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激光聚变领域条纹相机——主要相关技术进展

发表时间:2023-07-19 09:00作者:海丰汇小丰

伴随激光聚变精密物理实验的发展,实验对相机的性能和定量化提出了更高的要求,条纹相机的研发过程中衍生了许多其他相关新技术,当前主要有光时标系统、强辐射环境下条纹相机的抗辐射加固和背景噪声抑制等。

▍背照时标

在当前的激光聚变研究领域,条纹相机的紫外时标图像信号伴随实验图像信号同时测量,已经成为条纹相机的标准配置,紫外时标信号在处理实验数据以及确认条纹相机动态工作状态方面有着巨大的作用。近几年,紫外时标光馈入方式逐渐由阴极前照透射式转变为阴极背照反射式,主要原因是:

  1. 紫外光背照阴极产生光电子的效率不像前照式那样易受阴极各膜层厚度影响,加上为掠入射,有利于提高二次电子发射效率,大幅度提高响应灵敏度,以数值孔径(NA)为 0.22 的紫外光纤传输 351 nm 时标光为例,前照式时标需要约 10 μJ 以上的序列脉冲总脉冲能量,而背照式时标仅需要不到 1 μJ;

  2. 紫外响应灵敏度的提高有利于降低紫外激光器功率要求,同时也降低了对光纤损伤阈值的要求;

  3. 背照的时标组件不对阴极前方产生遮挡,有利于晶体谱仪等反射式分光元件的光路设计和排布;

  4. 背照型时标系统没有前端光纤干扰,有利于为条纹相机前端创造全封闭的电磁屏蔽结构,这对于当前电磁脉冲干扰异常严重的高功率激光装置来说显得尤为重要。

当前美国国家点火装置和法国 LMJ 激光装置的 X 射线条纹相机均改造成了背照式时标系统,激光聚变研究中心目前正研发扫描变像管的背照时标技术。图 1为激光聚变研究中心研制的时标背照双板电极扫描管的设计图,采用紫外光纤传输 351 nm 时标光,光纤输出端面近贴光阴极面的方法获得背照时标信号。图 2 为美国 LLNL 同轴电极扫描管背照时标横断面设计图,采用微型聚焦镜头对光纤输出的 263 nm 时标光成像,成像面为阴极面,以此获得微点时标信号。

紫外光纤将 351 nm 时标传输至双板电极扫描管阴极俯视图.jpg

图1 紫外光纤将 351 nm 时标传输至双板电极扫描管阴极俯视图

4 倍频时标光传输至阴极横断面图.jpg

图2   4 倍频时标光传输至阴极横断面图

▍高产额中子辐射环境应用

高功率激光聚变物理实验会产生高产额的 DT 和 DD 中子,然而条纹相机在传统的近距离工作方式下,只能在中子产额 1013 以下(中子积分通量约为 107/cm2)进行实验诊断测量,高产额中子对条纹相机的影响主要表现在 5 个方面:

  1. 产生带电粒子能量沉积导致 CCD/CMOS(互补金属氧化物半导体)有非常严重噪声;

  2. 光纤面板(FOP)背景光(切伦科夫效应);

  3. 荧光屏闪烁噪声;

  4. 电路(主要是集成电路,即 IC)瞬间闩锁或大电流冲击导致的元件毁损;

  5. 各种器件累计电离损伤,包括 CCD、光纤面板、电子器件(永久性的损伤,不可逆),其中带电粒子能量沉积造成的 CCD/CMOS 噪声占据统治因素。

由于承重和空间限制,近距离工作的气室型 X 射线条纹相机基本不能依靠屏蔽的方法抵御中子和 γ 射线的辐射危害,而主要依靠器件的抗辐射能力和两种时序的技术方法。时序的技术方法主要有两种,一是 CCD/CMOS 记录设备在中子消失之后才启动曝光动作,二是 CCD/CMOS 记录设备在中子到达之前完成曝光动作。

中子消失后启动曝光

这种技术方法是条纹相机要在中子消失后才启动 CMOS 相机的曝光,在中子消失之前,CMOS 相机一直处于像元势阱内电子倒空(dump)工作模式,清除任何带电粒子能量沉积在像元势阱内产生的光电子,在中子消失的瞬间,快速启动 CMOS 相机的曝光,利用条纹相机荧光屏长余辉时间特性,同样可以捕获实验图像信号。其工作时序图如图 3 所示。

倒空型 CMOS 相机工作时序图.jpg

图3   倒空型 CMOS 相机工作时序图

这种模式和没有采用 CMOS 相机倒空技术相比,能减少 90% 的中子背景噪声,其关键技术在于抗辐射大靶面倒空型 CMOS 相机的研制,要求这种倒空型 CMOS 相机在本身能容忍相应中子通量辐射的前提下,其工作时序中的各类时间延迟满足要求,其中最主要的技术指标是最小启动曝光时间,也就是收到倒空结束指令到真正启动曝光所需要的最小时间,以尽可能最大限度利用荧光屏的余辉时间完成曝光。

中子到达前曝光

由于即使在近靶点距离工作情况下,中子到达时间也晚于 X 光几十 ns 以上,因此 CMOS 相机可以先于中子到达前快速曝光并暂存信号电荷,曝光时间和条纹相机全屏扫描时间相同,并等待实验辐射效应消失后才读出,其工作时序见图 4。

hCMOS 相机工作时序图.jpg

图4 hCMOS 相机工作时序图

要实现这种工作模式,需要:

  1. 条纹相机直接采用 CMOS 相机代替荧光屏做记录设备,也就是这种 CMOS 相机对变像管聚焦成像的光电子直接响应;

  2. CMOS 相机的电子器件本身能抗中子辐射;

  3. CMOS 相机靶面必须和荧光屏面积相当,即大靶面,同时有足够的空间分辨率。

美国国家点火装置简称这种 CMOS 器件为hCMOS(hybrid CMOS),是相对于传统的前照(FSI)和背照(BSI)CCD/CMOS 相机而言的。hCMOS 由许多零组件混合而成,每个零组件可以单独优化,并且可以实现多帧的几 ns 时间快速曝光,研发难度非常高。其中,小靶面hCMOS(25.4 mm×12.7 mm)已成功应用于 Single Line of Sight(SLOS)诊断设备。我们认为由于这种 hCMOS 相机具有直接接收电子的特性,并且其转换效率随入射电子能量提高而增大,非常适合用于接收扫描管末端的高能光电子。以美国 ICARUS hCMOS 芯片为例,接收一个光电子产生的 CMOS 计数公式为:

接收一个光电子产生的 CMOS 计数公式.jpg

式中,Ncmos,count为 CMOS 的计数;Npe为接收到光电子数目;Epe为光电子能量;QE为对应光电子能量的转换效率;Ee-h为产生一个光电子需要的能量,为 3.6 eV;Ne-h,min为电子空穴对探测电平;12 为和满阱容量相关的系数。接收的条纹相机光电子能量按 10 keV 评估,QE约为 75%,则条纹相机一个光电子在这个 hCMOS 相机上可产生约 50 的计数,因此如果研制出大靶面的 hCMOS 应该可以直接取代传统的荧光屏加 CCD 组合。

对条纹相机应用来说,只需在中子到达前快速曝光等同于全屏扫描时间的一帧,没有 SLOS 要求的多帧曝光难度。

▍阴极门控技术

一般来说,条纹相机无论是 X 光条纹相机还是可见光条纹相机,扫描管聚焦的电极是工作在直流高电压方式的,这种配置对大部分应用来说是可行的。然而,随着物理实验对诊断精密化要求的提高,对条纹相机来说需要解决图像噪声控制问题,尤其是可见光光学条纹相机对各种杂散光(包括散射光和环境光)极为敏感,如果不进行严密的遮光处理,会严重影响扫描图像的信噪比。为此,美国国家点火装置(NIF)明确要求将所使用的可见光条纹相机进行改造,使其具备选通门控能力。

控制条纹相机图像背景噪声,目前一项有效的技术手段就是采用超快的高压门控技术,使得条纹相机只在采集信号的很短时间曝光,为达到控制效果,门控脉宽需要做到几十 ns到几百 ns 量级,脉宽越短门控效果越好。此外,采用高压门控技术,如果是应用到阴栅极,除了可以利用阴栅反向截止光电子获得干净的图像背景,还有一个非常重要的作用是可以大幅度提高阴栅场强,从而提高条纹相机的时间分辨力,这也是飞秒时间分辨率条纹相机研制的重要技术手段之一。我们在可见光条纹相机阴极上采用了负高压脉冲门控技术。图 5显示了采用的触发脉冲(黄线)、阴极高压负脉冲(绿线,衰减 1 000 倍)和测量的光信号脉冲(浅蓝线)之间的时序关系,阴极高压门脉冲半宽约为 250 ns,通过调节阴极高压脉冲触发延迟时间,使得光信号脉冲落在阴极高压脉冲门宽时间内。

图 6(a)为光脉冲信号叠加环境强光同时辐照可见光条纹相机 S20 光阴极(有分辨率图案投影)情况下,采用阴极高压门控技术测得的光脉冲信号,光脉冲图像信噪比优良,在高速门控模式下,空间分辨率也达到了15 lp/mm@10%CTF。图 6(b)为光脉冲信号叠加微弱环境光辐照可见光条纹相机 S20 光阴极情况下,采用传统的直流高压聚焦测得的光脉冲信号,可以看出,即使在微弱环境光影响下也严重干扰了光脉冲图像信号,产生严重的背景噪声。

触发脉冲、高压门脉冲和光信号脉冲时序关系.jpg

图5 触发脉冲、高压门脉冲和光信号脉冲时序关系

阴极门控减少环境噪声效果图.jpg

图6 阴极门控减少环境噪声效果图

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2023-07-04
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