CN1064951A - 一种变像管皮秒分幅相机 - Google Patents

Abstract

一种变像管皮秒分幅像机，其特征为像机的变像 管的弱聚焦系统具有长的加速电极和短的阳极，快门 板和三对补偿板具有相同的电子渡越时间、偏转灵敏 度和偏转方向，三对补偿板沿轴向排布，位移板为行 波偏转系统，且置于交叉点处，像机所需的四对三角 波和一对单台阶波由一个斜坡或一个三角波电压脉 冲发生器和脉冲成型网络提供，本发明可提供更多的 多幅图像、更短的曝光时间和更好的像质。

Description

本发明属于超快过程诊断设备的改进，涉及光电技术领域。

现有的变像管皮秒分幅相机是采用交叉点扫描多光栏分幅的途径实现皮秒分幅，虽然其原理是正确的，但原型设计存在致命的缺点。为了在同一轴向位置排布三对补偿板，三缝光栏缝间距离太大，致使快门板对电子束偏转角过大，使动态空间分辨率严重降低，无法获得有价值的6幅分幅图像。后来英国人不得不在原设计的基础上将三缝光栏改为双缝光栏，由三对补偿板改为两对补偿板，这样只能获得4幅分幅图像。另外，原设计阳极电压太高，导致各偏转系统偏转灵敏度降低，使每幅图像的曝光时间加长;聚焦区域太长，导致动态范围减小;快门板和各补偿板长度不等，尽管它们偏转灵敏度相同，但在动态场作用下彼此不能补偿，导致动态空间分辨率下降和分幅图像变形。加之，位移板离荧光屏近，使偏转灵敏度降低，又是采用金属板结构，带宽变窄，从而导致4幅图像中第2和第3幅间的时间间隔变大。由于上述弊端，尽管英国人经过三届博士连续工作十年之久，只获得4幅分幅图像，每幅图像曝光时间460ps（半宽度230ps），除第2和第3幅间的时间间隔为1.2ns外，其余为900ps，动态空间分辨率6～7对线/mm，分幅图像变形量17%。皮秒分幅相机另一个组成部分是超快速控制电路。英国人为了获得4幅分幅图像，使用了4套雪崩晶体管电路以产生三对正负极性的三角波和一个单极性台阶波高压脉冲。这不仅使控制电路过于复杂，而且增加了同步调节和补偿调节的困难。按照这样的设计若获得6幅分幅图像就需要5套雪崩晶体管控制电路，即使在实验室可以实现，也很难达到实用化程度。

本发明的目的在于设计一种变像管皮秒分幅相机，其具：增多画幅数目，缩短每幅图像的曝光时间，减小画幅间的时间间隔，改善动态空间分辨率，并在改善性能的同时大大简化超快速控制电路等优点。

本发明的目的是这样实现的：所用的皮秒分幅变像管具有静电弱聚焦系统及由快门板、位移板、三缝光栏和三对补偿板所组成的偏转群体结构，相机所用的四对正负极性三角波和一对正负极性的单台阶波高压脉冲是由一个超快速控制电路提供。

上述静电弱聚焦系统的特征是具有长的加速电极和短的阳极，它们与聚焦电极的共同作用使电子束中的电子以和轴较小的夹角快速运行。这种结构使聚焦系统具有短的轴向长度，低的阳极电压和长的等位区，并使电子束在等位区的前1/3轴向长度内具有小的横向截面。该聚焦系统不仅使电子束在其内有短的渡越时间，更重要的是由于阳极电压低、等位区长和束截面小，从而为改善偏转群体结构的性能、最终为达到本发明的目的创造了良好的条件。

上述的偏转群体结构的特征是：（1）快门板和三对补偿板不仅具有相同的偏转方向和相同的偏转灵敏度，而且具有相同的电子渡越时间，这样在三角波电压脉冲作用下才能彼此完全补偿，从而改善动态空间分辨率。（2）由于阳极电压低和快门板到三缝光栏的距离较大，快门板在三缝光栏处的偏移灵敏度大大提高，从而使单幅曝光时间大大缩短。（3）三对补偿板在轴向不同位置分布排列，从而使三缝光栏的缝间距离大幅度减小，这不仅减小了快门板对电子束的偏转角，从而改善了动态空间分辨率，使分幅数目增加至6幅，而且使三角波电压幅度大大减小，有利于脉冲电路的制作。（4）位移板移至三缝光栏之前的交叉点处，通过它的电子束斑大大减小，有利于改善动态空间分辨率，又由于它更远离荧光屏，提高了它的偏转灵敏度。位移板的频带宽度将影响单台阶波的上升或下降沿时间，而它们又限制了第3与第4幅图像之间的时间间隔。为解决这一问题，位移板采用电磁波横向传输的对称型行波偏转系统。为了解决弥散场对偏转像质的影响，电脉冲在垂直于电子光学轴的方向传输。

上述的超快速电路只采用一个斜坡高压脉冲发生器或者一个三角波高压脉冲发生器。为了由一个斜坡电压发生器所产生的一对正负极性的斜坡高压脉冲得到四对正负极性的三角波和一对正负极性的单台阶波高压脉冲，将上述产生的斜坡高压脉冲送入一无源脉冲成形网络，经过波形合成即可送出上述所要求的五对高压脉冲。为了由一个三角波高压脉冲发生器所产生的一对正负极性的三角波得到四对正负极性的三角波和一对正负极性的单台阶波高压脉冲，将上述产生的三角波高压脉冲送入一匹配传输网络和一无源脉冲合成网络，则可送出上述所要求的五对高压脉冲。

本发明的优点是利用一只皮秒分幅变像管和一个斜坡或一个三角波高压脉冲发生器就可获得6幅图像，每幅图像曝光时间小于100ps（半宽度小于50ps），相邻画幅时间间隔小于200ps，动态空间分辨率可达10对线/mm，无分幅图像变形，动态范围优于50∶1。各高压脉冲之间的时间关联是由上述网络的结构确定的。因此，本发明所设计的相机，不仅性能更佳，而且结构简单、成本低、性能稳定可靠。

附图1为本发明所设计的皮秒分幅变像管相机的结构原理图，附图2为相机的光电开关超快速控制电路图，附图3为相机的雪崩晶体管超快速控制电路图。图中1为光学系统，2光电阴极，3加速电极，4聚焦电极，5阳极，6皮秒分幅变像管，7快门板，8位移板，9三缝光栏，10三对补偿板，11微通道板，12荧光屏，13照相机，14延时器，15光电开关，16斜坡高压脉冲发生器，17匹配传输型无源脉冲成形网络，18雪崩晶体管串，19三角波高压脉冲发生器。

从图中可以看出，光学系统（1）将待测目标成像到皮秒分幅变像管（6）的光电阴极（2）上，经光电转换，将待测光脉冲转换成时空结构和光脉冲相同的电子脉冲。该电子脉冲经由加速电极（3）、聚焦电极（4）、阳极（5）组成的聚焦系统成像到微通道板（11）的输入面上，经微通道板增强和近贴聚焦，电子轰击荧光屏（12）输出图像，并为接触照相机（13）所记录，但这时获得的是光脉冲时间积分图像。为了获得分幅图像，当电子脉冲通过快门板（7）时，其上加三角波高压脉冲，电子束将沿三缝光栏（9）扫描两次，在三个狭缝处实现电子束的六次“曝光”，这六次曝光的电子束分别通过加有和快门板极性相反的高压三角波和适当直流偏压的三对补偿板（10），实现对电子束的反向扫描补偿，在荧光屏上获得清晰的分幅图像。为了使前三幅和后三幅图像分离，当电子束在三缝光栏处完成第三次“曝光”时，位移板（8）上马上施加单台阶波高压脉冲，从而使六幅图像分成两排。为了使电子脉冲和快门板上的三角波高压脉冲同步，触发超快速控制电路的光脉冲需先通过一光学延时器（14），通过改变光学延时器延时调节他们的同步，而待测脉冲和激发光脉冲具有固定的时间关联，这是由待测目标决定的。超快速控制电路是由一个斜坡高压脉冲发生器（16）或一个三角波高压脉冲发生器（19）与匹配传输脉冲成形网络（17）所组成。它将以皮秒分幅变像管所要求的各脉冲间的时间关联为上述的快门板、补偿板和位移板提供4对正负极性的三角波和一对正负极性的单台阶波高压脉冲。

Claims (6)

1、一种变像管皮秒分幅相机，包括有光学系统、皮秒分幅变像管、像增强器、直流电源、超快速控制电路和记录系统，本发明的特征在于：所用的皮秒分幅变像管具有静电弱聚焦系统及由快门板、位移板、三缝光栏和三对补偿板所组成的偏转群体结构，相机所用的4对正负极性三角波和一对正负极性的单台阶波高压脉冲由一个超快速控制电路提供。

2、根据权利要求1所述的相机，其特征是所述的静电弱聚焦系统具有长的加速电极和短的阳极，它们和聚焦电极的共同作用使电子束中的电子以和轴较小的夹角快速运行，这种结构使聚焦系统具有短的轴向长度，低的阳极电压和长的等位区，使电子束在等位区的前1/3轴向长度内具有小的横向截面。

3、根据权利要求1所述的相机，其特征是所述的快门板和三对补偿板具有相同的偏转方向、相同的偏转灵敏度和相同的电子渡越时间。

4、根据权利要求1所述的相机，其特征是所述的位移板置于三缝光栏之前，并采用电磁波横向传输的对称型行波偏转系统。

5、根据权利要求1所述的相机，其特征是所述的三对补偿板位于等位区轴向的不同位置。

6、根据权利要求1所述的相机，其特征是所述的一个超快速控制电路是由一个斜坡高压脉冲发生器或一个三角波高压脉冲发生器与匹配传输型无源脉冲成形网络所组成，只用一个电压脉冲发生器即可输出4对正负极性的三角波和一对正负极性的单台阶波高压脉冲。

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