同步触发和级联滤波的分幅相机皮秒高压脉冲研究

脉冲展宽分幅相机是脉冲展宽技术与微通道板(microchannel plate,MCP)分幅相机的结合体,其时间分辨率与皮秒高压脉冲呈非线性波动关系.采用同步触发模式和级联结构LC高通滤波器产生皮秒高压脉冲,将其与影响时间分辨率的阴极电压和漂移距离结合,应用于脉冲展宽分幅相机的时间分辨率研究中.结果表明,同步触发式多级Marx电路能产生半高宽优于1 ns的高压脉冲,随着级联LC高通滤波器从1阶增至7阶,产生皮秒高压脉冲的半高宽从558 ps降至409 ps,幅值从-3.6 kV降至-1.4 kV,上升沿斜率的非线性波动为5.03~10.25 V/ps;将其加载于MCP通道内的光电子倍增模型,获得的MCP分幅相机时间分辨率由206 ps提高至149 ps;而将其应用于脉冲展宽分幅相机,随着阴极电压和漂移距离增加,时间分辨率的非线性波动为3.8~39.4 ps.通过数据统计和对比发现,当同步触发Marx电路与3阶LC高通滤波电路相结合时,脉冲展宽分幅相机的时间分辨率能达到最优.

静电聚焦提升脉冲展宽分幅相机空间均匀性

为提升脉冲展宽分幅相机的空间分辨均匀性,利用静电聚焦等位面均匀和像面漂移小的特性,采用静电透镜设计成像系统,构建脉冲展宽分幅相机电场分布和成像特性的关系,利用空间调制传递函数评估空间分辨率,并通过将空间分辨率的数值波动转换为梯度变化百分比的形式,对区域内的空间分辨率不均匀度进行定量描述.研究结果表明,等径双静电透镜成像系统能够增大探测区域,并降低空间分辨率不均匀度,满足脉冲展宽分幅相机向大面积探测的发展需求.在漂移区长度为400 mm,透镜孔径、轴向宽度和间距分别为200 mm、60 mm和210 mm的情况下,为避免电极电压过高引起的等位面均匀性变差和电子能量弥散增加,当第1和第2透镜电极分别加载-4.5 kV和10.0 kV电压时,脉冲展宽分幅相机的有效探测区域半径可达21 mm,离轴空间分辨率的波动范围为321.4~340.3μm,探测区域内的空间分辨率不均匀度为(1.11×10^(-4))%,均优于3磁透镜成像系统40.08~482.29μm的波动范围和0.027%的不均匀度.研究结论可为静电聚焦成像系统在脉冲展宽分幅相机中的应用提供理论基础,有助于量化并提升空间分辨率的均匀性.

用于电子束参数测量的高速分幅相机

具有时间分辨能力的高能强流电子束束流参数测量需要高速的分幅相机,其幅间间隔时间要求达到10ns的水平,每幅曝光时间不大于5ns。针对这种难度较大的应用要求,结合快速电子技术、图像增强技术、光学分光技术等多门学科的成果,成功研制了一台可用于高能强流电子束束流参数的时间分辨测量的高速分幅相机,图像幅间间隔时间最快到达10ns,最小的曝光时间为3ns,一次可以拍摄8幅图像,图像分辨率为1376×1035,标准幅面可以达到Φ80mm,完全满足了目前的测量要求。

四通道X射线MCP行波选通分幅相机

简述了MCP行波选通分幅相机的工作原理及技术指标，报道了最新研制的四通道行波选通分幅相机的研制结果及使用情况，相机可接连拍摄12幅图象，每幅象的曝光时间为60至100ps、空间分辨率15lp／mm时调制度10％，观测时间在几百皮秒至几纳秒内可调．在星光装置上的使用表明相机的实用性强、抗干扰能力高，并在国内首次较全面地测量了各种靶型的时间分辨分幅结果．

电子束时间展宽皮秒分幅相机

研制了基于电子束时间展宽技术和微通道板(microchannel plate,MCP)选通技术的时间展宽分幅相机。相机有三条厚度80 nm、宽度8 mm的微带阴极,阴极上加载斜率为2.1 V/ps的高压斜坡脉冲,使得先发射的电子较后面的电子速度快,经过50 cm的漂移区后,电子束产生时间展宽,从而提高相机时间分辨率。阴极和MCP均加载了脉冲电压,因此,需要精确同步光脉冲、阴极脉冲和MCP选通脉冲,分析了完整的同步过程。当阴极仅加直流电压,无电子束时间展宽时,获得相机的时间分辨率为78 ps。当阴极加载高压斜坡脉冲时,电子束时间展宽技术将系统的时间分辨率提高至12 ps。改变延时,将光脉冲分别同步在斜坡脉冲不同位置,获得了时间分辨率与同步位置的关系。

超高速高性能门控型三分幅相机

针对～10^8帧/秒或更高速度上的超高速分幅摄影，采用一种成像质量较好的基于会聚光中分光的全口径分光原理，利用具有高速快门控制功能的像增强器、冷却型科学CCD相机、基于大规模可编程集成电路的高速控制器等部件，研制成功了一种高性能的超高速三分幅相机．该分幅相机具有三幅图像的超快拍摄能力，快门速度最高可达3ns，摄影速度则达到3．3×10。帧／秒，并且在较大范围内具有单独调节的能力；图像幅间间隔同时具有任意调节的能力，从0ns到秒级；有效像面面积达到025mm，图像阵列为1024×1024；空间分辨率达到30lp／mm，同时具有较好的线性度和空间响应的均匀性，满足了超高速、大幅面的分幅摄影要求．

微通道板选通X射线皮秒分幅相机曝光时间的均匀设计

将均匀设计法应用于微通道板选通X射线皮秒分幅相机(MCP-XPFC)曝光时间的研究工作中,目的是找到一个简单高效的试验预估方法来指导分幅相机的研制和试验工作.基于分幅相机皮秒动态选通理论模型,建立了采用0.5mm厚、长径比40的MCP的皮秒分幅相机选通脉冲参量与曝光时间之间的快速预估模型.利用这一模型得出了相机的曝光时间随选通脉冲脉宽和幅值分别呈抛物线变化,且脉宽和幅值对曝光时间具有交互影响作用.在试验参量范围内,此预估模型能够精确地代替相机理论模型和高效地指导实验.通过实验验证了预估模型,并分析了影响结果的因素.

X射线分幅相机真空弧放电损害研究

基于神光Ⅱ物理实验,研究了X射线分幅相机中真空弧放电对荧光屏和微通道板的损害。通过观测放电点在荧光屏上的位置和输出强度,发现X射线分幅相机存在的3种弧放电形式:散弧、强弧和定弧,由弧点位置和强度的时空变化比较了3种放电形式对器件的损害程度和对相机工作状态的影响。散弧在一定真空度条件下具有很好的稳定性,并且微放电不影响XFC正常性能;强弧的屏输出强饱和,MCP和荧光屏被一次性损害,相机无法正常工作;定弧对相机的正常工作没有影响,放电在两种屏压加载下都表现出稳定的趋向。由场致电子发射理论解释了放电机理,分析了弧放电损坏的稳定性,由实验结果推导了定弧的场增强因子。

一种双MCP选通型30-40ps软X射线分幅相机

研制了一种双微通道板(Microchannel Plate,MCP)双选通型软X射线分幅相机.该相机采用两块厚度为0.5mm的MCP,近贴放置成"V"形结构,用两列高压脉冲依次选通两块级联的MCP,通过控制两列脉冲之间的延迟时间,利用微通道板的电子渡越时间效应和非线性增益的相互作用,以损失一部分电子为代价获得比单MCP(60ps)选通相机更短的曝光时间,并且可以降低直穿X射线造成的背景光噪音.

神龙一号参数测量用高速两分幅相机

采用长焦距镜头的后工作空间全口径分光原理,利用门控型像增强器、CCD相机、基于大规模可编程集成电路的高速快门控制触发系统等部件,研制了具有较高时间分辨能力和高灵敏度的两分幅高速相机,并在此基础上建立了束参数的高速测量系统。两分幅相机的最高快门速度约3ns,幅间间隔时间则具有以0.5ns的步进进行调节的能力;快门时间及幅间间隔时间可以分别独立调节,最大可到1s;同时具有较好的线性度和空间响应的均匀性,等效背景噪声低到约5electrons.pixel-1.s-1,并且分幅相机灵敏度调节范围大。该系统一次可以拍摄两幅图像,图像阵列可达到1 024×1 024,满足神龙一号的各种测量要求。

大面积MCP选通X射线分幅相机的研制

研制大面积微通道板(microchannel plate,MCP)选通X射线皮秒分幅相机.MCP外径为106 mm,微带阴极宽度为12 mm.测量微带阴极的时域反射曲线,得到微带阴极的特性阻抗约为11Ω,相机的时间记录长度约3 ns.对分幅相机进行联调实验,测得其时间分辨率为62 ps,空间分辨率为18.87 lp/mm.

X射线皮秒分幅相机的研制

研制4微带X射线皮秒分幅相机,其微带阴极宽度为6 mm,由幅值为-1.9 kV,宽度为300ps的选通脉冲进行驱动.对X射线皮秒分幅相机进行联调实验,测量相机的固有延迟为42.9 ns,时间分辨率为110 ps,空间分辨率为17.86 lp/mm.由静态空间分辨率图像获得了分幅相机的调制传递函数曲线.

微通道板行波选通X射线皮秒分幅相机动态空间分辨率的优化

通过微通道板皮秒脉冲选通动态模型结合近贴聚焦系统的空间调制传递函数理论模型,研究了微通道板X射线分幅相机系统的动态空间分辨能力与屏压,近贴距离,皮秒选通脉冲的幅值与宽度等参数的关系.计算了常用参数下的微通道板行波选通X射线皮秒分幅相机的系统动态空间分辨率,讨论了提高相机动态空间分辨率的措施,提出了优化相机结构参数的方法.

多通道门选通纳秒分幅相机

采用光学分幅技术和多通道门选通法研制了纳秒分幅相机。首次应用八棱锥将图像分为8幅,每幅图像有相等的光学能量并包含与原图像相同的光学信息,每个通道使用独立的带门选通的像增强器和CCD相机,自行开发的近贴门选通像增强器用于增强弱光图像。相机系统可一次获得8幅图像,分幅速率达到1×108frame/s,最短曝光时间和时间间隔为3ns和10ns并分别可调,可记录持续时间为百纳秒到几十微秒的发光现象,动态空间分辨率达到15lp/mm。该相机已成功应用于电脉冲、等离子发光等现象的试验并获得了有意义的数据,可满足高速摄影机等设备具有高分幅速率,短曝光时间和适当间隔以及在曝光时间内固定时刻记录超快现象过程的要求。

基于超短激光脉冲扫描法的超高速分幅相机时间响应特性测定

采用超短激光脉冲对一台四通道超高速分幅相机曝光过程进行时间扫描,测定超高速分幅相机时间响应特性.通过对四个通道的同时测定,给出最短曝光时间下相机所有通道的时间响应特性曲线.由此曲线得到相机各通道的实际曝光时间、开/关门时间、曝光过程中的响应变化以及四个通道不同的响应特性等诸多信息.通过对相机时间响应特性的测定,考核相机的实际工作性能与工作状态,并为实验数据解读提供参考.超短激光脉冲扫描法可以作为高速摄影类设备时间响应特性测定的标准方法.

利用分幅相机测量铋球表面发射X射线图像

设计了一种塑料靶表面涂铋(Bi)的靶丸替代常规内爆靶,利用分幅相机获取辐射驱动内爆替代靶丸Bi等离子体再发射X射线的2维图像。实验时,从主激光中分出一束光信号,经光电转换后作为分幅相机的触发信号,以激光直接驱动金球靶建立相机的时标。根据分幅相机的时标可确定每幅X射线图像相对于主激光的时间延迟。分析Bi球靶的X射线分幅图像,得到夹持内爆靶丸的CH膜的烧蚀时间及Bi球靶半径的变化关系。通过X射线图像还可反推出诊断孔的大小和CH膜支撑靶丸的对称性。

神光Ⅲ核心X射线分幅相机(英文)

神光III装置核心X射线分幅相机将用于激光装置性能验收实验和宽范围的高能量密度物理、惯性约束聚变物理及基础物理实验研究.相机系统主要为记录神光III装置靶的时间分辨X射线发射设计,利用可更换的鼻椎实现具有二维空间分辨或者一维谱分辨的靶形貌时间分辨图像.神光III装置核心X射线分幅相机将被嵌入到一个铝制空气包中,空气包具有大容量冷却平板和一个特制的环境监测传感器阵列.相机设计很多部分不同于早期X射线分幅相机,如一套全新的阻抗匹配方案,曝光时间从0.07-1.5ns可调,先进的荧光屏,脉冲屏压电路,准确的模块定位,独特的监控系统和完全远程计算机控制.其中先进的荧光屏和脉冲屏压电路已经获得初步应用.

门控分幅相机增益衰减特性

分析了分幅相机增益衰减的理论模型,利用Mathematica软件模拟了增益随电脉冲传输时间指数衰减的曲线图。根据增益衰减理论,设计了测量增益衰减系数的实验。实验结果表明:分幅相机的平均增益按0.0249 mm-1指数衰减,电脉冲沿微带线传输的电压幅值衰减系数平均为0.00356 mm-1。得出实验数据中单条微带上增益并不完全符合增益指数衰减规律,而是在最后一帧图的增益有所回升,分析得出这是由电脉冲在微带末端连接处的反射引起的。经多次测量,电脉冲在微带线末端的平均值反射比为24.2%。对增益衰减状况的改善提出建议:采用良导体制作传输线,选取介质损耗小和绝缘性能好的材料作为填充介质,合理设计MCP微带线的厚度、微带宽度及微带与输出面的间距则可减小分幅相机增益的衰减。

高速分幅相机与阳加速器的精密电流同步技术

针对在阳加速器上进行Z箍缩实验时存在的同步精度低的问题,研究了一套同步触发信号取自加速器输出电流的技术。利用加速器工作电流波形与物理实验现象间的固有延迟时间关系来判断同步的时刻,时间关联的精度可到达ns量级。为了防止加速器对测量系统的影响,根据延迟时间长短的不同情况还研究了光电隔离方式和光纤传输方式,解决了在阳加速器平台上的电磁干扰问题,实现了在阳加速器上进行可靠物理实验的精密测量工作;本触发方式配合高速分幅相机的应用,稳定而可靠地以10 ns间隔、3ns曝光时间拍摄到了Z箍缩的发展过程。

X光分幅相机-平面镜配接方法研究

利用X光谱仪用平面镜备件以及实验室常用五维调节架,设计了X光平面镜与X光分幅相机配接的探索方案,并对系统调节中各元件调节误差带来的影响进行了一定的分析,详细描述了系统的瞄准调节方法和过程.利用激光打靶实验,对X光平面镜与X光分幅相机的配接方法进行了检验.实验过程和结果表明,该方法系统结构和实施都较为简单,可以比较容易地在分幅相机微带上获得经平面镜反射的靶目标针孔像,实现～50 ps的时间分辨、10～20 μm的空间分辨及几十倍的能量分辨.