1 引言
在惯性约束聚变(ICF)实验中,纳秒量级的激光等离子体X射线辐射包含极其丰富的物理信息,需要采用具有皮秒量级时间分辨的超快相机对X射线辐射特性进行诊断,即超快诊断技术[1-5]。超快诊断技术是研究激光等离子体随时间演化、辐射输运等物理现象的关键技术。由于门控微通道板(MCP)分幅相机可以获得X射线辐射的二维空间分布及其时间特性,故被广泛应用于ICF实验中[6-8]。
目前,门控MCP分幅相机正朝着两个方向发展,即增大MCP面积和提高时间分辨率。MCP较薄,增大其面积比较困难。将多个MCP进行拼接是增大其面积的常用方法,目前获得的最大MCP面积是105 mm×105 mm[9]。MCP的电子渡越时间弥散较大,这限制了时间分辨率的进一步提高,使得MCP门控分幅相机的时间分辨率为60~100 ps。薄的MCP(厚度为0.2 mm)可以减小电子渡越时间的弥散,将相机的时间分辨率提高至35 ps左右[10],但这种相机比较脆弱,增益低,信噪比差。近年来,美国Lawrence Livermore国家实验室提出采用电子束时间展宽技术来提高时间分辨率,成功地将时间分辨率提高至10 ps以内,该技术正处于探索阶段,采用该技术的时间展宽X射线分幅相机的空间分辨率还有待进一步提高[8,11-14]。随着ICF研究的不断深入,具有高时间分辨率的相机需给出采集的图像与等离子体作用初始时刻的关系,如在内爆压缩与压缩对称性研究中,需要将X射线分幅相机的门控脉冲信号引出,并与激光脉冲信号相比较,从而通过内爆压缩的分幅背光图像来研究内爆推进层内界面的运动轨迹等[3-5]。这些实验数据准确度的影响因素之一为X射线分幅相机的触发晃动。
本文研制了三通道MCP门控X射线分幅相机,并采用光纤传光束法对相机的触发晃动及时间分辨率进行了测量。
2 相机结构
门控MCP分幅相机的结构示意图如图1所示,相机由X射线成像针孔阵列、MCP变像管、门控脉冲发生器和电荷耦合装置(CCD)组成,其工作原理如参考文献[
15]所述。
图 1. 门控MCP分幅相机的结构示意图
Fig. 1. Structural diagram of MCP gated framing camera
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MCP变像管由阻抗渐变线、微带阴极、MCP和制备在纤维面板上的荧光屏组成,其结构示意图如图2所示。门控脉冲信号经50 Ω同轴线传输至MCP变像管外端的射频连接器(SMA)接头,由于SMA接头和MCP微带阴极的特性阻抗不同,故需要采用一段阻抗渐变线来连接SMA接头和MCP微带阴极,以确保门控脉冲传输过程中传输线的阻抗匹配,减小门控脉冲的衰减。
微带阴极将X射线转换为光电子以实现光电转换。此外,利用光电阴极制成微带传输线结构,以传输门控脉冲,进而对光电子进行选通。MCP变像管含有三条微带阴极,每条阴极宽8 mm,相邻阴极间隔为2.8 mm。在MCP输入面上先蒸镀500 nm厚的铜(Cu),然后再蒸镀100 nm厚的金(Au),整个MCP输出面接地,并蒸镀与上述厚度相同的Cu和Au。MCP厚度为0.5 mm,外径为56 mm,通道直径为12 μm,通道间距为14 μm,斜切角为6°。对MCP输入面的微带阴极加载直流电压或脉冲电压,输出面为地电位,与荧光屏的间距为0.5 mm,对荧光屏加载直流或脉冲高压。
图 2. MCP变像管结构示意图
Fig. 2. Structural diagram of MCP imager
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图 3. 荧光屏结构示意图
Fig. 3. Structural diagram of phosphor screen
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荧光屏可接收并转化MCP输出电子,是信号的传递、转换器件。MCP输出电子在MCP输出面与荧光屏之间的电场作用下作加速运动并获得能量,高能电子轰击荧光质产生可见光,实现电子和可见光之间的空间和强度的转换,其结构示意图如图3所示,其中ITO为氧化铟锡。在光纤面板上涂敷一层具有一定面密度、厚度约为100 μm的荧光质P20,再在荧光质上面蒸镀一层导电物质铝(Al),构成一个刚性平滑的面板,即荧光屏。MCP变像管将激光等离子体X射线像转换成可见光图像,实现时空分辨,其工作过程如下:Au阴极将入射X射线转换成光电子,光电子被MCP选通、增益并输出,电子被屏压加速并轰击荧光屏形成可见光图像。
门控脉冲发生器由斜坡脉冲电路和脉冲成形电路两部分组成,其基本原理如下:斜坡脉冲电路产生一个有较快前沿的高压斜坡脉冲,再利用此高压斜坡脉冲驱动雪崩二极管脉冲成形电路,从而输出宽度很窄的门控脉冲。电路的结构如参考文献[
16]所述。
3 实验系统及测量结果
3.1 门控脉冲波形
门控脉冲发生器输出的脉冲信号衰减至1/1000后送入带宽为6 GHz的示波器,获得其波形如图4所示,可以看出,门控脉冲幅值为-1.9 kV,宽度为210 ps。
图 4. 门控脉冲波形
Fig. 4. Wave form of gating pulse
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3.2 触发晃动测量
门控MCP分幅相机的触发晃动测量采用光纤传光束法。光纤传光束由30根长度依次增大的多模光纤组成,其输出面的排列示意图如图5所示,排成三行,每行10根光纤,光纤长度依次增加,编号为1的光纤长度最短,编号每增加1,光纤长度增加2 mm,紫外光在光纤中的传输时间增加10 ps,从而获得输出时间按10 ps均匀递增的30个光点。
图 5. 光纤传光束输出端的光纤排列示意图
Fig. 5. Schematic of fiber array at fiber bunch output end
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图 6. 触发晃动测量装置示意图
Fig. 6. Schematic of trigger jitter measurement device
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触发晃动测量装置示意图如图6所示。先对MCP加载直流电压进行静态实验,测量光纤传光束的静态图像,获得入射光信号的静态分布。再进行动态实验,飞秒激光器输出一个波长为266 nm、宽度为130 fs、强度为0.1 mJ的光信号,信号经空气延时后传输至光纤传光束输入端,紫外光脉冲经光纤传光束后形成30个相邻间隔为10 ps的光点,这30个光点经透镜成像至MCP微带阴极上。飞秒激光器输出的另一个波长为800 nm的光信号被分束器分为两路,其中一路被送至1号光电二极管(PIN)探测器产生电脉冲信号,并输入至示波器;另一路被送至2号PIN探测器产生触发信号,进而触发门控脉冲发生器产生门控脉冲。通过调节电路延时,使得266 nm紫外光信号与门控脉冲同步到达MCP微带阴极,从而使紫外光信号形成的光电子被门控脉冲选通并增益输出,产生可见光动态图像。用CCD采集该动态图像,获得光点像的动态分布,根据光点像静态分布归一化处理光点像动态分布,以减小光信号在空间上的强度不均匀性对实验结果造成的影响。再由两光点间的时间间隔,将归一化后动态像的光强-空间分布转换成光强-时间分布。用高斯曲线对实验数据进行拟合,获得了动态像的强度-时间分布曲线,该曲线的宽度为相机的时间分辨率,强度峰值对应的时间反应了门控脉冲到达MCP微带阴极的时间,如果相机触发晃动为0,则曲线的峰值时间保持不变,通过曲线峰值时间变动情况就可以获得相机的触发晃动。
实验时,用示波器监控1号PIN探测器产生的电脉冲信号,观测到的脉冲信号如图7所示,若信号幅值变化在±5%内,则认为产生的动态图像有效,否则无效。采用此方法可消除激光器时间抖动对相机触发晃动的影响。
图 7. 1号PIN探测器产生的电脉冲信号
Fig. 7. Electrical pulse signal generated at PIN detector 1
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当对MCP加载门控脉冲和-400 V的直流偏置电压,且荧光屏电压为3.4 kV时,可获得光纤信号的动态图像。进行1000次有效实验,从1000幅图像中选取出5幅具有代表性的光纤信号动态图像,不同时刻获得的光纤信号的图像如图8所示。图9所示为光纤信号的静态图像。将动态图像用静态图像进行归一化处理,然后将归一化后的动态图像的光强-空间分布转换成光强-时间分布。图10所示为与图8对应的光纤信号图像的光强-时间分布曲线。令图9中右上角的光纤编号为1,右边这列从上往下,光纤编号依次为1~10,中间这列从下往上编号依次为11~20,左边这列从上往下编号依次为21~30。图10中,设编号为1的光纤信号到达时间为0 ps,其他光纤信号的到达时间依次增加10 ps,可以得出,相机的触发晃动约为94 ps,触发晃动出现在43 ps至94 ps间的概率为12%,触发晃动出现在0 ps至43 ps间的概率为88%,相机的时间分辨率约为100 ps。
图 8. 5幅具有代表性的动态图像
Fig. 8. Five representative dynamic images
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图 9. 光纤信号的静态图像
Fig. 9. Static image of fiber bunch signal
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图 10. 与图8对应的光纤信号的光强-时间分布曲线
Fig. 10. Intensity of fiber bunch signal versus time curves corresponding to Fig. 8
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用示波器也可以测量相机的触发晃动,其测量装置示意图如图11所示。实验采用带宽为6 GHz的单次示波器,飞秒激光器输出的波长为800 nm的光信号被分束器分为两路,其中一路被送至1号PIN探测器产生电脉冲信号,并触发示波器;另一路被送至2号PIN探测器产生触发信号,触发门控脉冲发生器产生门控脉冲,门控脉冲通过衰减器输出至示波器。进行1000次测量,测得相机的触发晃动为90 ps,与光纤传光束法的测量结果基本一致。表1所示为采用示波器测量20次触发晃动的测试数据。
图 11. 采用示波器测量触发晃动的装置示意图
Fig. 11. Schematic of trigger jitter measurement device by oscilloscope
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表 1. 触发晃动测试数据
Table 1. Test data of trigger jitter
| Number of experiment | Trigger jitter /ps | Number of experiment | Trigger jitter /ps |
|---|
| 1 | 40 | 11 | 16 | | 2 | 36 | 12 | 90 | | 3 | 20 | 13 | 13 | | 4 | 75 | 14 | 12 | | 5 | 33 | 15 | 32 | | 6 | 41 | 16 | 6 | | 7 | 2 | 17 | 20 | | 8 | 9 | 18 | 38 | | 9 | 30 | 19 | 12 | | 10 | 22 | 20 | 20 |
|
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4 结论
研制了三通道MCP门控X射线分幅相机,采用雪崩三极管和二极管研制了门控脉冲电路,获得了幅值为-1.9 kV,宽度为210 ps的门控脉冲。当对微带阴极加载门控脉冲和-400 V直流偏置电压时,采用光纤传光束法获得了光纤动态图像。由归一化动态图像的光强-时间分布获得了相机的触发晃动,其值约为94 ps,相机时间分辨率约为100 ps。同时,利用示波器测得相机的触发晃动,其值约为90 ps,两种方法的测量结果基本一致。基于光纤传光束法的测量装置更加接近于相机在ICF应用中的实际连接方式,因而可以获得更为准确的触发晃动测量结果。光纤传光束法为触发晃动的测量提供
了一种新的、更为准确的方法。触发晃动与触发信号相关,触发信号的幅值越稳定,宽度越稳定,上升沿越快,则触发晃动越小。触发晃动对触发信号的幅值也有一定要求,当幅值在相机触发阈值的3倍以上时,可获得较小的触发晃动。由于触发信号由PIN探测器产生,故触发晃动与激光器的稳定性有关,激光器越稳定,触发晃动越小。此外,门控脉冲发生器中晶体管的一致性越高,触发晃动越小。因此,需要采用击穿电压及触发电压阈值一致性高的晶体管来研制门控脉冲发生器。
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