激光聚变领域条纹相机——双板电极电子光学扫描相机发表时间:2023-07-12 09:00 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。 ▍双板电极电子光学扫描相机 法国 Photonis 公司在 20 世纪 90 年代推出的板状电极结合电四极透镜电子光学扫描管(简称双板电极扫描管),是扫描管管型技术发展中少有的一项创新。该管型首次将扫描管的时间和空间聚焦独立起来,分别聚焦,这样在提高扫描管的放大倍数从而达到提高空间分辨率目的时,并不影响时间方向的聚焦和时间分辨率,加上电四极透镜优良的聚焦特性,可以达到很高的时空分辨率。图 1为激光聚变研究中心研制的双板电极扫描管电子光学仿真图和空间分辨率测试图像(阴极中心位置),分辨率图案从左到右分别为 5,10,12.5,17.5,20,22.5,25 和 30 lp/mm。图 2为双板电极扫描管内部主要结构照片。 图1 双板电极电子光学扫描管仿真图和空间分辨率测试图 图2 双板电极电子光学扫描管 为 100 kJ 激光装置物理实验研发的基于双板电极扫描管的 X 射线条纹相机主要技术指标如表 1。 表1 双板电极扫描管 X 射线条纹相机技术指标 双板电极电子光学采用有一个长条形窄光阑(slot)做加速电极,在阴极面前方会形成虚拟的狭缝阴极,可以不需要安装阴极前置狭缝来获得时间分辨,阴极实际有效宽度(扫描方向)和阴栅场强有关,我们实验测得双板电极扫描管阴极有效宽度(FWHM)在阴栅场强为 0.5 mm/kV 时约为 145 μm(图 3),和法国 LMJ 装置 X 射线条纹相机测试结果一致,图 4 为法国 LMJ 装置条纹相机测得的阴栅场强和有效阴极宽度(FWHM)的关系曲线。 图3 阴极上的微点信号位置(沿时间轴)和强度计数关系曲线 图4 有效阴极宽度和阴栅场强呈反比关系 综上所述,双板电极扫描管在时空分辨技术性能上高于同轴电极扫描变像管。我们同时进行了效率比对研究,图 5和图 6 为完全相同测试条件下采用同样的宽度为 3.5 mm 的光阴极测得到两种扫描变像管静态聚焦强度图像,图 5为同轴电极扫描管,图 6 为双板电极扫描管,双板电极扫描管计数强度是同轴电极扫描管的两倍左右,也意味着,在相同时间分辨率情况下,双板电极扫描管灵敏度约是同轴电极扫描管的两倍。我们的双板电极扫描管在荧光屏上获得静态狭缝像宽度只有 72 μm,我们的同轴电极扫描管(放大倍数 1.26)要想获得相同时间分辨率只能采用 57 μm的阴极前置狭缝,要想获得近乎相同的灵敏度,约需要采用 114 μm 宽的阴极前置狭缝,动态时间分辨率相应降低约一半。 图5 同轴电极扫描管对宽阴极的静态聚焦图像 图6 双板电极扫描管对宽阴极的静态聚焦图像 中物院激光聚变研究中心在取得双板电极扫描相机良好技术性能基础上,利用这种扫描管的结构特点,创新设计了双阴极平板扫描变像管,每个阴极拥有和单阴极平板扫描管一样的有效长度和技术指标性能,阴极总长可以达到 44 mm。不过,44 mm 的阴极长度无论采用何种像管类型,如果不进行电子光学校正,都会产生严重的 Petzval 场曲。这种双阴极结构的扫描变像管尤其适合应用于双能段扫描晶体谱仪以及需要两种不同空间成像倍数的物理实验诊断。图 7 为双阴极双板电极扫描管电子光学仿真图和测得的双阴极空间分辨率图像,两段阴极中的每一段阴极的空间分辨率均达到了和单阴极双板电极扫描管一样的分辨率指标。图 8 为双阴极双板电极扫描管双阴极部件局部照片。 图7 双阴极双板电极扫描管电子光学仿真和空间分辨率测试图像 图8 双阴极双板电极扫描管局部照片 尽管从技术指标检测看,双板电极的扫描管有一定优势,时空分辨率均高于同轴电极扫描管,同等时间分辨率条件下效率也略高于同轴电极扫描管,但是其有些使用方面也存在不足。首先,扫描管的技术性能指标对电极电压极为敏感,扫描管内的板状电极电压波动几 V 便会产生显著的影响,而电四极透镜电压波动几百 mV 就会对空间性能参数产生影响,因此在强电磁干扰工作场合,必须很好地解决电磁屏蔽和电压稳定度控制问题。我们测量了电四极透镜电压波动影响,测量了距离阴极中心 10 mm 位置的像点在荧光屏成像位置受电四极透镜电压的影响,发现当电四极透镜电压变动 1 V,光点在荧光屏上位置变动 54 μm,相当于在阴极变动 33 μm。其次,当入射光强变强时,由于电子束自身库仑场(beam self-field)对电四极透镜内部电场的影响,阴极上尤其是离轴较远的位置,放大倍数会有轻微的变化,也会导致信号空间定位的波动,这本质上也会影响相机的动态范围,需纳入动态范围的判据。 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...
2023-07-04
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