鄧祁軍

摘要：X射線分幅相機(jī)是一套能夠全面給出X射線輻射的空間信息及其隨時(shí)間的變化過程的系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于輻射非平衡特性研究和ICF（慣性約束聚變）實(shí)驗(yàn)內(nèi)爆動力學(xué)。該文主要實(shí)現(xiàn)X射線分幅相機(jī)的電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及基于此控制系統(tǒng)測得X攝像分幅相機(jī)的動態(tài)空間分辨率及曝光時(shí)間[1]。電路控制系統(tǒng)是整個(gè)X射線分幅相機(jī)的指揮控制中心，它主要由延時(shí)模塊、傳感器模塊、高壓電源開關(guān)模塊構(gòu)成。此控制電路系統(tǒng)基于ARM7體系結(jié)構(gòu)的LPC2364微處理器來實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：X射線分幅相機(jī);空間分辨率;曝光時(shí)間;LPC2364

中圖分類號：TP39? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）02-0224-03

社會的發(fā)展伴隨著資源和能源的日益耗竭，迫使人們開發(fā)新的能源。核能源中的慣性約束聚變技術(shù)在此時(shí)也應(yīng)運(yùn)而生。為了進(jìn)行慣性約束聚變研究，對其反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的現(xiàn)象、數(shù)據(jù)進(jìn)行安全監(jiān)控及記錄分析極其重要。必須要求具備高時(shí)空分辨率的儀器，才能滿足超快診斷技術(shù)要求。而X射線分幅相機(jī)是研究皮秒級時(shí)間范圍內(nèi)瞬態(tài)變化圖像的主要工具。完全滿足對慣性約束聚變反應(yīng)的診斷和記錄。

1 X射線分幅相機(jī)成像系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

X射線分幅相機(jī)系統(tǒng)[2]主要由針孔陣列、分幅變像管、CCD相機(jī)及其數(shù)據(jù)采集卡，真空排氣系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)五部分構(gòu)成。其中分幅變像管由光電陰極、MCP微通道板（光電子學(xué)系統(tǒng)）和制作在光纖面板上的熒光屏組成;控制系統(tǒng)由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)、上位機(jī)控制系統(tǒng)以及下位機(jī)控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成。X射線分幅相機(jī)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 X射線分幅相機(jī)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由以LPC2364為主控的下位機(jī)控制系統(tǒng)硬件模塊、下位機(jī)控制系統(tǒng)軟件模塊及以PCM5101計(jì)算機(jī)硬件平臺的上位機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成。

2.1 下位機(jī)控制系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

下位機(jī)控制系統(tǒng)硬件分別由最小系統(tǒng)模塊、串口通信模塊、本地鍵盤模塊、環(huán)境監(jiān)測模、高壓電源模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、液晶顯示模塊所構(gòu)成。

2.1.1 最小系統(tǒng)模塊

基于LPC2364處理器[3]的最小系統(tǒng)模塊包括電源模塊、晶振模塊、系統(tǒng)復(fù)位模塊、掉電保存模塊和JTAG模塊。

2.1.2 串口通訊模塊

因本相機(jī)控制系統(tǒng)的串口通信模塊基于上位機(jī)PCM-5101工控計(jì)算機(jī)，其串口是標(biāo)準(zhǔn)RS232電平，而下位機(jī)LPC2364是3.3V的TTL電平，上位機(jī)與下位機(jī)相連時(shí)必須先進(jìn)行電平信號的轉(zhuǎn)換。本文采用SP3232芯片完成電平信號的轉(zhuǎn)換工作，其原理圖如圖2所示，其中RXD0和TXD0為LPC2364內(nèi)UART0部件的接口，J3為連接到PCM-5101上位機(jī)的UART接口。

2.1. 3本地鍵盤模塊

本相機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)鍵盤中斷，本地鍵盤模塊采用74HC08芯片中三個(gè)二與門產(chǎn)生中斷信號，3×4矩陣結(jié)構(gòu)的單獨(dú)一塊PCB板，通過10線接口與LPC2364處理芯片所在的PCB板相連。

2.1. 4環(huán)境監(jiān)測器模塊

為了監(jiān)測X射線分幅相機(jī)的氣室環(huán)境，本文采用HSP03S傳感器進(jìn)行氣壓監(jiān)測，采用SHT11傳感器進(jìn)行濕度值和溫度值的監(jiān)測。其原理圖如圖3所示。

2.1. 5高壓電源模塊

高壓電源控制模塊包含對MCP微通道板的電源，GPV門控電壓進(jìn)行控制，熒光屏直流電壓和交流電壓的選通信號和開關(guān)信號。

2.1. 6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動及液晶顯示模塊

本相機(jī)系統(tǒng)采用二相混合式步進(jìn)電機(jī)[4]以及雷賽公司生產(chǎn)的來驅(qū)動電機(jī)模塊， LPC2364處理器的輸出電平可直接控制DM432C步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，經(jīng)MOTO接口連接到電機(jī)驅(qū)動器上。對于液晶顯示模塊，由于LPC2364處理器的輸出電平可直接驅(qū)動1601LCD。其控制信號無須增加中鍵級，直接連接即可。

2.2下位機(jī)控制軟件的執(zhí)行流程

本相機(jī)控制系統(tǒng)的基本流程為：ARM（bootloader）啟動，系統(tǒng)初始化，環(huán)境循環(huán)監(jiān)測并等待中斷響應(yīng)。其程序運(yùn)行流程如圖4所示：

2.3 上位機(jī)控制軟件

在上位機(jī)PCM-5101計(jì)算機(jī)上，利用Microsoft Visual C++6.0集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)的基于MFC對話框的串口通信軟件CAMERA，其界面如圖5所示。

當(dāng)界面軟件運(yùn)行時(shí)，程序的流程如圖6所示。

3 X射線分幅相機(jī)測試結(jié)果

3.1 動態(tài)空間分辨率

測量動態(tài)空間分辨的原理圖如圖7所示，圖中的激光器能發(fā)出波長為532nm的綠光和266nm的紫外光。此兩路光同時(shí)從激光器出發(fā)要同時(shí)在MCP會合，具體路線綠光為：通過光電轉(zhuǎn)換器件產(chǎn)生電脈沖信號，此脈沖信號通過納米延時(shí)電路后，經(jīng)高壓電路產(chǎn)生高壓脈沖信號對MCP產(chǎn)生的信號進(jìn)行選通。紫外光為：通過平行光管后，在光電陰極上產(chǎn)生分劃板電子圖像，最后到達(dá)MCP而露光所觸發(fā)的高壓脈沖會合，最后在熒光屏上形成了可見光圖像。通過CCD相機(jī)獲取圖并分析像，即得到變像管的動態(tài)空間分辨率。

由上圖8可看出動態(tài)空間分辨率可以分辨至第13組左右。由于實(shí)驗(yàn)采用的是2.5倍的平行光管，查表知分辨率大于20lp/mm，能滿足本X射線分幅相機(jī)的指標(biāo)和要求。

3.2 X射線分幅相機(jī)的曝光時(shí)間

X射線分幅相機(jī)的曝光時(shí)間定義為 MCP增益與時(shí)間關(guān)系曲線的半高寬度，因此，相機(jī)曝光時(shí)間與MCP選通電脈沖信號寬度相關(guān)。它是電路控制部分設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的地方，也是最重要技術(shù)指標(biāo)之一。

測量曝光時(shí)間的步驟和裝置與測試動態(tài)空間分辨率是類似的，只需把平行光管前的分化板換成一種特制光纖束，此光纖束是由一組光纖長度按一個(gè)等差數(shù)組遞增排列組成的，公差為2.0mm，最短的光纖長為300.0mm。共有30根光纖，由于紫外光在石英光纖中傳播速度近似為2×108 m/s，即可認(rèn)為相鄰兩個(gè)光纖的時(shí)間差為20ps。利用光在不同長度的光纖中傳播的時(shí)間不同，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和MCP進(jìn)行倍增后，通過CCD相機(jī)系統(tǒng)得到其圖像，根據(jù)相機(jī)有效曝光時(shí)間內(nèi)所收集到的光點(diǎn)數(shù)計(jì)算得到曝光時(shí)間。

圖9為利用光纖束在曝光時(shí)間內(nèi)所成的圖像，當(dāng)X射線分幅相機(jī)工作在曝光時(shí)間下，用激光照射所獲得的光纖束的圖像。

根據(jù)上圖9中不同光電的強(qiáng)度畫出其時(shí)間-強(qiáng)度離散圖，對其進(jìn)行積分處理，可得到強(qiáng)度分布曲線圖。由于光纖束各端口的耦合效率不同，可能引起各個(gè)亮點(diǎn)的強(qiáng)度不同，在處理時(shí)，根據(jù)靜態(tài)圖像進(jìn)行歸一化處理，處理結(jié)果如圖10所示，得出曝光時(shí)間為71ps。可見，滿足技術(shù)指標(biāo)對曝光時(shí)間為70ps，時(shí)間抖動小于5%的要求。

4 結(jié)束語

本文介紹了基于ARM7體系結(jié)構(gòu)的LPC2364微處理器來實(shí)現(xiàn)X分幅相機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并搭建X射線分幅相機(jī)系統(tǒng)測試平臺，通過本地控制來測量X射線分幅相機(jī)的動態(tài)空間分辨率及曝光時(shí)間并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。驗(yàn)證了該文設(shè)計(jì)的電路控制系統(tǒng)的性能要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉宏波.大動態(tài)范圍掃描變像管的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 西安：中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，2004.

[2] 歐均富. X光分幅相機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和變像管設(shè)計(jì)[D]. 深圳： 深圳大學(xué)， 2007.

[3] 周立功，張華.深入淺出ARM 7——LPC 213x/214x-上冊[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[4] 吳海濤，郭猛.步進(jìn)電機(jī)及其單片機(jī)控制[J].福建電腦，2007，23（2）：183-184.

【通聯(lián)編輯：王力】