陳景霞

(淮南師范學(xué)院，安徽 淮南 232038)

0 引言

現(xiàn)代科技加速了相機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，條紋相機不斷普及到人們的生活中，條紋管做為條紋相機的核心組件，具有極高的空間分辨率和時間分辨率，同時能夠?qū)r間軸轉(zhuǎn)化為空間軸，在微觀探測和超快現(xiàn)象探測中發(fā)揮著重要作用。各個領(lǐng)域?qū)l紋管的要求不同，因此，研究人員研究出來的條紋管性能也是不同的，例如，短磁聚焦條紋管用來檢測時間分辨率，異性聚焦條紋管偵測大動態(tài)范圍內(nèi)存在的異常情況[1]。不同的條紋管具有不同的物理特性，本文重點分析了電子光學(xué)條紋管的物理特性，判斷了條紋管的探測面積、管像差和分辨率，通過條紋管的結(jié)構(gòu)分析其穩(wěn)定性和可靠性[2]。

1 電子光學(xué)條紋管的物理特性分析模型

本文設(shè)計的電子光學(xué)條紋管物理特性分析模型通過三維軟件觀察條紋管內(nèi)部電子的運行情況，對運行軌跡進(jìn)行追蹤，根據(jù)追蹤到的運行軌跡判斷電子光學(xué)條紋管的物理特性。電子光學(xué)條紋管中的電磁分布有很大的不同，因此要通過不同的方式記錄電磁場分部數(shù)值，本文選用離散方程計算，該計算方法穩(wěn)定性較高，迭代很好。離散方程的主要計算內(nèi)容為電磁的能量和電荷的守恒，計算精準(zhǔn)度強，效率高，通過統(tǒng)計法分析電場分布情況[3]。電子光學(xué)條紋管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電子光學(xué)條紋管結(jié)構(gòu)

電子光學(xué)條紋管的主要結(jié)構(gòu)包括陰極、陽極、聚焦點、偏轉(zhuǎn)版和顯示屏，由于光學(xué)條紋管占地面積很小，只有500 mm2，所以各個結(jié)構(gòu)聯(lián)系得都十分緊密，分析計算較為困難，通常先建立離散空間，再根據(jù)六面體網(wǎng)格計算，分析電場分布網(wǎng)格，網(wǎng)格越緊密，得到的結(jié)果越準(zhǔn)確[4]。網(wǎng)格的密集程度對計算效率有很大的影響，太密或太疏松都會降低計算效率，因此，在建立六面體網(wǎng)格時，要逐步加大網(wǎng)格間距，同時計算陽極和陰極的電磁場，若結(jié)果基本相同，則證明得到的計算結(jié)果較為準(zhǔn)確[5]。電場分布圖如圖2所示。

圖2 電場分布圖

在得到電場分布圖之后，計算電子運動軌跡，計算過程如下：

E(mv)=r(t)+B(t)，

(1)

式中：m代表運行電子的質(zhì)量；v代表運行電子的速度；E代表電場運行軌跡；r代表電子束運行距離；t代表電子束運行時間；B代表電子束內(nèi)部磁場。

2 電子光學(xué)條紋管的物理特性研究

為了提高對電子光學(xué)條紋管物理特性研究的準(zhǔn)確率，本文從4個方面進(jìn)行分析，主要分析內(nèi)容包括電子光學(xué)條紋管的靈敏度、空間分辨率、偏轉(zhuǎn)距離、偏轉(zhuǎn)電壓、時間分辨率、畸變時間[6]。

2.1 電子光學(xué)條紋管的靈敏度和靜態(tài)空間分辨率

電子光學(xué)條紋管的靈敏度和靜態(tài)空間分辨率都是根據(jù)條紋管陽極孔大小決定的，因此，要放在一起進(jìn)行研究。條紋管具有多個陽極孔，對分辨率會產(chǎn)生一定的影響，通過記錄電壓偏轉(zhuǎn)熒光板的偏轉(zhuǎn)量，判斷空間分辨率[7]。偏轉(zhuǎn)板在承受500 V電壓時，陰極中心發(fā)射的電子為5 000個，以仰角的方式均勻分布。當(dāng)偏轉(zhuǎn)板與陽極孔的距離不同時，電子在熒光屏產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)量不同，偏轉(zhuǎn)的靈敏度也有所不同，從弧線方向和子午方向計算分辨率，計算結(jié)果見表1。

表1 分辨率計算結(jié)果

系統(tǒng)在統(tǒng)計粒子束的分布時，只能統(tǒng)計到二維平面的分布情況，所以在靜態(tài)情況下統(tǒng)計效果更好，統(tǒng)計結(jié)果在平面熒光屏顯示。由表1可知，當(dāng)偏轉(zhuǎn)板之間的距離增加時，條紋管的靈敏度會有所下降，靈敏度計算公式如下：

(2)

式中：v代表電子光學(xué)條紋管的供電電壓；u代表電子束偏離電壓；f(x，y)代表電子束的運行軌跡，c(v)代表光學(xué)條紋管的供電電容；c(u)代表電子束偏離電壓。

分析式(2)可知，漂移區(qū)長度減小導(dǎo)致靈敏度降低，陽極孔之間的距離也會隨之加大[8]。條紋管的空間靈敏度發(fā)生改變后，分辨率也會隨之改變。從陰極中心發(fā)出的電子束運動軌跡是難以確定的，由于電子發(fā)射時具備的最初能量和角度不同，所以會產(chǎn)生一定的彌散，電子束往往會先發(fā)散后聚攏。為了配合電子束的運動特點，條紋管的入口會被設(shè)定得很小，直徑距離減小，使偏轉(zhuǎn)散焦隨之減小，直徑越小，散焦程度越小，空間分辨率也會降低。

雖然陽極孔距離增大后，電子光學(xué)條紋管的分辨率會增高，但是靈敏度會降低，因此不能為了提高分辨率而一味地加大陽極孔距離，通常最佳的陽極孔距離為6 mm[9]。

2.2 電子光學(xué)條紋管的偏轉(zhuǎn)距離和偏轉(zhuǎn)電壓

電子光束在通過偏轉(zhuǎn)板后，在熒光屏上有所顯示，通過分析偏轉(zhuǎn)距離和偏轉(zhuǎn)電壓之間的關(guān)系，判斷電子光學(xué)條紋管的物理特征。偏轉(zhuǎn)距離和偏轉(zhuǎn)電壓之間的關(guān)系在正常情況下如圖3所示。

觀察圖3可知，在正常情況下，電子光學(xué)條紋管偏轉(zhuǎn)距離和偏轉(zhuǎn)電壓呈現(xiàn)線性關(guān)系，隨著偏轉(zhuǎn)距離的增加，偏轉(zhuǎn)電壓也在不斷加大，一旦不符合這種關(guān)系，電子圖像就有可能出現(xiàn)失真的現(xiàn)象。例如，當(dāng)電子光學(xué)條紋管偏轉(zhuǎn)距離增加，但偏轉(zhuǎn)電壓沒有發(fā)生改變時，則證明條紋管電壓連接裝置出現(xiàn)問題；當(dāng)電子光學(xué)條紋管偏轉(zhuǎn)距離不變，但偏轉(zhuǎn)電壓發(fā)生改變時，則證明光束沒有按照預(yù)定的軌跡前行。光學(xué)條紋管出現(xiàn)問題后，不能按照傳統(tǒng)的方式分析物理特性，要立刻采取有效的解決措施[10]。

圖3 偏轉(zhuǎn)距離和偏轉(zhuǎn)電壓之間的關(guān)系

2.3 電子光學(xué)條紋管的時間分辨率

時間分辨率是電子光學(xué)條紋管一個較難分析的物理特性，時間分辨率要根據(jù)兩束光的最小時間間隔判斷。陰極表面發(fā)射的電子脈沖序列具備一定的時間間隔，通常脈沖間隔為30～50 ps。為了提高時間分辨率的分析精度，掃描工作點通常要選擇5～10個，將掃描到的電壓記錄成線性形式。電子光束在電子光學(xué)條紋管內(nèi)部運行的時候，偏轉(zhuǎn)散焦和像差會對成像效果造成影響，因此，系統(tǒng)要提前加入電壓，使電子光束的運行軌跡能夠順利在熒光板上顯示[11]。

相鄰光束在熒光板上顯示的軌跡會有一定的重合，所以，可以通過分析最高脈沖點和最低脈沖點，判斷電子光束的運行軌跡[12]。本文研究的電子束都是從電子光學(xué)條紋管陰極中心發(fā)出來的，所以得到的時間分辨率是極限時間分辨率。電子束運行時間是動態(tài)的，分辨率也是不同的，尋找不同的掃描速度，判斷時間分辨率。

2.4 電子光學(xué)條紋管的動態(tài)空間分辨率

上文分析了電子光學(xué)條紋管的靜態(tài)空間分辨率，接下來對電子光學(xué)條紋管的動態(tài)空間分辨率進(jìn)行分析。在動態(tài)情況下，電子光學(xué)條紋管會產(chǎn)生彌散，分析其空間分辨率時要從弧面和子午兩個方向研究?；∶娣较虻目臻g分辨率只反映電子光學(xué)條紋管的空間彌散程度，而子午方向的空間分辨率不僅反映電子光學(xué)條紋管的空間彌散程度，同時也反映電子光學(xué)條紋管的時間彌散程度[13]。電子束在熒光屏上顯示時會有一定的偏轉(zhuǎn)量，偏轉(zhuǎn)量越大，電子束的空間分辨率越差，模擬結(jié)果表明，當(dāng)電子束在熒光屏上的偏轉(zhuǎn)距離增大超過10 mm后，空間分辨率會大大下降?？疾祀娮庸鈱W(xué)條紋管動態(tài)空間分辨率時，要設(shè)定對應(yīng)的考察點，記錄發(fā)射的電子束，每個考察點允許的偏轉(zhuǎn)距離最大不能超過8 mm。追蹤電子光束得到的軌跡空間分布方式如圖4所示。

圖4 電子光學(xué)條紋管內(nèi)部電子束動態(tài)空間分布方式

2.5 電子光學(xué)條紋管畸變時間和畸變程度

從陰極發(fā)射的光電子會產(chǎn)生一定的畸變，由于初始高度不同，畸變時間也有所不同，因此，在分析電子光學(xué)條紋管物理特性時，要對畸變時間進(jìn)行分析[14]。目前，電子光學(xué)的畸變時間分為正時間畸變和負(fù)時間畸變兩種，條紋管以條紋軸將電子光束分為軸內(nèi)光電子和軸外光電子，如果軸外光電子從發(fā)出到顯示在熒光屏上的時間大于軸內(nèi)光電子從發(fā)出到顯示在熒光屏上的時間，則被稱為正時間畸變；如果軸外光電子從發(fā)出到顯示在熒光屏上的時間小于軸內(nèi)光電子從發(fā)出到顯示在熒光屏上的時間，則被稱為負(fù)時間畸變。大量調(diào)查結(jié)果顯示，平面陰極使系統(tǒng)產(chǎn)生的畸變通常為正時間畸變，而曲面陰極使系統(tǒng)產(chǎn)生的畸變通常為負(fù)時間畸變，陰極彎曲程度越大，負(fù)時間畸變程度越大。

電子光學(xué)條紋管除了受陰極彎曲程度的影響外，還受電子初始高度、探測面積等因素影響，通常電子初始高度越高，探測面積越大，畸變程度越大，電子束越快產(chǎn)生畸變。距離光學(xué)軸越遠(yuǎn)的電子運行時間越長，熒光屏顯示的畸變結(jié)果越明顯，因此要將平面陰極和曲面陰極連到一起，降低畸變程度[15]。

3 實驗研究

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

為了檢測本文研究的電子光學(xué)條紋管物理特性分析方法的準(zhǔn)確性，與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比，對不同電子光學(xué)條紋管物理特性進(jìn)行了實驗分析。由于實驗次數(shù)有限，所以本文僅針對電子光學(xué)條紋管的空間分辨率這一物理特性進(jìn)行實驗探討。

3.2 實驗參數(shù)設(shè)置

設(shè)置實驗參數(shù)見表2。

表2 實驗參數(shù)

設(shè)置性能參數(shù)見表3。

表3 性能參數(shù)

3.3 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)表2～3的參數(shù)進(jìn)行實驗，選用傳統(tǒng)的分析方法和本文的分析方法對電子光學(xué)條紋管的空間分辨率進(jìn)行分析，得到的實驗圖結(jié)果如圖5所示。

圖5 準(zhǔn)確性對比結(jié)果

觀察上述對比結(jié)果圖，可以發(fā)現(xiàn)本文研究的分析方法在分析電子光學(xué)條紋管的空間分辨率時與實際的電子光學(xué)條紋管的空間分辨率一直較為吻合。在分析時間為1 min時，傳統(tǒng)分析方法分析的空間分辨率為47 lp/mm，本文的分析方法分析的空間分辨率為28 lp/mm，實際的空間分辨率為29 lp/mm；在分析時間為3 min時，傳統(tǒng)的分析方法分析的空間分辨率為32 lp/mm，本文的分析方法分析的空間分辨率為14 lp/mm，實際的空間分辨率為15 lp/mm；在分析時間為5 min時，傳統(tǒng)的分析方法分析的空間分辨率為33 lp/mm，本文的分析方法分析的空間分辨率為8 lp/mm，實際的空間分辨率為8 lp/mm。

3.4 實驗結(jié)論

根據(jù)上述實驗結(jié)果與分析，得到如下實驗結(jié)論：本文的分析方法通過正交實驗法分析電子光學(xué)條紋管的物理特性，大大提高了分析效率，工作人員不需要盲目實驗就可以分析出電子光學(xué)條紋管的每種物理特性。

電子光學(xué)條紋管占地面積較小，結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間聯(lián)系緊密，分析其物理特性比較困難，傳統(tǒng)的分析方法掃描檔位很低，實驗過于盲目，分析結(jié)果準(zhǔn)確性難以保障。本文研究的分析方法在性能參數(shù)上進(jìn)行了優(yōu)化，在分析球面光電陰極和熒光屏?xí)r，探測距離都有所加大，同時也提高了電壓的放大倍率。在分析偏離電壓時，本文選用了狹縫分析法，而不是電極分析法，使分析結(jié)果可靠性大大加強。在分析空間分辨率時，本文設(shè)定了12個檔位，每個檔位都與無限衛(wèi)星有著密切的聯(lián)系，可以快速準(zhǔn)確地確定電子光學(xué)條紋管的空間分辨率。

綜上所述，本文提出的物理特性分析法在分析效果和耗時上都要好于傳統(tǒng)的分析方法，更加值得推廣使用。

4 結(jié)語

電子光學(xué)條紋管是條紋相機的重要組成部分，對其物理特性進(jìn)行分析對于發(fā)展條紋相機有著關(guān)鍵性的意義，傳統(tǒng)的分析方式過于單一化，需要多次實驗才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果，操作起來較為盲目。本文引入了多個操作點分析電子光學(xué)條紋管的物理特性，該分析方法耗時短，效果明顯，只需要幾次實驗就能精準(zhǔn)地分析出電子光學(xué)條紋管的空間分辨率、時間分辨率和偏轉(zhuǎn)電壓，具有很大的發(fā)展前景。