多狭缝条纹变相管的设计

设计了一种有效面积大、体积小、重量轻的多狭缝条纹变相管.通过自行编程并进行MonteCarlo模拟计算,在离轴10mm处,静态空间分辨率可达20lp/mm,静态物理时间分辨率达100ps.在电子光学设计的基础上,完成了多狭缝条纹变相管的结构设计和机械加工,通过工艺设计,制作样管,阴极有效面积达22mm.最后进行静态测试,获得了具有一定分辨能力的静态图像.该像管可以用作变相管激光雷达的探测器,实现非扫描激光三维成像.

采用多狭缝条纹管实现激光三维成像

为了实现高清晰,高准确的近距离和中距离探测,介绍了一种采用多狭缝条纹管实现激光三维成像的方法.多狭缝条纹管作为成像系统的核心器件,对成像准确起主要影响.通过对成像原理的分析以及条纹管参数之间的关系推导,对多狭缝条纹管的技术指标进行了计算和设计,得出了电子光学系统的主要设计指标.

大动态双聚焦条纹变像管设计

为满足ICF实验中对X射线条纹相机大动态能力的需求,设计了一款大动态双聚焦X射线条纹变像管。其偏转灵敏度为39mm/kV,静态空间分辨率在阴极中心处优于30lp/mm,边缘优于10lp/mm,时间分辨率在10ps左右,阴极有效长度为30mm,放大率为1.3,管子总长为425mm。此款变像管主要通过提高电子飞行速度而缩短电子相互作用时间,从而达到降低空间电荷效应、提高动态范围的目的。最终设计的变像管轴上电势最高16.5kV,最低5kV,电子从阴极到达荧光屏的时间仅为6.62ns。基于设计的变像管参数,对管子进行了加工制造,并进行了初步调试和测试,变像管具有最佳成像效果时各电极实际电压与设计电压几乎一样,放大率为1.35,偏转灵敏度为40mm/kV,与设计值十分吻合。

一小型化多用途条纹变像管

为适应便携式和小型化发展的需要,设计了一款管长119.773mm的静电聚焦式条纹变像管,模拟了2000个阴极出射光电子在该管内电场中运动的轨迹.根据模拟计算的结果计算和分析了该管的时间点扩展函数、空间分辨率和工作在动态情况下的时间分辨率和空间分辨率等主要技术指标参量.结果表明,该变像管时间分辨率达到2.9ps,阴极有效面积直径达到Φ15mm,且具有较大的动态范围.

高时间分辨率条纹变像管的动态特性研究

针对高时空分辨的设计要求,分析影响条纹相机中条纹变像管的物理时间弥散、技术时间弥散和扫描电路触发晃动的因素,优化设计了行波偏转前置磁透镜聚焦的条纹变像管系统.利用CST仿真软件研究了行波偏转器内部的时变电磁场分布,计算了行波偏转器内电磁波的传播速度.结果表明,行波偏转器的指长为8mm、指宽为1mm、指间距为0.24mm、管脚长为2.5mm、板厚为1mm及总长度为17.12mm时,实现了电子团的飞行速度与扫描电脉冲沿行波偏转器的传输速度的匹配.采用电子追迹法和瑞利判据分析了条纹变像管的动态时间和空间特性,得到单次扫描动态时间分辨率为200fs、同步扫描时间分辨率为208fs、动态空间分辨率优于20lp/mm.

磁透镜内径比对条纹变像管性能的影响

针对一款高时空分辨率飞秒条纹变像管的带极靴磁透镜结构,提出了更加符合实际磁场分布规律的"高斯型"磁场分析模型,并且研究了磁透镜内径比对条纹变像管时间、空间分辨特性的影响。利用Lorentz软件数值研究了条纹变像管中不同内径比的磁透镜所产生的磁场分布,并且采用Monte-Carlo方法对大量光电子初始参量进行抽样计算,通过跟踪行波偏转前置短磁聚焦条纹变像管中大量光电子的运行轨迹,统计分析了光电子在最佳像面上的位置分布,最后利用调制传递函数对条纹管时空分辨能力进行评价。结果表明:当磁透镜内径比r1/r2=0.83时,磁场对电子束进行有效聚焦,获得物理时间分辨率优于190 fs,且狭缝边缘(狭缝总长度为6 mm)空间分辨率达到100 lp/mm的结果。

双板电极条纹变像管设计

为满足惯性约束聚变(ICF)实验等离子体诊断中对X射线条纹相机大动态和高时空分辨能力的需求,设计了一款利用板状电极对加电四极透镜聚焦方式的变像管。此款变像管最主要的特点为时空方向聚焦方式不同,在时间方向上采用两对平板电极聚焦电子,而在空间方向上采用电四极透镜对电子进行聚焦,其空间分辨能力在阴极边缘处达到了40 lp/mm,时间分辨能力在10 ps左右,阴极有效长度为20 mm。由于变像管采用时空方向分别聚焦方式,相对传统轴对称管型来说,电子不会聚焦成点,空间电荷效应更弱,所以具有大动态能力。

一种用于激光成像雷达的条纹管研制

简述了条纹管的工作原理。设计制作了一种可用于激光成像雷达的条纹管。测试表明,该条纹管时间分辨率达到50ps/lp,空间分辨率为20lp/mm,光阴极有效面直径为15mm。

偏转板对条纹变像管性能参数的影响

针对一款多用途条纹变像管,研究了扫描板位置对其性能参数的影响,分析了扫描板在条纹管轴向和径向的装架偏差对条纹变像管的时空分辨能力造成的影响。首先通过模拟得到大量服从一定统计规律电子的运动轨迹,然后利用调制传递函数对时空分辨能力进行评价。结果表明:偏转板放置在阳极光阑处条纹管可获得最佳时间分辨能力,而放置在电子束径最小的地方可以获得最佳空间分辨能力和最大阴极有效面积,同时,偏转板中心轴应该与条纹管旋转对称轴严格重合。

附加电极对扫描变像管性能的优化

通过分析影响变像管性能的主要因素,以提高其时间分辨率、空间分辨率和动态范围为优化思路,确定了在扫描变像管中荧光屏邻近区域引入等径螺旋电极以产生纵向均匀加速场的优化方案。分析得知,该优化结构可以在几方面改善变像管的性能:增加粒子到达荧光屏的纵向速度、减小粒子通过偏转板与荧光屏之间区域的渡越时间和渡越时间弥散、提高荧光屏的亮度。在横向约束带电粒子束的发散,通过减小空间电荷像差而改善电子光学系统的空间分辨率。另外,附加电极的引入也为降低加速阳极电位和偏转电极电位从而提高偏转系统的灵敏度提供了一定的空间。

栅极选通脉冲前沿对变像管性能的影响(英文)

讨论了管长为189.5mm,时间分辨率为5ps的条纹变像管工作在多狭缝情况下对目标物体进行探测时栅极开关脉冲对其成像性能的影响.开关脉冲的上升或者下降前沿都会降低条纹管的时间分辨和空间分辨性能,特别是空间分辨能力下降得很明显,当栅极电压波动10%,条纹管空间分辨能力将下降为原来的一半.产生影响的主要原因是栅极电压的变化使得条纹变像管的最佳成像面位置也发生了变化而偏离了原来位置,偏离得越多对条纹像管性能参量影响就越大.所以在栅极开关脉冲发生电路中应该严格控制产生脉冲的前沿和后沿宽度,降低其对条纹变像管成像性能的影响.

一种移像型可见光条纹管

研制了一种阴极有效直径为15mm、荧光屏输出面直径为40mm的可见光条纹管。利用光学纤维面板作为阴极输入光窗,实现了光学上零厚度的目标,提高了光能传输效率和图像传输质量。依据阴极和荧光屏显示面积设计了一种放大率适中的电子光学系统,实现了较大探测狭缝的目标。测试结果显示,条纹管的静态空间分辨率达到25lp/mm以上,时间分辨率优于20ps,满足高速信号探测中较大狭缝尺寸条纹管的应用需求。

小型条纹管数值模拟及实验研究

针对无人机载及星载激光成像雷达系统对条纹管的小型化、高空间分辨率与大探测面积的应用需求,研制了一台具有高边缘空间分辨能力、高亮度增益的小型条纹相机.采用球面光电阴极、球面荧光屏技术提高了条纹相机的边缘空间分辨率和探测面积,有利于增大激光成像雷达的探测视场;采用狭缝型加速电极代替传统栅网电极,有利于提高条纹相机的电耐性和可靠性;设计了加载高达-15 kV工作电压的像缩小型条纹管,增大了条纹管的亮度增益,有助于增大激光雷达系统的探测距离.测试结果显示:在有效工作面积16 mm×2 mm内,条纹管静态空间分辨率高于29.3 lp/mm@MTF=5%(MTF表示调制传递函数),亮度增益高达39.4.条纹相机光电阴极处静态空间分辨率高于15 lp/mm@CTF=11.64%(CTF表示对比度传递函数);边缘动态空间分辨率高于9.8 lp/mm@CTF=5.51%;时间分辨率优于54.6 ps@Tscreen=4.3 ns (Tscreen为全屏时间)且在整个工作面积内具有较高的一致性;动态范围为345:1@54.6 ps.同时,为满足不同的景深及探测精度需求,相机设置六个扫描档位,可以实现不同扫速下的超快速目标诊断.该条纹相机在无人机载及星载激光成像雷达探测中具有潜在的实用价值.

小型条纹管时空分辨及增益特性研究（英文）

围绕小型条纹变像管,数值研究了光电阴极发射的光电子的初始能量及球面阴极曲率半径对物理时间分辨率及时间畸变的影响.结果表明:物理时间分辨率受光电子初始能量影响较大,受阴极曲率半径及离轴距离影响较小;离轴距离越大,时间畸变越大;平面型光电阴极在离轴8mm的物点处,时间畸变大于40ps;随着阴极曲率半径的减小,时间畸变逐渐由正值变为负值;当阴极曲率半径为70mm时,条纹管在整个阴极工作狭缝16mm内的时间畸变小于8ps;同时,在4.3ns全屏扫描时间条件下,光电阴极发射的狭缝像在荧光屏上几乎没有弯曲,且即使在离轴8mm的物点处,光电阴极空间分辨率仍可高达25lp/mm@MTF=10%.此外,实验测试了条纹变像管的静态空间分辨率、阴极积分灵敏度及条纹变像管的亮度增益特性.测试结果显示:光电阴极中心处空间分辨率高于28lp/mm,边缘处高于18lp/mm;阴极灵敏度为178μA/lm,亮度增益高于12,远高于具有相同探测面积的皮秒条纹变像管的亮度增益(亮度增益仅为0.5),在条纹管激光雷达领域具有较强的弱信号探测能力.

同步扫描管时空分辨特性研究(英文)

设计了一种具有高空间分辨率、高时间分辨率和大工作面积的同步扫描条纹管.建立三维模型,系统地分析了物理时间分辨率与加速电压、空间分辨率与偏转系统-光电阴极的距离、动态空间分辨率和时间分辨率与扫描速度的关系.给出最优化结构参数和电气参数:d_(DC)=100 mm,U_(g)=700 V,T_(screen)=0.5 ns.数值模拟结果表明,在光电阴极有效工作面积18 mm×2 mm范围内,静态和动态空间分辨率分别高于25 lp/mm@MTF=10%和16 lp/mm@MTF=10%.在T_(screen)=0.5 ns时,同步条纹管的时间分辨率优于5.6 ps.此外,实验测试得到在400 nm波长处,光电阴极的辐射灵敏度为51 mA/W,光电阴极有效面积内的静态空间分辨率高于25 lp/mm@CTF=13%.

用于激光雷达的大探测面积超小型条纹管

利用三维电磁仿真软件CST模拟设计了一款小型电聚焦条纹管,在模拟中采用了正交实验法来确定条纹管各电极间距离及各电极电压。同时,根据条纹管像差定义对其像质进行了全面的理论分析和评价。优化设计的条纹管阴极有效工作面积直径大于28 mm,物理时间分辨率优于30 ps,边缘静态空间分辨率大于20 lp/mm,条纹管放大倍率为1.07,总管长仅为100 mm,管外围直径为50 mm。满足航天、空间探测以及海洋执法等应用领域非扫描式激光雷达技术对大探测面积、超小型条纹变像管的应用需求。