基于各向異性及后加速技術(shù)的百飛秒時(shí)間分辨條紋管設(shè)計(jì)*

田麗萍 沈令斌 陳萍 劉玉柱 陳琳 惠丹丹 陳希儒 趙衛(wèi) 薛彥華? 田進(jìn)壽?

1) (金陵科技學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院,南京 211169)

2) (中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,中科院超快診斷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710119)

3) (南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,南京 210044)

1 引言

觀察超快電子衍射、X射線自由電子激光器等實(shí)驗(yàn)中的超快光學(xué)現(xiàn)象,需要發(fā)展具備百飛秒級(jí)時(shí)間分辨和微米級(jí)空間分辨能力的超快診斷技術(shù).超快條紋相機(jī)是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的唯一高端科學(xué)測(cè)量與診斷儀器[1-3].自1949年世界上首臺(tái)條紋相機(jī)問世以來[4],各國(guó)科學(xué)家相繼在提升條紋相機(jī)時(shí)間分辨率方面開展了許多研究工作.目前,最小化光電子渡越時(shí)間彌散(降低物理時(shí)間彌散)及最大化掃描速度(降低技術(shù)時(shí)間彌散)是提升條紋管時(shí)間分辨率的主要途徑,主要取決于陰極附近的加速電場(chǎng)及掃描偏轉(zhuǎn)靈敏度[5,6].為了增強(qiáng)加速電場(chǎng),Gallant等[7]在單發(fā)模式下采用25 kV/mm的牽引場(chǎng)和0.56c(c為光速)的掃描偏轉(zhuǎn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了350 fs的時(shí)間分辨率,且在狹縫方向?qū)崿F(xiàn)了40 μm的空間分辨率.Feng等[8]利用柵網(wǎng)型陽極結(jié)構(gòu)和光陰極之間形成～10 kV/mm的高梯度加速場(chǎng),實(shí)現(xiàn)了233 fs的時(shí)間分辨率,且在積分模式下實(shí)現(xiàn)了10 μm的靜態(tài)空間分辨率.Shakya和Chang[9]在陽極和電四極透鏡間放置了一個(gè)窄狹縫,提高了電子的準(zhǔn)直性,實(shí)驗(yàn)獲得了280 fs的時(shí)間分辨率.Kinoshita等[10]設(shè)計(jì)了一種新型的條紋管,在15 kV/mm高電場(chǎng)強(qiáng)度加速及3.67c的高掃描速度下,獲得了半峰全寬(full width at half maximum,FWHM)為101 fs的超高時(shí)間分辨率.目前,采用靜電聚焦或短磁聚焦的方法還未實(shí)現(xiàn)優(yōu)于100 fs的時(shí)間分辨率.

本文針對(duì)目前飛秒條紋管存在時(shí)間分辨率低、空間分辨率低等不足,設(shè)計(jì)了一款靜電聚焦的百飛秒級(jí)時(shí)間分辨條紋管.為了提高條紋管的時(shí)間分辨率,采用平面陰極-狹縫型加速柵極結(jié)構(gòu)提供高加速場(chǎng)強(qiáng)來降低物理時(shí)間彌散,提高物理時(shí)間分辨率;同時(shí),采用兩組相互垂直且前后放置的板狀聚焦電極,形成各向異性聚焦電場(chǎng),如此設(shè)置可減小掃描方向和狹縫方向電子束腰處的電子流密度,進(jìn)而減小空間電荷效應(yīng)引起的時(shí)間彌散;此外,后置空間聚焦電極組,結(jié)合設(shè)置后加速電場(chǎng)(熒光屏施加+5000 V高壓)的方法,可使得電子束沿掃描方向的交叉點(diǎn)后移至熒光屏之前,減小光電子束的渡越時(shí)間并降低渡越時(shí)間彌散,以提高時(shí)間分辨率;此外,采用平行偏轉(zhuǎn)板實(shí)現(xiàn)了62 mm/kV的偏轉(zhuǎn)靈敏度,能夠提供2c的高掃描速度,將條紋管技術(shù)時(shí)間彌散降低到50 fs以下.本文主要根據(jù)時(shí)間分辨率的影響因素,合理設(shè)計(jì)一種百飛秒級(jí)條紋變像管,并對(duì)該飛秒條紋變像管的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析.

2 飛秒條紋管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 時(shí)間分辨影響因素分析

條紋管時(shí)間分辨率可由(1)式給出[9]:

其中,Δtj為時(shí)間抖動(dòng)引起的時(shí)間彌散,Δttech為技術(shù)時(shí)間彌散,Δttts為渡越時(shí)間彌散,Δtdd為掃描偏轉(zhuǎn)時(shí)間彌散.目前對(duì)于單發(fā)工作模式的條紋管來說,Δtj幾乎為零,可忽略 不計(jì).技術(shù)時(shí)間彌散Δttech=Ib/vs,其中Ib為非掃描條件下熒光屏上輸出圖像沿掃描方向的寬度,vs為掃描速度.物理時(shí)間彌散,其中Δε為陰極發(fā)射光電子能量分布的半高全寬,單位為eV;E為光電陰極附近的加速場(chǎng)強(qiáng),單位為kV/mm.掃描偏轉(zhuǎn)引起的時(shí)間彌散 Δtdd=dα/va,其中d為動(dòng)態(tài)掃描模式下光電子束斑沿掃描方向的寬度,α為最大偏轉(zhuǎn)角度,va為光電子束的平均軸向速度.

2.2 設(shè)計(jì)思路

由以上分析可知,條紋管要實(shí)現(xiàn)百飛秒量級(jí)時(shí)間分辨率,上述影響時(shí)間分辨率的每個(gè)因素均需小于50 fs.當(dāng)采用800 nm的光輻照光電陰極,產(chǎn)生光電子的能量分布半高全寬 Δε≈0.1eV,則要求E≥14kV/mm;靜態(tài)工作條件下熒光屏輸出圖像尺寸越小,掃描速度越大,技術(shù)時(shí)間彌散越小;但高掃描速度與動(dòng)態(tài)掃描模式下光電子束斑沿掃描方向的寬度是一對(duì)矛盾因素.因此,需全面研究各個(gè)指標(biāo)對(duì)時(shí)間分辨的影響因子,權(quán)衡其對(duì)時(shí)間分辨率的影響.

傳統(tǒng)飛秒條紋管采用高精度柵網(wǎng)加速結(jié)構(gòu)提供高加速場(chǎng)強(qiáng)及電子運(yùn)行速度,此方法可減小空間電荷效應(yīng)及電子初始狀態(tài)引起的時(shí)間彌散,提高時(shí)間分辨率.但柵網(wǎng)加速結(jié)構(gòu)會(huì)截獲部分電子,降低條紋管光子效率.本文采用狹縫型加速結(jié)構(gòu)代替柵網(wǎng)結(jié)構(gòu).在陰極有效探測(cè)范圍內(nèi),狹縫型加速電極雖然具有高達(dá)100%的電子透過率,但狹縫電場(chǎng)會(huì)引起電子束斑沿掃描方向展寬.采用狹縫型陽極結(jié)構(gòu),可去除沿掃描方向的大角度電子,彌補(bǔ)狹縫加速電極引起的電子束斑空間展寬,以提高時(shí)空分辨率.鑒于光電陰極出射電子角度的隨機(jī)性,需合理設(shè)計(jì)聚焦電極的結(jié)構(gòu).傳統(tǒng)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)會(huì)引起電子束腰處具有較大的空間電荷排斥力,因此,可采用各向異性板狀聚焦電極組,對(duì)電子脈沖在掃描和狹縫方向分別聚焦以減小橫向空間彌散及縱向時(shí)間彌散.

2.3 陰極及加速電極的設(shè)計(jì)

在飛秒條紋管的設(shè)計(jì)中,陰極及加速電極間的高強(qiáng)度電場(chǎng)對(duì)縮短光電子渡越時(shí)間及減小物理時(shí)間彌散至關(guān)重要.對(duì)電子脈沖起主要作用的是沿光軸(z方向)電場(chǎng),因此電極設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是既能獲得高強(qiáng)度的電場(chǎng),又能使光電管獲得較大的光子效率[5].飛秒條紋管對(duì)光陰極附近電場(chǎng)的要求為E≥14 kV/mm,即需要在最小的加速電極間距內(nèi)產(chǎn)生盡可能高的均勻電場(chǎng).本文基于三維電磁仿真軟件(computer simulation technology,CST),理論分析兩種常見的加速結(jié)構(gòu),模型中設(shè)置陰極與加速電極的間距為1 mm,加速電壓為15 kV.常見的加速電極有柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)和狹縫結(jié)構(gòu)[11,12].圖1(a)為平面結(jié)構(gòu)光陰極及狹縫型加速柵極結(jié)構(gòu)(P-S加速結(jié)構(gòu))電勢(shì)分布圖,在加速電極窄狹縫處,等勢(shì)線由光陰極凸出加速狹縫.當(dāng)電子束的部分電子位置信息滿足x＞ 0時(shí),電子脈沖出射加速狹縫向x正向運(yùn)動(dòng),反之出現(xiàn)的部分電子向x負(fù)向運(yùn)動(dòng).可見,狹縫加速電極會(huì)引起電子脈沖沿掃描方向的橫向空間彌散,降低空間分辨特性.圖1(b)為平面結(jié)構(gòu)光陰極及高精度加速柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)(P-M加速結(jié)構(gòu))電勢(shì)分布圖,光陰極和加速柵網(wǎng)間形成近似平行的等勢(shì)線,其高牽引場(chǎng)強(qiáng)對(duì)光電子束均勻加速,且?guī)缀醪粫?huì)對(duì)電子束造成橫向擴(kuò)散.

圖1 加速結(jié)構(gòu)對(duì)電勢(shì)的影響 (a) P-S加速結(jié)構(gòu);(b) P-M加速結(jié)構(gòu)Fig.1.Influence of the accelerating electrode on potential distribution: (a) P-S accelerating electrode;(b) P-M accelerating electrode.

飛秒條紋管的亮度增益與電子光學(xué)系統(tǒng)透射比呈一次線性關(guān)系.因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量提高光電子的透過率.鑒于非掃描模式下熒光屏上掃描方向的電子束斑長(zhǎng)度Ib對(duì)技術(shù)時(shí)間彌散 Δttech的影響,取電子源尺寸為4 mm×10 μm,發(fā)射10000個(gè)光電子研究加速電極的透射率,如圖2所示.在P-S加速結(jié)構(gòu)中,當(dāng)狹縫柵極的寬度ds≤20 μm時(shí),受狹縫邊緣電場(chǎng)的影響,部分光電子被狹縫電極截獲;當(dāng)ds≥20 μm時(shí),光電子的透過率可達(dá)100%.在P-M加速結(jié)構(gòu)中,設(shè)置網(wǎng)格與網(wǎng)格線寬度之比為1∶1,沿掃描方向電子脈沖寬度de小于柵網(wǎng)寬度ds,對(duì)光電子透過率影響較小,但狹縫方向電子源寬度較長(zhǎng),受網(wǎng)格影響較大.由圖2(b)可知,對(duì)于P-M加速結(jié)構(gòu),當(dāng)dm≤20 μm時(shí),光電子的透過率低于50%;當(dāng)dm≥20 μm時(shí),電子透過率隨dm的增大而增大,但基本保持在50%.對(duì)于P-S加速結(jié)構(gòu),電子透過率隨ds有相同的變化趨勢(shì),但當(dāng)ds≥30 μm時(shí),電子的傳遞效率為100%,即所有的光電子均可通過加速電極進(jìn)行成像.考慮飛秒條紋管的陽極電子入口處設(shè)置有電子準(zhǔn)直狹縫,可以減小光電子沿掃描方向的空間彌散,因此飛秒管采用狹縫型加速電極以獲得較高的光子效率.

圖2 加速結(jié)構(gòu)對(duì)電子透過率的影響Fig.2.Influence of the accelerating electrode on electron transmittance.

2.4 各向異性聚焦電極及陽極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空間電荷效應(yīng)引起的時(shí)間彌散是實(shí)現(xiàn)百飛秒量級(jí)時(shí)間分辨條紋管的一大瓶頸,尤其是在超快光脈沖診斷中,當(dāng)瞬態(tài)光強(qiáng)度很高時(shí)會(huì)增大光電子流密度,空間電荷效應(yīng)引起的縱向時(shí)間展寬將惡化時(shí)間分辨率,橫向空間展寬會(huì)嚴(yán)重制約空間分辨率[13].為此,本文采用兩組相互垂直的各向異性板狀聚焦電極系統(tǒng),其中時(shí)間聚焦板狀電極放置在加速電極與陽極之間,用于形成沿掃描方向的一維靜電場(chǎng);空間聚焦板狀電極放置于掃描偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)與熒光探測(cè)屏之間,能夠形成沿空間方向分布的一維靜電場(chǎng),空間方向聚焦系統(tǒng)靠近熒光屏放置也有助于推后電子束沿空間方向的交叉點(diǎn),減小電子流密度較大情況下的渡越時(shí)間,進(jìn)而減小空間電荷效應(yīng)引起的時(shí)間彌散.另外,板狀電極具有加工簡(jiǎn)單、易于裝配的優(yōu)點(diǎn).此外,根據(jù)2.1節(jié)討論,技術(shù)時(shí)間分辨彌散與電子斑在熒光屏上沿掃描方向?qū)挾瘸梢淮尉€性關(guān)系,因此在板狀陽極的電子出射方向設(shè)置一窄狹縫,可用于截獲大角度電子.需要合理設(shè)計(jì)優(yōu)化狹縫沿掃描方向的寬度,使狹縫邊緣發(fā)散場(chǎng)強(qiáng)度最小且熒光屏上電子斑沿掃描方向的尺寸較小.圖3為電子斑沿掃描方向尺寸及電子透過率與狹縫寬度之間的關(guān)系.陽極狹縫寬度越小,熒光屏電子斑的寬度越小,越容易實(shí)現(xiàn)飛秒量級(jí)時(shí)間分辨.但是,窄狹縫一方面會(huì)引起電子透過率降低,另一方面會(huì)增強(qiáng)沿掃描方向的擴(kuò)散場(chǎng),進(jìn)而惡化電子斑的寬度.

圖3 狹縫寬度對(duì)電子斑的影響,藍(lán)色擬合曲線表示電子轉(zhuǎn)移效率,紅色擬合曲線表示屏幕上沿掃描方向的電子斑點(diǎn)寬度Fig.3.Variation of electron transfer efficiency and width of electron spot along scanning direction on screen with width of anode.The blue fitted curve represents the electron transfer effiency,and the red fitted curve represents the width electron spot along scanning direction on screen.

3 時(shí)空特性

3.1 飛秒條紋管結(jié)構(gòu)及電勢(shì)分布圖

基于以上對(duì)電極結(jié)構(gòu)的研究,進(jìn)一步仿真分析了百fs量級(jí)時(shí)間分辨條紋管的內(nèi)部電勢(shì)分布及電子束特性.該飛秒條紋管模型結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要由光電陰極、加速電極、時(shí)間聚焦電極、陽極組、掃描偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、空間聚焦電極組及熒光屏組成.此結(jié)構(gòu)中,加速電極采用寬度為30 μm的窄狹縫平面結(jié)構(gòu),陽極狹縫寬度可調(diào)節(jié).該條紋管結(jié)構(gòu)緊湊,尺寸僅為Φ60 mm×313 mm.模型建立之后采用有限積分法計(jì)算電磁場(chǎng)分布.網(wǎng)格是電磁能量在空間分辨率上的體現(xiàn),網(wǎng)格越精密,計(jì)算精度越高,但仿真時(shí)間會(huì)相應(yīng)增加,反之亦然.模型計(jì)算過程中采用自適應(yīng)網(wǎng)格加密技術(shù)完成模型網(wǎng)格剖分.圖5(a),(b)所示為飛秒條紋管沿子午面和弧矢面的電勢(shì)分布圖.獲得電磁場(chǎng)分布之后,采用離散化的洛倫茲力定律計(jì)算電子運(yùn)行軌跡,圖4還顯示了從光電陰極不同位置發(fā)射的電子的運(yùn)行軌跡,其交叉點(diǎn)位于空間聚焦電極組與熒光屏之間,聚焦點(diǎn)位于熒光屏處.

圖4 飛秒條紋管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4.Schematic diagram of the femtosecond streak tube.

圖5 飛秒條紋管內(nèi)部電勢(shì)分布 (a) 子午面電勢(shì)分布;(b) 弧矢面電勢(shì)分布Fig.5.Distribution of potential in the femtosecond streak tube: (a) On the meridian direction plane;(b) on the sagittal direction plane.

3.2 靜態(tài)空間分辨特性

為評(píng)估飛秒管在整個(gè)陰極范圍內(nèi)的靜態(tài)空間分辨特性,在光電陰極內(nèi)表面沿狹縫方向每間隔1 mm發(fā)射一束電子.鑒于陽極電子準(zhǔn)直狹縫的電子透過率較低,因此陰極發(fā)射的每個(gè)電子波包各包含30000個(gè)電子,并追蹤電子軌跡.由于光電陰極發(fā)射光電子在初始能量、初始方位角以及初始位置分布方面均存在不同,經(jīng)過飛秒條紋管電子光學(xué)系統(tǒng)之后產(chǎn)生縱向時(shí)間展寬效應(yīng).圖6所示為陰極不同位置處發(fā)射的無初時(shí)間彌散的電子束到達(dá)最佳像面(熒光屏)處的空間調(diào)制傳遞函數(shù).從圖6可以看出,在陰極有效探測(cè)長(zhǎng)度4 mm的范圍內(nèi),靜態(tài)空間分辨率高于100 lp/mm @MTF=10%;即使在距離陰極中心±4 mm的位置處,靜態(tài)空間分辨率仍高于30 lp/mm @MTF=10%,且在離軸正、負(fù)對(duì)稱的位置,空間調(diào)制傳遞函數(shù)趨于一致,這主要?dú)w因于飛秒條紋管結(jié)構(gòu)對(duì)稱.

圖6 離軸不同距離處發(fā)射的電子束的靜態(tài)空間調(diào)制傳遞函數(shù)(S-SMTF)Fig.6.S-SMTF of the electrons emitted from different offaxis distance.

3.3 掃描偏轉(zhuǎn)電壓

飛秒條紋管實(shí)現(xiàn)飛秒級(jí)時(shí)間分辨的核心是通過飛秒條紋變像管內(nèi)的掃描偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)(掃描速度可高達(dá)2c—3c),將飛秒時(shí)間間隔的電子脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g上從上到下(熒光屏上沿掃描方向)依次排列的空間圖像信息.因此,評(píng)估飛秒條紋管的動(dòng)態(tài)特性時(shí),需要給掃描偏轉(zhuǎn)板施加高線性度的斜坡掃描信號(hào).在掃描偏轉(zhuǎn)板的入口處定義兩個(gè)對(duì)稱放置的電壓源離散端口,在偏轉(zhuǎn)板出口處定義兩個(gè)對(duì)稱放置的阻值為50 Ω的匹配阻抗,掃描信號(hào)最后耗散在匹配阻抗中,如圖7(a)所示(紅色箭頭表示離散端口方向,藍(lán)色箭頭表示匹配阻抗方向).施加在掃描偏轉(zhuǎn)板上的預(yù)偏電壓為67 V,高線性斜坡掃描信號(hào)如圖7(b)所示,掃描速度為2.1c.不同時(shí)間到達(dá)偏轉(zhuǎn)板的光電子脈沖經(jīng)掃描信號(hào)和預(yù)偏電壓共同作用之后,成像在熒光屏中心位置.假設(shè)光電陰極受光照的時(shí)刻為t=0 ps,則光電子在t=910 ps時(shí)刻進(jìn)入掃描偏轉(zhuǎn)板,并于t=1190 ps時(shí)刻出射偏轉(zhuǎn)板.

圖7 掃描偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) (a) 掃描偏轉(zhuǎn)板端口設(shè)置;(b) 高線性斜坡掃描信號(hào)Fig.7.Deflection system: (a) The deflection plates settings;(b) swept voltage on the deflection plates.

3.4 動(dòng)態(tài)時(shí)間特性分析

飛秒條紋管實(shí)驗(yàn)中可采用800 nm的激光輻照S-20光陰極,出射的光電子既具有統(tǒng)計(jì)性,又具有漲落性.統(tǒng)計(jì)性給出了有用信息,使本測(cè)量結(jié)果具有意義.而漲落性則產(chǎn)生了噪聲,會(huì)惡化甚至無效化測(cè)量結(jié)果[14].在評(píng)估空間分辨特性時(shí),忽略光電子束的初始時(shí)間分布,假定所有電子在t=0時(shí)刻從陰極出射,初始角度分布為余弦分布,位置分布為均勻分布;此外,根據(jù)S-20光陰極的功函數(shù)可知能量半高寬度為0.1 eV,能量服從β(1,4)分布.在評(píng)估有效光陰極內(nèi)的時(shí)間分辨特性時(shí),考慮激光脈沖輻照整個(gè)光陰極4 mm×100 μm有效區(qū)域.因此,從光電陰極發(fā)射橫向空間尺寸為4 mm×100 μm的4束電子脈沖,脈沖間隔分別為860 fs,1040 fs,860 fs,半高全寬為0.5 fs.其中光電子脈沖的時(shí)間分布及能量分布如圖8所示.經(jīng)掃描偏轉(zhuǎn)信號(hào)掃描后4束電子脈沖在熒光屏上的空間分布如圖9(a)所示.顯然,4束電子脈沖無交疊且完全可以分開.沿掃描方向?qū)﹄娮用}沖進(jìn)行強(qiáng)度(數(shù)量)歸一化,得曲線如圖9(b)所示.計(jì)算得4束電子脈沖的半高全寬分別為99.8 fs,92.8 fs,93.7 fs,98.4 fs,即飛秒條紋變像管的時(shí)間分辨率優(yōu)于100 fs.

圖8 時(shí)間分辨電子源的初始分布 (a) 時(shí)間分布;(b) 能量分布.Fig.8.Initial distribution of the electron sources: (a) Time distribution;(b) energy distribution.

圖9 四束狹縫型電子脈沖的掃描結(jié)果 (a) 熒光屏上電子脈沖的束斑分布;(b)掃描方向電子概率分布曲線Fig.9.Sweeping results of four electron pulses: (a) Beam spot of electron pulses on the screen;(b) probability distribution of electrons in scanning direction.

3.5 動(dòng)態(tài)空間分辨特性

動(dòng)態(tài)掃描工作模式下,條紋管狹縫方向的空間分辨率反映了條紋管的空間彌散,掃描方向的空間分辨率同時(shí)反映了條紋管的空間彌散和時(shí)間彌散[15].因此為全面評(píng)估所設(shè)計(jì)的飛秒條紋管在整個(gè)陰極范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)空間分辨特性,在陰極內(nèi)表面沿狹縫方向每間隔1 mm的位置發(fā)射初始狀態(tài)服從特性分布的光電子脈沖[16],每束電子脈沖包含30000個(gè)電子,追蹤電子軌跡并統(tǒng)計(jì)其在熒光屏上的分布.采用動(dòng)態(tài)空間調(diào)制傳遞函數(shù)法計(jì)算其在狹縫方向和掃描方向的動(dòng)態(tài)空間分辨特性,具體結(jié)果如圖10所示.鑒于陽極狹縫對(duì)大角度電子的截獲,整個(gè)陰極有效探測(cè)范圍內(nèi)的光電子在熒光屏上沿掃描方向的寬度小于30 μm,動(dòng)態(tài)空間分辨率高于45 lp/mm;空間方向采用單透鏡聚焦系統(tǒng),鑒于其優(yōu)越的聚焦特性,飛秒條紋管沿狹縫方向的空間分辨率高于100 lp/mm.因此,在整個(gè)陰極有效探測(cè)范圍Φ4 mm內(nèi),飛秒管的動(dòng)態(tài)空間分辨率高于45 lp/mm @MTF=10%.

圖10 動(dòng)態(tài)空間調(diào)制傳遞函數(shù) (a) 狹縫方向;(b) 掃描方向Fig.10.Dynamic spatial modulation transfer function: (a) Slit direction;(b) scanning direction.

3.6 陽極狹縫寬度對(duì)時(shí)空分辨率的影響

為研究不同陽極狹縫寬度時(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)時(shí)空分辨率的影響,設(shè)置掃描速度為2.1c.預(yù)偏電壓為134 V,如此,光電陰極發(fā)射的光電子幾乎均可落在熒光屏中心位置.采用點(diǎn)源(光電子初始能量服從0—1.5 eV的β分布,發(fā)射仰角服從0°—90°上的余弦分布,方位角服從0—2π上的均勻分布,假設(shè)光電子同時(shí)從陰極發(fā)射,且忽略電子源的尺寸)發(fā)射計(jì)算飛秒管的空間分辨率,狹縫電子源(脈沖型狹縫電子源尺寸: 4 mm×10 μm)計(jì)算陽極狹縫寬度分別為10,20,30,40,50五種情況下,飛秒管的動(dòng)態(tài)空間分辨率和時(shí)間分辨率.表1為不同陽極狹縫寬度時(shí)飛秒管沿掃描方向和狹縫方向的空間分辨率,以及時(shí)間分辨率的計(jì)算結(jié)果.

表1 不同陽極狹縫寬度下飛秒管的時(shí)空分辨率Table 1.Spatio-temporal resolution versus different width of anode slit.

表1結(jié)果顯示,隨著陽極狹縫寬度的增大,時(shí)間及空間分辨率都逐漸降低.時(shí)間分辨率降低的原因可以通過2.1節(jié)時(shí)間彌散公式和2.4節(jié)熒光屏上電子斑沿掃描方向的寬度與陽極狹縫寬度的變化關(guān)系解釋.陽極狹縫寬度越大,掃描方向的電子斑寬度Ib越大,技術(shù)時(shí)間彌散 Δttech越大,時(shí)間分辨率越低.空間分辨率降低的原因如下: 陰極發(fā)射的光電子存在初始能量及初始發(fā)射角度彌散,所以光電子在運(yùn)行過程中會(huì)先散開,然后在時(shí)空聚焦電極的作用下,逐漸聚焦于熒光屏處.陽極狹縫越大,通過的大角度電子數(shù)目越多,光電子在熒光屏上的彌散斑越大,空間分辨率也越低.

3.7 陰極有效長(zhǎng)度對(duì)時(shí)空分辨率的影響

條紋管的陰極有效探測(cè)長(zhǎng)度越大,其時(shí)間畸變及狹縫方向的空間畸變就會(huì)越大.時(shí)間畸變會(huì)導(dǎo)致狹縫像彎曲,進(jìn)而惡化時(shí)間分辨率;狹縫方向的空間畸變會(huì)降低空間分辨率.為評(píng)估陰極有效探測(cè)長(zhǎng)度4 mm和8 mm情況下的飛秒管性能指標(biāo),本文采用兩種不同尺寸的狹縫電子源(每束電子脈沖包含15000個(gè)電子,尺寸分別為: 4 mm×50 μm和8 mm×50 μm)仿真動(dòng)態(tài)時(shí)間分辨性能;采用點(diǎn)源(每束電子脈沖包含3000個(gè)電子)仿真動(dòng)態(tài)空間分辨性能.表2所列為陰極有效探測(cè)長(zhǎng)度分別為4 mm和8 mm兩種情況下飛秒管的時(shí)空性能指標(biāo)對(duì)比.結(jié)果表明: 1) 兩種情況下掃描方向的動(dòng)態(tài)空間分辨率幾乎無變化.主要?dú)w因于陽極窄狹縫截獲了沿掃描方向的大角度電子,且光電子在等位區(qū)沿掃描方向的空間彌散較小.2) 當(dāng)陰極有效探測(cè)長(zhǎng)度增大時(shí),沿狹縫方向的空間分辨率會(huì)嚴(yán)重惡化.主要?dú)w因于光電子離軸距離越大,沿狹縫方向的空間彌散越大.3) 陽極窄狹縫寬度越小,穿過的光電子數(shù)目及角度彌散越小,進(jìn)而時(shí)空彌散越小,時(shí)空分辨率越高.

表2 不同陰極有效長(zhǎng)度及陽極狹縫寬度下飛秒管的時(shí)空分辨率Table 2.Spatio-temporal resolution versus different effective cathode length and anode slit width.

4 結(jié)論

為設(shè)計(jì)出百飛秒級(jí)時(shí)間分辨的條紋管,理論分析了影響時(shí)間分辨率的各個(gè)因素并給出了指標(biāo)要求.對(duì)比分析了兩種常見的加速系統(tǒng)結(jié)構(gòu),理論分析了兩種結(jié)構(gòu)與光電陰極形成的電場(chǎng)分布及電子透過率.結(jié)果表明,平面陰極-柵網(wǎng)型加速結(jié)構(gòu)雖然能夠形成均勻的電場(chǎng),但電子透過率較低;平面陰極-狹縫型加速結(jié)構(gòu)形成的電場(chǎng)分布會(huì)使得光電子束沿掃描方向散焦,但在陰極有效探測(cè)范圍內(nèi)的電子透過率高達(dá)100%,且光電子束的散焦可通過在陽極前設(shè)置窄狹縫的方法去除大角度電子.聚焦電極采用兩組垂直放置的板狀結(jié)構(gòu),時(shí)間和空間聚焦板狀電極組前后放置,各自形成沿掃描方向和狹縫方向的一維聚焦電場(chǎng);空間聚焦結(jié)構(gòu)靠近熒光屏放置,有利于推后電子束沿空間方向的交叉點(diǎn),減小電子流密度較大情況下的渡越時(shí)間彌散.同時(shí),陽極可提供+5000 V的后加速電壓,有利于縮短光電子脈沖的渡越時(shí)間以及渡越時(shí)間彌散,提高時(shí)間分辨率.本文根據(jù)上述理論分析,采用平面陰極-狹縫加速柵極結(jié)構(gòu)、各向異性聚焦結(jié)構(gòu)以及后加速方法,設(shè)計(jì)了一種新型飛秒條紋管結(jié)構(gòu).數(shù)值仿真了陽極狹縫寬度對(duì)時(shí)空分辨率的影響,結(jié)果表明,時(shí)間分辨率隨陽極狹縫寬度(10—50 μm范圍內(nèi))的增加逐漸惡化,歸因于陽極狹縫寬度的增加會(huì)導(dǎo)致電子斑沿掃描方向尺寸的逐漸增大,進(jìn)而引起技術(shù)時(shí)間彌散增大.此外,本研究給出了當(dāng)陽極狹縫寬度變化范圍為10—50 μm時(shí)飛秒條紋管的仿真結(jié)果,在陰極有效探測(cè)長(zhǎng)度4 mm的范圍內(nèi),靜態(tài)空間分辨率高于100 lp/mm @MTF=10%,動(dòng)態(tài)空間分辨率高于29 lp/mm @MTF=10%,時(shí)間分辨率優(yōu)于122 fs;當(dāng)陰極有效探測(cè)長(zhǎng)度增大至8 mm時(shí),此條紋管的動(dòng)態(tài)空間分辨率高于22 lp/m @MTF=10%,時(shí)間分辨率優(yōu)于191 fs.