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.

条纹及分幅相机技术发展概述

介绍了超快诊断技术研究的意义,概述了条纹相机和分幅相机的研究历史及现状,分析了几种主流条纹管的技术特点及主要应用领域,比较了国内外超快诊断设备研制单位特点,分析了我国在超快诊断技术方面所取得的成就、存在的问题并对下一步发展出路进行初步的分析与探讨。

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.

短磁聚焦分幅变像管空间分辨率的模拟与测试

模拟和设计短磁聚焦分幅变像管，研究变像管空间分辨特性及其影响因素.采用洛伦兹软件Lorentz 3 D-EM建立变像管模型，通过分析变像管磁场和模拟电子成像，估算变像管阴极中心空间分辨率为~16．61 lp/mm （阴极电压-3．0 kV）.模拟阴极上不同离轴点、变像管不同成像倍率和不同阴极电压3种情况对变像管空间分辨率的影响.通过设计变像管，构建实验平台，测试变像管空间分辨率，在阴极电压为-3．0 kV时，测试结果为~13 lp/mm.

时间展宽分幅变像管的时间分辨率探究

采用经典公式、平均场理论和脉冲展宽模型研究时间展宽分幅管的物理和技术时间分辨率。分析电子初能、阴极偏置、阴极脉冲斜率和漂移距离等参数对时间分辨率的影响。讨论时间分辨处于皮秒级和亚皮秒级时物理和技术时间分辨所起的作用,并探讨实现亚皮秒级时间分辨的可能性。研究结果表明:物理和技术时间分辨相互制约,当像管时间分辨处于5 ps量级时,技术时间分辨决定像管时间分辨;当像管时间分辨提升到亚皮秒量级时,物理和技术时间分辨处于同量级,像管时间分辨由两者共同决定。

相同激励下双磁透镜分幅变像管的成像研究

设计研制了大面积阴极双磁透镜分幅变像管,考察双磁透镜系统相同激励下1∶1的成像.从薄透镜成像关系出发,分析满足成像条件的4种情况,并求得各种情况下双透镜位置与焦距的关系式.通过阴极微带光刻分辨率板法进行成像的测试与验证.测试结果表明,双磁透镜仅在少数几个位置能成较高质量的1∶1像.影响双磁透镜像管1∶1成像的因素主要包括磁透镜的磁化饱和效应、铁磁材料间的磁场干扰以及透镜厚度.

神光Ⅲ原型装置自瞄准X射线扫描相机研制

根据神光Ⅲ原型装置的特点,配套研制一种通用X射线扫描相机.相机既可用于高时间分辨的实验诊断,也可用于神光Ⅲ原型装置各束激光同步性能的检验.该相机在结构上,具备二维摆动调节和轴向进给调节的运动功能,实现了高精度自行瞄准,XY指向误差≤25 mm,轴向定位误差≤10 mm;在控制上,实现了全部高压的远程控制;在性能指标上,尤其是动态范围,也有较大的提高.动态测试表明,该系统时间分辨率<31 ps,动态范围>900.

电子束莫尔条纹的智能提取及其特征参数分析

电子束莫尔条纹的强度、角度、距离和线宽等特征参数是分析短磁聚焦分幅变像管成像性能,探讨像管空间分辨性能提升的重要信息.为提升莫尔条纹的提取和参数分析效率,采用巴特沃斯低通滤波器、阈值选取算法和区域匹配算法,通过Matlab的GUI界面对条纹提取和参数分析,实现了智能操作和批处理.研究结果显示,电子束莫尔条纹信息的提取时间为~12 s,莫尔条纹倾斜角度和间距的提取结果与人工操作的差异分别仅为~1.75%和~3.13%.该方法可实现条纹信息的批处理,有效提升海量信息中电子束莫尔条纹的提取及其参数分析效率,为研究短磁聚焦分幅变像管的空间分辨性能提供可靠数据.

脉冲叠加技术提升脉冲展宽分幅相机时间均匀性

脉冲展宽分幅相机是时间分辨率优于10 ps的二维超快诊断设备,但展宽脉冲沿阴极传输会引起阴极不同位置的电压分布出现差异,这会导致相机时间不均匀现象的产生,从而限制了大探测面相机的实现。采用雪崩三极管、雪崩二极管和高通滤波器设计了一种快斜率皮秒选通脉冲,基于电脉冲叠加原理,探讨了选通脉冲下降沿对时间不均匀性的提升效果。研究结果显示:当阴极电压为-2 kV、电子束初始时间宽度为5 ps和展宽斜率为11.9 V/ps时,随着展宽脉冲沿阴极起点传输到终点,阴极上的电子束展宽倍率由11.74增至39.04,基于相对误差原理,两者相差232.5%;当将选通脉冲下降沿和展宽脉冲同时加载至阴极时,电子束展宽倍率由11.28变化至14.23,两者相差下降至40.21%,此时脉冲展宽分幅相机的时间分辨均匀性得到了有效提升。

磁场对脉冲展宽分幅相机空间电荷效应的影响

基于磁聚焦成像的脉冲展宽分幅相机是具有超快时间分辨的诊断设备,空间电荷效应是制约其时空性能向更高量级提升的主要因素。为研究脉冲展宽分幅相机中的空间电荷效应,基于电子脉冲电势分布和电场力方程建立研究模型,将电子脉冲动态特性融入模型分析。研究结果显示,由成像磁场引起的电子脉冲动态半径对空间电荷效应时空弥散影响显著,当轴上磁场强度为4.585×10^(-3)T时,随着离轴位置增加至15 mm,磁场强度提高到4.763×10^(-3)T;由于离轴电子脉冲散焦使动态半径较大,因此在降低电子密度的同时,使空间电荷效应的时间弥散由2.94 ps减小至483 fs,空间弥散由668μm减小至22μm;当轴上磁场强度由4.585×10^(-3)T降低至3.359×10^(-3)T时,与最优空间分辨性能相似,空间电荷效应时空弥散在磁场3.4×10^(-3)~3.5×10^(-3)T区域内达到最小,此时离轴15 mm内的时间弥散范围为256~392 fs,空间弥散范围为3.1~15.4μm。研究结论为分析磁场对脉冲展宽分幅相机空间电荷效应的影响提供一定的理论参考。

脉冲展宽分幅相机的最优空间分辨能力分析

短磁聚焦脉冲展宽分幅相机是一种具有长漂移区的二维超快诊断设备。通常采用轴上和离轴的点空间分辨率对其近轴空间分辨能力和工作面积进行评估,但由于像场弯曲会引起高斯像面的空间分辨不均匀,因此难以评价相机的整体空间分辨能力,所以研究一种能量化空间分辨能力的方法具有重要意义。为探讨新方法,采用COMSOL软件建立模型,基于场曲特性重建三维成像曲面,采用标准差分析成像曲面与高斯像面之间的偏离程度,通过融合点空间分辨率和整体调制度构建高斯像面空间分辨率,并运用相对误差量化高斯像面空间分辨均匀性。研究结果显示,在组合磁透镜的孔距为200 mm、漏磁缝隙为10 mm、轴向宽度为100 mm、漂移区长度为400 mm、成像半径为21 mm、阴极为-3.75 kV的情况下,随着成像磁场变化,成像曲面与高斯像面之间的偏离程度,以及高斯像面空间分辨率均呈开口向上的抛物线形状,并在成像磁场为41.97 Gs(1 Gs=10^(-4)T)时,两像面偏离程度标准差达到最小,为2.82 mm,高斯像面空间分辨率提升至最优,为292.80μm,表征空间均匀性的调制度差值降低至最小,为330%。本文研究为评估短磁聚焦脉冲展宽分幅相机的最优空间分辨性能提供了一种可量化的参考方法。

脉冲展宽分幅变像管的最优成像磁场研究

磁聚焦脉冲展宽分幅变像管是时间分辨率优于10 ps的超快诊断设备,其空间分辨率与成像磁场密切相关。为讨论该问题,建立了脉冲展宽分幅变像管模型,在不同半径发射区域成像磁场下,采用瑞利判据对点成像分布计算空间分辨率,并基于轴上最优和物点间差异最小原则,分析最优成像磁场。研究结果表明,在单磁透镜脉冲展宽分幅变像管中,整体空间分辨率不随磁场增大或减小而变好,而是存在一个特定发射区域对应的成像磁场,使其达到最优。当透镜孔径为160 mm、漏磁缝隙为4 mm、轴向宽度为100 mm、漂移区为500 mm和电子发射能量为3 keV时,8 mm半径区域的成像磁场为最优,其轴上最大磁场为37.87×10^(-4) T。在微通道板空间分辨率为55μm和缩小1倍成像的情况下,物面0、5、10、15 mm位置的空间分辨率分别为29.86、43.08、87.07、276.88μm,模拟计算结果与已测数据基本吻合。研究结论为建立成像磁场和整体空间分辨率之间的联系及最优化空间分辨率的模拟计算提供了一种具有参考性的方法。

中国科学院西安光学精密机械研究所 重大前沿项目

CE-5全景相机月球探测工程属于国家重大工程项目,根据计划,我国月球探测工程分为'绕、落、回'三期实施。其中,'回'即月球探测工程三期的就位采样返回,项目将发射CE-5探测器,实现月球表面就位探测采样并返回地球。CE-5探测器全景相机是CE-5探测器的重要载荷之一。