激光聚变领域条纹相机——同轴电极双聚焦电子光学扫描相机

自激光惯性约束聚变（ICF）研究诞生以来，条纹相机就一直是该领域最重要的实验诊断设备之一，其技术发展自始至终与在物理实验中的应用需求息息相关，例如，激光聚变点火物理研究非常重视对内爆靶丸内爆速度的精密测量，也需要准确测量出相对于驱动激光零时刻的靶丸自发光峰值时间（bangtime）。采用 X 射线条纹相机结合弯晶成像对靶丸内爆流线的背光照相测量，可以给出随时间变化的内爆速度、壳层剩余质量等关键物理量；通过伴随测量的时标基准信号，可以知晓内爆发生的峰值时刻。除了这种高分辨时空测量应用，对研究目标能谱和时间信息的同时测量也在高能量密度物理（HEDP）研究中发挥着巨大作用。但是总体上，条纹相机的综合技术水平，尤其是扫描变像管的技术状态还不能完全满足物理实验的需求，主要原因是高性能新型扫描变像管的研发和技术创新自从 20 世纪 90 年代开始就面临技术瓶颈。

ICF 领域对条纹相机的技术指标要求主要有光阴极长度、时间分辨率、空间分辨率、响应灵敏度和动态范围等，而且这些主要技术指标在激光聚变领域几乎都拥有同样的权重，需要兼顾多项性能技术指标也是制约条纹相机技术发展的重要原因。经过多年的实践应用和优胜劣汰，在激光聚变研究领域，国际上基本形成了以两种综合性能优良的扫描变像管为基础研发条纹相机的格局，美国国家点火装置条纹相机采用了同轴电极双聚焦电子光学的扫描管，而法国兆焦耳激光装置（LMJ）的条纹相机则采用了板状电极结合电四极透镜电子光学（bilamellar electron optics）的扫描管。

▍同轴电极双聚焦电子光学扫描相机

当前，采用同轴电极双聚焦电子光学扫描变像管研发的高性能气室型条纹相机是美国国家点火装置和中国100 kJ 激光装置物理实验所用的主要条纹相机类型，其特点是拥有均衡而良好的性能技术指标。1982 年，英国首次报道的采用 Photochron IV 型扫描管研发的亚皮秒条纹相机，开创了扫描变像管双聚焦的先河，后来这种管型和双聚焦理念得以广泛使用。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）从 NOVA 激光器开始到国家点火装置（NIF）实验诊断一直主要采用这种管型研发和制造条纹相机。中国科学院西安光学精密机械研究所牛憨笨院士从英国工作回国后首先在国内大力推广促进了这种扫描管研发和应用[3]，使其成为中国激光聚变研究领域条纹相机诊断设备主要采用的扫描管管型。中物院激光聚变研究中心为中国 100 kJ 激光装置物理实验研发的这类扫描相机的电子光学仿真图如图 1 所示，仿真图除了显示光电子的踪迹，还通过彩条的颜色指示电场内光电子能量。图2 为扫描管实物照片，显示了扫描管聚焦区、等位区和荧光屏三段结构部件。

图1 同轴电极双聚焦扫描管电子光学仿真图

图2 同轴电极双聚焦扫描管

采用同轴电极双聚焦扫描变像管设计和研发的气室型 X 射线条纹相机工程结构图如图 3 所示。该相机采用碘化铯光阴极，阴极对能量小于 15 keV 以下的 X 射线响应，相机前端通过紫外光纤向阴极馈入 351 nm 波长的梳状紫外光脉冲（该光脉冲可用于扫速定标，还可作为时间基准）。实验时，为了防止通过扫描管阳极孔直穿的 X 射线对像增强器和电荷耦合器件（CCD）的辐照影响，安装在前端法兰的扫描变像管设计为倾斜 3.5°。相机所有组件安装在气密的圆柱形气室内，通过后面板的各类连接器件完成所需要的水、电和光的传输。气室中间可插入一个真空密封转接法兰，相机可以直接安装在小型靶室的法兰上运行。相机总长约 1.4 m，外径 ϕ234 mm，总质量约 60 kg，相机可整体沿气室轴心线旋转，获得多种阴极径向方位。

图3 激光聚变研究中心基于同轴电极双聚焦扫描管的气室型 X 射线条纹相机设计

为 100 kJ 激光装置物理实验研发的基于同轴电极扫描管 的 X 射线条纹相机主要技术指标如 表 1 所示。其中 ，CTF 为对比度传递函数。

表1 同轴电极扫描管 X 射线条纹相机技术指标

需要特别强调的是，表征条纹相机的一个关键技术指标是动态范围。目前欧美国家对条纹相机动态范围的定义和以前有很大的不同，定义为信号强度对应的入射能量饱和阈值和探测阈值的比值。由于 X 光探测阈值测量非常困难，美国 LLNL 将其定义为噪声均方根（RMS）值的三倍。饱和阈值定义变得非常严格，选取造成五项技术指标恶化的最低X 光入射能量为饱和阈值，而不是传统的仅指时间分辨率的恶化。

这五项技术指标是：

（1）空间扩展函数（LSF）展宽20%；

（2）因扫描管放大倍数改变而带来的空间位置偏移量等同于空间分辨的情形（主要发生在 bilamellar 电子光学扫描管，这种扫描管的放大倍数会随入射光强度的变化而发生轻微变化）；

（3）时间半宽展宽 20%；

（4）测量上升时间展宽 20%；

（5）条纹相机整个系统的增益非线性超过 20%。

根据这个严格的定义，美国 LLNL 的 X 射线条纹相机动态范围只有 20（这是空间分辨恶化造成的），法国原子能委员会（CEA）的 X 射线条纹相机也只有约 26。之所以这样严格定义，是因为现在的激光聚变实验研究，通常来说，测量的 X 光信号脉宽远大于时间分辨，而空间分辨往往处于应用要求的极限状态，不允许有恶化。中国目前尚未建立这种严格的动态范围测试方法，仅以造成时间分辨半宽展宽 20% 的入射能量作为动态范围饱和阈值。

近几年同轴电极双聚焦扫描管技术进展主要有两项：一是针对长阴极边缘空间分辨的电子光学场曲像差矫正，二是采用阴极背照的时标系统。在美国国家点火装置建成早期，其研发的 X 射线条纹相机尽管阴极长度达到了 30 mm，但是阴极离轴边缘空间分辨只有 2 lp/mm，中国 100 kJ 激光装置物理实验所用同轴电极条纹相机边缘空间分辨也只有 5 lp/mm@10%CTF（对比度传递函数）；这是因为同轴电极扫描变像管的电子光学成像会带来严重的 Petzval 场曲，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）近几年为此进行了专门电子光学校正。在采用传统平面阴极和平面荧光屏的情况下，经过优化改良后，其长阴极离轴边缘空间分辨率达到了 20 lp/mm@45%MTF（调制传递函数），这是目前同轴电极扫描变像管重要的技术进展之一。

图 4为我国100 kJ 激光装置采用同轴电极扫描管的 X 射线条纹相机 30 mm 长光阴极中心和边缘空间分辨率测量结果（分别达到了 20 lp/mm@10%CTF 和 5 lp/mm@10%CTF），分辨率图案从左到右分别为 5，10，15，20，25 和 30 lp/mm，这是这类扫描管比较标准的空间分辨率数据。图 5 为美国 LLNL 对电子光学 Petzval 场曲畸变校正后的结果（圆点为校正后的测试，正方点为未校正前的测试，不同的颜色代表阴极测试点偏离阴极中心的距离），可见校正前后扫描管空间分辨差异巨大，这样的校正技术是非常值得研发的。

图4 同轴电极双聚焦扫描管空间分辨率测试结果

图5 场曲校正 MTF 曲线