雙陰極X 射線條紋相機變像管*

李晉 楊品 楊志文 張興 劉慎業 董建軍 楊正華 任寬 李穎潔 張璐 胡昕

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽 621900)

為解決基于X 光條紋相機技術的時間分辨光譜診斷系統存在測譜范圍窄、譜分辨較差的問題,采用雙通道電四極透鏡在空間方向聚焦電子和平板電極在時間方向壓縮電子的方法,研制出一種雙通道條紋相機掃描變像管,這種變像管可同時對兩條陰極發射電子束進行聚焦掃描偏轉,能大幅度提升變像管有效陰極長度,從而提升時間分辨光譜診斷系統的測譜范圍和譜分辨.實測結果表明,研制的變像管有效陰極長度達到44 mm,空間分辨優于15 lp/mm,偏轉靈敏度優于40 mm/kV.進一步優化變像管結構和采用高靈敏度圖像記錄系統以去除像增強器,可將變像管有效陰極提升到50 mm,空間分辨提升到25 lp/mm.

1 引言

基于X 光條紋相機[1?11]技術的時間分辨光譜測量系統[12?19]是診斷待測X 射線能譜隨時間變化過程的核心診斷設備,在高溫輻射物理與輻射流體力學實驗、極端條件高壓物理實驗、內爆物理實驗等諸多激光聚變物理實驗研究和高能量密度物理實驗研究中都是不可或缺的診斷設備[12,14,16?23].時間分辨光譜測量系統采用晶體、光柵或反射鏡等作為分光元件將靶點出射的不同波長X 光分光到條紋相機陰極的不同位置,X 光條紋相機作為記錄設備,沿著陰極狹縫方向記錄X 射線的譜信息,而在垂直于陰極狹縫方向記錄信號的時間信息.顯然,X 光條紋相機的有效陰極長度和空間分辨對時間分辨光譜測量系統的測譜范圍和譜分辨具有重要影響.受制于當前X 光條紋相機的有效陰極長度和空間分辨,通常使用的時間分辨光譜測量系統存在測譜范圍窄、譜分辨較差的缺點.

X 射線條紋相機是通過掃描變像管將X 射線轉換為電子,然后將電子聚焦偏轉到熒光屏的不同位置而獲得時間分辨.因此變像管是X 射線條紋相機的核心組成部分,對相機性能具有重要影響,特別是變像管的有效陰極長度決定了相機的視場大小.文獻[2,5,8]報道的實用型X 光條紋相機變像管陰極長度為30 mm,但受像差影響,變像管中心與邊緣的空間分辨差別較大,實際可使用的陰極長度較短.美國LLNL 實驗室的MacPhee 等[10]通過矯像差技術提升了變像管邊緣的空間分辨,使得變像管的陰極長度達到30 mm 時,陰極各位置的空間分辨都可以維持在15 lp/mm 左右,這較大程度提升了變像管性能.但未來在更大激光裝置上開展的慣性約束聚變物理實驗中,需要測量的靶尺寸以及譜范圍、譜分辨都有更高的要求,需要更長的陰極以獲得更多的分辨單元.傳統結構的單陰極X 射線條紋相機陰極尺寸受變像管限制,很難做到40 mm 以上.因此,本文創新發展了一種雙陰極X 射線掃描變像管,其有效陰極長度達到了44 mm,陰極各位置空間分辨優于15 lp/mm,為當前陰極長度最長的X 射線條紋相機掃描變像管.

2 雙陰極變像管結構設計與制作

為提升變像管有效陰極長度,創新采用平板電極加兩組電四極透鏡變像管結構,使得變像管能夠同時對兩條陰極電子束進行掃描偏轉,設計的變像管電子光學系統結構如圖1 所示,結構類似于法國Photonis 公司推出的雙板變像管[1],其包含陰極、時間方向預聚焦電極組、電四極透鏡電極組、時間方向主聚焦電極組、掃描偏轉板以及熒光屏,但與文獻[1]中的雙板變像管結構不同的是,本文的變像管具有兩條狹縫陰極,當X 射線入射時,可以同時發射出兩條電子束,并且該變像管的電四極透鏡電極組由8 個弧形電極組成兩組電四極透鏡,如圖2 所示.變像管陰極發射出的兩條電子束,在時間方向上先由時間方向預聚焦電極組加速并進行預聚焦,后由時間方向主聚焦電極組進行壓縮;在空間方向上,兩條電子束分別由兩組電四極透鏡進行獨立聚焦.電子束經過聚焦電極后,由偏轉板掃描偏轉到熒光屏的不同位置而獲得時間分辨.這種新穎結構的設計,能使變像管能夠同時對兩條電子束同時進行聚焦,可增大變像管陰極的可用長度.兩條電子束在時間方向上共用平板聚焦電極使得變像管的結構緊湊,而在空間方向上的電四極透鏡電極結構小巧,不會使變像管體積增大太多.

圖1 雙陰極變像管結構 1-光陰極,2-平板電極I,3-平板電極II,4-平板電極III,5-電四極透鏡聚焦組,6-平板電極IV,7-平板電極V,8-平板電極VI,9-偏轉板,10-熒光屏Fig.1.Structure of dual-cathode streak tube: 1-photocathode,2-plate electrode I,3-plate electrode II,4-plate electrode III,5-quadrupole lens,6-plate electrode IV,7-plate electrode V,8-plate electrode VI,9-deflector,10-screen.

圖2 電四極透鏡結構Fig.2.Structure of quadrupole lens.

設計的變像管陰極電壓為–12 kV,陰柵距離為5 mm,陰柵場強為2.4 kV/mm;陰極分為兩段,間距約為 13 mm,每段陰極長度大于 20 mm,陰極距離熒光屏 300 mm,沿著陰極方向最長尺寸為90 mm.圖3 給出了雙陰極變像管的陰極發射面和成像面的電子分布,根據電子分布情況可以得出變像管的放大倍數和有效陰極長度.從圖3 可看出,陰極發射面的單條陰極電子分布長度為25 mm,成像后單條陰極電子長度為39 mm,故變像管的放大率約為1.56 倍,采用80 mm 口徑熒光屏能滿足50 mm 長度陰極成像需求.同時可以看出兩條電子束在像面上中心存在一定間隔,能保證兩條電子束不會相互竄擾.設計過程中值得注意的是,兩組電極透鏡之間可能由于距離較近,電場會存在相互干擾導致電場畸變.通過對模型進行優化計算,當兩組電四極透鏡距離為6 mm 時,兩電四極透鏡間不存在相互干擾,可保證成像質量.

圖3 陰極成像效果(藍色為陰極發射面電子分布,紅色為像面電子分布)Fig.3.Cathode imaging results (Blue is electron distribution on cathode emission plane,red is electron distribution on image plane).

完成變像管電子光學系統的設計后,對變像管進行封裝設計,采用高強度鋁合金骨架對各電極進行支撐,同時采用精密陶瓷定位塊保證電極的裝配精度和電極間的絕緣,變像管內部電極的電壓加載由后端轉接法蘭上面的氣密高壓連接器輸入,設計的變像管和實際制作的結構如圖4 所示.

圖4 變像管結構 (a) 內部設計結構;(b) 外部結構;(c) 內部實際制作結構Fig.4.Structure of the streak tube: (a) Internal design structure; (b) external structure; (c) actual production structure.

3 雙陰極變像管性能測試

對雙陰極變像管的空間分辨、有效陰極長度、偏轉靈敏度等性能進行測試,測試排布如圖5 所示.由于雙陰極變像管的熒光屏較大,達到了80 mm,而當前能夠獲得的像增強器尺寸僅為40 mm,圖像記錄系統有效記錄尺寸為37 mm,因此采用大面陣縮比光錐對熒光屏圖像進行縮像后,再耦合40 mm 高空間分辨像增強器對圖像進行增強,最后在像增強器后端耦合高性能科學級CCD 相機對圖像進行記錄存儲.對變像管的性能進行測試時,陰極采用分劃陰極,每組分劃陰極圖案包含5,10,15,20,25 和30 lp/mm 6 種分辨單元.

圖5 變像管性能測試器件排布圖Fig.5.Layout of test devices for streak tube performance.

圖6 為采用光錐對圖像縮像后,再耦合像增強器對圖像進行正確增強,由CCD 相機記錄得到的圖像,圖像中心空間分辨皆達到了15 lp/mm,邊緣為10 lp/mm.為進一步研究變像管的性能,還采用去除光錐,直接耦合像增強器的方式對空間分辨進行了測試,測試結果見圖7.此時,中心空間分辨達到25 lp/mm,邊緣空間分辨達到20 lp/mm.由此可見,像增強器對空間分辨造成了較大的影響,采用更高靈敏度的圖像記錄系統以去除像增強器的使用,可提升變像管空間分辨,同時保證變像管的靈敏度.

圖6 耦合像增強器時的空間分辨率測試圖像Fig.6.Spatial resolution test image coupled with image intensifier.

圖7 無像增強器時的空間分辨率測試圖像Fig.7.Spatial resolution test image without image intensifier.

從圖6 和圖7 中還可得出陰極有效長度,圖像上共約有10 組分辨單元,實際制作的分劃陰極每組分辨單元占用的長度為4.4 mm,因此得出有效陰極長度約為44 mm,實際測試與設計的50 mm有一定差別,這是由于實際結構中熒光屏到陰極的距離比設計長約10 mm,這導致變像管放大倍數更大,設計值為1.57,而實際值約為1.7 倍.通過縮短實際結構中熒光屏到陰極的距離,可以將有效陰極長度提升到50 mm,但這會縮小變像管放大倍數,可能會對空間分辨造成一定影響.

偏轉靈敏度是評估變像管掃描快慢的重要指標,對條紋相機時間分辨存在較大影響.對雙陰極變像管的偏轉靈敏度進行測試,測試時在偏轉板上加載一定偏壓,實現對電子束的靜態偏轉,根據偏轉距離和加載的偏轉電壓計算得出偏轉靈敏度.偏轉靈敏度測試圖像如圖8 所示,其中最右邊為偏轉板接地時的靜態像,中間為上偏轉板加+100 V、下偏轉板加–100 V 時的偏轉像,左邊為上偏轉板加+200 V、下偏轉板加–200 V 時的偏轉像,依據偏轉距離計算得出偏轉靈敏度為40 mm/kV (陰極電壓為–10 kV).研究表明,當偏轉電壓增大到一定程度后,電子將被偏轉板邊緣攔截,變像管實際有效掃描范圍約為40 mm.假設全屏測量時間窗口為2 ns,則掃速為50 ps/mm,結合變像管的陰柵場強和靜態像寬初步推算其時間分辨優于10 ps.

圖8 偏轉靈敏度測試圖像Fig.8.Deflection sensitivity test image.

4 結論

采用雙通道電四極透鏡,在空間方向聚焦電子和平板電極,在時間方向壓縮電子的方法,發展了一種雙通道條紋相機掃描變像管,初步測試結果表明,變像管有效陰極長度為44 mm,偏轉靈敏度達到40 mm/kV.在采用像增強器對圖像進行增強時,空間分辨中心位置優于15 lp/mm,邊緣優于10 lp/mm.去除像增強器后,變像管空間分辨中心位置提升到25 lp/mm,邊緣提升到20 lp/mm.像增強器對變像管空間分辨存在較大影響,去除像增強器可提升變像管空間分辨,但整體靈敏度將會受到影響.采用高靈敏度圖像記錄系統,直接耦合變像管熒光屏實現圖像的記錄存儲應是獲得高空間分辨同時維持整體靈敏度的折中方法.進一步優化變像管陰極到熒光屏的距離,可將變像管有效陰極長度提升到50 mm 以上.