CN107104028A - 一种各向异性大动态条纹变像管的装配结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种各向异性大动态条纹变像管的装配结构及方法，能够提高各向异性聚焦条纹变像管电子光学系统的装配精度，提高装配效率及合格率，改善条纹管装配的一致性和互换性，从而最终提高条纹管制作效率及成品率。该装配结构由三个单独的模块分别与管壳焊接固定形成，其中：时间预聚焦电极模块主要由G栅极、F1聚焦极和B1消隐电极通过多个绝缘子整体热熔封接形成；空间聚焦电极模块主要由四个QL空间电极组成，这四个QL空间电极沿周向依次相邻、相应地分别通过绝缘子整体热熔封接；时间聚焦电极+偏转板联合模块主要由B2消隐电极、F2聚焦极、A阳极以及两个D偏转板通过多个绝缘子整体热熔封接形成。

Description

一种各向异性大动态条纹变像管的装配结构及方法

技术领域：

本发明涉及一种超快诊断光电器件的装配技术，具体涉及条纹相机核心部件条纹变像管的装配结构及方法。

背景技术：

超快现象(持续时间小于1μs)广泛地出现在自然或科学技术研究中。例如，植物的光合作用过程、超大规模集成电路所产生的电脉冲、半导体材料载流子寿命、激光材料中的超快光激发态驰豫过程、化学反应的分子动力学过程、生物材料荧光发射、激光器产生的超短激光脉冲其持续时间、强光与物质相互作用物理过程等多在皮秒至飞秒量级，甚至于阿秒量级范围内^[1]。因此超快现象研究对自然科学、能源、材料、生物、光物理、光化学、激光技术、强光物理、高能物理等研究及技术领域具有重要意义。

条纹相机能够同时提供超快过程的一维空间(或光谱)、一维强度和一维时间共三维超快信息。条纹相机作为目前唯一的高时空分辨率的超快现象线性诊断工具，在时间分辨的超快现象研究中发挥着难以替代的作用。条纹相机主要由输入光学系统、条纹变像管、图像增强器及耦合系统、扫描电控、图像采集及分析等组成。

条纹变像管是条纹相机的关键核心器件，主要由光电阴极、栅极、聚焦系统、偏转器及成像单元组成，其结构原理如图1所示。光电阴极用作条纹变像管光辐射探测敏感层，制作在条纹变像管输入窗口真空一侧，其功能是将被测辐射信息通过外光电效应转化为光电子；栅极及聚焦系统对包含被测目标信息的电子进行轴向加速，并将加速后电子束在垂直轴向方向调制；偏转系统通过所施加电压实现被测目标时间信息向空间信息转换；成像单元一般由荧光屏(或图像增强器、CCD等成像器件)构成，将被测目标信息显示为条纹图像，从而完成超快过程的探测。

本申请主要针对电极零件较多的条纹变像管，如各向异性聚焦条纹变像管^[2]进行装配。典型的条纹管结构如图2所示，该条纹变像管由时间预聚焦电极系统(零件数量：3个)、空间电极系统(零件数量：4个)、时间聚焦电极系统(零件数量：3个)、偏转器(零件数量：2个)及荧光屏组成，共有电极零件12个。装配过程中要保证每个电极之间的空间位置准确性，还要保证各电极之间相互位置关系精度，任一电极位置及相互关系产生偏差都会造成最终整管成像质量的严重缺陷甚至整管报废，因此装配精度和一致性要求很高。

条纹变像管内部电极都通过设计的装架接口点焊固定于玻璃管壳上，通过对玻壳的密封焊接，为电子光学系统工作提供真空环境。条纹变像管装架完成后的尺寸会与理论设计空间尺寸产生偏差，偏差超过容限则会影响整个系统的成像质量。当然，造成偏差的原因很多，但主要由零件加工误差和装架误差造成。随着加工技术水平的发展，零件加工都能达到理论要求的精度，因此，装架误差则成为最终像质影响的主因^[3]。针对对各项异性聚焦大动态条纹管的分析可知，该条纹管电极装配精度以及电极与前后聚焦电极的相对位置精度是关键的影响因素。

传统各向异性聚焦条纹变像管装配结构如图2所示，装配方法是将电极逐一叠加的方式进行，详细装配过程如下：

时间预聚焦电极组，首先给G栅极1、F1聚焦极2和B1消隐电极3上分别点焊固定零件陶瓷柱10各四个，每个电极上下两侧各两个；将三个电极利用胎具固定，保证其距离及位置关系后，在陶瓷柱表面焊接时间电极支撑板11两个，三个电极便通过两个时间电极支撑板固定成为一体；再将时间电极支撑板11与时间电极连接板12焊接固定，时间电极连接板12与管壳焊接完成时间预聚焦电极组装配。

空间电极电极组，由四个QL空间电极4垂直正交分布组成，首先给一个电极点焊四个零件陶瓷柱10，再将陶瓷柱10另一侧与空间电极支撑板14焊接固定；重复上述步骤完成四个电极与电极支撑板的连接固定后，利用胎具将四个电极垂直分布的位置固定；在空间电极支撑板14两侧点焊法兰型零件空间电极连接板13，将均布的四个空间电极组固定位一组，最后空间电极连接板13与管壳焊接完成空间电极的装配。

时间聚焦电极及偏转板电极组，主要由B2消隐电极5、F2聚焦极6、A阳极7以及偏转板8组成。其中B2消隐电极、F2聚焦极、A阳极初期装配方法及过程与时间聚焦电极组类似，利用陶瓷柱10将时间电极预时间电极支撑板连接并利用胎具固定；在靠近空间电极一侧时间电极支撑板11与时间电极支撑板12焊接固定；靠近偏转板一侧时间电极支撑板11与阳极连接板15焊接固定；再将偏转板8利用陶瓷柱与偏转板支撑板16点焊固定，并将偏转板支撑板16与阳极连接板15焊接固定，至此将时间聚焦电极及偏转板电极组完成组装，利用两侧连接板与管壳焊接完成时间聚焦及偏转电极组的装配。

将以上完成三组电极组装配后的管壳进行焊接，完成各向异性聚焦条纹变像管的装配。

该装配方案存在以下问题：

1)各电极零件逐一进行装配，同时各电极之间要达到绝缘的要求(最高压差20kV)，绝缘及支撑结构复杂。

2)封接管壳两端金属件同轴度、平行度偏差较大，而金属件是电极系统固定焊接部位，造成装配电极系统同轴度偏差超过Φ0.1mm，容易破坏电子光学系统的对称性，对空间分辨率造成较大影响。

3)空间电极与电子光学系统轴线倾角难以控制，当偏差超过0.5°，扫描方向空间分辨率下降到无法接受的程度，使得整管装配失败。

4)多节管壳叠加焊接，管壳误差累积造成整体变像管内部电极位置偏差和管体总长度的偏差，影响成像性能。

5)装配工艺复杂，装配效率及合格率低，装配一致性较差，后期调试需要花费大量时间。

[1]Scrinzi A,Ivanov MY,Kienberger R,et al.Attosecondphysics.J.Phys.B:At.Mol.Opt.Phys.,2006,39:R1–R37

[2]发明名称：各向异性聚焦大动态条纹变像管，中国专利ZL201010574723.4

[3]装架准确度对条纹管性能参量影响的研究；《光子学报》第38卷第6期，2009年6月；作者：刘虎林田进寿赵宝升等。

发明内容：

针对目前各向异性聚焦条纹变像管装配过程中存在的问题，本发明的目的是提高各向异性聚焦条纹变像管电子光学系统的装配精度，简化装配结构及工艺，提高装配效率及合格率，改善条纹管装配的一致性和互换性，从而最终提高条纹管制作效率及成品率。

为了实现以上发明目的，本申请提出以下解决方案：

该各向异性大动态条纹变像管的装配结构，是由三个单独的模块分别与管壳焊接固定形成，所述三个单独的模块分别为时间预聚焦电极模块、空间聚焦电极模块、时间聚焦电极+偏转板联合模块；所述时间预聚焦电极模块主要由G栅极、F1聚焦极和B1消隐电极通过多个绝缘子整体热熔封接形成；所述空间聚焦电极模块主要由四个QL空间电极组成，这四个QL空间电极沿周向依次相邻、相应地分别通过绝缘子整体热熔封接；所述时间聚焦电极+偏转板联合模块主要由B2消隐电极、F2聚焦极、A阳极以及两个D偏转板通过多个绝缘子整体热熔封接形成。

对于上述装配结构，还可进一步作如下优化：

时间预聚焦电极模块中采用四个绝缘子。

空间聚焦电极模块中采用了十二个绝缘子，其中每相邻的两个QL空间电极均沿轴向依次设置有三个绝缘子。

时间聚焦电极+偏转板联合模块中采用六个绝缘子。

上述装配结构的实现方法，包括以下步骤：

1)将条纹变像管的内部电极系统划分为三个模块：时间预聚焦电极模块、空间聚焦电极模块、时间聚焦电极+偏转板联合模块；

2)对于每个模块，分别利用相应的胎具定位固定后，通过玻璃火头和绝缘子进行熔封，将各自的电极零件一次固定；之后拆除胎具，完成三个模块的制作；

3)将三个模块与管壳进行焊接集成；然后装入管壳内，前端装入阴极，后端焊接荧光屏，最终完成整个条纹变像管的装配。

其中，步骤2)利用相应的胎具定位，最终得到的三个模块的平行度最好小于20μm，间距公差小于25μm。

进一步的，本发明还针对步骤2)中的熔封操作进行了重要优化，即采用特定的熔封装置进行熔封操作。该熔封装置包括台架、工作台、上模板、升降导柱、火头以及电控单元；所述工作台、升降导柱和火头均定位安装于所述台架的台面上，其中工作台与台架的台面平行，工作台上设置有绝缘子固定槽；所述上模板用于在其下表面固定待熔封的零件，上模板安装于升降导柱上并与工作台平行相对，在驱动机构的作用下能够沿着升降导柱向工作台移动；所述火头布置于工作台两侧对应于绝缘子固定槽，用于对绝缘子加热，火头能够受控偏转使得上模板与工作台合拢的过程中避免干涉相互工作；

每一次熔封操作按照以下步骤进行：

2.1)熔封准备

将待熔封的零件利用胎具组装固定于上模板的下表面；根据熔封结构的设计尺寸，调整并设置上模板的升降行程；调整火头的旋转方向和角度，确保火头朝向外侧；点燃火头，调节至火头燃烧平稳；

2.2)熔封过程

在工作台上的绝缘子固定槽中放入绝缘子，火头对绝缘子进行加热，当绝缘子加热温度达到500～800℃时，火头继续加热至达到熔封要求，然后火头旋转移开、关闭火焰；上模板落下将零件与绝缘子熔封固定，然后升起，至此完成零件的一次熔封装配，冷却后从上模板拆下熔封装配的组件。

本发明具有以下有益效果：

整个电极系统结构简单，零件数量少，集成装配工艺简便；熔封固定强度高，不易变形，在后续高温工艺过程中稳定性高；整个电子光学聚焦系统物理场受不受其他固定零件磁性干扰，因此产品性能更加稳定。

本发明解决了传统各电极零件逐一进行装配，由于管壳制作误差带来的同轴度、平行度偏差，逐级累加误差过大造成装配工艺复杂工序繁多，装配后期调校工作量大，受工艺操作人员主观影响较大，装配合格率低的问题。相比传统的装配方案，本发明将大量的电极零件分组，并进行模块化处理后，使得装配电极数量大大减小，装配工艺简化，装配精度及一致性好，且具有互换性，装配后无需后续调校工作，装配后像质好，静态分辨率可达30～35lp/mm。

本发明还可推广应用于其他条纹变像管的装配制作，可节省大量的人力物力，适合于批量化操作。

利用本发明给出的熔封装置，能够使整个装架的工艺过程简化，零件熔封牢固可靠，一致性高，熔封过程避免对器件造成污染，大大降低了对操作工艺人员的要求，不同零件熔封工艺固化易于实现，进一步为条纹变像管的制作节省大量人力物力。

附图说明

图1为条纹变像管结构原理示意图。

图2为传统各项异性聚焦条纹变像管电极结构示意图。

图3为本发明各项异性聚焦条纹变像管电极结构示意图。

图4为图3中所示时间预聚焦电极模块的示意图。

图5为图3中所示空间聚焦电极模块的示意图。

图6为图3中所示时间聚焦电极+偏转板联合模块的示意图。

图7为成组模块化精密装配过程工艺流程图。

图8为本发明装配的条纹管静态空间分辨率测试结果。

图9为本发明在熔封时采用的熔封装置的结构示意图。

附图标号说明：

a—阴极，b—栅极，c—聚焦系统，d—偏转器，e—荧光屏；

1—G栅极，2—F1聚焦极，3—B1消隐电极，4—QL空间电极，5—B2消隐电极，6—F2聚焦极，7—A阳极，8—D偏转板，9—绝缘子，10—陶瓷柱，11—时间电极支撑板，12—时间电极连接板，13—空间电极连接板，14—空间电极支撑板，15—阳极连接板，16—偏转板支撑板；

100—台架，200—工作台，300—上模板，400—升降导柱，500—火头，600—电控单元，201-绝缘子固定槽，301-用于配合固定熔封固定零件的接口。

具体实施方式

本发明根据条纹变像管电极结构，把结构、材料、工艺相似的零件组成一个零件族(组)，按零件族制定工艺进行装配。装配过程中的成组模块化方法是利用电极系统中零件的相似性，按照一定的准则分类成组，同组产品能够采用同一方法进行处理，从而扩大了批量、减少了装配工艺，方法更高效，提高了效益。

各项异性聚焦条纹变像管中时间预聚焦电极系统与时间聚焦电极系统结构基本类似，空间电极电极系统由四个结构相同的弧面电极正交分布构成，符合成组装配的条件，因此，条纹管电极系统装配中将内部电极系统分为了三个独立的模块(结构如图3)：时间预聚焦电极模块、空间聚焦电极模块、时间聚焦电极+偏转板联合模块，将各向异性条纹变像管内部电极采用分组模块化的制作方案。每一组电极利用胎具固定后，通过玻璃绝缘子高温熔封将每组电极零件一次熔封固定，之后拆除定位胎具，完成电极组模块化制作，使得条纹管装配12个电极零件的工作简化为内部3个电极模块的装配，工艺大大简化。在成组模块化熔封的过程中，每个模块都采用相应的工装胎具，保证了熔封后电极组的精度一致性和互换性，使得后续条纹变像管的集成装配效率大大提高，装配成活率也得到保障。

该发明方法工艺流程具体如图7所示：

首先是电极成组划分；根据各向异性条纹变像管内部电极零件结构及空间位置，将12个零件成组划分，共分为3组，图中一个方框代表一组；其次进行电极组模块化装配；利用胎具固定为3个模块，分别为预聚焦电极模块、空间电极模块、聚焦偏转模块，利用玻璃火头和绝缘子对3个模块进行熔封，熔封后拆去胎具，3个电极组成为固定的3个电极模块，其平行度小于20μm，间距公差小于25μm。最后将所有的模块进行集成；将上述工艺完成的3个电极模块按照传统的方法装入管壳内，前端装入阴极，后端焊接荧光屏，就完成了整个条纹变像管的装配。将装配好的条纹条纹变像管装入电子光学光具座内进行像质的检测，检测像质合格即完成整个条纹变像管的高精度装配。

其中熔封操作可采用本发明设计的一种熔封装置，该熔封装置包括台架、工作台、上模板、升降导柱、火头以及电控单元；所述工作台、升降导柱和火头均定位安装于所述台架的台面上，其中工作台与台架的台面平行，工作台上设置有绝缘子固定槽；所述上模板用于在其下表面固定待熔封的零件，上模板安装于升降导柱上并与工作台平行相对，在驱动机构的作用下能够沿着升降导柱向工作台移动；所述火头布置于工作台两侧对应于绝缘子固定槽，用于对绝缘子加热，火头能够受控偏转使得上模板与工作台合拢的过程中避免干涉相互工作。具体如图9所示：

台架部分主要由台面、矩形钢支撑腿等组成，作为该装置的主体部分，为其他执行元器件及模块提供支撑及安装位置，是整个装置工作的平台，在工作台区域下部加工隔热层，保证高温下正常工作；

工作台利用石英制成，工作台上加工出绝缘子固定槽，在玻璃火头高温熔封的过程中，既保证绝缘子的位置，也确保绝缘子不受污染，绝缘子形状不发生变化，使熔封后零件规整；

上模板主要用于对待熔封的零件进行固定，设计接口，工作时利用胎具将电极零件固定后，通过接口固定在上模板下表面(例如接口可为通孔，采用螺钉穿过通孔固定零件)，上模板在驱动电机(或气动执行件)的作用下可沿导柱上下移动，在绝缘子熔化状态下实现熔封；

导柱用来保证上模板待固定零件与工作台上绝缘子位置精度，在高温状态下快速实现定位熔封；

火头主要是对绝缘子加热，采用氧气和煤气两种气体混合气燃烧，将绝缘子加热至融化状态，在驱动装置的作用下，玻璃火头可以实现360°角回转，在熔封上模板与工作台合拢的过程中不干涉相互工作；

电控单元主要对整个装置的工作根据要求进行设定，为上模板的升降、火头的旋转等提供控制，火头的旋转与上模板下降过程连锁控制，为整个装置的安全工作提供保障。

另外，台面上还布置了旋钮、按钮等，各旋钮、按钮的功能主要是调整火头的气体比例，上模板升降动作开关及行程设定，两个火头动作开关及旋转方向、角度设定；台面石英工作台下方设置热偶，对绝缘子熔封温度进行监控，确保熔封工艺的一致性和稳定性。

每一次熔封操作可按照以下步骤进行：

2.1)熔封准备

将待熔封的零件利用胎具组装固定于上模板的下表面；根据熔封结构的设计尺寸，调整并设置上模板的升降行程；调整火头的旋转方向和角度，确保火头朝向外侧；点燃火头，调节至火头燃烧平稳；

2.2)熔封过程

在工作台上的绝缘子固定槽中放入绝缘子，火头对绝缘子进行加热，当绝缘子加热温度达到500～800℃时，火头继续加热至达到熔封要求，然后火头旋转移开、关闭火焰；上模板落下将零件与绝缘子熔封固定，然后升起，至此完成零件的一次熔封装配，冷却后从上模板拆下熔封装配的组件。

本发明最终产品结构如图3所示，主要由八个电极零件及多组绝缘子9构成，可采用玻璃火头熔封的方式。时间预聚焦电极模块由G栅极1、F1聚焦极2和B1消隐电极3组成，将三个电极利用胎具固定后，采用玻璃火头及四个绝缘子9热熔封接，一次实现三个电极的装配固定；空间聚焦电极模块是将四个QL空间电极4利用胎具固定后，利用12个绝缘子9熔封完成；时间聚焦电极+偏转板联合模块采用了类似的热熔封接的方式，将B2消隐电极5、F2聚焦极6、A阳极7、D偏转板8(两个)利用胎具固定，采用六个绝缘子9一次完成该电极组的熔封固定。三组电极分别与管壳焊接固定后，即可完成各向异性条纹变像管的装配。

Claims (7)

1.一种各向异性大动态条纹变像管的装配结构，其特征在于：由三个单独的模块分别与管壳焊接固定形成，所述三个单独的模块分别为时间预聚焦电极模块、空间聚焦电极模块、时间聚焦电极+偏转板联合模块；所述时间预聚焦电极模块主要由G栅极、F1聚焦极和B1消隐电极通过多个绝缘子整体热熔封接形成；所述空间聚焦电极模块主要由四个QL空间电极组成，这四个QL空间电极沿周向依次相邻、相应地分别通过绝缘子整体热熔封接；所述时间聚焦电极+偏转板联合模块主要由B2消隐电极、F2聚焦极、A阳极以及两个D偏转板通过多个绝缘子整体热熔封接形成。

2.根据权利要求1所述的各向异性大动态条纹变像管的装配结构，其特征在于：所述时间预聚焦电极模块中采用了四个绝缘子。

3.根据权利要求1所述的各向异性大动态条纹变像管的装配结构，其特征在于：所述空间聚焦电极模块中采用了十二个绝缘子，其中每相邻的两个QL空间电极均沿轴向依次设置有三个绝缘子。

4.根据权利要求1所述的各向异性大动态条纹变像管的装配结构，其特征在于：所述时间聚焦电极+偏转板联合模块中采用了六个绝缘子。

5.一种各向异性大动态条纹变像管的装配方法，包括以下步骤：

1)将条纹变像管的内部电极系统划分为三个模块：时间预聚焦电极模块、空间聚焦电极模块、时间聚焦电极+偏转板联合模块；

2)对于每个模块，分别利用相应的胎具定位固定后，通过玻璃火头和绝缘子进行熔封，将各自的电极零件一次固定；之后拆除胎具，完成三个模块的制作；

3)将三个模块与管壳进行焊接集成；然后装入管壳内，前端装入阴极，后端焊接荧光屏，最终完成整个条纹变像管的装配。

6.根据权利要求1所述的各向异性大动态条纹变像管的装配方法，其特征在于：步骤2)利用相应的胎具定位，最终得到的三个模块的平行度小于20μm，间距公差小于25μm。

7.根据权利要求6所述的各向异性大动态条纹变像管的装配方法，其特征在于：步骤2)采用特定的熔封装置进行熔封操作，所述熔封装置包括台架、工作台、上模板、升降导柱、火头以及电控单元；所述工作台、升降导柱和火头均定位安装于所述台架的台面上，其中工作台与台架的台面平行，工作台上设置有绝缘子固定槽；所述上模板用于在其下表面固定待熔封的零件，上模板安装于升降导柱上并与工作台平行相对，在驱动机构的作用下能够沿着升降导柱向工作台移动；所述火头布置于工作台两侧对应于绝缘子固定槽，用于对绝缘子加热，火头能够受控偏转使得上模板与工作台合拢的过程中避免干涉相互工作；

每一次熔封操作按照以下步骤进行：

2.1)熔封准备

将待熔封的零件利用胎具组装固定于上模板的下表面；根据熔封结构的设计尺寸，调整并设置上模板的升降行程；调整火头的旋转方向和角度，确保火头朝向外侧；点燃火头，调节至火头燃烧平稳；

2.2)熔封过程

在工作台上的绝缘子固定槽中放入绝缘子，火头对绝缘子进行加热，当绝缘子加热温度达到500～800℃时，火头继续加热至达到熔封要求，然后火头旋转移开、关闭火焰；上模板落下将零件与绝缘子熔封固定，然后升起，至此完成零件的一次熔封装配，冷却后从上模板拆下熔封装配的组件。