高動態范圍激光等離子體診斷系統及其在慣性約束聚變實驗中的應用*

曹柱榮 張海鷹 董建軍 袁 錚 繆文勇 劉慎業 江少恩 丁永坤

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心，綿陽 621900)(2010年5月22日收到;2010年6月7日收到修改稿)

高動態范圍激光等離子體診斷系統及其在慣性約束聚變實驗中的應用*

曹柱榮 張海鷹 董建軍 袁 錚 繆文勇 劉慎業 江少恩 丁永坤

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心，綿陽 621900)(2010年5月22日收到;2010年6月7日收到修改稿)

基于高功率激光等離子體X射線輻射譜特性，設計和研制了一種大畫幅高動態范圍MCP選通型分幅相機.單畫幅寬度13 mm，長度36 mm，曝光時間0.5—5 ns可調.與X射線CCD比較，系統在1.0—10 keV的譜響應相對平整，無高能增強效應.利用高功率激光打靶實驗進行了性能考核實驗，結果表明，系統的信噪比明顯好于 X射線CCD系統，動態范圍大于3×103.系統已經在神光Ⅱ裝置ICF物理實驗中獲得成功應用.

動態范圍，譜響應，激光等離子體診斷，分幅相機

PACS:52.70.La，52.50.Jm，07.85.Fv，07.68.+m

1.引 言

利用大功率激光裝置打靶方式可以在實驗室產生類似黑體輻射的高溫X射線輻射源，從而為探索天體物理狀態下的流體力學、輻射流、輻射不透明度、高馬赫數射流、狀態方程、相對論等離子體等物理現象提供實驗數據，也使校驗超新星研究及慣性約束聚變(inertial confinement fusion，ICF)數值模擬程序成為可能［1—6］.多路激光或者幾百路激光同步注入產生強輻射源是激光慣性約束聚變的實驗條件.激光慣性約束聚變研究的主要物理過程包括高能量密度物理、內爆物理、輻射輸運和流體力學不穩定性等［3］.

目前，美國國家點火裝置使用的打靶束為192路，激光能量與功率為1.8 MJ和500 TW.國內ICF研究平臺使用的大型激光裝置基本為8路，激光能量與功率為 10 kJ 和 10 TW［3，5］.顯然，激光注入、彈著點瞄準、光斑尺寸、多路同步等是激光等離子體輻射源特性的基本參數.這些參量的診斷需要利用實時在線的X射線成像方式實現.最常用的方法是針孔相機配 X射線 CCD(charge-coupled device，CCD)實現在線測量［7］.由于 X射線 CCD都有一定的飽和閾值，X射線信號不能超過 CCD的飽和閾值.但是，神光Ⅱ和神光Ⅲ原型裝置的信號估計和測量結果都表明，使用X射線CCD作記錄設備時存在過強的輸入信號，CCD信號超過閾值兩個量級.因此，需要利用濾片和平面鏡衰減信號才能獲得有效的數據［8］.

本工作利用微通道板(MCP)選通技術建立了一種適合大型激光裝置X射線診斷的軟X射線在線測量技術，在譜響應范圍、靈敏度調整、信噪比等方面具有較強的實用性.利用神光Ⅱ裝置第九路打靶實驗，考核了系統性能，并獲得初步應用.

2.系統的物理設計

大型激光裝置開展的ICF實驗中，通常使用針孔成像技術獲得實驗系統的激光瞄準檢測、多路激光同步以及激光等離子體運動狀態等信息［8］.因此本系統以針孔成像配MCP選通技術型分幅相機進行物理設計［9］，系統原理示意圖如圖1所示.圖1(a)為針孔成像原理，激光打靶產生的X射線輻射通過針孔成像被記錄系統記錄，本系統記錄設備采用MCP選通相機，圖1(b)為 MCP選通原理.X射線輻照MCP微孔結構的光電陰極后產生光電子，光電子通過MCP獲得高增益輸出，進而被加速到熒光屏，屏發光再被科學級可見光CCD記錄，最終獲得X射線圖像.其中MCP表面的微帶狀光電陰極為金屬導電層，具有傳輸高壓窄脈沖的特性，因此，在窄脈沖通過時作為光電子選擇增益的時間，從而建立時間選通型照相技術［10］.

本系統設計的微帶寬度13 mm，長度36 mm，微帶數目為兩條，對于500 μm目標至少需要可以放大26倍，并實現四分幅同時記錄.兩條微帶對應兩個選通脈沖傳輸通道，可以方便的對圖像增益進行調節和對比，選通脈沖電源為寬度曝光時間0.5 ns，1 ns，2 ns，3 ns，5 ns檔位可調，脈沖幅度 600—2000 V連續可調.MCP輸出端和屏的間隙為500 μm，相機的分辨好于20 lp/mm.

圖1 診斷方法示意 (a)針孔成像系統;(b)MCP記錄系統原理

假設系統放大倍數為M，源到探測面的距離L，針孔直徑為d，光源的亮度符合余弦定律的輻射體的亮度，那么記錄系統單位面積上的X射線通量為

其中 表示光源的直徑(假設光源為圓形)，c表示源點通過針孔在像面上的投影面直徑，P(λ)表示輻射譜.在神光裝置千焦耳或者萬焦耳級的激光能量下，X射線輻射通量較大，輻射近似普朗克黑體輻射譜特征，其典型的譜型如圖2所示.圖中譜的測量來自金黑腔靶，測量方法為透射光柵配 CCD，光柵和CCD利用北京同步輻射裝置進行標定.由圖可見，激光等離子體時空特征測量必須結合譜發射特性，比較有意義的兩個能段是600 eV以下低能X射線和金M帶2800 eV附近能段.

如果采用X射線CCD直接測量，X射線能量越高計數越強.由單位面積上的X輻射通量，CCD每個像素上平均產生的自由電子數為［8］

圖2 神光Ⅱ裝置典型輻射譜

其中ω為CCD靈敏層中產生一對電子空穴對消耗的能量，QCCD為CCD量子效率，E為X射線能量.圖3為CCD量子效率和基于能量沉積估計的響應強度曲線.量子效率是指單個光子與CCD的Si材料發生光電吸收轉換的概率，圖中量子效率曲線采用PI-SX系列CCD效率曲線［11］.能量沉積是指發生吸收后的光子將沉積能量轉換為電子空穴對的過程.通常一個電子空穴對需要3.65 eV能量，則3.65 keV的X射線子與CCD作用后，產生的電子空穴可達1000個，所以X射線能力越高計數越強，能量沉積形成的計數增強稱為CCD內部增益.由于對X射線的內部增益強，所以可以將CCD作為單光子計數器，并且可以同時進行X射線的空間和能譜分辨.

圖3 X射線CCD量子效率曲線與信號響應曲線

由圖3可見，如果作為積分成像記錄系統，響應能區集中在6.4—9.3 keV，系統對激光等離子體輻射譜的積分測量將呈現較強的飽和狀態.如果采用濾片衰減方法，也只能使系統響應更集中在高能區間，不能很好的表征激光等離子體的時間空間特性.

MCP陰極為反射式陰極結構，因此不存在能量沉積帶來的高能區信號增強問題.設陰極響應面的占空比為σ，MCP相機的增益為G，則單位面積MCP的響應強度為

其中QMCP為MCP金陰極的量子效率.σ主要決定于MCP反射式的陰極結構，對于8°傾角的 MCP，陰極分布于MCP微孔深度10 μm的范圍，則有效陰極面只占開口面積的10%，另外還有通道本身的開口比，一般MCP的σ約為5%.增益G主要由MCP電子增益和屏的發光效率決定，可以通過電壓幅度進行調整，一般工作條件下G在103左右.由(2)式和(3)式可見，MCP相機的響應特性主要決定于陰極量子效率，而CCD相機則主要決定于入射X射線光子的能量.

圖4為金陰極效率曲線和鍍金陰極MCP的響應曲線.其中金陰極效率曲線來自Henke等人的結果［12］，鍍金陰極MCP響應曲線來自 Ze等人的測量結果［13］.由圖可見，除了在2.4 keV附近的響應較高外，在1—10 keV范圍的 MCP效率曲線比較平滑.與圖2的X射線輻射譜相比，MCP選通相機的響應曲線與ICF實驗的輻射譜比較符合，因此MCP測量系統的譜響應特性可以避免系統響應能區偏硬的問題.同時在中低能區(2.4 keV附近)的響應相對較強，適合金靶M帶發射譜的時空診斷.

圖4 金陰極效率曲線和鍍金陰極MCP的響應曲線

3.實驗結果與分析

利用神光Ⅱ裝置第九路打靶實驗可以考核MCP選通分幅相機的性能，并與X射線CCD結果進行比較.圖5分別為第九路激光打靶的分幅相機圖像和X射線CCD的圖像.第九路激光參數為3倍頻，能量1200 J，脈寬2 ns，加蠅眼透鏡，照射背光靶中心，背光靶采用 Mo，Mo靶線譜中心的能點2.5 keV.分幅相機的針孔放大倍數10，濾片為20 μm的Be，2.5 keV透過率85%.X射線 CCD系統的針孔放大倍數10，由于低能區測試容易飽和，濾片采用5.2 μm 的 Ti，2.5 keV 透過率 29%.

系統信噪比是成像系統動態范圍和圖像質量的決定因素之一.由圖5可以比較兩套系統的信噪比.在獲得的圖像中統計非信號區域的 CCD本底，分幅相機的本底最大值 17，最小值 0，平均值為0.0057，標準差0.226.X射線CCD系統的本底最大值2608，最小值 23，平均值為 525.244，標準差235.977.由此可見，分幅相機具有很好的信噪比，而X射線CCD系統由于對高能X射線的強響應，背景噪聲較強.

分幅相機噪聲水平低主要有三個方面的原因.首先是由于系統具有門控特性，避免了MCP長時間加電的暗電流噪聲;其次是由于MCP金陰極對高能X射線響應度不高，避免了通過針孔板直穿光引起的噪聲.再次，穿透MCP的直穿光信號熒光屏響應極小，可以忽略.而科學級X射線CCD不具有以上特性，因此噪聲相對較高.

圖5 第九路激光打靶的分幅相機圖像和X射線CCD圖像

利用一定能量的激光條件和相同的打靶條件可以獲得系統的動態范圍.定義MCP選通分幅相機成像系統的動態范圍為:一定的源強度下，保障圖像清晰可辨并且圖像中無飽和輸出的情況下，最高增益圖像的亮度與最低增益圖像亮度的比值.最高增益圖像是指測試圖像中信號較強，但圖象中不存在飽和信號，最低低增益圖像是指測試圖像的信息基本完整，并且信噪比大于某個值，如信噪比大于10.

圖6為MCP選通分幅相機在不同MCP選通電壓幅度下的光斑尺寸與強度分布的關系.選通脈沖的脈沖寬度 3 ns，幅度分別為 640，890，1170 V 和1700 V.相機記錄系統所用CCD為PI-SXC型科學級 CCD，像元尺寸 24 μm ×24 μm.由圖6 可見，光斑強度隨著電壓幅度升高而增大，光斑尺寸基本一致，不同電壓值下的差異在20%以內(FWHM).如果記錄系統飽和，CCD像元的電流將會出現溢出，所記錄的圖像在形貌和寬度尺寸上將會出現不一致.本實驗最大電壓幅度為1700 V下，光斑區無飽和信號，電壓幅度為640 V下，光斑完整且信噪比大于10.

圖6 不同MCP脈沖電壓幅度下測得的光斑尺寸與強度分布

由1700和640 V的實驗結果可以獲得系統的動態范圍.不妨以圖像中最強信號值作為圖像亮度的表征值［14］，圖 7畫出了四個電壓值下的信號與電壓值的關系.圖中同時畫出了CCD飽和限位值在65000，噪聲最大值17.由圖7可見，在640 V到1700 V測量范圍內，信號強度與電壓值在對數坐標下基本成線性，并且系統的動態范圍大于3×103.由圖可見，800 V以上線性度較好，640 V以下響應非線性較強.系統響應的線性度受到CCD響應的一致性和穩定性、源信號的一致性、MCP增益線性度和增益的穩定性以及選通脈沖形狀的變化和漲落等等因素的影響.

圖7 脈沖電壓幅度與光斑最大亮度的關系

由于本系統具有好的譜響應特性、低噪聲水平、大畫幅和高動態范圍等特性，在ICF輻射物理、黑腔物理、內爆動力學物理、流體力學不穩定性實驗以及其他類型的等離子體裝置中具有廣泛的應用［15—18］.同時，利用本系統與高線對光柵、球面鏡、KBA型或 KB型X顯微鏡等分光系統的配接［15］，可以發展多種高性能的新型診斷系統.

4.結 論

通過MCP金光電陰極的譜響應特性與X射線CCD譜響應特性的比較，設計和研制了一種適合高功率激光等離子體時空測量的大畫幅高動態范圍MCP選通型分幅診斷系統.單畫幅寬度達到13 mm，長度36 mm，具有雙通道結構.由于系統曝光時間在0.5—5 ns可調，系統具有很好的信噪比.利用神光Ⅱ裝置激光打靶實驗進行了系統性能考核，并與X射線CCD進行了比較.實驗結果表明，系統譜響應平整，噪聲水平低，動態范圍大于3×103.系統已在神光Ⅱ裝置ICF實驗中獲得成功應用，在ICF實驗中具有廣泛的應用前景，為發展多種高性能新型診斷技術奠定了良好的基礎.

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PACS:52.70.La，52.50.Jm，07.85.Fv，07.68.+m

High dynamic range imaging and application to laser-plasma diagnostics in inertial confinement fusion(ICF)experiment*

Cao Zhu-Rong Zhang Hai-Ying Dong Jian-Jun Yuan Zheng Miao Wen-Yong Liu Shen-Ye
Jiang Shao-En Ding Yong-Kun(Research Center of Laser Fusion，Chinese Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China)(Received 22 May 2010;revised manuscript received 7 June 2010)

High dynamic range and large format technique of micro-chanunel plate(MCP)，gated framing camera is developed to diagnose high-power laser-plasma X-ray emission spectra.The single frame format is 13 mm×36 mm，and exposure time is adjustable from 0.5 ns to 5 ns.Its spectral response in 1.0—10 keV is more flat than that of X-ray charge-coupled device(CCD)，and there exists no energetic enhancement effect.Performance evaluation has been conducted on high power laser devices，and the results show that the system has a high signal-to-noise ratio and the dynamic range is greater than 3×103.The system has been applied successfully to inertial confinement fusion(ICF)physics experiment.

dynamic range，spectral response，laser-plasma diagnostics，framing camera

*國家自然科學基金(批準號10905050)資助的課題.

E-mail:cao33jin@yahoo.com.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.10905050).

E-mail:cao33jin@yahoo.com.cn