李昀 蘇桐 盛立志 張蕊利 劉舵 劉永安 強鵬飛 楊向輝 許澤方

1) (中國科學院西安光學精密機械研究所,瞬態(tài)光學與光子技術國家重點實驗室,西安 710119)

2) (中國科學院大學光電學院,北京 100049)

3) (邯鄲學院數理學院,邯鄲 056005)

面向基礎科學與空間應用研究領域對小型化超快脈沖X 射線發(fā)射源的需求,設計并研制了基于激光調制光源與光電陰極X 射線管的超快脈沖X 射線發(fā)生器,解決了傳統(tǒng)X 射線調制發(fā)射裝置重復頻率低、時間穩(wěn)定性差、脈沖特性差等應用難題.本文主要開展了脈沖X 射線發(fā)生器的超快調制控制模塊研究,并利用基于預調制的激光控制光源實現(xiàn)了高時間精度、高時間穩(wěn)定度的超快時變光子信號以及納秒脈沖X 射線產生.理論方面,建立了脈沖X 射線發(fā)生器時間響應模型,分析了出射脈沖X 射線的時域時間特性.實驗方面,搭建了基于超快閃爍體探測器的脈沖X 射線時間特性實驗測試系統(tǒng),測試了激光控制光源及脈沖X 射線發(fā)射源的時間特性參數.實驗結果表明脈沖X 射線發(fā)生器可同時實現(xiàn)高重頻(12.5 MHz)、超快脈沖(4 ns)、高時間穩(wěn)定度(400 ps)特性,且與所建立的理論模型高度符合.相比于傳統(tǒng)X 射線調制方案,脈沖時間參數指標得到了大幅提升、應用場景獲得了極大拓展,本項研究有望為實現(xiàn)超高時間穩(wěn)定性、超快脈沖X 射線發(fā)射源提供新思路.

1 引言

超快光子是面向極端尺度與極端時間的新型研究領域,其中脈沖X 射線調制發(fā)射源在材料科學、瞬時成像[1]和X 射線通信等領域具有廣泛應用.例如,閃爍體材料的時間特性標定需要發(fā)射源產生脈沖寬度小于材料熒光衰減時間的脈沖X 射線;高速運動物體的瞬時成像需要曝光時間短、束流強度大的X 射線;脈沖星導航的地面驗證實驗中需要高時間穩(wěn)定度的任意波形X 射線發(fā)生裝置[2].這些應用場合都對調制X 射線源的脈沖特性,時間特性,以及頻率特性提出了迫切需求.

傳統(tǒng)的脈沖X 射線發(fā)生裝置可分為外調制,內調制和閃光式三種.其中,外調制利用高速旋轉的斬波器產生特定時域輪廓的X 射線,但斬波后X 射線邊緣模糊,時間穩(wěn)定性極差(ms 量級)[3].以柵控X 射線發(fā)射源為代表的內調制方式,通過在陽極和陰極之間增加柵極控制電子的加速過程實現(xiàn)對X 射線的強度調制,但柵控電壓的建立時間限制了脈沖寬度[4,5].閃光式X 射線發(fā)射源基于短時間產生高強度脈沖電子束的方式,可以實現(xiàn)亞納秒脈沖寬度的X 射線,但其重復頻率低、輸出脈沖寬度變化大(變化范圍在幾納秒內)、時間精度差[6],應用場景受限.因此,傳統(tǒng)的X 射線調制發(fā)射源因為調制方式的固有缺陷[7–9],難以產生同時具備超快脈沖、高精度時間特性的脈沖X 射線,這也極大限制了X 射線脈沖發(fā)射源的應用及相關領域的進展[10].

本文提出了基于激光控制光源與光電陰極X 射線管的脈沖調制方案,設計并研制了小型化脈沖X 射線發(fā)生器,搭建了基于超快閃爍體探測器的脈沖X 射線時間特性實驗測試系統(tǒng).測試結果顯示,該脈沖X 射線發(fā)生器具備12.5 MHz 的高重頻、4 ns 的超快脈沖和400 ps 的高時間穩(wěn)定度的優(yōu)越時間特性.

2 方案設計與理論模型

2.1 脈沖X 射線發(fā)生器原理

圖1 給出了脈沖X 射線發(fā)生器的工作原理,該發(fā)生器主要由兩部分組成: 激光控制光源和光電陰極X 射線管.其中,激光控制光源的主要功能是提供高時間精度的時變光子信號,以激發(fā)光電陰極并啟動X 射線的發(fā)生.光電陰極X 射線管是一種由S20 光電陰極、金屬陽極、電子光學元件組成,高度精密的真空X 射線發(fā)生裝置[11,12].其核心在于采用蒸鍍技術,在光電陰極X 射線管的光學元件上沉積了Na,Sb,K,Cs 四種金屬制備而成的S20光電陰極.這種多堿陰極能夠將一定波長范圍的時變光子信號轉化為時變電子脈沖.時變電子脈沖通過陽極高壓和電子光學元件的共同作用,高度聚焦和加速,最終實現(xiàn)了電子束與金屬陽極的精確碰撞,從而產生時變脈沖X 射線.

圖1 脈沖X 射線發(fā)生器的原理圖Fig.1.Schematic diagram of pulsed X-ray generator.

2.2 激光控制光源設計

傳統(tǒng)的激光調制電路通常采用直接調制的方法,但這種方法在高速通信或高精度應用中會導致調制信號的高頻失真以及信號畸變.本文設計了基于預調制的激光控制光源,通過復雜的電控系統(tǒng)來為激光二極管提供穩(wěn)定的脈沖電流輸出,從而實現(xiàn)高帶寬和低失真的時變光子信號輸出.圖2 為激光控制光源模塊的設計圖,通過仿真電路的拓撲結構,合理布局來保證激光的調制精度.六路并聯(lián)的調制放大電路為激光二極管提供了其額定輸出功率.同時,考慮到X 射線發(fā)生器的輸運匹配關系,選擇了波長為468—478 nm 的激光光源來匹配S20光電陰極,使得S20 光電陰極的量子效率能夠達到10%—15%,表1 為激光控制光源的特性參數表.

表1 激光控制光源的特性參數Table 1.Characteristics of laser controlled light source.

圖2 激光控制光源的設計圖Fig.2.Design diagram of laser controlled light source.

2.3 脈沖X 射線發(fā)生器時間特性

圖3 給出了脈沖X 射線發(fā)生器的時域分析結果[13,14],可知脈沖X 射線發(fā)生器的時間特性由激光控制光源的電路延時、激光脈沖寬度、光電陰極X 射線管的延時等因素綜合決定.其中,激光控制光源的電路延時主要產生于脈沖的上升沿和下降沿[15,16],激光脈沖信號的非線性問題源于激光二極管的閾值電流特性.光電陰極X 射線管光子到電子再到X 射線的過程中存在的延時txd.txd可以用光子擊中光電陰極表面引發(fā)光電子發(fā)射的時間延遲以及光電陰極X 射線管中電子的渡越時間來表示:

圖3 脈沖X 射線發(fā)生器對短脈沖的時間響應曲線Fig.3.Time response curve of pulsed X-ray generator to short pulse.

這里,V(z) 為電子軸向的電位,η為電子的荷質比,電子初始能量Ez0=eεz0,εz0表示電子的初始電位,(1)式描述了光電陰極X 射線管的延時,通過仿真計算可得光電陰極X 射線管引發(fā)的延時在6.916—4.271 ns 之間.

2.3.1 最高重復頻率

從時域上分析,脈沖X 射線發(fā)生器的最短周期主要受激光控制光源的限制,可以表示為

其中td是激光控制光源的電路延時;τld是激光二極管的最短脈沖寬度.使用開關電路等效模型對激光控制光源的開關延時進行分析,可以得到:

這里,tCL是電流在電路中的振蕩和反應的時間,ton是調制放大電路從關閉到打開的時間.toff是調制放大電路從導通到關閉的時間,L,C,R是驅動電路的等效電感、等效電容、等效電阻,C1是與激光二極管并聯(lián)的電容,Vd為激光二極管供電電壓,V0為驅動電路初始電壓.為求激光二極管最短脈沖寬度,將激光二極管轉化為等效電路,可得:

其中τld是激光二極管最短脈沖寬度;Lld,Cld,Rld是激光二極管的等效電感、等效電容、等效電阻;Vd是供電電壓.由脈沖X 射線發(fā)生器的最短周期可以得到最高重復頻率為

脈沖X 射線發(fā)生器的最大調制頻率由激光控制光源的電路延時以及激光二極管最短脈沖寬度共同決定.由(5)式可以估算出激光控制光源的最大調制頻率約為88.47 MHz,該值代表了理論上系統(tǒng)可以達到的最高調制頻率.

2.3.2 時間彌散

圖4 為脈沖X 射線發(fā)生器的時間彌散曲線,脈沖X 射線發(fā)生器的時間彌散來源于激光控制光源與光電陰極X 射線管的共同作用[17–19].激光控制光源采用六路并聯(lián)的調制放大電路,由于電路板中的元器件參數、布局和線路長度等因素的不確定性,導致六路電信號到達激光二極管的時間存在差異,引起出射的激光脈沖的時間彌散現(xiàn)象,光電陰極X 射線管的時間彌散效應包括多個方面的影響因素[20].首先,電子在光電陰極上釋放的位置不同,初速度也有所不同.其次,在電子傳輸過程中,這些電子在束流中會經歷不同的運動軌跡和聚焦效應.這一系列因素會導致電子到達靶材的時間存在差異,進而對出射的X 射線的時間彌散產生影響.

圖4 脈沖X 射線發(fā)生器的時間彌散曲線Fig.4.Time dispersion curve of pulsed X-ray generator.

由電路引起的時間彌散是典型的隨機過程,利用高斯分布來建模描述激光控制光源的時間彌散:

這里,g1(t) 表示電路響應的幅度,μ1表示激光控制光源時間彌散的均值,σ1表示激光控制光源時間彌散的標準差.可使用基于高斯分布的展寬公式來計算這種高斯分布的標準差:

式中,tl是激光控制光源時間彌散高斯分布的半高寬.可以得到時間彌散對出射的時變光子信號的重復頻率影響:

當時間彌散的標準差增大時,重復頻率的變化量也會增大,時變光子信號的時間間隔會變得更加不穩(wěn)定,這種不穩(wěn)定性對激光控制光源的高度精確時間同步產生負面影響.而脈沖X 射線發(fā)生器出射的X 射線重復頻率受激光控制光源的重復頻率限制,因此光電陰極X 射線管產生的時間彌散雖然不會直接影響X 射線的重復頻率,但會間接影響系統(tǒng)整體的時序精度.

光電陰極X 射線管中電子從光電陰極釋放時,釋放位置和初速度的分布導致到達時間的差異,這可視為一個隨機過程;同樣,電子在傳輸過程中受外部力和聚焦效應的影響導致的時間差異,也可視為隨機過程.這兩種時間彌散的分布都可以用高斯分布來建模.最終脈沖X 射線發(fā)生器的時間彌散的分布將是多種高斯分布的卷積,可表示為

其中,σ1,σ2,σ3是多種時間彌散分布的標準差,μ1,μ2,μ3是多種時間彌散分布的均值.得到脈沖X 射線發(fā)生器的時間彌散分布為新的高斯分布.

3 實驗系統(tǒng)及測量結果分析

3.1 激光控制光源的重復頻率測試

為了測試激光控制光源的時間特性,選用時間精度為ps 量級、上升時間為500 ps、探測波段為320—900 nm 的MPPC 探測器來接收激光控制光源產生的時變光子信號,并利用示波器觀察MPPC探測器的輸出信號.圖5 為激光控制光源在不同重復頻率下由MPPC 探測得到的輸出光信號.

圖5 不同重復頻率下激光控制光源的輸出光信號(藍色為輸入電信號,紅色為MPPC 探測器接收到的光信號)(a) 1 MHz;(b) 5 MHz;(c) 10 MHz;(d) 40 MHzFig.5.Light signals of LD light source at different modulation rates under different modulation frequencies (Blue is the input electrical signal,red is the light signal received by the MPPC detector): (a) 1 MHz;(b) 5 MHz;(c) 10 MHz;(d) 40 MHz.

實驗結果表明,激光控制光源的調制速率能夠達到40 MHz.實際調制速率未達到理論計算的最大值88.47 MHz,這是由于溫度影響電路參數所導致的.激光控制光源在持續(xù)穩(wěn)定工作時,激光二極管的電光轉換效率為33%,大量電能被轉化為熱量,從而引起溫度的上升.溫度的上升導致激光控制光源的等效模型參數發(fā)生顯著變化,使激光控制光源的實際最高調制頻率小于理論計算的最高調制頻率.通過示波器觀察波形曲線,可以觀察到激光控制光源的電路延時、輸出時變光子信號的非線性問題以及時間彌散現(xiàn)象,這與之前對激光控制光源時間特性的理論分析相一致.在實現(xiàn)40 MHz 調制時,由于頻率過高,信號在傳輸過程中受到衰減,導致信號強度減小,波形出現(xiàn)一定程度的失真.通過對時間精度的測試,得到激光控制光源的時間延時為19.89 ns,時變光子信號的時間彌散高斯分布的半高寬為70 ps,時間彌散高斯分布的標準差為17.15 ps.時間彌散效應會導致輕微的重復頻率波動,當重復頻率為1 MHz時,波動范圍為1 MHz ±17.15 Hz;而當重復頻率增加到40 MHz時,波動范圍擴大到40 MHz ± 27.44 kHz.在較低的調制頻率下,波動的量級相對較小.

3.2 脈沖X 射線發(fā)生器的重復頻率測試

該測試模塊是對脈沖X 射線發(fā)生器出射的時變X 射線的重復頻率進行測試.考慮到出射的X 射線具有極窄的脈沖特性,需要在極短的時間尺度內測試和分析X 射線的時間特性,選用超快閃爍體探測器.該探測器由熒光衰減時間為900 ps的 BaF2晶體與光電倍增管相結合,可以有效地輸出負值信號.這種熒光衰減時間為900 ps 的BaF2晶體雖然具備良好的時間特性,但BaF2在30 keV能量處熒光光子產生效率相對較低.脈沖X 射線時間特性實驗測試系統(tǒng)如圖6 所示.

圖6 基于超快閃爍體探測器的脈沖X 射線時間特性實驗測試系統(tǒng)Fig.6.Experimental testing system for pulsed X-ray time characteristics based on ultrafast scintillator detector.

由于激光控制光源在提高重復頻率的過程中,重復頻率的穩(wěn)定性會降低.為確保激光控制光源提供穩(wěn)定的重復頻率,選用重復頻率為12.5 MHz,波動范圍為12.5 MHz ± 2.7 kHz 的激光光源,在陽極高壓為30 kV時,得到脈沖X 射線的重復頻率測試結果如圖7 所示.

圖7 重復頻率為12.5 MHz 的實驗結果圖 (藍色為輸入電信號,紅色為超快閃爍體探測器得到的X 射線信號)Fig.7.Experimental results with a modulation frequency of 12.5 MHz (Blue is the input electrical signal,red is the Xray signal from scintillator detection).

由測試結果可知,脈沖X 射線發(fā)生器的重復頻率能夠達到12.5 MHz,脈沖X 射線時間測試系統(tǒng)的時間延時為28.76 ns.脈沖X 射線信號的重復頻率表現(xiàn)相對穩(wěn)定,在接近12.5 MHz 的范圍內存在輕微波動.脈沖X 射線發(fā)生器出射的X 射線脈沖波形與激光控制光源出射的激光脈沖波形相似,兩種脈沖有著同步性,相對延時為8.87 ns,這與之前對光電陰極X 射線管的延時計算相近,理論分析相一致.

3.3 脈沖X 射線發(fā)生器的最短脈沖寬度測試

該測試模塊是對脈沖X 射線發(fā)生器出射的時變脈沖X 射線的最窄脈沖寬度進行測試.通過調整激光控制光源的輸出脈沖寬度,并保持陽極高壓為30 kV,進行脈沖X 射線的最短脈沖寬度測試,測試結果如圖8 所示.

圖8 脈沖寬度為4 ns 的實驗結果圖 (藍色為輸入電信號,紅色為超快閃爍體探測器得到的X 射線信號)Fig.8.Experimental results with a pulse width of 4 ns(Blue is the input electrical signal,red is the X-ray signal from scintillator detection).

由于BaF2閃爍體在30 keV 能量處熒光光子產生效率較低,示波器上出現(xiàn)了信號脈沖與本底噪聲脈沖高度相近、但在一定的積分時間內信號出現(xiàn)次數明顯更多的情況.由測試結果可知,4 ns 的脈沖寬度為脈沖X 射線發(fā)生器的性能極限.結合理論分析,脈沖X 射線的時間彌散遵循高斯分布.使用商用TDC 對時間精度進行測試,可以得到脈沖X 射線發(fā)生器引起的時間彌散高斯分布的半高寬為400 ps,時間彌散高斯分布的標準差為98 ps.

對出射X 射線信號的傳輸質量進行驗證.設置脈沖X 射線發(fā)生器的重復頻率為12.5 MHz、脈沖寬度為32 ns,通過單位面積的半導體探測器在一定距離下進行探測和耦合可得X 射線的輸出功率為7.84×10-4W,總噪聲功率為5.46×10-7W,信噪比大于22.19 dB.這一高信噪比表明脈沖X 射線發(fā)生器產生的X 射線信號具有出色的清晰度和質量.

4 結論

本文研制了一種新型脈沖X 射線發(fā)生器,該發(fā)生器結合了激光控制光源和光電陰極技術.該項技術克服了傳統(tǒng)裝置在重復頻率、時間穩(wěn)定性和脈沖特性等方面的限制.脈沖X 射線發(fā)生器能在12.5 MHz 的高重復頻率下,展現(xiàn)出了超快的脈沖寬度(4 ns)和卓越的時間穩(wěn)定度(400 ps).這些時間特性使其在時間精確度要求極高的應用中表現(xiàn)出色,例如材料熒光衰減時間標定、高速運動物體瞬時成像、X 射線通信等.同時將進一步優(yōu)化該裝置的性能,提高重復頻率和時間精度,以滿足更廣泛的應用需求.