發(fā)布時間：2017-05-22 12:14

  本文關鍵詞：X射線飛秒條紋變像管設計與性能提高研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：條紋相機是高時間分辨率的診斷工具,在慣性約束聚變(Inertial Confinement Fusion,ICF)等超快過程研究中有重要作用。激光快點火ICF研究中需要研究聚變瞬間所釋放的X射線輻射的時空信息,受此需求研究X射線飛秒條紋相機。雖然X射線飛秒條紋相機有很多前期研究工作和進展,但是在飛秒時間分辨率下,還存在動態(tài)范圍太小的缺陷。條紋變像管是條紋相機的核心器件,本文研制了能提供一定動態(tài)范圍具有實用價值的X射線飛秒條紋變像管。另一方面研究提高X射線條紋相機時空分辨率、動態(tài)范圍等主要指標,繼續(xù)改進X射線條紋變像管的設計,研究提高條紋相機性能的途徑和方法。本論文在總結國內(nèi)外條紋相機發(fā)展的基礎上,進行了X射線飛秒條紋變像管設計和性能提高的研究,完成的主要工作包括以下幾個方面:1.研究了X射線條紋變像管實現(xiàn)飛秒時間分辨率的方法。用參數(shù)介紹-提高方法-技術分析的邏輯順序進行闡述和分析時間分辨率。引入了評價條紋變像管時空性能的方法:時間和空間調制傳遞函數(shù),簡介該函數(shù)的物理意義、計算方法和使用優(yōu)點。介紹條紋變像管計算動態(tài)范圍的兩種方法。最后提出了實現(xiàn)X射線飛秒條紋相機的方法和關鍵技術,使用平面聚焦系統(tǒng),減小空間電荷效應,提高軸上電位分布,減小聚焦區(qū)管長。2.使用Matlab編程設計和模擬平面聚焦X射線飛秒條紋變像管。首先根據(jù)系統(tǒng)中的電極分布和電壓值使用有限差分法,高斯-賽德爾的超松弛迭代法加快收斂速度,得到管內(nèi)電場分布。計算管內(nèi)電子飛行軌跡時,使用Monte Carlo方法抽樣電子初始狀態(tài):能量、方向角、方位角、發(fā)射區(qū)域、時間分布;使用四階龍格-庫塔法計算電子軌跡,其中用拉格朗日插值電子落點電場值。電子的發(fā)射和飛行全程考慮了空間電荷效應。3.X射線條紋變像管的模擬設計結果。首先對現(xiàn)存陰極附近時間彌散不一樣的評價公式,確定了紫外和X射線波段入射光電陰極時,為光電子六種初始能量分布的時間彌散計算了精確值,其中對Henke模型使用了一種較為快速的抽樣方法。分析了光電子發(fā)射電流密度、加速電場和時間彌散的關系。模擬得到電子脈沖在加速區(qū)軸向速度的線性啁啾,以及能量彌散變化和在自由區(qū)不相同。模擬得出平面聚焦X射線飛秒條紋變像管的極限時空分辨率為392fs、28.5lp/mm,動態(tài)范圍為66。4.為提高平板結構X射線飛秒條紋相機性能,設計了一種加速結構。該結構具有加速柵網(wǎng)和加速狹縫通道�？紤]實際ICF實驗中X射線入射CsI光陰極,光電子能量彌散較大和空間電荷效應作用情況下,用Monte Carlo方法研究了電子在采用該加速結構條紋變像管中的飛行軌跡。結果顯示具有該加速結構的飛秒條紋相機空間分辨率為21lp/mm、時間分辨能力497fs,對比傳統(tǒng)平板結構條紋相機,分別提高了90%和29%左右。該結構簡單,具有一定實用性。5.后加速技術是我們提高X射線條紋相機性能的重要技術,本文做了詳細研究。從后加速系統(tǒng)中的電子光學、最小可探測光子密度、柵網(wǎng)莫爾條紋以及電子和柵網(wǎng)的碰撞四個方面研究了后加速技術作用。得出后加速系統(tǒng)的引入既可以保證大的偏轉靈敏度又充分利用了熒光屏量子效率,還有利于提高相機動態(tài)范圍。研究了后加速系統(tǒng)中柵網(wǎng)對等位區(qū)電場的擾動,對后加速系統(tǒng)中柵網(wǎng)的選擇提供了參考;分析了條紋相機中對空間成像不利的莫爾條紋,并研究了降低莫爾條紋影響的方法。6.實驗平臺的建立和實驗測試。研制出了X射線飛秒條紋變像管;在靜態(tài)和動態(tài)工作模式下,搭建、測試并標定了相機系統(tǒng);在鈦寶石飛秒激光器266nm紫外光激發(fā)下,測試條紋相機結果為時間分辨率780fs,極限動態(tài)范圍96.3,工程動態(tài)范圍18.2,具有一定實用性。為后加速系統(tǒng)制作了高性能熒光屏和分劃板式陰極。測試了使用后加速系統(tǒng)的皮秒軸對稱條紋相機,熒光屏中間區(qū)域達到了15lp/mm,邊緣達到了10lp/mm,工程動態(tài)范圍2412的性能指標,是以往國內(nèi)條紋相機最高動態(tài)范圍的兩倍多。在相機條紋圖像分析中使用了LLNL實驗室使用的峰值取樣法,得到條紋相機的空間MTF曲線。本論文研究工作的主要創(chuàng)新點有:1.用Monte Carlo方法研究紫外和X射線入射光電陰極時,給出了光電子六種初能分布下較為精確的時間彌散值,其中對Henke模型提供了一種較為快速抽樣方法。2.在研究電子陰柵之間飛行狀態(tài)時,得到電子在加速區(qū)的速度啁啾、能量彌散和在等位區(qū)不同,并給出了理論解釋。3.對傳統(tǒng)平板結構飛秒條紋變像管提出了改進,設計了一種加速結構,計算和模擬顯示具有這種結構的X射線條紋相機時空性能有所提高。4.引入了后加速技術提高X射線條紋相機動態(tài)范圍。從后加速系統(tǒng)中的柵網(wǎng)對電位擾動、最小可探測光子密度、柵網(wǎng)莫爾條紋以及電子和柵網(wǎng)的碰撞四個方面研究和分析了后加速技術。在實驗中驗證了后加速系統(tǒng)的價值,提高軸對稱X射線皮秒條紋相機工程動態(tài)范圍2412,這是以往國內(nèi)有報道最高值的兩倍多。
【關鍵詞】：超快診斷 條紋相機 Monte Carlo模擬 動態(tài)范圍 后加速
【學位授予單位】：深圳大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O434.1;TB852.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 緒論15-32
• 1.1 高速攝影技術15-16
• 1.2 慣性約束聚變16-23
• 1.2.1 慣性約束聚變概述16-19
• 1.2.2 激光慣性約束聚變發(fā)展19-21
• 1.2.3 慣性約束聚變診斷技術21-23
• 1.3 X射線條紋相機工作原理23-24
• 1.4 條紋相機的發(fā)展24-28
• 1.4.1 條紋相機的國外發(fā)展24-26
• 1.4.2 國內(nèi)發(fā)展26-28
• 1.5 本文研究的提出28-29
• 1.6 本文研究內(nèi)容和創(chuàng)新點29-32
• 1.6.1 本文的主要研究內(nèi)容29-30
• 1.6.2 本文主要創(chuàng)新點簡介30-32
• 第2章 X射線飛秒條紋相機設計方法與評價32-48
• 2.1 X射線飛秒條紋變像管設計方法32-33
• 2.2 時間特性33-35
• 2.2.1 渡越時間33-34
• 2.2.2 時間畸變34
• 2.2.3 時間彌散34-35
• 2.3 時間分辨率35-36
• 2.4 空間分辨率36-37
• 2.5 調制傳遞函數(shù)37-41
• 2.5.1 調制傳遞函數(shù)的意義37-38
• 2.5.2 調制傳遞函數(shù)與對比傳遞函數(shù)38
• 2.5.3 空間調制傳遞函數(shù)與空間分辨率38-40
• 2.5.4 時間調制傳遞函數(shù)與時間分辨率40-41
• 2.6 偏轉特性41-44
• 2.6.1 平板偏轉系統(tǒng)42-43
• 2.6.2 行波偏轉系統(tǒng)43-44
• 2.7 動態(tài)范圍44-45
• 2.8 條紋相機其他技術參數(shù)45
• 2.9 X射線飛秒條紋相機的總體設計45-48
• 2.9.1 X射線飛秒條紋變像管設計原則45-46
• 2.9.2 X射線飛秒條紋相機關鍵技術46-48
• 第3章 X射線飛秒條紋相機設計數(shù)值方法48-61
• 3.1 陰極發(fā)射的光電子模擬48-51
• 3.1.1 光電陰極簡介48-49
• 3.1.2 蒙特卡羅方法簡介49
• 3.1.3 光電子發(fā)射模型49-51
• 3.2 電場的計算51-55
• 3.2.1 有限差分方程的求解51-53
• 3.2.2 超松弛高斯-賽德爾迭代53-55
• 3.3 空間電荷效應55
• 3.4 電子運動軌跡的計算55-59
• 3.5 X射線飛秒條紋變像管模擬流程59-61
• 第4章 模擬結果及分析61-76
• 4.1 光電子初始狀態(tài)對條紋相機的影響61-65
• 4.1.1 光電子能量和角度分布模型62-63
• 4.1.2 光電子初始能量角度分布引起的時間彌散63-65
• 4.2 空間電荷效應對條紋相機的影響65-69
• 4.2.1 空間電荷效應引起的時間彌散65-67
• 4.2.2 電子初能量角度分布以及空間電荷效應引起的時間彌散67-69
• 4.3 X射線飛秒條紋變像管設計與模擬69-75
• 4.3.1 X射線飛秒條紋變像管優(yōu)化設計69-70
• 4.3.2 X射線飛秒條紋變像管結構70-72
• 4.3.3 空間特性模擬72-73
• 4.3.4 時間特性模擬73-74
• 4.3.5 動態(tài)范圍模擬74-75
• 4.4 X射線飛秒條紋相機設計小結75-76
• 第5章 X射線飛秒條紋相機的改進型加速結構76-85
• 5.1 改進型加速結構76-77
• 5.2 X射線飛秒條紋相機時空分辨率的提高77-84
• 5.2.1 電場與電子軌跡77-79
• 5.2.2 狹縫通道攔截電子79-81
• 5.2.3 時空特性81-84
• 5.3 改進型加速結構小結84-85
• 第6章 X射線條紋相機后加速技術研究85-107
• 6.1 后加速柵網(wǎng)對電位的擾動86-90
• 6.1.1 柵網(wǎng)模型86-87
• 6.1.2 等位區(qū)電位擾動87-90
• 6.2 最小可探測光子密度90-101
• 6.2.1 條紋相機中的噪聲源91-93
• 6.2.2 條紋相機的圖像傳遞信噪比函數(shù)93-94
• 6.2.3 條紋相機的探測方程94-96
• 6.2.4 噪聲限制的最小可探測閾值96-97
• 6.2.5 記錄系統(tǒng)限制的最小可探測閾值97-99
• 6.2.6 相機系統(tǒng)的最小可探測光子密度99-100
• 6.2.7 相機系統(tǒng)動態(tài)范圍的提高100-101
• 6.3 莫爾條紋101-105
• 6.3.1 莫爾條紋原理101-102
• 6.3.2 莫爾條紋的傅里葉分析102-104
• 6.3.3 二維柵網(wǎng)的莫爾條紋104-105
• 6.4 電子和柵網(wǎng)的碰撞105-107
• 第7章 實驗平臺建立與實驗結果107-130
• 7.1 X射線條紋相機熒光屏和陰極的研制107-110
• 7.1.1 高效熒光屏研制107-108
• 7.1.2 光電陰極研制108-110
• 7.2 X射線飛秒條紋相機建立和實驗110-119
• 7.2.1 飛秒條紋變像管制作110-111
• 7.2.2 飛秒條紋相機系統(tǒng)111-112
• 7.2.3 飛秒條紋相機靜態(tài)性能測試112-114
• 7.2.4 飛秒條紋相機動態(tài)性能測試114-118
• 7.2.5 飛秒條紋相機測試小結118-119
• 7.3 后加速X射線皮秒條紋相機建立和實驗119-123
• 7.3.1 后加速組件制作119-120
• 7.3.2 后加速皮秒條紋相機靜態(tài)實驗120-121
• 7.3.3 后加速皮秒條紋相機動態(tài)實驗121-123
• 7.3.4 后加速皮秒條紋相機測試小結123
• 7.4 峰值取樣法在條紋圖像處理中的應用123-128
• 7.4.1 峰值取樣法原理123-124
• 7.4.2 峰值取樣法計算圖像對比度124-128
• 7.5 本章小結128-130
• 第8章 總結與展望130-133
• 8.1 總結130-131
• 8.2 展望131-133
• 參考文 獻133-141
• 致謝141-142
• 攻讀博士學位期間的研究成果142-143

  本文關鍵詞：X射線飛秒條紋變像管設計與性能提高研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：385705