CN108183057B - 一种无增益微通道板变像管及选通x射线分幅相机 - Google Patents
一种无增益微通道板变像管及选通x射线分幅相机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种无增益微通道板变像管及选通X射线分幅相机，包括无增益微通道板变像管、针孔阵列、选通脉冲发生器、以及CCD摄像机，其中，无增益微通道板变像管连接选通脉冲发生器，接收选通脉冲发生器发射的选通脉冲信号；成像针孔阵列设置在无增益微通道板变像管的前侧，CCD摄像机设置在无增益微通道板变像管的后侧；X射线通过成像针孔阵列成像到无增益微通道板变像管，产生的光电子通过无增益微通道板进行选通，并被屏压加速，轰击无增益微通道板变像管的荧光屏后产生可见光，CCD摄像机采集荧光屏上的图像。通过实施本发明，可有效提高X射线分幅相机的时间分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及分幅相机领域，更具体地说，涉及一种无增益微通道板变像管及选通X射线分幅相机。
背景技术
微通道板(Microchannel plate,MCP)选通X射线分幅相机具有较高的时间分辨率和空间分辨率，是惯性约束聚变(inertial confinement fusion,ICF)和Z-pinch实验中最重要的诊断设备之一。目前采用的有增益微通道板，由于微通道板中电子渡越时间弥散的限制，时间分辨率的提高难以取得突破性进展。目前实用化分幅相机的时间分辨率为60-100ps，采用薄微通道板(厚度为0.2mm)技术，可将时间分辨率提高至35ps左右，但这种相机的信噪比差，且薄微通道板脆弱。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述有增益微通道板时间分辨率不能满足ICF聚变燃烧阶段要求的缺陷，提供一种无增益微通道板变像管及选通X射线分幅相机。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种无增益微通道板变像管，包括：微带阴极、阻抗渐变线、无增益微通道板和荧光屏，其中，
所述微带阴极连接所述阻抗渐变线，并通过所述阻抗渐变线接收选通脉冲信号；
所述微带阴极设置在所述无增益微通道板的输入面上，用于将接收的光信号转换为光电子；
所述荧光屏设置在所述无增益微通道板的输出面侧，用于接收穿过所述无增益微通道板的光电子并发出荧光。
优选地，本发明所述的无增益微通道板变像管，所述微带阴极蒸镀在所述无增益微通道板的输入面上，所述微带阴极包括铜膜和金膜；所述无增益微通道板的输出面上蒸镀有与输入面上厚度相同的铜膜和金膜；
所述金膜的厚度为150nm，所述铜膜的厚度为200nm。
优选地，本发明所述的无增益微通道板变像管，所述微带阴极为四条，每条所述微带阴极连接一个所述阻抗渐变线；
所述微带阴极宽度为6mm，两条所述微带阴极间间隔为2mm；
所述阻抗渐变线为指数式阻抗渐变线。
优选地，本发明所述的无增益微通道板变像管，所述无增益微通道板的斜切角为6°，厚度为0.5mm，通道直径为12μm；
所述无增益微通道板的输出面距离所述荧光屏的距离为0.5mm。
另，本发明还提供一种无增益微通道板选通X射线分幅相机，包括无增益微通道板变像管、针孔阵列、选通脉冲发生器、以及CCD摄像机，其中，
所述无增益微通道板变像管连接所述选通脉冲发生器，接收所述选通脉冲发生器发射的选通脉冲信号；所述成像针孔阵列设置在所述无增益微通道板变像管的前侧，所述CCD摄像机设置在所述无增益微通道板变像管的后侧；
X射线通过所述成像针孔阵列成像到所述无增益微通道板变像管，产生的光电子通过所述无增益微通道板变像管进行选通，并被屏压加速，轰击所述无增益微通道板变像管的荧光屏后产生可见光，所述CCD摄像机采集所述荧光屏上的图像。
优选地，本发明所述的无增益微通道板选通X射线分幅相机，所述选通脉冲发生器通过同轴线缆连接所述无增益微通道板变像管的射频接头；
所述选通脉冲发生器包括雪崩三极管和二极管削波电路，所述雪崩三极管产生超快阶跃高压脉冲，再通过所述二极管削波电路对超快阶跃高压脉冲进行削波处理，输出所述选通脉冲信号。
优选地，本发明所述的无增益微通道板选通X射线分幅相机，所述选通脉冲发生器的输入端连接用于输出触发信号的触发电路，所述触发电路的输出端连接信号放大器，所述信号放大器通过可调延时电路连接所述选通脉冲发生器；
所述触发信号经所述信号放大器放大后由所述可调延时电路进行延时处理，调整后的所述触发信号输入所述选通脉冲发生器。
优选地，本发明所述的无增益微通道板选通X射线分幅相机，所述无增益微通道板变像管包括：微带阴极、阻抗渐变线、无增益微通道板和荧光屏，其中，
所述微带阴极连接所述阻抗渐变线，并通过所述阻抗渐变线接收选通脉冲信号；
所述微带阴极设置在所述无增益微通道板的输入面上，用于将接收的光信号转换为光电子；
所述荧光屏设置在所述无增益微通道板的输出面侧，用于接收穿过所述无增益微通道板的光电子发出荧光。
优选地，本发明所述的无增益微通道板变像管，所述微带阴极蒸镀在所述无增益微通道板的输入面上，所述微带阴极包括铜膜和金膜；所述无增益微通道板的输出面上蒸镀有与输入面上厚度相同的铜膜和金膜；
所述金膜的厚度为150nm，所述铜膜的厚度为200nm。
优选地，本发明所述的无增益微通道板变像管，所述微带阴极为四条，每条所述微带阴极连接一个所述阻抗渐变线；所述微带阴极宽度为6mm，两条所述微带阴极间间隔为2mm；所述阻抗渐变线为指数式阻抗渐变线；
所述无增益微通道板的斜切角为6°，厚度为0.5mm，通道直径为12μm；所述无增益微通道板的输出面距离所述荧光屏的距离为0.5mm。
本发明的无增益微通道板选通X射线分幅相机包括无增益微通道板变像管、针孔阵列、选通脉冲发生器、以及CCD摄像机，其中，无增益微通道板变像管连接选通脉冲发生器，接收选通脉冲发生器发射的选通脉冲信号；成像针孔阵列设置在无增益微通道板变像管的前侧，CCD摄像机设置在无增益微通道板变像管的后侧；X射线通过成像针孔阵列成像到无增益微通道板变像管，产生的光电子通过无增益微通道板进行选通，并被屏压加速，轰击无增益微通道板变像管的荧光屏后产生可见光，CCD摄像机采集荧光屏上的图像。通过实施本发明，有效提高X射线分幅相机的时间分辨率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1-2是本发明一种无增益微通道板变像管的结构示意图；
图3是本发明一种无增益微通道板选通X射线分幅相机的结构示意图；
图4a是本发明分幅相机实验验证得到的静态图像；
图4b是本发明分幅相机实验验证得到的动态图像；
图5是本发明分幅相机实验验证得到的实验值和高斯拟合曲线图；
图6是本发明分幅相机理论模拟得到的增益-时间曲线图；
图7是本发明分幅相机实验验证得到的相机的时间分辨率、输出信号强度与直流偏置电压的关系图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
图1是本发明一种无增益微通道板变像管的结构示意图。
具体的，该无增益微通道板变像管包括：微带阴极103、阻抗渐变线104、无增益微通道板101和荧光屏102，其中，微带阴极103连接阻抗渐变线104，并通过阻抗渐变线104接收选通脉冲信号；微带阴极103设置在无增益微通道板101的输入面上，用于将接收的光信号转换为光电子；另外，微带阴极103具有微带线的作用，传输选通脉冲。荧光屏102设置在无增益微通道板101的输出面侧，用于接收穿过无增益微通道板101的光电子并发出荧光。无增益微通道板101只做通道使用，不具有增益作用，即无增益微通道板101通道壁无二次电子发射层，电子与无增益微通道板101通道壁碰撞后将会被吸收而不会产生二次电子，只有发射能量和方向均合适的光电子才能不碰撞通道壁，从无增益微通道板101出射。
微带阴极103蒸镀在无增益微通道板101的输入面上，微带阴极103包括铜膜和金膜，其中，铜膜首先蒸镀在无增益微通道板101的输入面上，然后再在铜膜上蒸镀金膜。无增益微通道板101的输出面上蒸镀有与输入面上厚度相同的铜膜和金膜，其中，无增益微通道板101的输出面上首先蒸镀铜膜，然后再在铜膜上蒸镀金膜，并且铜膜和金膜覆盖整个无增益微通道板101的输出面。参考图2，是无增益微通道板变像管的正视图，其中，4条阻抗渐变线104排布在无增益微通道板101上。每条阻抗渐变线104连接微带阴极103，阻抗渐变线104为指数式阻抗渐变线104，其宽度由宽变窄，。荧光屏102临近无增益微通道板101设置，荧光屏设置在管法兰105中部，无增益微通道板101边缘设置有压环106、以及高频PC板107。
优选地，金膜的厚度为150nm，铜膜的厚度为200nm。
优选地，微带阴极103为四条，每条微带阴极103连接一个阻抗渐变线104；微带阴极103宽度为6mm，两条微带阴极103间间隔为2mm。
优选地，本发明的无增益微通道板变像管，无增益微通道板101的斜切角为6°，厚度为0.5mm，通道直径为12μm；
无增益微通道板101的输出面距离荧光屏102的距离为0.5mm。
图3是本发明一种无增益微通道板101选通X射线分幅相机的结构示意图。
具体的，该无增益微通道板101选通X射线分幅相机，包括无增益微通道板变像管、针孔阵列30、选通脉冲发生器204、以及CCD摄像机40，其中，无增益微通道板变像管连接选通脉冲发生器204，接收选通脉冲发生器204发射的选通脉冲信号；成像针孔阵列30设置在无增益微通道板变像管的前侧，CCD摄像机40设置在无增益微通道板变像管的后侧。X射线通过成像针孔阵列30成像到无增益微通道板变像管，产生的光电子通过无增益微通道板变像管进行选通，并被屏压加速，轰击无增益微通道板变像管的荧光屏102后产生可见光，CCD摄像机40采集荧光屏102上的图像。
选通脉冲发生器204通过同轴线缆连接无增益微通道板变像管的射频接头。因无增益微通道板变像管的射频接头和微通道板的微带阴极103的阻抗不同，因此射频接头和微带阴极103间需要一段阻抗渐变线104，保证选通脉冲传输过程中传输线的阻抗匹配。优选地，同轴线缆的阻值为50Ω。
选通脉冲发生器204包括雪崩三极管和二极管削波电路，雪崩三极管产生超快阶跃高压脉冲，再通过二极管削波电路对超快阶跃高压脉冲进行削波处理，输出选通脉冲信号。优选地，选通脉冲信号为皮秒选通脉冲信号。
进一步，选通脉冲发生器204的输入端连接用于输出触发信号的触发电路201，触发电路201的输出端连接信号放大器202，信号放大器202通过可调延时电路203连接选通脉冲发生器204；触发信号经信号放大器202放大后由可调延时电路203进行延时处理，调整后的触发信号输入选通脉冲发生器204。
具体的，无增益微通道板变像管包括：微带阴极103、阻抗渐变线104、无增益微通道板101和荧光屏102，其中，微带阴极103连接阻抗渐变线104，并通过阻抗渐变线104接收选通脉冲信号；微带阴极103设置在无增益微通道板101的输入面上，用于将接收的光信号转换为光电子；荧光屏102设置在无增益微通道板101的输出面侧，用于接收穿过无增益微通道板101的光电子发出荧光。
微带阴极103蒸镀在无增益微通道板101的输入面上，微带阴极103包括铜膜和金膜，其中，铜膜首先蒸镀在无增益微通道板101的输入面上，然后再在铜膜上蒸镀金膜。无增益微通道板101的输出面上蒸镀有与输入面上厚度相同的铜膜和金膜，其中，无增益微通道板101的输出面上首先蒸镀铜膜，然后再在铜膜上蒸镀金膜，并且铜膜和金膜覆盖整个无增益微通道板101的输出面。优选地，金膜的厚度为150nm，铜膜的厚度为200nm。
优选地，本发明的无增益微通道板变像管，微带阴极103为四条，每条微带阴极103连接一个阻抗渐变线104；微带阴极103宽度为6mm，两条微带阴极103间间隔为2mm；阻抗渐变线104为指数式阻抗渐变线104；无增益微通道板101的斜切角为6°，厚度为0.5mm，通道直径为12μm；无增益微通道板101的输出面距离荧光屏102的距离为0.5mm。
进一步，本发明通过实验对该无增益微通道板101选通X射线分幅相机进行验证。实验结果及理论结果如图4至图7所示。
无增益微通道板101选通分幅相机时间分辨率的测量采用光纤传光束法。当无增益微通道板101仅加载-700V的直流电压时，获得光纤的静态图像如图4a所示。当无增益微通道板101加载幅值为-1.5kV、宽度为145ps的选通脉冲和-300V的偏置电压时，光纤动态图像如图4b所示。将动态图像和静态图像进行归一化处理，再根据光纤延时差，将归一化的动态像光强空间分布换算成时间分布，获得的结果如图5所示。图5中高斯拟合曲线的半高全宽(Full Width at Half Maximum,FWHM)为59ps，即相机的时间分辨率为59ps。
当无增益微通道板101上加幅值为-1.5kV、宽度为145ps的选通脉冲和-300V的直流偏置时，获得的增益-时间曲线的理论结果如图6所示。时间分辨率的理论结果为50ps，比实际测量的结果59ps要好，原因之一是在实验时，选通脉冲在传输过程中被不断衰减，在微通道板微带阴极103上的选通脉冲幅值要小于-1.5kV，限于实验条件，目前尚无法测量微带阴极103上的选通脉冲幅值。
测得相机的时间分辨率、输出信号强度与无增益微通道板101所加直流偏置电压的关系如图7所示。由图7可得，无增益微通道板101所加负的直流偏置电压越小，时间分辨率越好，但输出信号强度降低。
研制了无增益微通道板101选通X射线分幅相机。当无增益微通道板101加载幅值-1.5kV、宽度145ps的选通脉冲和-300V的直流偏置时，获得相机的时间分辨率为59ps，比理论时间分辨率50ps略差。改变微通道板直流偏置电压，获得了时间分辨率与微通道板偏置电压的关系。由实验结果可得，随着偏置电压的减小，时间分辨率提高，但增益降低。因此，需要选择合适的偏置电压，使得时间分辨率和增益均能满足要求。后续工作将研制新型的选通脉冲电路，获得宽度很窄、幅值很高的选通脉冲，进一步提高无增益微通道板101选通X射线分幅相机的时间分辨率。二是将电子束时间放大系统与无增益微通道板101选通X射线分幅相机相结合，提高整个系统的时间分辨率。
以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (1)
1.一种无增益微通道板选通X射线分幅相机，其特征在于，包括无增益微通道板变像管、成像针孔阵列（30）、选通脉冲发生器（204）、以及CCD摄像机（40），其中，
所述无增益微通道板变像管连接所述选通脉冲发生器（204），接收所述选通脉冲发生器（204）发射的选通脉冲信号；所述成像针孔阵列（30）设置在所述无增益微通道板变像管的前侧，所述CCD摄像机（40）设置在所述无增益微通道板变像管的后侧；
X射线通过所述成像针孔阵列（30）成像到所述无增益微通道板变像管，产生的光电子通过所述无增益微通道板变像管进行选通，并被屏压加速，轰击所述无增益微通道板变像管的荧光屏（102）后产生可见光，所述CCD摄像机（40）采集所述荧光屏（102）上的图像；
所述选通脉冲发生器（204）通过同轴线缆连接所述无增益微通道板变像管的射频接头；
所述选通脉冲发生器（204）包括雪崩三极管和二极管削波电路，所述雪崩三极管产生超快阶跃高压脉冲，再通过所述二极管削波电路对超快阶跃高压脉冲进行削波处理，输出所述选通脉冲信号；
所述选通脉冲发生器（204）的输入端连接用于输出触发信号的触发电路（201），所述触发电路（201）的输出端连接信号放大器（202），所述信号放大器（202）通过可调延时电路（203）连接所述选通脉冲发生器（204）；
所述触发信号经所述信号放大器（202）放大后由所述可调延时电路（203）进行延时处理，调整后的所述触发信号输入所述选通脉冲发生器（204）；
所述无增益微通道板变像管包括：微带阴极（103）、阻抗渐变线（104）、无增益微通道板（101）和荧光屏（102），其中，所述微带阴极（103）连接所述阻抗渐变线（104），并通过所述阻抗渐变线（104）接收选通脉冲信号；所述微带阴极（103）设置在所述无增益微通道板（101）的输入面上，用于将接收的光信号转换为光电子；所述荧光屏（102）设置在所述无增益微通道板（101）的输出面侧，用于接收穿过所述无增益微通道板（101）的光电子发出荧光；
所述微带阴极（103）蒸镀在所述无增益微通道板（101）的输入面上，所述微带阴极（103）包括铜膜和金膜；所述无增益微通道板（101）的输出面上蒸镀有与输入面上厚度相同的铜膜和金膜；所述金膜的厚度为150nm，所述铜膜的厚度为200nm；
所述微带阴极（103）为四条，每条所述微带阴极（103）连接一个所述阻抗渐变线（104）；所述微带阴极（103）宽度为6 mm，两条所述微带阴极（103）间间隔为2 mm；所述阻抗渐变线（104）为指数式阻抗渐变线（104）；
所述无增益微通道板（101）的斜切角为6°，厚度为0.5mm，通道直径为12μm；所述无增益微通道板（101）的输出面距离所述荧光屏（102）的距离为0.5mm。
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| CN208028017U (zh) * | 2018-01-10 | 2018-10-30 | 深圳大学 | 一种无增益微通道板变像管及选通x射线分幅相机 |
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2018
- 2018-01-10 CN CN201810022608.2A patent/CN108183057B/zh active Active
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