动态范围2000的皮秒时间分辨软X射线扫描相机

　　0　引言

　　在惯性约束聚变和核爆模拟实验中,变像管扫描相机是非常重要的诊断工具.靶目标区域高温等离子体产生的X射线辐射强度空间分布、时间演化、能谱及其时间演化等的诊断都离不开变像管扫描相机.由于X射线辐射强度相差很大,没有足够动态范围的扫描相机,即使时间分辨率再高,实用价值也是很有限的.因此,在变像管扫描相机的实际应用中,动态范围是非常重要的性能指标[1-4].

　　现有的变像管扫描相机的动态范围一般在100左右,而且与具体的诊断对象有关,最高能够达到1 000.文献[5]研制了一种大动态范围的软X射线扫描变像管及相机系统,按照比较严格的定义和测试,动态范围达到了922.在此工作的基础上,根据现场使用情况的反馈,对变像管及相机系统进行了重新优化设计,降低了聚焦电压,引入了后加速系统,以保证足够高的荧光屏量子效率,并采用了大动态范围的像增强器进行图像外增强.借助于钇铝石榴石(Yttrium Aluminium Garnet, YAG)皮秒激光器动态性能测试和标定系统,对相机性能进行了实验评价,实测动态范围达到了2 000以上.

　　1　扫描变像管

　　变像管是扫描相机的核心部件,其性能直接影响到相机系统的整体性能.优化设计的变像管电子光学系统见图1.在已有研究工作和理论分析的基础上,主要做了两方面的改进:

　　1)适当降低了聚焦电压(电压及其它参量见表1),阳极电压控制在8 kV.这样既有效防止了高压打火,又有利于提高偏转系统的偏转灵敏度(76 mm/kV);

　　2)引入了后加速系统.设计的后加速系统在结构上和阴极后的加速栅网类似,让电子通过一个狭窄的平面加速场,在不改变电子的径向速度的情况下,强行大幅度提高所有电子的轴向速度,使电子以很高的速度上靶,大幅度提高荧光屏的量子效率.通常微通道板(MicroChannel Plate, MCP)内增强变像管的荧光屏电压是5 kV左右,采用后加速技术后,电压可以提高到10 kV以上.

　　2　动态测试

　　扫描相机动态测试系统及其示意图如图2.扫描相机系统由扫描变像管、包括扫描电路在内的控制电路、大动态像增强器和电荷耦合器件(ChargeCoupled Device, CCD)读出系统组成.动态测试系统由四倍频Nd∶YAG脉冲激光器(中心波长266 nm,脉冲宽度30~40 ps)、紫外光标准具(光程119 mm,时间间隔393 ps)、延迟光路、真空机组等组成.

　　2.1　空间分辨特性的测量

　　X光扫描相机的光阴极采用衬底为石英、带有狭缝形分辨率图案的金光阴极.分辨率图案分为3段,中间为15 lp/mm,两端为10 lp/mm.紫外光源均匀照亮光阴极,考察CCD读出系统获得的分划板所成的像,即可判断空间分辨率.