飛秒激光標(biāo)定X射線條紋相機的時間特性

顧 禮,宗方軻,李 翔,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)光電中心,廣東 深圳 518060；4.深圳大學(xué)高等研究院,廣東 深圳 518060)

1 引 言

激光慣性約束聚變(inertial confinement fusion,ICF)是獲取氫核聚變信息的重要來源。利用高功率激光器作為驅(qū)動源,照射高原子序數(shù)元素制成的靶腔,腔壁產(chǎn)生X射線輻射,加熱氘氚靶丸表面,靶丸球殼向靶心壓縮,達(dá)到高溫高密度的點火條件,靶丸發(fā)生內(nèi)爆。整個內(nèi)爆過程持續(xù)數(shù)納秒,通過測量內(nèi)爆輻射的X射線變化,可以獲取ICF的基本信息和特征參數(shù)[1-2]。X射線條紋相機是ICF中記錄內(nèi)爆輻射X射線的重要診斷儀器[3-5],研究其時間特性是實現(xiàn)診斷的前提。隨著我國ICF研究中激光器數(shù)目和功率的增大[6-7],每次打靶試驗的成本也在上升,X射線條紋相機作為診斷工具,需要提供精確的固有延時、時間量程和小的時間晃動[8-9]。X射線條紋相機的時間特性受到光電效應(yīng)的量子漲落以及電路固有特性影響[10],因此,其時間特性需要嚴(yán)格標(biāo)定。

本文為我國神光Ⅲ研制了一臺工程化X射線條紋相機,利用鈦寶石飛秒激光器組建了條紋相機動態(tài)性能測試系統(tǒng),標(biāo)定了相機的時間特性,測量出相機較為精確的固有延時、時間量程和時間晃動。實驗結(jié)果還顯示相機具有的四個時間量程,跨度一個數(shù)量級,可以實現(xiàn)不同超快信號的診斷。

2 相機研制

X射線條紋相機對超快的X射線脈沖診斷的過程,是由光電子作為載體,將脈沖的時間信息線性地映射為熒光屏上的空間信息。具體成像過程為:X射線脈沖輻射在條紋相機光電陰極上,發(fā)生光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為光電子,X射線脈沖包含的時間、強度分布等信息線性傳遞給電子脈沖。電子在靜電場形成的聚焦透鏡中被加速和會聚。偏轉(zhuǎn)板上加有線性隨時間變化的掃描電壓,板內(nèi)形成線性隨時間變化的偏轉(zhuǎn)電場,不同時刻進入偏轉(zhuǎn)場的電子受到大小不同的偏轉(zhuǎn)力,電子被掃描偏轉(zhuǎn)后轟擊熒光屏,經(jīng)電光轉(zhuǎn)換變?yōu)榭梢姽狻?/p>

除了具有傳統(tǒng)X射線條紋相機的功能和主要部件,為了實現(xiàn)神光Ⅲ公共診斷平臺的集中化和便于維護[11],診斷系統(tǒng)工程化的X射線條紋相機系統(tǒng)還具有模塊化、功能化和遠(yuǎn)程控制的特點。如圖1所示,相機氣室內(nèi)部具有:條紋變像管、像增強器、CCD、同步觸發(fā)及掃描控制系統(tǒng),高壓供電系統(tǒng),內(nèi)嵌式計算機控制系統(tǒng)。氣室外部具有氣密性接插口:電源輸入、4路光纖接口、1路SMA電觸發(fā)、冷卻水進出口、冷空氣進出口。相機氣室內(nèi)部還分布有壓力、溫度、濕度、冷卻水流量、浸水警報等傳感器,通過遠(yuǎn)程計算機實時監(jiān)控相機環(huán)境參數(shù)和工作狀態(tài)。通過內(nèi)外計算機通信,還可以遠(yuǎn)程操控相機三種工作模式(靜態(tài)、低偏、動態(tài))切換、掃速切換、延遲時間設(shè)定、增益設(shè)定。相機還具有聯(lián)動互鎖、超限報警、超限強制關(guān)機的自保護功能。

圖1 工程化X射線條紋相機

3 動態(tài)測試方法

X射線條紋相機動態(tài)性能測試方法如圖2所示,鈦寶石飛秒激光器脈沖有兩束,其中一束光波長為800 nm被送往PIN光電探測器,轉(zhuǎn)換成電脈沖觸發(fā)信號,電信號經(jīng)過時間延遲電路適當(dāng)延遲后用于觸發(fā)掃描電路工作。另一束光波長為266 nm,脈沖時間寬度為130 fs,經(jīng)過M1、M2紫外反射鏡反射延遲后被送往法布里-珀羅(F-P)標(biāo)準(zhǔn)具,紫外光經(jīng)過M3和M4中若干次反射和出射后形成一系列標(biāo)準(zhǔn)時間間隔Δt的光脈沖序列,光電轉(zhuǎn)換為電子被條紋相機內(nèi)掃描電路同步并偏轉(zhuǎn)后完成時間、空間信息映射。熒光屏上的光信號被MCP像增強器增強,通過光錐耦合進CCD轉(zhuǎn)換成計算機可以處理的數(shù)字信號。通過測量和統(tǒng)計得到的實驗圖像,可以標(biāo)定出條紋相機的性能參數(shù)。

圖2 條紋相機靜態(tài)測試原理圖

圖3為條紋相機動態(tài)測試的實驗裝置,其中使用了Quantronix130 fs激光器,Princeton Instruments 2048 F科學(xué)級制冷CCD,2048×2048 pixel,像素尺寸13.5 μm×13.5 μm。

圖3 動態(tài)測試實驗裝置

4 時間特性

4.1固有延時

固有延時是條紋相機中電路等部件固有的時間響應(yīng)遲滯。條紋相機固有延時測量精確,光路信號和電路信號才能同步在偏轉(zhuǎn)板上獲得待測光脈沖信號,靶場測試時才能獲取到X射線脈沖信號[12]。固有延時測試以第一擋為例,獲取的脈沖序列的第一個脈沖在圖像中間時,記錄光路和電路的實驗條件。圖2中光路端:空氣中光路長度為17.8 m；空氣中光延時為3.33 ns/m；光電子在變像管中渡越時間約為4 ns,電路端:PIN距800 nm紅外光出口0.3 m；電信號在同軸電纜中延時為5 ns/m；相機延時器可變延時為32 ns。飛秒激光器紅外光比三倍頻的紫外光提前30 ns。光和電信號同步到偏轉(zhuǎn)板時,光信號延時為:

To=ta+te=17.8m×3.33 ns/m+4 ns

=63.3 ns

(1)

電信號延時為:

(2)

條紋相機第一擋的固有延時為:

ΔT1=To-Te=63.3 ns+30 ns-67 ns

=26.3 ns

(3)

同樣方法通過調(diào)節(jié)可變延時器,使其他擋位圖像同步于圖像中間,由光信號和電信號的延時差,可計算出其余三擋固有延時為31.5 ns、41.2 ns、68.6 ns。

4.2 時間量程

時間量程是條紋相機可以測量脈沖的最大持續(xù)時間。條紋相機工作在動態(tài)模式,分別置于所設(shè)計的第一到四擋,測試掃描速度和全屏?xí)r間量程。激光序列在四個擋位下測試結(jié)果如圖4所示。第一擋的標(biāo)準(zhǔn)距長度為35 mm,光程差為70 mm,F-P標(biāo)準(zhǔn)距所產(chǎn)生的光脈沖序列標(biāo)準(zhǔn)時間間隔為233 ps,測量出CCD上條紋的平均像素間距,統(tǒng)計多幅圖像,得到脈沖平均間隔為252.3 pixel,從而計算得到掃描速度為1.09 pixel/ps,如式(4),由CCD像素總數(shù)2048 pixel可計算得時間量程為1.9 ns,如式(5)。

圖4 條紋相機時間量程測試

=1.09pixel/ps

(4)

τ1=Pnum/v1=2048pixel/1.09pixel/ps=1.9ns

(5)

同樣方法可以測出其余三擋掃描速度和時間量程,測試數(shù)據(jù)如表1。表中可以看出,相機四個擋位的時間量程為1.9 ns、3.9 ns、7.9 ns、14.5 ns。時間量程跨度近一個量級,并接近2倍關(guān)系增加,可以滿足不同超快脈沖的時間測量。

表1 條紋相機掃描速度測試數(shù)據(jù)

4.3 時間晃動

時間晃動是條紋相機工作在掃描模式下,獲取信號時間偏移的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差,它反映了相機獲取信號的時間穩(wěn)定性。時間晃動性能受條紋相機內(nèi)光電、電光轉(zhuǎn)換的量子漲落以及觸發(fā)信號幅度的漲落等影響。相機預(yù)熱后,當(dāng)觸發(fā)輸入信號幅度漲落較小時,試觸發(fā)獲取信號正常,讀取11幅掃描圖像。以其中第一幅掃描圖像的第一個脈沖為參考零點,然后分別測量每一幅掃描圖像相對于參考零點的時間偏移。相機工作在第一(最快)擋,獲取激光脈沖序列如圖5所示。條紋圖像從上往下為時間軸,記錄激光脈沖隨時間的變化,以左圖中的第一個脈沖為時間零點,右圖第一脈沖與其相差16 pixel。由表1中第一擋掃描速度為1.09 pixel/ps,可得出右圖脈沖比左圖提前了14.8 ps,計算方法如式(6)。同樣方法可以測出其余圖像的時間偏移。

圖5 條紋相機時間晃動測試

t1=Δy1/v1=(337-353)pixel/1.09pixel/ps=-14.8ps

(6)

統(tǒng)計10個時間偏移值的標(biāo)準(zhǔn)差,得相機系統(tǒng)的時間晃動為:

(7)

5 結(jié) 論

本文為我國神光Ⅲ研制一臺工程化X射線條紋相機,該相機具有模塊化、功能化和遠(yuǎn)程控制的特點。使用飛秒激光平臺組建了動態(tài)測試系統(tǒng),標(biāo)定了相機的時間特性。較為精確地測量了X射線條紋相機時間晃動為13.7 ps,四個擋位的固有延時為26.3 ns、31.5 ns、41.2 ns、68.6 ns,全屏?xí)r間為1.9 ns、3.9 ns、7.9 ns、14.5 ns。實驗結(jié)果還顯示相機四個時間量程的跨度達(dá)一個數(shù)量級,近似2倍關(guān)系增加,方便實現(xiàn)不同超快信號的對比測量和診斷。該相機時間性能優(yōu)良,可以滿足目前我國激光聚變診斷研究對X射線條紋相機的需求。

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