多量程X射线条纹相机研制

　　在惯性约束聚变( inertial confinement fusion,ICF)过程中,对于X射线诊断的研究具有重要意义.激光驱动ICF需要高温、均匀且干净的辐射场, X射线是其主驱动源[1]. ICF内爆后期靶丸的压缩阶段,典型的时空尺度为100 ps和几十微米.在对高温高密度等离子体X射线诊断的众多设备中,条纹相机是唯一可能以优于10 ps的时间分辨,获得辐射过程的时间、空间与能谱组合图像的诊断设备[2]. 20世纪80年代中期,牛憨笨等人成功研制了中国首台X射线条纹相机,从此中国的变像管高速相机长期处于国际先进水平,通过对其不断地改进和研制,现多部相机已用于星光、神光系列ICF研究中[3-6].

　　针对以往条纹相机量程较少,且不能在大扫描范围内诊断等离子体脉冲信号的缺陷,本文研制了用于ICF的多量程X射线条纹相机.其具有8个量程,全屏诊断时间为1·5~200 ns,相机扫描速度可在16·11~0·11 mm/ns变化,变化范围超过146倍.同时,为了使相机的动态范围超过100, 8个档位的扫描非线性达3%,研究还优化了变像管设计和制作工艺以及相机电路性能,保证该相机符合靶场诊断实验要求.通过对相机性能进行测试,得到相机时间分辨优于45 ps,动态范围达到127, 7个档位扫描速度非线性优于3%,第8个档位非线性约为3%.

　　1　X射线条纹相机

　　1·1　X射线条纹相机结构

　　X射线条纹相机主要由条纹变像管、像增强器(micro-channel plate, MCP或像管)、高压电源、同步触发系统(由触发脉冲、PIN和可变延时器组成)与扫描电路、耦合光纤面板、CCD图像采集系统、时标系统和计算机等组成,如图1.其中,条纹变像管由光电阴极、加速栅网、静电聚焦系统、偏转系统和荧光屏组成。

　　1·2　X射线条纹相机工作原理

　　X射线条纹相机的作用是将人眼不可见的X射线辐射的时间特性,转变为荧光屏上可见光的空间特性[5-6].相机工作时,被测X射线脉冲经狭缝照到变像管的光阴极上产生光电子,该光电子经加速聚焦进入偏转区,在斜坡电压脉冲作用下,通过偏转区的电子束脉冲被扫描.电子束经过等位区漂移后轰击荧光屏,得到随时间变化的可见光条纹图像,此图像与入射X射线脉冲随时间变化的过程相对应.电子束经过高速扫描,在荧光屏上获得的图像很微弱,为使扫描输出图像能被CCD读出系统记录,一般经过像增强器进行图像增强,以获得足够高的亮度.其中变像管部分必须工作于高真空(气压小于10^-3Pa)环境.

　　2　条纹相机设计

　　2·1　设计变像管

　　本研究采用5电极2透镜的静电浸没透镜系统,通过仿真变像管,使系统工作参数满足设计要求.阴极为平面结构,加速端采用平面栅网结构,偏转板使用平行板.条纹相机变像管电极配置如图2,其中变像管总长421 mm,阴极长度30 mm,阴栅距离2 mm,放大倍率-1·29,荧光屏有效直径40 mm。