雷云飛，劉進(jìn)元，蔡厚智，王 東，黃峻堃，王 勇，鄧珀昆

深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，廣東深圳 518060

慣性約束聚變(inertial confinement fusion, ICF)內(nèi)爆燃燒后階段的持續(xù)時(shí)間約為100 ps，在此期間等離子體發(fā)射的X射線被高速診斷設(shè)備所探測(cè)，可提供關(guān)于內(nèi)爆過(guò)程的對(duì)稱(chēng)性、瞬態(tài)特征和停滯時(shí)間等重要實(shí)驗(yàn)信息．應(yīng)用于ICF實(shí)驗(yàn)的行波選通型X射線分幅相機(jī)不僅具備應(yīng)對(duì)瞬態(tài)過(guò)程的高時(shí)間分辨率，同時(shí)還能獲取內(nèi)爆壓縮過(guò)程的二維空間圖像，用于實(shí)驗(yàn)研究臨界面運(yùn)動(dòng)規(guī)律、界面不穩(wěn)定性及輻射場(chǎng)均勻性等[1-5]．

在行波選通型X射線分幅相機(jī)中，信號(hào)選通是通過(guò)沿著微通道板(microchannel plate, MCP)微帶陰極傳輸?shù)倪x通快門(mén)電脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，選通脈沖對(duì)信號(hào)產(chǎn)生增益，增益后的信號(hào)被探測(cè)設(shè)備記錄．然而，電子通過(guò)MCP時(shí)的渡越時(shí)間和渡越時(shí)間彌散限制了行波選通型分幅相機(jī)的時(shí)間分辨率，該類(lèi)型分幅相機(jī)的曝光時(shí)間約為100 ps[6-7]，為了更好探測(cè)ICF點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)中的瞬態(tài)特征，需要曝光時(shí)間小于30 ps的超快診斷設(shè)備[8-9]．提高探測(cè)信號(hào)時(shí)間分辨能力主要有2種途徑：① 提高探測(cè)設(shè)備自身的時(shí)間分辨能力；② 在探測(cè)器自身時(shí)間分辨能力無(wú)法提高的情況下，使被測(cè)信號(hào)在時(shí)間上進(jìn)行展寬并測(cè)量，再對(duì)測(cè)量出的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間壓縮與脈沖重建．途徑 ② 將脈沖展寬技術(shù)引入行波選通型X射線分幅相機(jī)中，即將隨時(shí)間變化的展寬電脈沖加載于光電陰極，從而在陰柵之間引入與時(shí)間相關(guān)的光電子加速電位，變化的電場(chǎng)賦予光電子束軸向速度色散．由于光電子束前后速度的差距，其經(jīng)過(guò)漂移區(qū)到達(dá)MCP輸入面時(shí)被拉伸，實(shí)現(xiàn)電子束的時(shí)間放大，從而提高分幅相機(jī)時(shí)間分辨率，因此，脈沖展寬分幅相機(jī)是一種將電子脈沖展寬技術(shù)與傳統(tǒng)行波選通分幅技術(shù)相結(jié)合的分幅相機(jī)．目前，美國(guó)利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)研發(fā)的脈沖展寬分幅相機(jī)，采用長(zhǎng)磁透鏡進(jìn)行成像，成像比例分別為3∶1和1∶1，空間分辨率分別為3 lp/mm 和20 lp/mm，時(shí)間分辨率分別為6 ps和30 ps[10-11]；中國(guó)深圳大學(xué)超快診斷課題組研制的電子束脈沖展寬皮秒分幅相機(jī)，采用短磁透鏡進(jìn)行成像[12]，成像比例為2∶1和1∶1[13-14]，空間分辨率分別為5 lp/mm和10 lp/mm[15-16]，時(shí)間分辨率分別為4 ps和11 ps[17-18]．

本研究研制一種X射線脈沖展寬分幅相機(jī)，利用激光轟擊靶材產(chǎn)生的超短X射線均勻照射相機(jī)微帶陰極，并對(duì)電子信號(hào)圖像進(jìn)行擬合分析，測(cè)得時(shí)間分辨率約為20 ps．通過(guò)分析電子信號(hào)圖像強(qiáng)度，得到在微帶陰極長(zhǎng)度小于20 mm范圍內(nèi)，相機(jī)的增益均勻性?xún)?yōu)于20%．采用直流紫外燈對(duì)相機(jī)的靜態(tài)空間分辨率進(jìn)行測(cè)試，在成像面直徑小于56 mm范圍內(nèi)，空間分辨率測(cè)量值達(dá)到10 lp/mm．

1 脈沖展寬分幅相機(jī)工作原理

電子束脈沖展寬技術(shù)首先由PROSSER[19]提出，通過(guò)賦予電子束團(tuán)額外的速度差異來(lái)增加電子探測(cè)器的帶寬．在電子束展寬技術(shù)中，陰柵之間的斜坡電脈沖引起光電陰極上所產(chǎn)生電子束團(tuán)的速度變化，產(chǎn)生時(shí)間較早的光電子較產(chǎn)生時(shí)間較晚的光電子具有更高的軸向速度，在通過(guò)漂移區(qū)后，電子束將在時(shí)間上展寬．隨后，在行波選通型X射線分幅相機(jī)上形成展寬后的電子圖像[20-21]．

脈沖展寬分幅相機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1，由光電陰極、陽(yáng)極柵網(wǎng)、分布式磁透鏡組、漂移區(qū)、MCP、熒光屏、電控系統(tǒng)及電荷耦合器件(charge coupled device, CCD)組成．相機(jī)工作時(shí)，首先在光電陰極、MCP和熒光屏上加直流電壓，調(diào)節(jié)磁透鏡電流使相機(jī)的成像比例為1∶1；隨后在陰極和MCP上分別加載斜坡展寬電脈沖與選通電脈沖，調(diào)節(jié)延遲時(shí)間使入射光脈沖與展寬脈沖在時(shí)間上同步，同時(shí)使到達(dá)MCP的電子圖像與選通脈沖在時(shí)間上同步；最后將獲得的圖像信號(hào)通過(guò)CCD記錄，并傳至電腦．

圖1 分幅相機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Draft of the framing camera

變像管的光電陰極由3條金微帶組成，每條金陰極的寬度為12 mm，相鄰兩個(gè)微帶之間的間隙為9 mm．金條帶的厚度為80 nm，蒸鍍?cè)诤穸葹?0 μm碳?xì)浔∧ど?，碳?xì)浔∧A片直徑約為90 mm．柵極為20 lp/mm的鎳制柵網(wǎng)，陰極和柵網(wǎng)之間的距離為1 mm．磁透鏡組由4個(gè)短磁透鏡組成，磁透鏡線圈2 320匝，外包鐵殼，內(nèi)徑160 mm，外徑256 mm，寬度約49 mm，按彼此間隔59.5 mm安裝于長(zhǎng)度為550 cm的漂移管上．磁透鏡鐵殼內(nèi)徑部分開(kāi)有4 mm狹縫，磁場(chǎng)通過(guò)狹縫泄漏至漂移區(qū)，將陰極電子圖像按1∶1成像于MCP輸入面上．MCP的厚度為0.5 mm，直徑為90 mm，微通道直徑為12 μm．MCP輸入面有3條金屬微帶陽(yáng)極，每條微帶的寬度為15 mm．兩條相鄰微帶之間的間隙為6.6 mm, MCP 輸出面鍍金．熒光屏距離MCP 輸出面0.5 mm，電子圖像轟擊熒光屏轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光圖像，熒光屏通過(guò)光錐與CCD耦合．

電控系統(tǒng)提供直流電壓與超快高壓電脈沖．變像管有2種工作模式，其中，動(dòng)態(tài)模式為通常工作模式，此時(shí)陰極、MCP輸入面及熒光屏的直流電壓分別為-3 kV、-483 V及3.4 kV，管殼，柵網(wǎng)與MCP輸出面接地，陰極條帶上加載2.7 V/ps的斜坡電脈沖，MCP條帶上加載半高寬度(full width at half maximum, FHWM)290 ps的選通電脈沖．靜態(tài)模式主要用于靜態(tài)空間分辨率測(cè)試與成像系統(tǒng)像差校正，該模式下MCP輸入面電壓為-700 V，其余電壓偏置與動(dòng)態(tài)模式相同，陰極與MCP不加載高壓脈沖．

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 激光等離子體相互作用實(shí)驗(yàn)

利用Amplitude激光器在靶室進(jìn)行打靶，激光器的脈沖持續(xù)時(shí)間約為100～150 fs，波長(zhǎng)為780 nm，單脈沖能量約50 mJ．激光轟擊金靶材產(chǎn)生的X射線以點(diǎn)光源的形式均勻照射在變像管陰極上，陰極發(fā)射的光電子被斜坡電脈沖進(jìn)行速度調(diào)制后進(jìn)入漂移區(qū)，經(jīng)磁透鏡成像于MCP接收面，由選通電脈沖進(jìn)行曝光，以此來(lái)標(biāo)定相機(jī)的時(shí)間分辨率和增益均勻性．相機(jī)安裝于靶室觀測(cè)口上，光電陰極距離靶點(diǎn)約1.2 m，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2．打靶過(guò)程中，將陰極微帶上下兩條加載-3 kV的直流電壓偏置，中央條帶空置，MCP直流電壓設(shè)置為-700 V，獲得的靜態(tài)圖像如圖3．中央亮條帶為直穿信號(hào)光穿透陰極后形成的背景噪聲，強(qiáng)度計(jì)數(shù)約為234；兩側(cè)實(shí)線標(biāo)示部分的圖像為電子信號(hào)和背景噪聲的疊加，強(qiáng)度計(jì)數(shù)約為283，信噪比約為1∶5．因此，在靜態(tài)模式下，電子信號(hào)被背景噪聲所淹沒(méi)．

圖2 分幅相機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 (Color online) Photograph of the framing tube

圖3 激光打靶靜態(tài)圖像Fig.3 (Color online) Static image of laser target shooting

圖4 脈沖展寬選通成像結(jié)果Fig.4 Results of gating image with pulse-dilation

當(dāng)上下兩條陰極微帶工作于動(dòng)態(tài)模式時(shí)，加載-3 kV直流偏置電壓與斜率為2.7 V/ps的斜坡電脈沖，中央條帶空置，其驅(qū)動(dòng)電脈沖用于同步監(jiān)測(cè)，MCP直流電壓調(diào)節(jié)為-483 V，并加載半高寬為290 ps的選通電脈沖，得到的單一發(fā)次動(dòng)態(tài)圖像如圖4(a)．選通脈沖在MCP微帶上按照箭頭方向傳輸，傳輸速度約為1.87×108m/s，信號(hào)1與信號(hào)2分別為上下兩條微帶上傳輸?shù)倪x通脈沖所增益記錄的電子信號(hào)，根據(jù)脈沖傳輸速度將圖像的長(zhǎng)度轉(zhuǎn)換為時(shí)間，并計(jì)算其半高寬度即可得到相機(jī)的時(shí)間分辨率．圖4(b)為信號(hào)1的強(qiáng)度分布曲線．信號(hào)1的峰值強(qiáng)度約為250，噪聲本底約為25，信噪比約為9∶1，噪聲信號(hào)受到較好抑制．直穿光與電子信號(hào)到達(dá)MCP接收面的時(shí)間不同，直穿光通過(guò)漂移管的時(shí)間約為1.83 ns，而電子信號(hào)通過(guò)漂移管的時(shí)間約為16 ns，與MCP輸入面的選通電脈沖同步并獲得增益．圖4(b)中實(shí)線為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高斯擬合曲線，半高寬度為20 ps，對(duì)應(yīng)橫向距離約為3.8 mm，因此，相機(jī)的時(shí)間分辨率為20 ps．

由圖4(a)可見(jiàn)，選通電脈沖沿箭頭方向在微帶上傳播，隨著傳播距離增加，選通脈沖幅度會(huì)發(fā)生一定衰減，導(dǎo)致系統(tǒng)的增益均勻性發(fā)生變化．由圖4(c)可見(jiàn)，信號(hào)2的時(shí)間位置相對(duì)信號(hào)1前進(jìn)了約100 ps，對(duì)應(yīng)傳播距離為1.87×108×100×10-12≈ 0.02 m,即相對(duì)于信號(hào)1增加了約20 mm，峰值強(qiáng)度下降為200，即增益下降了約20%，因此，在忽略上下兩條微帶輸入的選通電脈沖波形差異的條件下，在陰極微帶長(zhǎng)度小于20 mm范圍內(nèi)，相機(jī)的增益均勻性?xún)?yōu)于20%．信號(hào)2擬合曲線的半高寬度比信號(hào)1增加了約3.6 ps．

2.2 空間分辨率測(cè)試

分幅相機(jī)的空間性能測(cè)試使用均勻照明直流紫外光源進(jìn)行．由于存在像差，相機(jī)的空間分辨率會(huì)隨離軸距離增加而變化，因此，需要同時(shí)測(cè)試相機(jī)的空間分辨率和有效工作面積．圖5為分劃板陰極實(shí)驗(yàn)照片，分劃板被直接制作在相機(jī)陰極上，可在1次曝光實(shí)驗(yàn)中獲得整個(gè)工作面上不同離軸距離的空間分辨率信息．此外，該方法能夠避免測(cè)試過(guò)程中受到光學(xué)成像誤差的影響，陰極受到紫外光源激發(fā)后，分劃板的電子圖像直接經(jīng)過(guò)磁透鏡以1∶1成像于MCP接收面．

圖5 分劃板陰極Fig.5 Mask on the cathode

相機(jī)工作于靜態(tài)模式時(shí)，得到的成像結(jié)果見(jiàn)圖6(a)．像面內(nèi)共有11組分劃板，將其中10 lp/mm分劃板放大以后的圖像見(jiàn)圖6(b)．其中，離軸4.5 mm與28.5 mm處的分劃板清晰度較差，離軸20 mm附近分劃板清晰度較高．

圖6 分劃板陰極成像結(jié)果Fig.6 Image of the mask

對(duì)10 lp/mm分劃板進(jìn)行調(diào)制度分析，調(diào)制度隨離軸距離的變化曲線如圖7．可見(jiàn)，調(diào)制度較低的分劃板分別位于離軸28.5 mm和4.5 mm處，調(diào)制度分別為7.8%和8.2%；調(diào)制度較高的分劃板位于離軸20 mm處，調(diào)制度達(dá)到19%；在離軸距離小于28.5 m的范圍內(nèi)，所有10 lp/mm線對(duì)分劃板的調(diào)制度均超過(guò)5%．因此，在成像面直徑小于56 mm的工作面積上，相機(jī)的靜態(tài)空間分辨率為10 lp/mm．

圖7 10 lp/mm分劃板調(diào)制度隨離軸距離變化Fig.7 Modulation of the 10 lp/mm image versus off-axis distance

結(jié) 語(yǔ)

本研究研制一種基于電子束脈沖展寬技術(shù)的X射線分幅相機(jī)，并對(duì)其時(shí)間分辨率和空間分辨率進(jìn)行標(biāo)定．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用激光打靶產(chǎn)生的短X射線均勻照射在分幅相機(jī)陰極，陰極電子圖像通過(guò)磁透鏡成像于MCP接收面，對(duì)單一發(fā)次動(dòng)態(tài)圖像進(jìn)行高斯擬合并計(jì)算半高寬度，測(cè)得相機(jī)的時(shí)間分辨率為20 ps．通過(guò)對(duì)圖像強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，得到相機(jī)的增益均勻性在微帶陰極長(zhǎng)度小于20 mm范圍內(nèi)優(yōu)于20%．采用直流紫外光源對(duì)相機(jī)分劃板陰極進(jìn)行照射，并對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行調(diào)制度分析，以此對(duì)相機(jī)的靜態(tài)空間分辨率進(jìn)行標(biāo)定，在相機(jī)成像面直徑小于56 mm的范圍內(nèi)，靜態(tài)空間分辨率可以達(dá)到10 lp/mm．