认识条纹相机发表时间:2022-04-12 08:33 条纹相机是一种超高速探测器,能捕获极短时间内发生的光发射现象,是具备同时测量超高时间分辨率与高空间分辨率的唯一高端科学仪器。条纹相机是同时具备超高时间分辨(皮秒至飞秒)与高空间分辨(微米)的高端科学仪器,是实现微观和超快过程探测的必要手段。通俗地讲,条纹相机是将时间分辨率转换成了空间分辨率。比如有一队人依次进入一个房间,如果你想弄清楚他们进入房间的顺序,可以让先进来的人站在屋子的一头,后面进来的人依次排在他旁边站队。最后根据空间上他们的站位,分辨先来后到。 高性能条纹相机是实现捕捉超快现象的科学仪器。超快现象(持续时间小于1微秒即百万分之一秒)广泛存在于自然或科学技术研究中。例如,植物的光合作用过程、超大规模集成电路所产生的电脉冲、化学反应的分子动力学过程、生物材料荧光发射、激光器产生的超短激光脉冲、强光与物质相互作用物理过程等,其发生的时间多在皮秒、飞秒甚至阿秒量级范围内。据中科院西安光机所赵卫所长,超快现象研究对自然科学、能源、材料、生物、光物理、光化学、激光技术、强光物理、高能物理等研究及技术领域具有重要意义。但是捕捉这种现象,靠人眼和普通相机是不行的。 如果有一个超快事件发生的过程,在A时刻和B时刻通过条纹相机前端的狭缝,进行取样,然后经过光学系统成像在条纹相机的阴极上进行光电转化。当这种光子转换为电子的同时,在控制端加了扫描电路,这种不同时刻进来的光电子,就会在扫描电压的偏转上进行空间的分离,最后被CCD记录。利用这种仪器可以同时获得光信号的持续时间和强度的空间分布情况,这个过程就完成了从时间到空间的转变过程。 条纹相机的应用领域很广,可应用于正负电子对撞机等大型装置和航天领域。在同步辐射装置以及正负电子对撞机等大型装置中,条纹相机可以诊断粒子束团和光束长度等关键性指标,为重大装置的改进和性能提高提供参考依据;在航天领域也有广泛的应用空间,是可以在探测器和目标同时瞬变情况下进行实时成像的系统。 条纹相机的研制涉及光学、光电子、超快电子学、微电子学、精密机械和计算机等多学科,其发展历史可以进行以下简单概括: 1)1949 年,英国 J. S. Conrtney-Pratt 研制出了磁聚焦和偏转的 ns 时间分辨条纹变像管。 2)1959 年,Butslov改进了条纹管结构设计,采用了球面阴极和球面荧光屏,有效减小了条纹管电子光学系统的球差,使得条纹管边缘的静态空间分辨率可以达到 20 lp/mm 左右,长狭缝有利于提高扫描时间谱仪的光谱分辨和测谱范围,ST-X 的阴极有效面积为18 mm×3 mm。 3)1969 年,D. J. Bradley 等人率先在条纹变像管光电阴极附近设置加速栅网,减小了光电子的渡越时间弥散,将条纹相机的时间分辨率提高到 2 ps。 4)英国 Photek 公司推出两款不带栅网的 ST-Y和 ST-X 条纹管以及同步条纹管 PHOTRON 5。 5)法国Photonics 公司在ST-Y条纹管的基础上研制出 P510 型条纹管。 6)1966年,我国第一个用于高速摄影的变像管在西安光机所研制成功。 7)1994 年日本Hamamastu 公司研制了具有 180 fs 时间分辨率的可见光飞秒条纹相机。 8)全俄罗斯光学和物理测量研究所(VNIIOFI)和俄罗斯科学院普通物理所(GPI)研制了世界上最大最重的 FER-2 型条纹相机和最小的条纹/分幅相机 k008。 9)从 1982 年到 1999 年,西安光电所牛憨笨院士团队先后成功研制出了皮秒条纹管、同步条纹变像管、飞秒条纹变像管、长狭缝(30 mm)条纹管,分别集成为单次/重复扫描条纹相机、同步条纹相机、飞秒条纹相机以及工程化条纹相机。 10)2009 年深圳大学和西安光机所各自为中国工程物理研究院激光聚变中心研制了搭载在公共诊断平台(DIM)上的远程控制 X 射线条纹相机。 11)2012 年西安光电所承研国家重大科研仪器项目《高性能条纹相机的研制》,单独或合作研制成功了大面积光电倍增管、多阳极位敏型光电倍增管、系列化条纹管及条纹相机、日盲型像增强器、大电流输入型光电倍增管等核心探测器,研制成功 1200 型飞秒条纹相机、2200 型大动态条纹相机、3200 型同步扫描条纹相机、4200 型长狭缝高时间分辨工程化条纹相机、5200 型通用条纹相机、6200 型高增益长狭缝型条纹相机、7200 型高增益小型条纹相机、8200 型超小型条纹相机、9200 型高偏转灵敏度同步扫描条纹管。 12)2016 年,日本 K. Kinoshita将条纹相机的时间分辨测试值提高到 100 fs,并于 2017 年底推出了型号为 C11853-1 的商品化飞秒条纹相机。 13)2018年5月,中科院西安光机所承担的国家重大科研装备研制项目“高性能条纹相机的研制”顺利通过验收,标志着我国具有自主产权的高性能条纹相机进入实用阶段。 基于扫描变相管(简称条纹管)的条纹相机是一种通过多级光电子转换的经典光电成像仪器,通过微通道板(microchannel plate,MCP)的内增强或外增强,以显著提高系统灵敏度,实现对单光子的测量,而结合各种光学系统和光阴极的使用,以及更换扫描模块,条纹相机可测量从X射线到近红外的各种不同波长和强度范围的辐射物的瞬态光学现象。下图所示的是外增强和内增强条纹相机的基本组成。当输入信号光脉冲...
2023-05-08
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