门控分幅相机增益衰减特性

　　门控分幅相机是激光惯性约束聚变(ICF)研究领域的重要诊断设备,具有较高的时间和2维空间分辨能力,主要用于高速瞬变现象的时空分辨特性观测。1949年第一台分幅相机问世,之后人们一直致力于相机结构的改善[1-4]。直到20世纪90年代后期,分幅相机结构才发展得比较成熟。对相机的研究多在于对其性能的分析与提高,包括减少曝光时间[5],改善空间分辨率[6],提高增益均匀性[7-8]等方面。

　　门控分幅相机的增益衰减是增益不均匀性的表现之一。2004年英国C.J.Horsfield等[8]提出增益衰减随光强增大而呈非线性变化。2005年美国利弗莫尔实验室[7]提出了微通道板脉冲传输模型,模拟了增益值随传输距离增长而衰减的曲线,并提出了一些解决增益衰减问题的办法。本文分析了门控分幅相机的增益衰减理论模型,模拟了衰减曲线,并根据该理论模型设计了测量增益衰减系数的实验,结合理论模型与实验结果,找到减小分幅相机增益衰减的方法。

　　1　结构及工作原理

　　门控分幅相机主要由5部分构成:针孔阵列、皮秒高压脉冲发生器、微带线MCP、荧光屏和电荷耦合器件(CCD),其基本结构如图1所示。该相机以高压选通脉冲为MCP快门,MCP面板上平行排布的4条Au微带为MCP电极,同时又为选通光阴极。选通脉冲发生器发出一个快速高压选通脉冲,该电脉冲以半光速沿微带方向传输,脉冲有效地选通微带上的该区域。同一X射线源被16个针孔成像到微带阴极的16个不同位置,并被光电阴极转换成为光电子。只有微带上被选通区域的光电子能被MCP倍增放大,再轰击荧光屏转换成可见光子。由高分辨可见光CCD读出系统记录。选通脉冲经过之后,则微带上已成像区域处于关闭状态,因此,同一X射线源经16个针孔所成的16幅像在选通脉冲的作用下将被依次选通,并在不同的时间内被记录到高分辨率可见光CCD上供计算机处理。

　　2　分幅相机增益衰减模型

　　分幅相机的条带状Au阴极、高铅玻璃材料制成的MCP基片及MCP输出面电极层构成了传输电脉冲的微带线结构。由于传输线的阻抗损失和高频趋肤效应等,电脉冲沿微带线传输时会有一定损耗,包括辐射损耗、导体损耗和介质损耗。分幅相机使用的微带线可视为均匀有耗传输线。在均匀有耗传输线上传播的波,其电压幅值都沿着其传播方向按指数衰减。从而,电脉冲沿微带线传输时,随着传输距离x的增加,其电压波动为

式中:V0为等效直流电压最大幅值;α和β分别表示单位长度上电脉冲的电压幅值衰减常数和相移常数。本文只考虑电脉冲的电压幅值衰减情况。

　　当微带线的工作频率f与某固定频率f0相比较大时,微带线的特性阻抗Zc、相速度vp、波导波长λg和等效介电常数εre等均随频率f而变化,即微带线具有色散特性,会导致辐射损耗。其中εre的变化将直接引起其它各项参数的变化,从而通过导体损耗和介质损耗影响电脉冲的损耗。实验采用的微带线参数εre与微带线工作频率f的关系式为[9]