微通道板行波选通X射线皮秒分幅相机动态空间分辨率的优化

　　0　引言

　　X射线皮秒分幅相机(XFC)作为一种二维图像测量装置,广泛应用于涉及X射线超快现象诊断,其范围涵盖了核物理学、生物医学光子学、等离子体物理学、强场物理学等新兴学科,例如应用于惯性约束聚变、同步辐射、Z箍缩等离子体、直线性加速器的光束测量等[1-6].近年来,采用微通道板(Microchannel Plate, MCP)行波选通实现皮秒分幅摄影(MCP-XFC)的技术获得了很大进展和广泛应用,其优点是动态空间分辨率高、动态范围大、几何畸变小、时间分辨率也很高[5-6],然而随着前述诸领域研究的深入,特别是惯性约束聚变精密化的进展,这种相机正承受着提高时间和空间分辨率的双重压力.

　　MCP-XFC的时、空分辨能力是最受关注的两项指标,主要受选通脉冲的宽度、幅度、形状以及MCP的厚度、孔径比、开口面积等诸多因素的影响和制约,其理论模型都是建立在一些假设基础上[8-12],并且对空间分辨率的研究和测试主要集中在静态状态下[4-5,7],未见有关于相机在短脉冲选通状态下的动态空间分辨率的研究的报导.本文希望通过对MCP-XFC的皮秒选通下的空间分辨率的理论模型的分析和基于多个参数的数值模拟,为进一步通过改进相机结构及其参数来提高相机的动态时空分辨能力提供支撑.

　　1　微通道板选通X射线分幅相机系统空间分辨率理论分析

　　MCP-XFC主要由成像针孔阵列、MCP分幅管、高压脉冲发生器为主的驱动电路和图像记录系统构成.在MCP的输入面镀有X射线光电阴极,选通电脉冲通过微带线加在MCP上.X射线像经针孔在MCP的输入面产生相应的光电子图像,只有快门脉冲所在的一段微带区域的光电子像将会被MCP增强,并到达近贴的荧光屏形成输出图像,并用紧贴在光纤面板上的图像采集系统记录[4].

　　MCP-XFC的空间分辨率由MCP分幅管、针孔、图像记录系统的像增强器与CCD相机等光学及电子光学系统的空间分辨率所决定,因为成像针孔、像增强器与CCD的空间分辨率与使用条件有关,所以一般所说分幅相机的空间分辨率都指的是MCP分幅管的空间分辨率,其空间分辨率主要受其各部分组成元件的特性及其结构的影响.若忽略光电子的初能量和初角度分布、空间电荷效应、噪声等组成元件特性的影响,只考虑结构对相机的影响,并假设系统各部分相对针孔处的放大率为1,则分幅管的静态空间分辨率N可表示为：

　　式中NPC→MCP是光电阴极到MCP输入面的近贴聚焦电子光学系统的空间分辨率,NMCP是MCP的空间分辨率,NMCP→PS是MCP输出面到荧光屏的近贴聚焦电子光学系统的空间分辨率,NPS是荧光屏的空间分辨率,NFOP是光纤面板的空间分辨率.