CN102064073A - 各向异性聚焦大动态条纹变像管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及各向异性聚焦大动态条纹变像管，包括依次设置在电子束传递方向上的光电阴极、预时间聚焦系统、空间聚焦系统、后时间聚焦系统、扫描偏转器、电子倍增器以及荧光屏；空间聚焦系统为电四极聚焦透镜；阳极上设置有供电子束透过的阳极孔，光电阴极上设置有光电发射材料，栅极设置有供电子束透过的矩形栅极孔；光电阴极为面形结构，栅极和阳极为具有三个面或五个面的矩形槽，第一时间聚焦电极、第一消隐电极、第二消隐电极和第二聚时间焦电极均为矩形框结构的柱透镜或板状电极对结构的柱透镜。本发明解决了条纹变像管增益低、动态范围小的技术问题，本发明提高条纹变像管的动态范围，使得电子束实现各向异性的聚焦特点，减弱空间电荷效应。

Description

各向异性聚焦大动态条纹变像管

技术领域

本发明涉及一种大动态各向异性聚焦条纹变像管。

背景技术

条纹相机广泛地应用于惯性约束核聚变(ICF)、半导体、表面物理、光化学、光生物学、分子研究、等离子体物理、超快光谱学、X光激光等诸多前沿科学领域中，实现对超快现象的记录，最近发展起来的超快电子衍射技术更是为超快诊断技术的发展起到了极大的推动作用，它具有条纹相机的时间分辨能力(亚皮秒)，但其空间分辨能力却可以达到0.01

，使人们梦寐以求的“分子电影或原子电影”时代到来，近年来，人们将微波技术引入超快电子衍射技术中，通过微波技术实现超快电子衍射系统中电子脉冲的“同步整形”，使得具有一定时间弥散的电子脉冲基本同步到达被测样品，有望达到100fs的时间分辨能力。尽管如此，条纹相机仍然具有不可替代的作用，因为超快电子衍射仪和条纹相机对时间分辨的原理是不一样的：超快电子衍射仪中往往是通过激励光和参考光之间的时间差来进行时间分辨的，而条纹相机是通过扫描板来提供甚至超过光速的扫描速度将时间信息转化为空间信息实现对超快过程测量的，很多超快过程中的测量往往不具备提供参考光的条件，因而条纹相机在超快现象诊断过程中有其不可取代的地位，尤其是大动态范围的条纹相机更是用户渴望得到超快诊断工具。

尽管针对条纹相机动态范围的定义不尽一致，但对限制条纹相机动态范围的主要因素却有统一的认识：空间电荷效应是限制条纹变像管动态范围的主要因素，尤其是亚皮秒脉冲，由于瞬时电流密度很高，空间电荷效应显得尤为明显，一般认为：200fs以下的条纹相机其动态范围不超过20，甚至有人认为只有5左右。其次便是增强器本身的动态范围(比如微通道板-MCP的增益饱和效应)则是限制条纹相机整机系统动态范围的另一重要因素；限制条纹变像管动态范围的另一个因素是条纹管光电阴极的制备方法：国外条纹相机无一例外地采用转移阴极系统来制作光电阴极，阴极制作过程和条纹管其它部件分开，这样制作的阴极不但灵敏度高、均匀好，而且在阴极制作过程中不会造成其它电极上沉积阴极材料，相比之下，国内采用非转移阴极系统来制备光电阴极，制备过程中阴极片和条纹管其它电极位于同一环境中，势必造成其它电极的污染，这些被污染的电极一旦受杂散光照射，便会发射光电子形成背景噪声，造成条纹相机背景差、动态范围小等诸多缺点。

条纹变像管的聚焦方式多采用静电聚焦或磁聚焦的方式，磁聚焦曾一度用的比较多，尤其是亚皮秒条纹相机，由于磁聚焦变像管中，扫描板可以放置在磁透镜的前面，提高了扫描板的偏转灵敏度并减小了条纹管的技术时间弥散，但磁聚焦透镜体积相对庞大，加之磁透镜往往是由多匝(一般大于100匝)线圈绕制而成，而激磁电流往往存在一定范围内的波动，当激磁电流稍有波动时，将引起安匝数的较大改变，使得条纹管的成像面在荧光屏前后漂移，导致空间分辨下降，因此现在流行的条纹相机多以静电聚焦为主。

条纹变像管时间分辨能力的理论极限大约在10fs的量级，自条纹变像管发明以来，各国研究者不断朝这个极限努力，最具代表性的是日本滨松公司已经研制出了200fs的条纹相机。在空间分辨能力方面，100μm左右的相机已经比较常见，几十微米左右的条纹相机逐渐开发出来。2004年，日本开发的X光条纹变像管实现了10～20μm的空间分辨能力；2006年中日工作者研制的X光条纹变像管达到了小于10μm的空间分辨能力。

增强对微弱信号的检测能力意味着提高器件的增益，这与探测的光谱范围或粒子种类密切相关，特别是与高信噪比增强器件密切相关。无论采用内增强还是外增强，探测信号转化为电子信号后，均可用微通道板(MCP，电子倍增器)予以大幅增强。微通道板的发明使变像管增益提高出现飞跃，单MCP、双MCP、三MCP的增益可达10³、10⁶、10⁷。MCP已经成为包括变像管在内的真空探测、成像器件不可缺少的部件。目前MCP正在向高分辨、低噪声、大动态范围方向发展。

变像管的动态范围，是指在增益基本保持不变时，可探测的最大信号与最小信号之比。另一种更为严格的定义是：在特定的扫描速度下，且在线性范围内，当入射光的强度达到I_max时，狭缝像的宽度(峰值半宽度FWHM)增大到条纹相机能探测的最小光强I_min对应狭缝像宽度的120％时，D＝I_max/I_min定义为条纹相机在该扫描速度下的动态范围。变像管响应的动态范围越大，信号灰度级分辨率越高，对超快过程可探测的信号幅度范围就越大，变像管可适用的信号范围就越宽。变像管动态范围与增益、噪声密切相关。可探测最小信号一般取决于器件的噪声，降低噪声、提高器件在低输入时的信噪比可以使可探测最小信号随之减小。可探测最大信号受限于器件饱和效应，输入大信号使器件饱和时，器件增益下降，输出信号与输入信号的比值不再是原增益值，即偏离线性。近年来，国际上对大动态范围变像管竞相展开研究。2004年英国Eagleton等人实现了动态范围超过10³∶1的可见光条纹变像管(包括带内、外增强器两种)，脉冲半高宽30ps；2005年美国Ke-Xun Sun等人研制成功了大面积、动态范围达6×10³∶1的X光条纹变像管；2007年法国Bonte等人实现了10⁴∶1动态范围的条纹变像管。

一代像增强器具有较大的动态范围，但一代像增强器往往存在增益低的缺点，缺乏对微弱信号的探测能力；级联式一代像增强器虽然可以部分解决增益低的瓶颈问题，但带有电子光学系统的一代像增强器，存在体积庞大的弊端；而级联近贴式一代像增强器通常不设置光阑，荧光屏产生的向后传播的光子会激发光电阴极产生二次电子，多级级联像增强器的二次电子很强，这些二次电子都是噪声，限制对弱小信号的探测能力，最终导致像增强器的动态范围缩小。可见，采用一代像增强器及其级联方式都不是实现高增益大动态范围条纹变像管的理想途径，必须寻找其它方法来同时实现条纹变像管的高增益和大动态范围这两个性能指标。

发明内容

为了解决现有的条纹变像管增益低、动态范围小的技术问题，本发明提供了一种各向异性大动态聚焦条纹变像管。

一种各向异性聚焦大动态条纹变像管，其不同之处在于：

其包括依次设置在电子束传递方向上的光电阴极C、预时间聚焦系统、空间聚焦系统、后时间聚焦系统、扫描偏转器D、电子倍增器M以及荧光屏S；

所述预时间聚焦系统包括依次设置在电子束传递方向上的栅极G、第一时间聚焦电极F1和第一消隐电极B1；

所述空间聚焦系统为电四极聚焦透镜QL；

所述后时间聚焦系统包括依次设置在电子束传递方向上的第二消隐电极B2、第二时间聚焦电极F2和阳极A；

所述阳极A上设置有供电子束透过的阳极孔A1，所述光电阴极C上设置有光电发射材料，所述栅极G设置有供电子束透过的矩形栅极孔G1；

所述光电阴极C为面形结构，所述栅极G和阳极A为具有三个面或五个面的矩形槽，第一时间聚焦电极F1、第一消隐电极B1、第二消隐电极B2和第二聚时间焦电极F2均为矩形框结构的柱透镜或板状电极对结构的柱透镜。

上述矩形栅极孔G1上设置有超精细栅网。

上述超精细栅网结构为50lp/mm，线宽6μm，线间距14μm，厚度为3μm。

上述电子倍增器M为工作在选通状态下的电子倍增器。

上述电子倍增器M的线性动态范围大于10⁴，阻抗小于10MΩ。

上述扫描偏转器D为一对平行板或平折板。

本发明所具有的优点：

1、本发明空间聚焦采用电四极聚焦透镜，利用空间聚焦和时间聚焦相对分立的结构在电子束会聚区域将电子束调制成条形电子斑，和以往旋转对称结构条纹管中电子束往往会聚成一个圆形的电子斑相比，可以大幅度地降低空间电荷效应，从而有利于提高条纹变像管的动态范围，电四极透镜的采用也有利于降低二阶像差系数和提高空间分辨率。

2、本发明的光电阴极C采用面形结构，栅极G和阳极A为具有三个面或五个面的矩形槽，第一时间聚焦电极F1、第一消隐电极B1、第二消隐电极B2和第二时间聚焦电极F2均为矩形框或板状电极对构成的柱透镜。采用矩形框或板状电极对(Bilamellar)结构的柱透镜代替传统的旋转对称电极，使得电子束实现各向异性的聚焦特点，减弱空间电荷效应。

3、本发明通过栅极开有栅极孔并粘附有超精细结构的栅网，一方面能够保证光电子顺利通过并最终在荧光屏上形成相应的图像，另一方面在阴、栅极之间形成足够强的电场，有利于提高条纹相机的时间分辨能力。

4、本发明通过阳极上开阳极孔并粘附有超精细结构的栅网，一方面能够保证光电子顺利通过并最终在荧光屏上形成相应的图像，另一方面能够防止前面的电场外溢进入偏转器而造成较大的偏转散焦。

5、本发明通过设置扫描偏转器，并结合超快扫描电路，将光电子在荧光屏上扫开，扫描速度可以高于光速，将时间信号转换为空间信号，实现对超快现象的诊断。

6、本发明通过采用矩形框结构的柱透镜，既实现了电子束各向异性的聚焦特点，又具有较强的抗电磁干扰能力(与板状电极对结构的柱透镜相比)。

7、本发明采用大动态范围电子倍增器MCP和满阱电荷/读出噪声比高的CCD，以扩展条纹相机动态范围的上限和下限，扩大动态范围。

附图说明

图1是本发明各向异性聚焦大动态条纹变像管的结构示意图(采用矩形框结构的柱透镜)；

图2是从另一个角度看图1中各向异性聚焦大动态条纹变像管的结构示意图；

图3是图1中各向异性聚焦大动态条纹变像管的俯视图；

图4是图1中各向异性聚焦大动态条纹变像管的侧面剖视图；

图5是本发明另一种各向异性聚焦大动态条纹变像管的结构示意图(采用板状电极对结构的柱透镜)；

图6是从另一个角度看图5中各向异性聚焦大动态条纹变像管的结构示意图；

图7是图5中各向异性聚焦大动态条纹变像管的俯视图；

图8是图5中各向异性聚焦大动态条纹变像管的侧面剖视图；

图9是图8中Z-Z向视图，即电四极聚焦透镜的侧视图。

图10是本发明各向异性聚焦大动态条纹变像管时间调制传递函数；

图11是本发明条纹管阴极上坐标(Y，Z)为(0.5mm，10mm)处狭缝方向的空间调制传递函数；

图12是本发明条纹管阴极上坐标(Y，Z)为(0.5mm，10mm)处扫描方向的空间调制传递函数

图13是本发明各向异性电极聚焦条纹变像管静态空间分辨率实验结果图。

附图标记为：QL-电四极聚焦透镜，G-栅极，G1-栅极孔，F1-第一时间聚焦电极，B1-第一消隐电极，B2-第二消隐电极，F2-第二时间聚焦电极，A-阳极，A1-阳极孔，D-扫描偏转器，M-电子倍增器，S-荧光屏，B-电子束。

具体实施方式

如图1～9所示，各向异性聚焦大动态条纹变像管包括光电阴极C、(栅极G、第一时间聚焦电极F1和第一消隐电极B1共同构成预时间聚焦系统)、电四极聚焦透镜QL、第二消隐电极B2、第二时间聚焦电极F2、阳极A(其中第二消隐电极B2、第二时间聚焦电极F2和阳极A构成后时间聚焦系统)、扫描偏转器D、电子倍增器M、荧光屏S。其中栅极G上开有矩形孔G1，阳极A开有供电子束B透过的矩形圆形孔A1，光电阴极C上制作了光电转换材料。

采用空间聚焦(电四极聚焦透镜)和时间聚焦相对分立的结构有利于在电子束会聚区域将电子束调制成条形电子斑，和以往旋转对称结构条纹管中电子束往往会聚成一个圆形的电子斑相比，可以大幅度地降低空间电荷效应，从而有利于提高条纹变像管的动态范围。

阴极和栅极之间的距离很近，在栅极开有矩形孔并粘附有超精细结构的栅网，一方面能够保证光电子顺利通过并最终在荧光屏上形成相应的图像，另一方面在阴、栅极之间形成足够强的电场，有利于提高条纹相机的时间分辨能力。

通过提高阳极A上的电压有利于减小光电子条纹管内的渡越时间，从而可以减小光电子之间空间电荷相互作用的时间，有利于提高条纹管的动态范围。

通过改变阴极材料，可以将该类型的条纹管发展成可见、紫外、红外、X光以及中子等基本粒子探测的条纹变像管。

通过选用大动态范围MCP(HOT-MCP)和满阱电荷/读出噪声比高的CCD，以扩展条纹相机动态范围的上限和下限。

通过采用电四极透镜和柱透镜结合，二阶像差系数小，可提高变像管的空间分辨能力，同时可以将电子束沿狭缝方向压扁，避免电子束会聚成一个很小的聚焦斑，以弱化空间电荷效应。

在阳极上开孔并粘附有超精细结构的栅网，一方面能够保证光电子顺利通过并最终在荧光屏上形成相应的图像，另一方面能够防止前面的电场外溢进入偏转器而造成较大的偏转散焦。

通过设置扫描偏转器，并结合超快扫描电路，将光电子在荧光屏S上扫开，扫描速度可以高于光速c，将时间信号转换为空间信号，实现对超快现象的诊断。

采用的大动态、小阻抗(线性动态范围大于10⁴，阻抗小于10MΩ)的电子倍增器MCP工作在选通模式下，可以降低因电子倍增器MCP发热引起的噪声。

本发明原理：

传统的条纹变像管均采用旋转对称性的电极结构，这种条纹变像管一般结构简单，装架容易，尤其是各电极之间互有嵌套和交叠时，条纹管抗外界电磁干扰的能力也很强，但旋转对称结构的条纹变像管由于电子束在通过阳极孔时，往往会聚成很小的电子束斑，空间电荷效应明显，从而限制了条纹管的动态范围。

本发明在各向异性聚焦条纹变像管电子光学优化设计中，采用空间聚焦(电四极透镜)和时间聚焦相对分立的结构有利于在电子束会聚区域将电子束调制成条形电子斑，可以大幅度地降低空间电荷效应，从而有利于提高条纹变像管的动态范围。为了提高计算精度和理论设计的可靠性，采取边界元法和有限差分法两种计算电磁场的方法，同时采用两种商业化电子光学设计软件Simion和Lorentz进行设计，两套模拟软件相互参照印证。光电子初始状态参量采用Monte Carlo方法随机抽样；电子光学系统设计中，采用局部与整体优化相结合的方法，最终得到使条纹变像管整体性能最优的结构、电气参数。电子光学系统的性能采用静态、动态空间调制传递函数、时间调制传递函数，动态范围等参数进行综合评价，使得对变像管性能指标的评价更合理、客观和全面。建立变像管内电场分布数值模型时，设置了合理的网格划分密度，特别注意了在电磁场等物理量变化剧烈区域的网格划分，确保数值模型能代表实际电磁场分布；同时兼顾计算量，提高设计效率。

对于光电子初始状态参量，初能量以β(1，4)分布模拟，倾角以余弦分布模拟，方位角以均匀分布模拟，采用Monte Carlo方法对这些初始状态参量进行随机抽样，抽样有效光电子数不低于10⁴，使得理论设计结果更可靠。电子轨迹追踪采用四阶Runge-Kutta法计算。瞬态空间电荷效应计算中，将空间电荷连续化，采用自洽迭代方法反复计算，直至电子轨迹(或空间电荷分布)达到数值稳定。

经过优化设计，各向异性聚焦条纹变像管性能指标为：变像管的长度设计值为397mm；狭缝的有效长度为20mm；放大倍率为-1.83；如图10，阴极中心时间调制传递函数值0.1时对应的物理时间弥散为τ_phy＝0.38ps；理论计算得到的静态空间分辨率即使在狭缝的边缘(狭缝的长度按20mm计算)也超过50lp/mm。图10中的Y代表扫描方向、X代表条纹管的轴向、Z代表狭缝方向，具体可参看图1。如图11和图12，扫描和狭缝方向的空间分辨率超过了50lp/mm，而实验得到静态空间分辨率达到30lp/mm(带MCP)；而动态范围有待于进一步实验测定。

而偏转板的偏转灵敏度为：P＝38.5mm/kV，如果该变像管的动态空间分辨率6＝10lp/mm，扫描电压的斜率取k＝3kV/ns(换算成扫描速度为v＝k·P＝1.16×108m/s)，则技术时间分辨：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tec}}=\frac{1}{2\·\mathrm{\δ}\·v}=0.43\mathrm{ps}$

则总的时间分辨能力为：

$\mathrm{\τ}=\sqrt{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{phy}}^2}+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tec}}^2=\sqrt{{0.38}^2+{0.43}^2}=0.573\mathrm{ps}$

说明了该各向异性聚焦条纹变像管的极限时间分辨率在1ps以下。

用于图像增强的微通道板MCP的增益饱和效应是限制条纹相机动态范围的一个主要因素，本发明选用大动态范围(传导电流大)MCP，使得增益饱和工作电流点提高，从而减弱了MCP对条纹管动态范围的限制，同时我们也让MCP工作在选通工作模式下，以免MCP因长时间通电发热，产生的热噪声削弱条纹管对弱信号的探测能力。

在条纹管装架过程中，采用特殊的设计结构和工艺方式，在不造成电极之间打火放电的情况下尽量提高电子的加速电压，减小光电子在条纹管内的渡越时间，该措施有利于提高条纹管的动态范围。如图13所示为各向异性电极聚焦条纹变像管静态空间分辨率实验结果图。

Claims (6)

1.一种各向异性聚焦大动态条纹变像管，其特征在于：

其包括依次设置在电子束传递方向上的光电阴极(C)、预时间聚焦系统、空间聚焦系统、后时间聚焦系统、扫描偏转器(D)、电子倍增器(M)以及荧光屏(S)；

所述预时间聚焦系统包括依次设置在电子束传递方向上的栅极(G)、第一时间聚焦电极(F1)和第一消隐电极(B1)；

所述空间聚焦系统为电四极聚焦透镜(QL)；

所述后时间聚焦系统包括依次设置在电子束传递方向上的第二消隐电极(B2)、第二时间聚焦电极(F2)和阳极(A)；

所述阳极(A)上设置有供电子束透过的阳极孔(A1)，所述光电阴极(C)上设置有光电发射材料，所述栅极(G)设置有供电子束透过的矩形栅极孔(G1)；

所述光电阴极(C)为面形结构，所述栅极(G)和阳极(A)为具有三个面或五个面的矩形槽，第一时间聚焦电极(F1)、第一消隐电极(B1)、第二消隐电极(B2)和第二聚时间焦电极(F2)均为矩形框结构的柱透镜或板状电极对结构的柱透镜。

2.根据权利要求1所述的各向异性聚焦大动态条纹变像管，其特征在于：所述矩形栅极孔(G1)上设置有超精细栅网。

3.根据权利要求2所述的各向异性聚焦大动态条纹变像管，其特征在于：所述超精细栅网结构为50lp/mm，线宽6μm，线间距14μm，厚度为3μm。

4.根据权利要求1或2或3所述的各向异性聚焦大动态条纹变像管，其特征在于：所述电子倍增器(M)为工作在选通状态下的电子倍增器。

5.根据权利要求4所述的各向异性聚焦大动态条纹变像管，其特征在于：所述电子倍增器(M)的线性动态范围大于10⁴，阻抗小于10MΩ。

6.根据权利要求4所述的各向异性聚焦大动态条纹变像管，其特征在于：所述扫描偏转器(D)为一对平行板或平折板。

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