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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(diǎn)火條件,靶丸發(fā)生內(nèi)爆。整個(gè)內(nèi)爆過程持續(xù)數(shù)納秒,通過測(cè)量?jī)?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(jī)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(shí)間特性是實(shí)現(xiàn)診斷的前提。隨著我國(guó)ICF研究中激光器數(shù)目和功率的增大[6-7],每次打靶試驗(yàn)的成本也在上升,X射線條紋相機(jī)作為診斷工具,需要提供精確的固有延時(shí)、時(shí)間量程和小的時(shí)間晃動(dòng)[8-9]。X射線條紋相機(jī)的時(shí)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(shí)間特性需要嚴(yán)格標(biāo)定。

本文為我國(guó)神光Ⅲ研制了一臺(tái)工程化X射線條紋相機(jī),利用鈦寶石飛秒激光器組建了條紋相機(jī)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng),標(biāo)定了相機(jī)的時(shí)間特性,測(cè)量出相機(jī)較為精確的固有延時(shí)、時(shí)間量程和時(shí)間晃動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示相機(jī)具有的四個(gè)時(shí)間量程,跨度一個(gè)數(shù)量級(jí),可以實(shí)現(xiàn)不同超快信號(hào)的診斷。

2 相機(jī)研制

X射線條紋相機(jī)對(duì)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(shí)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(jī)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(shí)間、強(qiáng)度分布等信息線性傳遞給電子脈沖。電子在靜電場(chǎng)形成的聚焦透鏡中被加速和會(huì)聚。偏轉(zhuǎn)板上加有線性隨時(shí)間變化的掃描電壓,板內(nèi)形成線性隨時(shí)間變化的偏轉(zhuǎn)電場(chǎng),不同時(shí)刻進(jìn)入偏轉(zhuǎn)場(chǎng)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(jī)的功能和主要部件,為了實(shí)現(xiàn)神光Ⅲ公共診斷平臺(tái)的集中化和便于維護(hù)[11],診斷系統(tǒng)工程化的X射線條紋相機(jī)系統(tǒng)還具有模塊化、功能化和遠(yuǎn)程控制的特點(diǎn)。如圖1所示,相機(jī)氣室內(nèi)部具有:條紋變像管、像增強(qiáng)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(jì)算機(jī)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(jìn)出口、冷空氣進(jìn)出口。相機(jī)氣室內(nèi)部還分布有壓力、溫度、濕度、冷卻水流量、浸水警報(bào)等傳感器,通過遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控相機(jī)環(huán)境參數(shù)和工作狀態(tài)。通過內(nèi)外計(jì)算機(jī)通信,還可以遠(yuǎn)程操控相機(jī)三種工作模式(靜態(tài)、低偏、動(dòng)態(tài))切換、掃速切換、延遲時(shí)間設(shè)定、增益設(shè)定。相機(jī)還具有聯(lián)動(dòng)互鎖、超限報(bào)警、超限強(qiáng)制關(guān)機(jī)的自保護(hù)功能。

圖1 工程化X射線條紋相機(jī)

3 動(dòng)態(tài)測(cè)試方法

X射線條紋相機(jī)動(dòng)態(tài)性能測(cè)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(zhǎng)為800 nm被送往PIN光電探測(cè)器,轉(zhuǎn)換成電脈沖觸發(fā)信號(hào),電信號(hào)經(jīng)過時(shí)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(zhǎng)為266 nm,脈沖時(shí)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(shí)間間隔Δt的光脈沖序列,光電轉(zhuǎn)換為電子被條紋相機(jī)內(nèi)掃描電路同步并偏轉(zhuǎn)后完成時(shí)間、空間信息映射。熒光屏上的光信號(hào)被MCP像增強(qiáng)器增強(qiáng),通過光錐耦合進(jìn)CCD轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)。通過測(cè)量和統(tǒng)計(jì)得到的實(shí)驗(yàn)圖像,可以標(biāo)定出條紋相機(jī)的性能參數(shù)。

圖2 條紋相機(jī)靜態(tài)測(cè)試原理圖

圖3為條紋相機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置,其中使用了Quantronix130 fs激光器,Princeton Instruments 2048 F科學(xué)級(jí)制冷CCD,2048×2048 pixel,像素尺寸13.5 μm×13.5 μm。

圖3 動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

4 時(shí)間特性

4.1固有延時(shí)

固有延時(shí)是條紋相機(jī)中電路等部件固有的時(shí)間響應(yīng)遲滯。條紋相機(jī)固有延時(shí)測(cè)量精確,光路信號(hào)和電路信號(hào)才能同步在偏轉(zhuǎn)板上獲得待測(cè)光脈沖信號(hào),靶場(chǎng)測(cè)試時(shí)才能獲取到X射線脈沖信號(hào)[12]。固有延時(shí)測(cè)試以第一擋為例,獲取的脈沖序列的第一個(gè)脈沖在圖像中間時(shí),記錄光路和電路的實(shí)驗(yàn)條件。圖2中光路端:空氣中光路長(zhǎng)度為17.8 m；空氣中光延時(shí)為3.33 ns/m；光電子在變像管中渡越時(shí)間約為4 ns,電路端:PIN距800 nm紅外光出口0.3 m；電信號(hào)在同軸電纜中延時(shí)為5 ns/m；相機(jī)延時(shí)器可變延時(shí)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(hào)同步到偏轉(zhuǎn)板時(shí),光信號(hào)延時(shí)為:

To=ta+te=17.8m×3.33 ns/m+4 ns

=63.3 ns

(1)

電信號(hào)延時(shí)為:

(2)

條紋相機(jī)第一擋的固有延時(shí)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(shí)器,使其他擋位圖像同步于圖像中間,由光信號(hào)和電信號(hào)的延時(shí)差,可計(jì)算出其余三擋固有延時(shí)為31.5 ns、41.2 ns、68.6 ns。

4.2 時(shí)間量程

時(shí)間量程是條紋相機(jī)可以測(cè)量脈沖的最大持續(xù)時(shí)間。條紋相機(jī)工作在動(dòng)態(tài)模式,分別置于所設(shè)計(jì)的第一到四擋,測(cè)試掃描速度和全屏?xí)r間量程。激光序列在四個(gè)擋位下測(cè)試結(jié)果如圖4所示。第一擋的標(biāo)準(zhǔn)距長(zhǎng)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(shí)間間隔為233 ps,測(cè)量出CCD上條紋的平均像素間距,統(tǒng)計(jì)多幅圖像,得到脈沖平均間隔為252.3 pixel,從而計(jì)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(jì)算得時(shí)間量程為1.9 ns,如式(5)。

圖4 條紋相機(jī)時(shí)間量程測(cè)試

=1.09pixel/ps

(4)

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

(5)

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

表1 條紋相機(jī)掃描速度測(cè)試數(shù)據(jù)

4.3 時(shí)間晃動(dòng)

時(shí)間晃動(dòng)是條紋相機(jī)工作在掃描模式下,獲取信號(hào)時(shí)間偏移的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差,它反映了相機(jī)獲取信號(hào)的時(shí)間穩(wěn)定性。時(shí)間晃動(dòng)性能受條紋相機(jī)內(nèi)光電、電光轉(zhuǎn)換的量子漲落以及觸發(fā)信號(hào)幅度的漲落等影響。相機(jī)預(yù)熱后,當(dāng)觸發(fā)輸入信號(hào)幅度漲落較小時(shí),試觸發(fā)獲取信號(hào)正常,讀取11幅掃描圖像。以其中第一幅掃描圖像的第一個(gè)脈沖為參考零點(diǎn),然后分別測(cè)量每一幅掃描圖像相對(duì)于參考零點(diǎn)的時(shí)間偏移。相機(jī)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(shí)間軸,記錄激光脈沖隨時(shí)間的變化,以左圖中的第一個(gè)脈沖為時(shí)間零點(diǎn),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(jì)算方法如式(6)。同樣方法可以測(cè)出其余圖像的時(shí)間偏移。

圖5 條紋相機(jī)時(shí)間晃動(dòng)測(cè)試

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

(6)

統(tǒng)計(jì)10個(gè)時(shí)間偏移值的標(biāo)準(zhǔn)差,得相機(jī)系統(tǒng)的時(shí)間晃動(dòng)為:

(7)

5 結(jié) 論

本文為我國(guó)神光Ⅲ研制一臺(tái)工程化X射線條紋相機(jī),該相機(jī)具有模塊化、功能化和遠(yuǎn)程控制的特點(diǎn)。使用飛秒激光平臺(tái)組建了動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng),標(biāo)定了相機(jī)的時(shí)間特性。較為精確地測(cè)量了X射線條紋相機(jī)時(shí)間晃動(dòng)為13.7 ps,四個(gè)擋位的固有延時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示相機(jī)四個(gè)時(shí)間量程的跨度達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí),近似2倍關(guān)系增加,方便實(shí)現(xiàn)不同超快信號(hào)的對(duì)比測(cè)量和診斷。該相機(jī)時(shí)間性能優(yōu)良,可以滿足目前我國(guó)激光聚變?cè)\斷研究對(duì)X射線條紋相機(jī)的需求。

[1] Town R P,Bradley D K,Kritcher A,et al.Dynamic symmetry of indirectly driven inertial confinement fusion capsules on the National Ignition Facility[J].Physics of Plasmas,2014,21(5):056313.

[2] Glenzer S H,Macgowan B J,Meezan N B,et al.Demonstration of ignition radiation temperatures in indirect-drive inertial confinement fusion hohlraums[J].Physical Review Letters,2011,106(8):085004.

[3] Benstead J,Moore A S,Ahmed M F,et al.A new streaked soft x-ray imager for the National Ignition Facility[J].Review of Scientific Instruments,2016,87(5):055110.

[4] Zuber C,Bazzoli S,Brunel P,et al.Picosecond X-ray streak camera dynamic range measurement[J].Review of Scientific Instruments,2016,87(9):093501.

[5] GU Li,ZONG Fangke,LI Xiang,et al.I Designment of a femtosecond streak camera with a novel accelerating structure[J].Acta Optica Sinica,2015,35(11):1134001.(in Chinese)

顧禮,宗方軻,李翔,等.一種新型加速結(jié)構(gòu)飛秒條紋相機(jī)的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(11):1134001.

[6] ZHANG Bo,PENG Zhitao,LV Jiakun,et al.Multi-beams time-synchronization measurement for intertial confinement fusion laser facility[J].Chinese Journal of Lasers,2016,43(2):0208003.(in Chinese)

張波,彭志濤,呂嘉坤,等.慣性約束核聚變激光驅(qū)動(dòng)器多路光束時(shí)間同步測(cè)試方法[J].中國(guó)激光,2016,43(2):0208003.

[7] CHEN Jia,CUI Xinqiang,GUO Xiangchao,et al.Research on the transmittance of high power pulse xenon lamp[J].Laser & Infrared,2016,46(8):958-962.(in Chinese)

陳佳,崔新強(qiáng),郭向朝,等.大功率脈沖氙燈燈管透過率的研究[J].激光與紅外,2016,46(8):958-962.

[8] YU Zheng,DENG Keli,LI Jin,et al.Diagnostic equipment calibration platform based on Sub-picosecond ultraviolet laser[J].Acta Optica Sinica,2017,37(6):0614002.(in Chinese)

袁錚,鄧克立,李晉,等.基于亞皮秒紫外激光器的診斷設(shè)備標(biāo)定平臺(tái)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2017,37(6):0614002.

[9] HUI Dandan,TIAN Jinshou,LU Yu,et al.Temporal distortion analysis of the streak tube[J].Acta Physica Sinica,2016,65(15):260-266.(in Chinese)

惠丹丹,田進(jìn)壽,盧裕,等.條紋變像管時(shí)間畸變的分析[J].物理學(xué)報(bào),2016,65(15):260-266.

[10] GU Li,ZONG Fangke,LI Xiang,et al.Influence of photoelectron energy and angular distribution and space charge effect on streak cameras[J].High power Laser and Particle Beams,2015,27(6):27062011.(in Chinese)

顧禮,宗方軻,李翔,等.光電子能量角度分布和空間電荷效應(yīng)對(duì)變像管條紋相機(jī)的影響[J].強(qiáng)激光與粒子束,2015,27(6):27062011.

[11] LIAO Hua,YANG Qinlao.Novel X-ray streak camera with large dynamic range dedicated to initial confinement fusion facility[J].Chinese Journal of Vacuum Science & Technology,2015,35(2):250-254.(in Chinese)

廖華,楊勤勞.神光Ⅲ主機(jī)大動(dòng)態(tài)范圍X射線掃描相機(jī)研制[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2015,35(2):250-254.

[12] GU Li,HU Xin,YANG Qinlao,et al.Study of mutli-range X-ray streak camera[J].Journal of Shenzhen University：Science & Engineering,2011,28(3):225-229.(in Chinese)

顧禮,胡昕,楊勤勞,等.多量程X射線條紋相機(jī)研制[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)：理工版,2011,28(3):225-229.