一种双MCP选通型30~40ps软X射线分幅相机

　　0　引言

　　激光驱动惯性约束聚变中需要研究纳秒级单次激光与亚毫米尺寸等离子体相互作用.纳秒级X射线辐射照亚毫米级DT靶丸的作用过程中,为使DT小丸压缩到高密度,并在中心达到高温,必须实现靶丸的均匀照明,这样才能避免流体力学不稳定性增长和壳层物质与DT燃料的混合.所以,在研究过程中要求提供不同时刻靶等离子体辐射的动态二维空间分布图像.高时空分辨的X光分幅相机正是为了达到这一目标而研制的,当图像幅数足够多时,就可以把激光与等离子体,X光与靶相互作用的过程形象逼真地按时间先后顺序一幅幅地展示出来.由于等离子体的高速运动(速度约为107cm/s),在曝光时间内将造成图像的模糊(100 ps内等离子体的空间位移为10μm),这就需要尽可能地缩短分幅相机的曝光时间.

　　国外由于具有高速电子元件,使得选通电压脉冲的宽度可以缩短到80 ps;并且研制出厚度为0.2 mm的薄MCP,80 ps选通脉冲加载在薄MCP上,获得30~40 ps的曝光时间[1-2].国内由于没有必需的超快电子元件和薄MCP,选通型分幅相机的最短曝光时间仍然保持在60 ps左右[3-5].受纯电子学技术的限制,不能够单纯依靠减小选通脉冲的脉宽来达到提高时间分辨的目的,也不能够只靠提高选通脉冲的幅度来提高相机的增益.本文采用级联双MCP双选通的方法放宽了对选通脉冲的脉宽和幅度的高要求,同时仍可以提高相机的增益和时间分辨能力.实验结果表明,通过调整加载在双MCP上的两列选通电压之间的延迟时间,可以降低相机级联曝光时间.

　　1　相机结构及原理

　　1.1　相机结构

　　双MCP双选通分幅相机主要由分幅管和控制电源两部分构成.其中分幅管主要由两块MCP、阴极微带和荧光屏组成.图1是分幅管的内部结构示意图.

　　图1中法兰盘固定荧光屏和两块MCP并用来传输选通电脉冲线路板的位置·其中荧光屏被焊接在法兰盘上,它和MCPⅡ之间的间距为0.8 mm.这一近贴距离由绝缘氟橡胶垫圈的厚度来决定.由于氟橡胶不包含塑料和其它有机污染物,所以没有放气和污染,不会影响真空度和MCP的增益.经试验,当两块MCP之间的距离为30μm时,电子通过两块级联通道的效率最高.所以为方便装架,MCPⅠ的输出面和MCPⅡ的输入面由30μm厚的Au箔相隔,但通过表面所镀Au膜连接并接地.

　　MCPⅠ的输入面上和MCPⅡ的输出面上镀有Au微带线,MCPⅠ输入面上的微带线一方面作为反射式光电阴极,将输入的X射线图像转化为电子图像,另一方面作为负高压选通脉冲的传输线,使微带线上的图像被高压脉冲依次选通并增强.而MCPⅡ输出面上的Au微带线只起正高压选通脉冲传输线的作用.线路板PCBⅠ和PCBⅡ的输入面镀有Au微带渐变线,实现50~17Ω的阻抗变换,以便与MCP微带线的阻抗匹配耦合.两块MCP参量一致,均选用长径比L/d= 40,厚度0.5 mm,斜切角8°,孔径12μm的MCP.两块MCP的微通道呈“V”形结构.微带线长40 mm,宽6 mm,上下两块MCP上的微带完全一致,且平行对称对齐·图2是分幅管的内部实物照片.