飞秒条纹变相管的设计

    0 引言

    条纹相机时间分辨能力的理论极限是10 fs,多年以来人们一直在向这个方向奋斗1国外在提高时间分辨方面有了显著的进展:日本滨松公司和俄罗斯科学院普通物理研究所已经研制成时间分辨能力为200 fs的条纹相机[1]1美国堪萨斯大学常增虎课题组通过在阳极和偏转板之间放置一个宽度为5Lm的狭缝,将静电聚焦条纹相机的时间分辨提高到280 fs,并且开展了时间分辨为100 fs的条纹相机的研究工作[2]1除了时间分辨能力以外,条纹相机的其它性能指标也在不断提高.日本条纹相机的动态范围高达10000B1,同步扫描的频率高达175MHz,俄罗斯条纹相机空间分辨能力可以达到40 lp/mm1其次便是条纹相机光谱响应范围的扩展:波长为5~75Lm的远红外条纹相机已经问世[3]1俄罗斯开展了离子(质子或A粒子)条纹相机的研究(光电阴极用CsI),时间分辨率为7ps,空间分辨率为70Lm[4],同时也研制成功中子条纹相机探测器(聚乙烯膜上镀CsI),时间分辨率30 ps[5];条纹相机的超小型化也取得了很大的进展,且可用于激光雷达成像技术上[6,7].另外,关于条纹相机的新技术、新方法不断涌现,如阿秒条纹相机[8]、各向异性聚焦条纹相机[9]、大输入画面条纹相机[10],射频圆扫描条纹相机等[11]11998年,常增虎[12]研究小组研制的短磁聚焦变像管在紫外波段时间分辨率已达540 fs1但短磁聚焦条纹相机对激磁电流以及栅极高压的稳定性要求很高:要求漂移不能超过万分之一,否则会造成像面的漂移1因此,本文采用静电聚焦系统,考虑实际工艺水平,尽可能增大阴极和栅极之间的电场强度,同时对聚焦电极的结构进行优化设计,使得光电子脉冲在阴极、栅极以及聚焦电极之间的时间宽度尽量减小,甚至出现电子脉冲/压缩0现象,有利于提高变相管的物理时间分辨能力,使整机总时间分辨能力达到飞秒量级1

    1 计算模型及方法

    从光电阴极上发射出的光电子,其初始能量、方位角、仰角、初始位置都满足一定的统计分布1光电子的初始位置分布可以是均匀分布(均匀光照射时)或近于高斯分布(激光近距离照射),光电子的初始能量一般认为服从B分布.当给定光电子的初能量、初位置、以及初始倾斜角分布后,可以利用MonteCarlo(M-C)方法进行抽样1根据概率论中的大数定理,只有当抽样次数达到无穷大的时候,抽样分布才能接近实际分布,而实际又很难做到抽样次数达到无穷大,因此M-C抽样结果是否可靠,必须得到验证1图1是光电子的初能量满足在(0~0.6 eV)上的B(1,4)分布的Monte Carlo抽样结果1跟踪电子轨迹的计算基于以下假设:

    1)光电子的初能量满足在(0~0.6 eV)上的B(1,4)分布,该分布的M-C抽样采用直接抽样法[13];2)光电子的初位置满足均匀分布;3)光电子仰角服从(0~90b)的余弦分布,方位角服从(0~2P)范围内的均匀分布,余弦分布的M-C抽样采用积分抽样法.