CN107424891A - 电子脉冲时域展宽器、展宽方法及x射线分幅相机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了电子脉冲时域展宽器、展宽方法及X射线分幅相机，电子脉冲时域展宽器包括：微带阴极，微带阴极设置在真空室的入口内，微带阴极加负直流偏置电压，且微带阴极上设置有阻抗渐变线；阳极栅网，阳极栅网设置在微带阴极的后方，用于使微带阴极发出的光电子经阳极栅网加速后在真空室内漂移；斜坡高压射频脉冲发生器，斜坡高压射频脉冲发生器与微带阴极或阳极栅网电性连接，用于使微带阴极或阳极栅网叠加上斜坡高压射频脉冲。该电子脉冲时域展宽器、展宽方法及X射线分幅相机能够对电子脉冲的时域进行展宽，具有较为简易的结构，并且电子脉冲的时间展宽倍率可调，还可以实现阴极输入面上电子脉冲的一致展宽。

Description

电子脉冲时域展宽器、展宽方法及X射线分幅相机

技术领域

本发明涉及电子成像技术领域，具体而言，涉及电子脉冲时域展宽器、展宽方法及X射线分幅相机。

背景技术

X射线分幅相机通过变像管实现图像的光电转换、脉冲选通与图像增强，是研究亚纳秒时间范围内瞬变现象的主要工具。其借助光电阴极来实现波长转换，所以具有较宽的波长响应范围，可覆盖从紫外光到X射线区段。其利用微通道板实现光电子信号的倍增，故具有很高的灵敏度。尤其是20世纪90年代以来，采用MCP行波选通技术使分幅相机的时间分辨率得以显著提升，因此广泛应用于X射线激光、惯性约束核聚变(ICF)、Z-箍缩以及强场物理等重大研究领域中。

如图1所示，基于MCP选通的分幅相机包括目标01、针孔板02、选通电脉冲03、MCP04和荧光屏05，工作原理是将被拍摄的等离子体经光学系统成像于MCP输入面的光阴极微带上。若选通脉冲未加在光阴极微带时，该光阴极上的图像将被MCP吸收，则荧光屏上无图像输出。当选通脉冲加至微带阴极上时，该光阴极上产生的光电子将被MCP倍增，并轰击荧光屏输出可见光图像。目前，实用化分幅相机的曝光时间可达～60ps。

随着ICF研究的深入以及光物理、光化学、光生物学等学科的迅速发展，对超快诊断技术和设备的要求又不断提高。在对等离子体拍摄时，为避免图像的动态模糊，要求相机的曝光时间小于40ps。采用薄的MCP，行波选通分幅相机时间分辨最高可达35ps。而薄MCP比较脆弱，所得图像信噪比也较差，无法满足实际需求。进一步研究表明，影响分幅相机时间分辨的主要因素包括：MCP中电子的渡越时间、渡越时间弥散以及选通脉冲宽度等。其中电子渡越时间弥散决定了分幅相机的极限时间分辨率。于是，人们又提出以无增益MCP代替有增益MCP研制X射线分幅相机。但同样存在信噪比低，难以实用的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了电子脉冲时域展宽器、展宽方法及X射线分幅相机。该电子脉冲的时域展宽器具有较为简易的结构，并且电子脉冲的时间展宽倍率可调，还可以实现阴极输入面上电子脉冲的一致展宽。

具体地，其技术方案如下：

一种电子脉冲时域展宽器，包括：

微带阴极，所述微带阴极设置在所述真空室的入口内，所述微带阴极加负直流偏置电压，且所述微带阴极上设置有阻抗渐变线；

阳极栅网，所述阳极栅网设置在所述微带阴极的后方，用于使所述微带阴极发出的光电子经所述阳极栅网加速后在所述真空室内漂移；

斜坡高压射频脉冲发生器，所述斜坡高压射频脉冲发生器与所述微带阴极或所述阳极栅网电性连接，用于使所述微带阴极或所述阳极栅网叠加上斜坡高压射频脉冲。

作为对技术方案的改进，所述电子脉冲时域展宽器还包括石英窗口、管法兰、压环和电路板，所述石英窗口设置在管法兰的入口且封住所述管法兰的入口，所述微带阴极位于所述管法兰的入口内，所述微带阴极的两端分别一体地设置有所述阻抗渐变线，所述阻抗渐变线固定在所述电路板上，所述电路板固定在所述管法兰上，所述阳极栅网通过所述压环与所述微带阴极间隔设置。

作为对技术方案的改进，所述电路板为高频PCB电路板。

作为对技术方案的改进，所述微带阴极为薄膜结构，所述微带阴极的表面设置有镀金层。

作为对技术方案的改进，所述斜坡高压射频脉冲发生器中的斜坡高压射频脉冲产生电路为由雪崩三极管组成的MARX BANK电路。

作为对技术方案的改进，所述电路板上设置有用于连接所述斜坡高压射频脉冲发生器的射频连接器插头，所述微带阴极两端的所述阻抗渐变线的阻值渐变范围分别为50～17Ω与17～50Ω。

作为对技术方案的改进，所述微带阴极的两端被同时加载相同的所述斜坡高压射频脉冲。

作为对技术方案的改进，所述阳极栅网与所述斜坡高压射频脉冲发生器电性连接，用于使所述阳极栅网叠加上斜坡高压射频脉冲，所述微带阴极接地。

一种电子脉冲时域展宽方法，使用前述技术方案任一项所述的电子脉冲时域展宽器，将入射的X射线照射在所述微带阴极上，使所述微带阴极音外光电效应而产生光电子，在所述微带阴极加负直流偏置电压，并使所述微带阴极或所述阳极栅网叠加上斜坡高压射频脉冲，且X射线同步在所述斜坡高压射频脉冲的上升沿，进而使先发射的所述光电子较后面的所述光电子获得更大的能量，从而使得前面的所述光电子速度更快，通过所述阳极栅网后一段渡越漂移空间之后，电子脉冲的时域宽度被展宽，从而实现电子脉冲的时间放大。

一种X射线分幅相机，具有前述技术方案任一项所述的电子脉冲时域展宽器。

本发明至少具有以下有益效果：

根据本发明提供的电子脉冲时域展宽器，将入射的X射线照射在所述微带阴极上，使所述微带阴极音外光电效应而产生光电子，在所述微带阴极加负直流偏置电压，并使所述微带阴极或所述阳极栅网叠加上斜坡高压射频脉冲，且X射线同步在所述斜坡高压射频脉冲的上升沿，进而使先发射的所述光电子较后面的所述光电子获得更大的能量，从而使得前面的所述光电子速度更快，通过所述阳极栅网后一段渡越漂移空间之后，电子脉冲的时域宽度被展宽，从而实现电子脉冲的时间放大。

进一步地，在此基础上制作的X射线分幅相机对展宽后的电子束进行测量，就可以获得更短的时间分辨能力。

而且，本发明中阴极的结构设计为微带传输线结构，并带有阻抗渐变线，满足传输阻抗匹配条件，能够实现微带阴极的宽频带传输能力；高压斜坡电脉冲产生是采用雪崩管组成的MARX BANK脉冲发生电路来实现的，其触发晃动小，所需供电电源较低，并能够产生超快的脉冲前沿。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是行波选通分幅变像管的工作原理图；

图2是本发明实施例1中电子脉冲时域展宽器的原理图；

图3是本发明实施例1中阴极与阳极栅网的组合体的俯视图；

图4是本发明实施例1中阴极与阳极栅网的组合体的侧视图；

图5是本发明实施例中斜坡高电压射频脉冲产生电路工作原理图；

图6是本发明实施例2中电子脉冲时域展宽器的局部示意图。

主要元件符号说明：

01-目标；02-针孔板；03-选通电脉冲；04-MCP；05-荧光屏；101-X射线；102-微带阴极；103-斜坡高压射频脉冲发生器；104-阳极栅网；105-电路板；1051-射频连接器插头；106-压环；107-石英窗口；108-管法兰；109-阻抗渐变线。

具体实施方式

在下文中，将更全面地描述本发明的各种实施例。本发明可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本发明的各种实施例限于在此公开的特定实施例的意图，而是应将本发明理解为涵盖落入本发明的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所公开的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：在本发明中，除非另有明确的规定和定义，“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接、也可以是可拆卸连接、或者一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也是可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，本领域的普通技术人员需要理解的是，文中指示方位或者位置关系的术语为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

实施例1

请一并参阅图2、图3、图4和图5，本实施例提供了一种电子脉冲时域展宽器，包括微带阴极102、阳极栅网104和斜坡高压射频脉冲发生器103。

在本实施例中，微带阴极102优选为薄膜结构，微带阴极102的表面设置有镀金层。微带阴极102设置在真空室的入口内，微带阴极102加负直流偏置电压，且微带阴极102上设置有阻抗渐变线109。在本实施例中，阳极栅网104设置在微带阴极102的后方，用于使微带阴极102发出的光电子经阳极栅网104加速后在真空室内漂移。此外，斜坡高压射频脉冲发生器103与微带阴极102连接，用于使微带阴极102叠加上斜坡高压射频脉冲。

通过上述设置，入射的X射线照射在微带阴极102上，因外光电效应而产生光电子。微带阴极102加负直流偏置电压并叠加上斜坡高压射频脉冲，阳极栅网104接地，X射线光脉冲同步在斜坡高压射频脉冲的上升沿。因此，先发射的光电子较后面的光电子获得更大的能量，从而使得前面的电子速度更快。那么，通过阳极栅网104后一段渡越漂移空间之后，电子脉冲的时域宽度就必然会被展宽，从而实现电子脉冲的时间放大。

在本实施例中，由于微带阴极102需要输入斜坡高压射频脉冲以实现在时间上对发射光电子脉冲的展宽，因此阴极的结构设计为微带传输线结构，并带阻抗渐变线109，以实现微带阴极102的宽频带传输能力。

优选地，电子脉冲时域展宽器还包括石英窗口107、管法兰108、压环106和电路板105。石英窗口107设置在管法兰108的入口，且封住管法兰108的入口，微带阴极102位于管法兰108的入口内，微带阴极102的两端分别一体地设置有阻抗渐变线109，阻抗渐变线109固定在电路板105上，电路板105固定在管法兰108上，阳极栅网104通过压环106与微带阴极102间隔设置。

优选地，电路板105为高频PCB电路板。进一步优选，电路板105的频率在1GHz以上。

优选地，斜坡高压射频脉冲发生器103中的斜坡高压射频脉冲产生电路为由雪崩三极管组成的MARX BANK电路。其工作原理是供电电源首先并行充电到储能电容，雪崩三极管串安装在微波传输线上，当其中一个雪崩三极管触发雪崩后，导致所有雪崩三极管同时雪崩导通，随着雪崩电流的增大进入二次雪崩区从而产生超快前沿的斜坡高压射频脉冲。

优选地，电路板105上设置有用于连接斜坡高压射频脉冲发生器103的射频连接器插头1051，微带阴极102两端的阻抗渐变线109的阻值渐变范围分别为50～17Ω与17～50Ω。

优选地，雪崩三极管串安装在50Ω微波传输线上。雪崩三极管为2N5551，该管有较高的雪崩电压(350～400V)、有良好的集电极雪崩电压稳定性、VCBO＝180V、VCEO＝160V。触发信号经脉冲变压器触发雪崩管Q13，当晶体管Q13雪崩导通后，它立即从高电压低电流状态转变为高电流低电压状态，导致电流流过整个环路，当电流增大到一定程度后，MARX电路中所有晶体管被二次击穿，产生具有皮秒上升沿的高压脉冲。快速上升沿可以解释为所有晶体管同时发生二次击穿。该电路将产生两个向相反方向传播的脉冲，负脉冲向输出端传播，正脉冲往另一端传输，并最终被50Ω的匹配电阻R1吸收。

通过改变电路的参数设置可以改变输出斜坡高压射频脉冲的斜率和幅值，还可调整加载于微带阴极102上的直流偏置，从而达到改变电子脉冲时域展宽倍率的目的。

另外，斜坡高压射频脉冲在微带阴极102上传输过程中，为了减弱因空间电位梯度造成的输入面光电子时域展宽的不一致问题，可在微带阴极102两端同时输入相同的斜坡高压射频脉冲。

本实施例还提供了一种电子脉冲时域展宽方法，使用本实施例提供的电子脉冲时域展宽器，将入射的X射线照射在微带阴极102上，使微带阴极102音外光电效应而产生光电子，在微带阴极102加负直流偏置电压并通过斜坡高压射频脉冲发生器103叠加上斜坡高压射频脉冲，且X射线同步在斜坡高压射频脉冲的上升沿，进而使先发射的光电子较后面的光电子获得更大的能量，从而使得前面的光电子速度更快，通过阳极栅网104后一段渡越漂移空间之后，电子脉冲的时域宽度被展宽，从而实现电子脉冲的时间放大。

本实施例还提供了一种X射线101分幅相机，具有本实施例提供的电子脉冲时域展宽器。

本实施例至少具有以下有益效果：

根据本实施例提供的电子脉冲时域展宽器，其将入射的X射线照射在微带阴极102上，使微带阴极102音外光电效应而产生光电子，在微带阴极102加负直流偏置电压并通过斜坡高压射频脉冲发生器103叠加上斜坡高压射频脉冲，且X射线同步在斜坡高压射频脉冲的上升沿，进而使先发射的光电子较后面的光电子获得更大的能量，从而使得前面的光电子速度更快，通过阳极栅网104后一段渡越漂移空间之后，电子脉冲的时域宽度被展宽，从而实现电子脉冲的时间放大。

进一步地，在此基础上制作的X射线101分幅相机对展宽后的电子束进行测量，就可以获得更短的时间分辨能力。

而且，本发明中阴极的结构设计为微带传输线结构，并带有阻抗渐变线109，满足传输阻抗匹配条件，能够实现微带阴极102的宽频带传输能力；高压斜坡电脉冲产生是采用雪崩管组成的MARX BANK脉冲发生电路来实现的，其触发晃动小，所需供电电源较低，并能够产生超快的脉冲前沿。

实施例2

请参阅图6，本实施例提供了一种电子脉冲时域展宽器。与实施例1相比，本实施例的主要区别在于：

在本实施例中，阳极栅网104与斜坡高压射频脉冲发生器103电性连接，用于使阳极栅网104叠加上斜坡高压射频脉冲，微带阴极102接地。通过上述设置，同样可以实现电子脉冲的时域展宽。

本实施例中的其它特征与实施例1相同，不再进一步叙述。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电子脉冲时域展宽器，其特征在于，包括：

微带阴极，所述微带阴极设置在所述真空室的入口内，所述微带阴极加负直流偏置电压，且所述微带阴极上设置有阻抗渐变线；

阳极栅网，所述阳极栅网设置在所述微带阴极的后方，用于使所述微带阴极发出的光电子经所述阳极栅网加速后在所述真空室内漂移；

斜坡高压射频脉冲发生器，所述斜坡高压射频脉冲发生器与所述微带阴极或所述阳极栅网电性连接，用于使所述微带阴极或所述阳极栅网叠加上斜坡高压射频脉冲。

2.根据权利要求1所述的电子脉冲时域展宽器，其特征在于，所述电子脉冲时域展宽器还包括石英窗口、管法兰、压环和电路板，所述石英窗口设置在管法兰的入口且封住所述管法兰的入口，所述微带阴极位于所述管法兰的入口内，所述微带阴极的两端分别一体地设置有所述阻抗渐变线，所述阻抗渐变线固定在所述电路板上，所述电路板固定在所述管法兰上，所述阳极栅网通过所述压环与所述微带阴极间隔设置。

3.根据权利要求2所述的电子脉冲时域展宽器，其特征在于，所述电路板为高频PCB电路板。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的电子脉冲时域展宽器，其特征在于，所述微带阴极为薄膜结构，所述微带阴极的表面设置有镀金层。

5.根据权利要求2所述的电子脉冲时域展宽器，其特征在于，所述斜坡高压射频脉冲发生器中的斜坡高压射频脉冲产生电路为由雪崩三极管组成的MARX BANK电路。

6.根据权利要求2所述的电子脉冲时域展宽器，其特征在于，所述电路板上设置有用于连接所述斜坡高压射频脉冲发生器的射频连接器插头，所述微带阴极两端的所述阻抗渐变线的阻值渐变范围分别为50～17Ω与17～50Ω。

7.根据权利要求6所述的电子脉冲时域展宽器，其特征在于，所述微带阴极的两端被同时加载相同的所述斜坡高压射频脉冲。

8.根据权利要求2所述的电子脉冲时域展宽器，其特征在于，所述阳极栅网与所述斜坡高压射频脉冲发生器电性连接，用于使所述阳极栅网叠加上斜坡高压射频脉冲，所述微带阴极接地。

9.一种电子脉冲时域展宽方法，其特征在于，使用权利要求1-8中任一项所述的电子脉冲时域展宽器，将入射的X射线照射在所述微带阴极上，使所述微带阴极音外光电效应而产生光电子，在所述微带阴极加负直流偏置电压，并使所述微带阴极或所述阳极栅网叠加上斜坡高压射频脉冲，且X射线同步在所述斜坡高压射频脉冲的上升沿，进而使先发射的所述光电子较后面的所述光电子获得更大的能量，从而使得前面的所述光电子速度更快，通过所述阳极栅网后一段渡越漂移空间之后，电子脉冲的时域宽度被展宽，从而实现电子脉冲的时间放大。

10.一种X射线分幅相机，其特征在于，具有权利要求1-8中任一项所述的电子脉冲时域展宽器。