīng)導(dǎo)致，對此采用小電流分壓電路方法，以降低電流熱效應(yīng)．測試和比較了兩種分壓電路的電壓和電流輸出，條紋相機靜態(tài)成像性能和系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)．理論分析和實驗結(jié)果表明，相機在使用小電流分壓電路加電20 min后，工作電流、溫度及電子透鏡焦距分別改變了1.4%、7.5%和0.14%，靜態(tài)成像以及系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)均優(yōu)于原有方法．

光電子學(xué)與激光技術(shù)；慣性約束聚變；核儀器；X射線條紋相機；條紋變像管；分壓電路；調(diào)制傳遞函數(shù)

X射線條紋相機是激光慣性約束聚變(inertial confinement fusion，ICF)研究內(nèi)爆動力學(xué)及內(nèi)爆壓縮規(guī)律，獲取等離子輻射連續(xù)時空變化圖像的重要診斷儀器[1-3]．通過獲取等離子體輻射的X射線時間、空間和強度分布信息，能夠診斷內(nèi)爆壓縮過程，得到靶在聚變時的各種基本參數(shù)[4-7]．隨著中國ICF研究的深入，對X射線條紋相機提出了時、空、能譜診斷“精密化”的要求[8-11]，要求X射線條紋相機不但需具有高時空分辨率、大動態(tài)范圍，且具有較高的工作穩(wěn)定性．

本課題組為神光III所研制的X射線條紋相機，其核心部件為靜態(tài)聚焦型X射線條紋變像管．在X射線條紋變像管靜態(tài)測試中，發(fā)現(xiàn)分壓穩(wěn)定性顯著影響條紋相機成像性能．采用小電流的分壓電路方法，通過減小分壓電路的電流，降低電阻的發(fā)熱效應(yīng)，實現(xiàn)高壓輸出的穩(wěn)定性．實驗測試了條紋相機空間分辨率，理論分析了電子光學(xué)系統(tǒng)電子透鏡焦距和條紋相機的調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function，MTF)的變化，實驗和理論研究表明，該方案實現(xiàn)了條紋相機較高的工作穩(wěn)定性．

1 條紋變像管設(shè)計

圖1 靜態(tài)聚焦型條紋變像管示意圖Fig.1 The diagram of electrostatic focusing streak tube

靜態(tài)聚焦型條紋變像管示意圖如圖1，電壓參數(shù)如表1．在條紋變像管內(nèi)部，光電陰極P/C產(chǎn)生信號光電子，陰極和柵網(wǎng)M形成均勻加速場，加速光電子．光電子在第1聚焦電極F1、第1陽極A1、第2聚焦電極F2及第2陽極A2組成的聚焦區(qū)聚焦后，穿過偏轉(zhuǎn)板DP，在熒光屏P/S上完成電光轉(zhuǎn)化并成像．在聚焦電極中，F(xiàn)1和A1組成第1聚焦透鏡，對聚焦電子束和調(diào)整聚焦點位置起到重要作用，同時進(jìn)一步加速光電子并減少時間失真．F2和A2組成第2聚焦透鏡，用于細(xì)調(diào)成像位置并使幾何像差最小化．電壓加載采用負(fù)高壓加載的方式，實現(xiàn)電子在完成聚焦偏轉(zhuǎn)后飛行在穩(wěn)定接地的等位區(qū)．

表1 條紋變像管電壓參數(shù)

2 分壓電路影響與相機測試

2.1條紋相機靜態(tài)測試

為獲得條紋變像管分辨率信息，制作了測試用分劃陰極．該陰極的石英襯底上具有100nm的導(dǎo)電鋁膜，利用專門制作的掩模版，在鋁膜上光刻出狹縫型分辨率圖案，最后蒸鍍30nm金發(fā)射膜．分劃陰極的狹縫總長30mm，中心左右兩側(cè)長3mm，寬0.1mm的區(qū)域具有20lp/mm和22lp/mm分辨率圖案，圖案分辨率以4lp/mm間隔遞減到陰極邊緣．同時保證分辨率圖案線條的誤差均在1μm范圍內(nèi)．

圖2 條紋相機靜態(tài)測試原理圖Fig.2 Schematic diagram of streak camera static experiment

條紋相機靜態(tài)測試原理如圖2．紫外盤形燈發(fā)射的紫外光照射在條紋變像管金陰極上，分劃條紋的金陰極發(fā)射光電子，加速并聚焦成像到熒光屏上，轉(zhuǎn)換成可見光，被CCD接收轉(zhuǎn)換成計算機處理的數(shù)字信號．通過獲取和考察分劃條紋的數(shù)字圖像，可以得到條紋相機成像的空間分辨率．高壓電源和分壓器用于給條紋變像管各個電極提供穩(wěn)定直流高壓．

2.2分壓電路設(shè)計

由于條紋變像管在裝架中存在不可避免的誤差等因素，在測試中需要對條紋變像管電子光學(xué)系統(tǒng)電壓參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最優(yōu)的成像性能．分壓電路原理如圖3，電路中電壓輸出達(dá)到設(shè)計值，同時使用兩個1MΩ的高壓高精密可調(diào)電阻實現(xiàn)F2電壓的細(xì)微調(diào)整．圖3(a)中，當(dāng)分壓電路總阻值為90.9MΩ，輸入電壓為-12kV時，電流為132μA，F(xiàn)2-1和F2-2實現(xiàn)的電壓調(diào)整區(qū)間分別為-10.207～-10.339kV和-10.075～-10.207kV．

圖3 條紋相機分壓電路原理圖(單位：MΩ)Fig.3 Schematic diagram of voltage divider circuits of the streak camera(unit: MΩ)

2.3分壓穩(wěn)定性與空間分辨率

圖4 條紋相機使用分壓器1靜態(tài)測試圖像Fig.4 The static experiment image of streak camera under voltage divider 1

調(diào)整條紋變像管F2電極電壓，得到相機使用分壓器1靜態(tài)測試最優(yōu)的分劃圖案，如圖4(a)．201p/mm和22lp/mm區(qū)域的明暗條紋清晰可見．但是條紋變像管在加載電壓20min后，圖像變得模糊對比度下降，221p/mm區(qū)域明暗條紋已很難分辨，如圖4(b)．為此，本研究在0～20min每5min測量分壓器1電流，F(xiàn)1、F2、A1/M的輸出電壓及分壓電阻的溫度，結(jié)果見表2．可見，F(xiàn)1、F2及A1/M的輸出電壓變小，電流變大，電阻溫度上升．其中，電流變化2.3%，溫度變化14.1%．分壓電路在加載電壓一段時間后，由于電流熱效應(yīng)，電阻發(fā)熱，阻值改變，輸出電壓發(fā)生改變，電極電壓的改變導(dǎo)致條紋相機圖像分辨率變差．

表2 條紋相機分壓器1測試結(jié)果

為提高分壓穩(wěn)定性，同時保證條紋變像管F2電極電壓具有一定的調(diào)整區(qū)間，改變分壓電路設(shè)計，保持分壓不變，增大總電阻阻值，減小工作電流，降低電流熱效應(yīng)影響，如圖3(b)．當(dāng)分壓電路2總阻值173.9 MΩ，輸入電壓-12 kV時，電流為69 μA、F2-1和F2-2實現(xiàn)的電壓調(diào)整區(qū)間分別為-10.075～-10.144 kV和-10.006～-10.075 kV．

圖5 條紋相機使用分壓器2靜態(tài)測試圖像Fig.5 The static experiment image of streak camera under voltage divider 2

相機使用分壓器2靜態(tài)測試獲得的分劃圖案如圖5，在0 min時，20和22 lp/mm區(qū)域的明暗條紋清晰．電壓加載20 min時，條紋清晰度明顯好于分壓器1的情況．在0～35 min每5 min測量分壓器2的電流，F(xiàn)1、F2、A1/M的輸出電壓，以及電阻的溫度，結(jié)果如表3．可見，電壓、電流及溫度隨時間的變化程度均小于分壓器1，其中，20 min時電流變化1.4%、溫度變化7.5%；35 min時電流變化1.4%、溫度變化10.9%．實驗結(jié)果表明，較小電流的分壓電路能降低電流熱效應(yīng)，改善電阻發(fā)熱，提高分壓器高壓輸出和條紋相機成像的穩(wěn)定性．

表3 條紋相機分壓器2測試結(jié)果

3 理論分析

靜態(tài)聚焦型條紋變像管電極F1、F2及A1/M電壓的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致了電子光學(xué)系統(tǒng)成像特性的改變，尤其是F1和A1電壓的不穩(wěn)定性，改變了第1聚焦透鏡對電子的會聚成像性能．

F1與A1電壓之比小于4，電極為等直徑雙圓筒，直徑為60 mm，大于電極間距8 mm，所形成的第1聚焦透鏡屬于弱浸沒電子透鏡[12]，其透鏡焦距為

(1)

其中，f1為電子透鏡焦距；C=VA/VF為A1和F1的電壓之比；R為等徑圓筒半徑．

由式(1)、表2和表3的測試數(shù)據(jù)可得條紋變像管在使用分壓器1和2時第1聚焦透鏡焦距變化，如圖6．由于電壓的改變，電子透鏡焦距均隨時間有不同程度改變，使用分壓器2的焦距變化明顯小于分壓器1．分壓器1加載電壓0 min時焦距為1.470 m，20 min后焦距為1.490 m，相比變化1.4%．分壓器2加載電壓0 min時焦距為1.473 m，20 min后焦距為1.471 m，相比變化0.14%，35 min后焦距為1.470 m，改變小于0.2%．

圖6 條紋變像管電子聚焦透鏡焦距變化Fig.6 The focal length change of electronic focus lens of streak tube

根據(jù)獲取的分劃條紋圖像可得明暗條紋的對比度，由對比度傳遞函數(shù)(contrast transfer function，CTF)和MTF的關(guān)系式[13]，可得該離軸距離和空間分辨率下的條紋相機的空間調(diào)制度為

MTF(f)=πCTF(f)/4

(2)

其中，f為空間頻率．Csorba[14]提出使用式(3)表示電子光學(xué)成像系統(tǒng)的空間MTF，

MTF(f)=exp[-(πρef)2]

(3)

其中，ρe被稱為聚焦誤差系數(shù)．周立偉院士等[15]進(jìn)一步證明：ρe是電子在最佳像面處落點的均方根半徑，并通過均方根半徑把空間分辨率和空間MTF聯(lián)系到一起．物理意義上，均方根半徑體現(xiàn)了電子落點在像面上的密集程度，電子落點越密集，系統(tǒng)MTF越優(yōu)．

圖7 條紋相機MTFFig.7 The MTF of streak camera

由式(3)可得離軸2 mm、20 lp/mm的條紋相機探測得到的電子落點均方根半徑，從而得到條紋相機的MTF．利用條紋相機的MTF可以客觀評價相機對高頻空間分辨率信號的調(diào)制度，得到相機的極限空間分辨率．圖7為分別使用分壓器1和2，在0和20 min時，離軸2 mm的條紋相機MTF．可見，條紋相機使用分壓器1的0 min時，MTF曲線下降緩慢，20 min后，曲線劇烈下降，各個調(diào)制度所對應(yīng)的空間頻率變??；使用分壓器2的0 min時，MTF曲線下降緩慢，20 min后MTF曲線下降仍較為緩慢，各個空間分辨率對應(yīng)的調(diào)制度均優(yōu)于分壓器1．

結(jié) 語

在靜態(tài)聚焦型條紋變像管靜態(tài)測試中，發(fā)現(xiàn)分壓穩(wěn)定性顯著影響X射線條紋相機的成像性能．受限于高壓高精密的可調(diào)電阻阻值，為使電子光學(xué)系統(tǒng)的電壓參數(shù)具有一定的調(diào)整范圍，分壓電路中需要具有一定的工作電流．較大的工作電流產(chǎn)生較大的電流熱效應(yīng)，使電阻阻值不穩(wěn)定，導(dǎo)致了分壓電路的高壓輸出不穩(wěn)定性，在工作一定時間后，條紋相機空間分辨率變差．采用較大的總電阻值，較小的工作電流，并保證最優(yōu)的電壓參數(shù)在可調(diào)整的區(qū)間內(nèi)，來設(shè)計分壓電路才能使條紋相機成像穩(wěn)定可靠，以滿足ICF研究中對診斷儀器X射線條紋相機高精密和高穩(wěn)定的需求．

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【中文責(zé)編：方圓；英文責(zé)編：木南】

InfluenceofvoltagedividercircuitonimagingstabilityofX-raystreakcamera

GuLi1,2,LiXiang3,ZongFangke1,2,ZhouJunlan1,YangQinlao1,andGuoBaoping1

1)CollegeofOptoelectronicEngineering,KeyLaboratoryofOptoelectronicDevicesandSystemsofMinistryofEducationandGuangdongProvince,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,GuangdongProvince,P.R.China2)CollegeofInformationEngineering,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,GuangdongProvince,P.R.China3)InstituteforAdvancedStudy,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,GuangdongProvince,P.R.China

In the static test of the X-ray streak camera,it is shown that the stability of the voltage divider circuit significantly affects the imaging performance of the streak camera. In order to improve the imaging stability, we analyze the voltage divider circuit. We find that the output instability of the voltage divider circuit is caused by the current thermal effect.The voltage circuit with smaller current is adopted to reduce the current thermal effect. We test and compare the voltages, current outputs, the static imaging performances of the streak cameras and the system modulation transfer functions for the two voltage dividers. Both theoretical analysis and experimental results show that after the camera has been powered with the smaller current divider circuit for20min, the operating current, the system temperature and electron lens focal length change by1.4%,7.5% and0.14%, respectively.And the static image quality and modulation transfer function are improved.

optoelectronics and laser technology; inertial confinement fusion; nuclear instrumentation; X-ray streak camera; streak tube; voltage divider circuit; modulation transfer function

2017-03-30；Accepted：2017-06-01

Professor Yang Qinlao. E-mail: qlyang@szu.edu.cn

TL 65.1；TB 872

：Adoi：10.3724/SP.J.1249.2017.05532

Foundation：National Key Scientific Instrument and Equipment Development Projects (2014YQ230659)；National Natural Science Foundation of China (11705119)；Natural Science Foundation of Guangdong Province (2017A030310142)；Shenzhen Science and Technology Project (JCYJ20170302152748002)

：Gu Li, Li Xiang, Zong Fangke, et al. Influence of voltage divider circuit on imaging stability of X-ray streak camera[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(5): 532-536.(in Chinese)

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項資助項目(2014YQ 230659)；國家自然科學(xué)基金資助項目(11705119)；廣東省自然科學(xué)基金項目(2017A030310142)；深圳市科技計劃資助項目(JCYJ20170302152748002)

顧 禮(1983—)，男，深圳大學(xué)博士后研究人員．研究方向：超快診斷技術(shù)．E-mail：flutelad@126.com

引文：顧 禮，李 翔，宗方軻，等. 分壓電路對X射線條紋相機成像穩(wěn)定性影響[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報理工版，2017，34(5)：532-536.