【摘要】：X射線分幅相機利用變像管來實現(xiàn)圖像的光電轉(zhuǎn)換、脈沖選通以及圖像增強,是一種同時具有亞納秒時間分辨和二維空間分辨能力的高靈敏度診斷設(shè)備。其被廣泛用于慣性約束聚變(Inertial Confinement Fusion,ICF)、Z-箍縮(Z-pinch)等重大研究領(lǐng)域。在ICF的最后階段,聚變?nèi)紵掷m(xù)時間約為l00 ps,對該階段等離子體時空演化的測量要求X射線分幅相機的時間分辨率優(yōu)于30 ps,空間分辨率達到微米量級,同時還對大靈敏面提出了要求。傳統(tǒng)的MCP行波選通分幅相機難以滿足上述要求。2010年,時間展寬X射線分幅相機被成功研制。該相機將脈沖展寬技術(shù)(Pulse-dilation technique)和MCP行波選通技術(shù)相結(jié)合,獲得了優(yōu)于5 ps的時間分辨。時間展寬分幅相機的問世將為ICF研究提供一種新型的、具有更高時間分辨率的診斷設(shè)備。為了滿足國內(nèi)ICF的需求,本論文設(shè)計研制了短磁聚焦成像電子束時間展寬分幅變像管,對變像管的時空特性進行了理論和實驗研究。探索大靈敏面條件下X射線分幅相機優(yōu)化時空分辨的有效途徑,進而為國家慣性約束聚變和Z-箍縮等領(lǐng)域的研究提供一種高性能的超快診斷手段。本論文的主要工作包括:1、利用Matlab編程建立短磁聚焦時間展寬分幅變像管的理論模型,對其時空分辨特性進行了理論研究。2、數(shù)值模擬了變像管系統(tǒng)的靜態(tài)成像特性。當光陰極加載直流電壓-3.0 kV,柵網(wǎng)接地,成像倍率為1:1時,單透鏡像管軸上、離軸6 mm和12 mm處的空間分辨率分別為16.2,7.3和2.5 lp/mm;成像倍率為2:1時,上述三個位置的空間分辨率分別是7.1,4.6和2.1 lp/mm。采用磁透鏡組合成像,可有效提升空間分辨率。雙透鏡和三透鏡2:1成像,陰極上離軸6 mm的空間分辨提高了1倍以上,離軸12 mm提高了2至3倍,離軸18 mm范圍內(nèi)的空間分辨率優(yōu)于5 lp/mm。像差分析表明,組合磁透鏡成像系統(tǒng)的彗差、象散、場曲以及整體畸變較單磁透鏡成像均有明顯減小,像質(zhì)顯著改善。3、數(shù)值模擬了單磁透鏡1:1成像下變像管的動態(tài)特性。陰極偏置-3.0kV時,光電子脈沖在像管中的渡越時間和渡越時間彌散分別為15.5 ns和3.4 ps。陰柵間的渡越時間彌散為447 fs,主要由電子初能量彌散造成的。在漂移區(qū)中,初能量彌散和空間電荷效應(yīng)造成電子脈沖迅速展寬。陰極加載線性斜率的展寬脈沖時,光電子脈沖展寬倍率隨陰極偏置的減小以及電壓斜率的增大而增大。推導(dǎo)了光電子脈沖線性展寬的陰極激勵函數(shù),并經(jīng)數(shù)值模擬驗證。通過追蹤光電子脈沖的展寬過程和束流的演化,求得陰極偏置-3.0 kV,脈沖斜率分別為10 V/ps,7.0 V/ps和2.1V/ps時,系統(tǒng)的技術(shù)時間分辨率分別為2.2 ps,3.2 ps,和6.6 ps,總時間分辨率分別為4.0 ps,4.7 ps和7.4 ps;變像管離軸2 mm以內(nèi)的動態(tài)空間分辨率優(yōu)于10 lp/mm,離軸5 mm的動態(tài)空間分辨率~6-7 lp/mm。4、采用陰極光刻分辨率板實驗研究了變像管的成像質(zhì)量。陰柵電壓為-3.0kV,成像倍率為1:1時,單透鏡像管離軸6 mm,9 mm和15 mm等處的靜態(tài)空間分辨率分別為9.2 lp/mm,4.8 lp/mm和1.8 lp/mm。成像倍率為2:1時,發(fā)現(xiàn)組合透鏡成像空間分辨明顯高于單透鏡,并且像場畸變也較小。雙透鏡成像離軸9 mm以內(nèi)的空間分辨率優(yōu)于5lp/mm;三透鏡成像離軸20 mm以內(nèi)的空間分辨率優(yōu)于5 lp/mm,陰極面上成像范圍可達離軸30mm。通過改變磁透鏡激勵的方法測量了單、雙透鏡的像場彎曲,得到單、雙磁透鏡成像面中心處的曲率圓半徑分別為6.0mm和9.6mm。采用兩邊微帶較中間微帶加載更高加速電壓的方法改善三透鏡像管的場曲,使兩邊微帶離軸25mm區(qū)域的空間分辨達到或接近5lp/mm。此外,還研究了電子束莫爾條紋的成像規(guī)律。5、實驗研究了變像管的動態(tài)性能及其主要影響因素。利用高速示波器間接測得陰極偏置-3.0kV時,電子在像管中渡越時間約為16.0ns;借助光纖傳光束法測量系統(tǒng)動態(tài)時、空分辨率。測得電子束時間寬度未展寬時系統(tǒng)時間分辨率為78ps。當微帶陰極加-1.5kV的直流電壓和斜率為7 V/ps的脈沖電壓時,電子束時間展寬技術(shù)將時間分辨率提高至5 ps。測得單磁透鏡1:1成像,相機的近軸動態(tài)空間分辨率優(yōu)于10 lp/mm。本論文的主要創(chuàng)新點如下:1、提出了大靈敏面條件下采用磁透鏡組改善離軸物點成像質(zhì)量的方法,建立了大物面變像管的理論模型,獲得了像管空間分辨率的模擬結(jié)果,實驗驗證了磁透鏡組對像場彎曲的部分校正。成像倍率為2:1時,得到單、雙磁透鏡成像面中心處的曲率圓半徑分別為6.0mm和9.6mm;2、系統(tǒng)研究了變像管中電子束莫爾條紋的成像,實驗上得到了電子束莫爾條紋的成像條件符合傳統(tǒng)的光學莫爾條紋成像規(guī)律的結(jié)果。
【圖文】：

后再由重建節(jié)恢復(fù)為二維圖像。利用掃描分幅和快速偏轉(zhuǎn)電路，其成幅于 100 ps。990 年，我國也研制了掃描分幅變像管[33]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1-2 所示利用光學分幅于陰極上成兩幅圖像，之后再由偏轉(zhuǎn)快門分幅，若快門板上加載斜坡電壓，可獲 四幅圖像，，曝光時間 170 ps，空間分辨率為 5 lp/m

r 提出了雙近貼聚焦結(jié)構(gòu)的變像管(如圖 1-3 所示)[34]。在陰，光電子經(jīng)快門選通成像。這里，矩形脈沖的寬度決定了曝電阻及電路等效電容的影響，此類像管曝光時間較長，通幅相機具有結(jié)構(gòu)小巧、增益高、成像面積大、空間分辨率高幅圖像。
【學位授予單位】：深圳大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN143

【參考文獻】

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本文編號：2615294