大动态范围长狭缝条纹相机系统

　　在对X射线的超快诊断中,变像管条纹相机是不可或缺的重要工具。由于在大多数应用领域,人们更关心的是时间特性,因此,变像管超快诊断技术的研究更多地集中在时间特性的改善方面[1-2]。对于动态范围,就一般应用而言,基本能满足使用要求,相应的研究工作则要少一些[3-7]。随着ICF研究的深入,在对高温高密度等离子体软X射线辐射的时间、空间和能谱组合测量中,遇到的突出问题是不同信号分量的辐射强度相差很大,变像管的动态范围问题成为制约诊断设备性能提高的主要因素。

　　本文以扩展变像管条纹相机的动态范围为主要研究目标,同时兼顾具有尽可能大的阴极工作面积和高的时间分辨力。通过分析变像管中的物理机制和相机各个环节的信息传递方式,从中找出限制动态范围的主要因素。在此基础上,提出新的技术途径,初步解决扩大动态范围的有关理论和技术问题,为ICF实验研究提供实用的、能进行时间、空间、能谱组合测量的长狭缝大动态范围条纹相机,同时为进一步扩大变像管相机的动态范围积累经验。

    1　设　计

　　根据扫描变像管的工作原理,要扩大其动态范围,有两条主要途径:一是设法提高最大输入光能阈值;二是尽可能降低噪声电平。研究表明,对于变像管条纹相机而言,限制其最大输入光能阈值增大的主要因素有两条,一是空间电荷效应导致的电子脉冲展宽机制,二是信号放大的非线性。空间电荷展宽效应与电子在聚焦系统中的渡越时间密切相关,也即与聚焦区的长度和电子在其中的运动速度有关。信号放大的非线性与所用信号放大器件的性能有关。而影响噪声电平的因素很多,主要是光电阴极、荧光屏、微通道板(MCP),CCD等的量子噪声。

　　为了有效扩大变像管条纹相机的动态范围,针对上述影响动态范围的主要因素,我们主要采取了以下措施:

　　(1)优化设计一种短聚焦区高压电子光学系统,以缩短电子束在聚焦区的渡越时间,减小空间电荷效应,该聚焦系统轴上电位最低5 kV,最高16.5 kV,电子渡越时间约0.5 ns;

　　(2)提高扫描变像管的阳极工作电压,达到16.5 kV,并合理确定荧光屏的粉层厚度和制屏工艺,提高荧光屏的量子转换效率;

　　(3)在扫描变像管内不用MCP,也不使用带MCP的像增强器,而是采用第一代像增强器,在高电压下通过光电和电光转换获得高的光增益,这样既不存在MCP噪声,也不存在MCP增益非线性的限制;

　　(4)在扫描变像管荧光屏与像增强器光电阴极以及像增强器荧光屏与CCD之间采用光纤面板或光锥实现光能耦合,从而提高光能耦合效率;