CN100479086C - 一种宽时间分辨的双微通道板分幅变像管 - Google Patents

Abstract

一种宽时间分辨的双微通道板分幅变像管，其主要由双微通道板分幅变像管和控制单元构成。其特征是：两微通道板上的微带线投影相交形成可曝光区域。与同步控制器相连接负高压脉冲/直流电源接输入侧微通道板上的微带线，正高压脉冲/直流电源接输出侧微通道板上的微带线，正高压直流电源接荧光屏。本发明解决了背景技术在ns～μs级时间分辨下画幅数较少的技术问题。其通过控制电源可灵活选择选通脉冲、脉冲脉宽以及选通脉冲之间的时间间隔，进行光电子图像选通，可实现ps～μs级多时间分辨、高增益的二维多分幅图像获取。

Description

一种宽时间分辨的双微通道板分幅变像管

技术领域

本发明涉及一种ps～μs级宽时间分辨、多分幅、高增益的图像获取系统，具体涉及一种ps～μs级宽时间分辨的双微通道板分幅变像管。

背景技术

微通道板(MCP，Microchannel Plate)行波选通式软X射线分幅相机作为一种两维图像测量装置，近年来广泛应用于X射线光谱范围内的超快现象的诊断，其应用范围涵盖了核物理学、生物医学光子学、等离子体物理学、强场物理学等等国内外新兴学科。

目前，对于ps量级时间分辨，无论单微带或是多微带结构的双微通道板行波选通式分幅相机，分幅数均可达几幅～十多幅，主要用于时空分辨较高的ps级或μm级的激光一惯性约束核聚变(ICF)诊断技术。但是对于等离子体箍缩(Z-pinch)X射线图像诊断研究、强流等离子体辐射源及同步辐射等研究领域中还存在有许多发生在数ns级甚至几十ns范围的时间变化过程。甚至在其它一些物理，化学，生物医学领域还存在许多百ns或是μs级甚至ms级的时间变化过程。此类相机需要ns级时间分辨，例如《强激光与粒子束》(邱孟通、吕敏、王葵禄等，Z-pinch X射线时间分辨多幅图像诊断系统，强激光与粒子束，Vol.15，No.1，2003，101-104)公开了一种应用于等离子体箍缩(Z-pinch)的ns级曝光时间的8针孔分幅相机，该机采用双微通道板选通，快门脉冲5ns，一次可记录四个时刻的图像。美国《科学仪器评论》期刊(Carl.J.Pawley，A.V.Deniz et al，Characterization of two-gated microchannel plateframing cameras，Rev.Sci.Ins.，71(3)，2000，1286-1295)公开了一种四微带双微通道板选通分幅相机，其在微带传输线的输入与输出端分别装有隔直电容和矩形铁氧体珠，快门脉冲100ps～2.5ns，获得曝光时间接近100ps～2.5ns的多幅X射线图像，且可使用更长的电脉冲和直流，但其只能获得4幅像。而对于带有针孔装置的分幅相机，它的工作原理是：被拍摄的等离子体的X射线图像经数个针孔同时成在双微通道板的输入面的不同部位，如果快门脉冲的宽度是较窄的ps级，双微通道板输入面上的微带线应视为长线，即ps级电脉冲沿微带线在双微通道板输入面上传输时，任一时刻只有一段区域有电压，经过某一个针孔成像在该区域的X射线图像被ps级电脉冲选通后，产生的光电子图像将被双微通道板增强，到达荧光屏输出可见光图像。电脉冲传输整块通道板平面，根据实际中使用的例如直径56mm微通道板微带线长度计算约需200～300ps，同一条微带上最多被选通图像数，曝光时间以及图像间距就由选通脉冲的脉宽和传输速度决定了。而对于长脉冲则会使整条微带传输线区域处于可选通状态，一条微带线上对应的若干针孔像实际上反映的都是约300ps内的图像信息。因此能够真实反映不同时段变化过程的画幅数较少，在很大程度上限制了对ns或更长曝光时间事件的捕捉和研究。

除了时间分辨率和分幅数，相机成像的强度增益量也是一个需要考虑的重要因素。单块双微通道板的增益可达到10³，两块双微通道板组成的Chevron型，简称“V型”结构，增益可以达到10⁶。大多数“V型”结构的相机中，第二块双微通道板主要起直流增益的作用。美国1995年SPIE会议中常增虎等人提出了一种新的“V型”结构的皮秒分幅相机原型(Chang Zenghu，Shan Bing，Liu Xiuqin et al，Gated MCPframing with 60 ps exposure time，SPIE，Vol.2549 1995 53-59)，其在两块双微通道板前后板面上均镀制有平行的微带线，且在板面上的投影重叠。当前后微通道板板面上平行的微带线分别通以选通脉冲时，这样既可以提高增益又可以缩短曝光时间，但是此结构的相机主要用于ps脉冲选通，可达到缩短曝光时间的目的，仍不能解决ns级时间分辨变化过程的画幅数较少的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种ps～μs级宽时间分辨的双微通道板分幅变像管，其解决了背景技术在ns～μs级时间分辨下画幅数较少的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种宽时间分辨的双微通道板分幅变像管，包括双微通道板分幅变像管，与双微通道板分幅变像管相连接的控制单元；所述的双微通道板分幅变像管包括双微通道板1和与位于该双微通道板1输出端、且近贴设置的荧光屏2，所述的荧光屏2制作于光纤面板3上；所述的双微通道板1包括输入侧微通道板11和输出侧微通道板12，所述输入侧微通道板11的输入面上镀制有平行的、作光阴极又兼作电极的微带线Mi，其输出面上蒸镀有一层接地电极面13；所述输出侧微通道板12的输出面上镀制有平行的、作电极的微带线Ni，其输入面上蒸镀有一层接地电极面14；所述输入侧微通道板11和输出侧微通道板12的接地电极面13、14同轴、近贴设置，其特殊之处在于：所述输入侧微通道板11和输出侧微通道板12上的微带线Mi和Ni在双微通道板1轴向的投影相交构成可曝光区域5；所述的控制单元包括负高压脉冲/直流电源41、正高压脉冲/直流电源42、正高压直流电源43和精密同步控制器44；所述输入侧微通道板11上的微带线Mi与负高压脉冲/直流电源41相连接，该输入侧微通道板11上的接地电极面13与负高压脉冲/直流电源41的直流输出或零电位端相接；所述输出侧微通道板12上的微带线Ni与正高压脉冲/直流电源42相连接，该输出侧微通道板12上的接地电极面14与正高压脉冲/直流电源42的直流输出或零电位端相接；所述的负高压脉冲/直流电源41和正高压脉冲/直流电源42均与精密同步控制器44相连接，所述的正高压直流电源43与荧光屏2相连接。

上述输入侧微通道板11的接地电极面13和输出侧微通道板12的接地电极面14之间可近贴设置两面均镀有电极的倍增板15，倍增板15的直流电源45分别与该倍增板15两面的电极相连接。

上述可曝光区域5以采用输入侧微通道板11上的微带线Mi和输出侧微通道板12上的微带线Ni在双微通道板1轴向的投影相正交构成为宜。

上述输入侧微通道板11上的微带线Mi和输出侧微通道板12上的微带线Ni以均布设置为佳，亦可以非均布设置。

上述输入侧微通道板11上微带线Mi的线数和输出侧微通道板12上微带线Ni的线数根据应用需要可相等，也可不相等。

上述双微通道板1输出端与荧光屏2的近贴距离以0.3mm～1.5mm为宜，近贴距离以0.5mm为佳。

上述微带线Mi和微带线Ni的带间间隔以2mm～5mm为宜，以4mm为佳；微带线Mi和微带线Ni的每条微带线的带宽以4mm～20mm为宜，以6mm为佳。

上述微带线Mi和微带线Ni的带间间隔为4mm，所述微带线Mi和微带线Ni的每条微带线的带宽为6mm。

本发明具有以下优点：

1.采用两组微带线彼此相交的微通道板，通过控制电源可灵活选择选通脉冲、脉冲脉宽以及选通脉冲之间的时间间隔，进行光电子图像选通，可实现ps～μs级多时间分辨可见光图像的获取。

2.可根据具体需要，通过改变双微通道板的几何尺寸和形状，如，圆形、方形或其它平面形状，以及所镀制微带线的几何形状和数量，设计所需的图像幅数或图像尺寸。

3.采用级联双微通道板结构，既提高了增益，又减少了入射光、直穿光造成的背景噪声，提高了图像质量。

4.本发明可应用于惯性约束核聚变、激光等离子体产生、等离子体箍缩(Z-pinch)等众多X射线诊断领域，也可应用于紫外探测、可见光探测、红外探测等技术领域，其提供了一种ps～μs级多时间分辨、高增益的二维多分幅图像获取技术。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2-3为本发明双微通道板上两组微带线的投影及可曝光区域示意图；

图4为本发明设置有倍增板的结构示意图。

附图标号说明：1-双微通道板，11-微通道板，12-微通道板，13-接地电极面，14-接地电极面，15-倍增板，2-荧光屏，3-光纤面板，41-负高压脉冲/直流电源，42-正高压脉冲/直流电源，43-正高压直流电源，44-精密同步控制器，45-倍增板直流电源，5-可曝光区域。

具体实施方式

双微通道板分幅变像管是分幅摄影系统的核心部分。本发明采用的双微通道板分幅变像管主要由Chevron型双微通道板1和制作在光纤面板3上的荧光屏2构成，参见附图1。在输入侧微通道板11的输入面上镀制有平行的微带线Mi，既作光阴极又作电极。在输出侧微通道板12的输出面上镀制平行的微带线Ni，作电极。在输入侧微通道板11的整个输出面蒸镀有一层接地电极面13，输出侧微通道板12的整个输入面上蒸镀有一层接地电极面14。将接地电极面13和14紧贴在一起，并使输入侧微通道板11上的微带线Mi与输出侧微通道板12上的微带线Ni方向彼此相交重叠，形成可曝光区域5的区域。微带线Mi与微带线Ni相交重叠，其投影所形成的可曝光区域5参见图2-3，微带线Mi与微带线Ni在双微通道板1轴向的投影以正交构成为宜。

控制单元主要由负高压脉冲/直流电源41、正高压脉冲/直流电源42、正高压直流电源43及精密同步控制器44构成。输入侧微通道板11上的微带线Mi与负高压脉冲/直流电源41相连接，该输入侧微通道板11上的接地电极面13与负高压脉冲/直流电源41的直流输出或零电位端相接。输出侧微通道板12上的微带线Ni与正高压脉冲/直流电源42相连接，该输出侧微通道板12上的接地电极面14与正高压脉冲/直流电源42的直流输出或零电位端相接。负高压脉冲/直流电源41和正高压脉冲/直流电源42均与精密同步控制器44相连接。正高压直流电源43与荧光屏2相连接。只有当微通道板11和微通道板12在正交重叠的某个区域处同时加有电压时，光电子图像才会在该区域被级联选通并增强，并在荧光屏2相应的位置上，获得一幅可见光图像。其它不重叠的区域，或是重叠区域未同时加有电压时，在荧光屏2的相应位置上都不能获取到图像。

参见图4，输入侧微通道板11的接地电极面13和输出侧微通道板12的接地电极面14之间可近贴设置两面均镀有电极的倍增板15。倍增板15的直流电源45分别与倍增板15的两面电极相连接。

本发明微带线Mi和微带线Ni中的微带线以均布为佳，亦可以非均布。微带线Mi的线数和微带线Ni的线数根据应用需要可相等，也可不相等。双微通道板1输出端与荧光屏2的近贴距离一般可取0.3mm～1.5mm，以0.5mm为佳。微带线Mi和微带线Ni的每条微带线的带宽一般可取4mm～20mm，以6mm为佳。微带线Mi和微带线Ni的带间间隔一般可取2mm～5mm，以4mm为佳。

本发明设计原理：以一个曝光区域M₁N₁为例，参见图2-3。首先假设输入侧微通道板的微带线上所加电脉冲为V_m(t)，输出侧微通道板的微带线上所加电脉冲为V_n(t)。V_n(t)是直流时，可视为是长脉冲的一种特殊情况。若假设V_m(t)和V_n(t)是高斯型脉冲，即

$V_m\left(t\right)=V_{\mathrm{mp}}\exp [-\ln 2{\left(\frac{t}{T_m}\right)}^2]---\left(1\right)$

$V_n\left(t\right)=V_{\mathrm{np}}\exp [-\ln 2{\left(\frac{t}{T_n}\right)}^2]---\left(2\right)$

其中V_mp，V_np和T_m，T_n分别是V_m(t)，V_n(t)的峰值和半高全宽(FWHM)值。V_n(t)相对V_m(t)的延迟时间T_d为微通道板中电子最可几渡越时间T_tr。设T_m＝1ns，即电脉冲V_m(t)宽度远大于微通道板中电子最可几渡越时间T_tr，采用“能量正比假设”进行分析，微通道板的电子增益可表示为

$G={\mathrm{\δ}}^n={\left(\frac{V}{n{V}_c}\right)}^{k\·n}=G_0\·V^{\mathrm{\γ}}---\left(3\right)$

式中k和V_c是常量，取决于二次电子发射产额，δ为单级打拿级的电子增益。(3)式表示单块微通道板增益与工作电压的非线性关系，G₀是初始增益， $G_0={\left(\frac{1}{n{V}_c}\right)}^{\mathrm{\γ}},$ γ为非线性因子，γ＝k·n取决于微通道板的特性。参考(3)式，单块微通道板被电脉冲选通后，增益可表示为：

$G_m\left(t\right)=G_0{\left[V_m\left(t\right)\right]}^{\mathrm{\γ}}=G_0\·V_{\mathrm{mp}}^{\mathrm{\γ}}\·\exp {[-\ln 2{\left(\frac{t}{T_m}\right)}^2]}^{\mathrm{\γ}}=G_0\·V_{\mathrm{mp}}^{\mathrm{\γ}}\·\exp [-\ln 2\left(\frac{t}{T_m/{\mathrm{\γ}}^{\frac{1}{2}}}\right)]---\left(4\right)$

$G_n\left(t\right)=G_0\·V_{\mathrm{np}}^{\mathrm{\γ}}\·\exp [-\ln 2{\left(\frac{t}{T_n/{\mathrm{\γ}}^{\frac{1}{2}}}\right)}^2]---\left(5\right)$

可以看出单块微通道板的增益的全高半宽(FWHM)是其电脉冲的全高半宽(FWHM)的

称之为“增益压窄效应”。

设两块微通道板的相对延迟时间T_d＝T_tr，则，

级联总增益：G_mn(t)＝G_m(t)×G_n(t)    (6)

峰值总增益： $G_{\mathrm{mn}}=G_0^2\·{(V_{\mathrm{mp}}\·V_{\mathrm{np}})}^{\mathrm{\γ}}---\left(7\right)$

全高半宽： $T_{\mathrm{mn}}=\frac{T_m{T}_n}{\sqrt{\mathrm{\γ}(T_m^2+T_n^2)}}---\left(8\right)$

分析：若取T_m＝T_n，在两块微通道板级联的非线性增益叠加下，可获得比单块微通道板短

倍的曝光时间，而且会减少X射线直穿光造成的背景噪声，提高了图像质量。

在直流增益模型下，微通道板中电子渡越时间的理论值可由式(9)计算：

$T_{\mathrm{tr}}={\left(\frac{2m}{\mathrm{eV}}\right)}^{\frac{1}{2}}\frac{L}{2^{1/2}}{\left(\frac{L}{D}\right)}^{\frac{1}{2}}---\left(9\right)$

m，e分别是电子的质量和电量，选用参数为长度L＝0.5mm，孔径D＝12.5μm，长径比L/D＝40∶1的微通道板，理论计算其电子最可几渡越时间T_tr～250ps(V＝800V)。平均取参数k＝0.5，V_c＝21.8，n＝18.6。所以γ＝9.3，G₀＝exp(-55.85)。

由于需要控制选通电脉冲之间的时间间隔，还需考虑电脉冲在微带线上的传输情况。取微带线的相对介电常数ε_r＝3.5(一般ε_r＝2.9～4.0)，电脉冲在微带线上的传播速度 $v_p=c/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}=1.59\×{10}^{11}\mathrm{mm}/s,$ Φ56mm尺寸的微通道板上可镀制的微带线最长为51mm，估算电脉冲V_m(t)传输整条微带的时间约为310ps。若将微带按成像区域分成四块，可曝光区域是一个6mm×6mm方块，每一区域的脉冲传输时间为40ps，间隔为20ps。

本发明可采用开放式或阴极封装式等多种光阴极结构，光谱响应范围则可从极紫外到红外，以适用于更多场合。通过增大双微通道板1的尺寸或增加微带线数，可成倍增加画幅数。例如，若在Φ100mm尺寸的双微通道板1的平面上制作八条微带线，则相同双微通道板结构的相机可获得64幅图像。通过减少微带线数，也可制作少画幅，大尺寸的相机。通过增加双微通道板1的倍增级，如，在输入侧微通道板11和输出侧微通道板12之间增加微通道板数量，进行多级放大，可扩大增益范围。例如加一块0.5厚的微通道板，增益可提高10³倍。薄的微通道板在一定程度上会降低增益范围，但可提高时间分辨的获取；厚的微通道板可提高增益范围，但会在一定程度上降低时间分辨。具体可根据相机使用的需要匹配选取。

本发明工作过程如下：

1).形成可曝光区域：取两个制作有直条状、平行排布的微带线的微通道板，将其接地电极面13贴近设置，并使输入侧微通道板11上的微带线Mi和输出侧微通道板12上的微带线Ni在微通道板板面的投影相交，投影重叠区域对应的微带线Mi和微带线Ni上的区域形成可曝光区域5。

2).给微带线加电压：通过精密同步控制器4控制电源，给输入侧微带线Mi和输出侧微带线Ni加电压。

3).产生图像选通：当输入侧微带线Mi和输出侧微带线Ni的可曝光区域5同时加有电压时，产生图像选通。

4).获得多幅可见光图像：在荧光屏2上、与产生图像选通的可曝光区域5相应的区域，获得多幅可见光图像。

通过精密同步控制器44控制电源，给微带线Mi和微带线Ni加电压，可采用以下步骤：

1).通过精密同步控制器44控制电源中的负高压脉冲/直流电源41，给微带线Mi中第1～m行依次加脉冲电压。

2).微带线Mi中的每一行加脉冲电压的同时，通过精密同步控制器4控制电源中的正高压脉冲/直流电源42，给微带线Ni中的第1～n列依次加脉冲电压。

给微带线Mi中的第1～m行依次加脉冲的时间间隔可根据实际需要确定。当微带线Mi中行所加脉冲的宽度大于该脉冲传输整条微带线所需的时间时，微带线Ni中列依次加脉冲的时间间隔可根据实际需要确定；当微带线Mi中行所加脉冲的宽度小于该脉冲传输整条微带线所需的时间时，微带线Ni中列依次加脉冲的时间间隔由可曝光区域之间的间距和微带线Mi中该行脉冲的传输速度确定。

Claims (9)

1.一种宽时间分辨的双微通道板分幅变像管，包括双微通道板分幅变像管，与双微通道板分幅变像管相连接的控制单元；

所述的双微通道板分幅变像管包括双微通道板(1)和与位于该双微通道板(1)输出端、且近贴设置的荧光屏(2)，所述的荧光屏(2)制作于光纤面板(3)上；所述的双微通道板(1)包括输入侧微通道板(11)和输出侧微通道板(12)，所述输入侧微通道板(11)的输入面上镀制有平行的、作光阴极又兼作电极的微带线Mi，其输出面上蒸镀有一层接地电极面(13)；所述输出侧微通道板(12)的输出面上镀制有平行的、作电极的微带线Ni，其输入面上蒸镀有一层接地电极面(14)；所述输入侧微通道板(11)和输出侧微通道板(12)的接地电极面(13)、(14)同轴、近贴设置，其特征在于：所述输入侧微通道板(11)和输出侧微通道板(12)上的微带线Mi和Ni在双微通道板(1)轴向的投影相交构成可曝光区域(5)；所述的控制单元包括负高压脉冲/直流电源(41)、正高压脉冲/直流电源(42)、正高压直流电源(43)和精密同步控制器(44)；所述输入侧微通道板(11)上的微带线Mi与负高压脉冲/直流电源(41)相连接，该输入侧微通道板(11)上的接地电极面(13)与负高压脉冲/直流电源(41)的直流输出或零电位端相接；所述输出侧微通道板(12)上的微带线Ni与正高压脉冲/直流电源(42)相连接，该输出侧微通道板(12)上的接地电极面(14)与正高压脉冲/直流电源(42)的直流输出或零电位端相接；所述的负高压脉冲/直流电源(41)和正高压脉冲/直流电源(42)均与精密同步控制器(44)相连接，所述的正高压直流电源(43)与荧光屏(2)相连接。

2.根据权利要求1所述的宽时间分辨的双微通道板分幅变像管，其特征在于：所述输入侧微通道板(11)的接地电极面(13)和输出侧微通道板(12)的接地电极面(14)之间近贴设置有两面均镀有电极的倍增板(15)，所述倍增板(15)的直流电源(45)分别与该倍增板(15)两面的电极相连接。

3.根据权利要求1或2所述的宽时间分辨的双微通道板分幅变像管，其特征在于：所述的可曝光区域(5)是由输入侧微通道板(11)上的微带线Mi和输出侧微通道板(12)上的微带线Ni在双微通道板(1)轴向的投影相正交构成。

4.根据权利要求3所述的宽时间分辨的双微通道板分幅变像管，其特征在于：所述输入侧微通道板(11)上的微带线Mi和输出侧微通道板(12)上的微带线Ni均是均布设置的。

5.根据权利要求4所述的宽时间分辨的双微通道板分幅变像管，其特征在于：所述输入侧微通道板(11)上微带线Mi的线数和输出侧微通道板(12)上微带线Ni的线数相等。

6.根据权利要求5所述的宽时间分辨的双微通道板分幅变像管，其特征在于：所述双微通道板(1)输出端与荧光屏(2)的近贴距离为0.3mm～1.5mm。

7.根据权利要求6所述的宽时间分辨的双微通道板分幅变像管，其特征在于：所述双微通道板(1)输出端与荧光屏(2)的近贴距离为0.5mm。

8.根据权利要求6所述的宽时间分辨的双微通道板分幅变像管，其特征在于：所述微带线Mi和微带线Ni的带间间隔为2mm～5mm，所述微带线Mi和微带线Ni的每条微带线的带宽为4mm～20mm。

9.根据权利要求8所述的宽时间分辨的双微通道板分幅变像管，其特征在于：所述微带线Mi和微带线Ni的带间间隔为4mm，所述微带线Mi和微带线Ni的每条微带线的带宽为6mm。

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