CN109975858B - 一种成像光电子束扫描型时域选通光电探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种成像光电子束扫描型时域选通光电探测系统，被测脉冲辐射入射到扫描变像管阴极产生光电子，被栅极加速后形成的电子束被电子光学系统聚焦成像，通过扫描偏转板，加载其上的两台阶脉冲电压在偏转板间产生电场使光电子束发生偏转，不同时域的光电子被分别成像于不同的空间区域，光电子激发置于成像区域的高速闪烁体发射荧光信号,然后分别进入两光电探测器，产生脉冲电流，被示波器记录，可对两时域的脉冲辐射分别进行测量；与现有技术相比，本发明采用成像光电子束扫描方式实现探测时域选通，提高了时域选通速度。本发明可对两时域信号强度差别悬殊的脉冲辐射同时进行定量测量，在脉冲辐射探测领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及的是脉冲辐射探测领域，尤其是一种成像光电子束扫描型时域选通光电探测系统。
背景技术
在现有技术中，采用门脉冲对光电倍增管或扫描变像管的阴极进行选通，控制阴极电子发射。针对不同时域内强度相差悬殊的双脉冲辐射中微弱信号的探测，强脉冲到达时，在阴极相对栅极（或阳极）间施加正电势，使得阴极不能发射光电子，而在弱脉冲到达时，阴极相对栅极（或阳极）间施加负电势，使阴极发射电子，从而实现对微弱脉冲辐射信号的探测（A multichannel gated neutron detector with reduced afterpulse for low-yield neutron measurements in intense hard X-ray backgrounds, Y. Abe, N.Nakajima, Y. Sakaguchi, et al. Review of Scientific Instruments 89, 10I114(2018), A gated liquid-scintillator-based neutron detector for fast-ignitorexperiments and down-scattered neutron measurements, C. Stoeckl, M. Cruz, V.Yu. Glebov, et al. Review of Scientific Instruments 81, 10D302 (2010)和GatedPhotocathode Design for the P510 Electron Tube used in the National IgnitionFacility (NIF) Optical Streak Cameras, P. Datte, G. James, P. Celliers, D.Kalantar, G. Vergel de Dios, Proc. of SPIE Vol. 9591, 95910D(2015)）。
上述技术中，对于不同时域内的强度悬殊的两脉冲辐射，由于探测系统的灵敏度相同，微弱信号会被因强信号而大幅度提升的噪声本底所掩盖，不能对两脉冲进行同时探测。另外，这种技术中所使用的门脉冲上升和下降时间一般均大于5ns，严重制约了阴极选通的速度。因此，当脉冲辐射时间间隔小于5ns，且强度差别悬殊时，该技术是不适用的。
发明内容
为了克服现有技术中阴极开门和关门速度过慢，不能同时测量相隔时间短、信号强度悬殊的两脉冲辐射之不足，本发明提供一种成像光电子束扫描型时域选通光电探测系统。
本方案是通过如下技术措施来实现的：
一种成像光电子束扫描型时域选通光电探测系统，包括有扫描变像管、超快闪烁体、光电探测器Ⅰ、光电探测器Ⅱ、扫描脉冲产生器和示波器；扫描変像管包括有光阴极、网状栅极、第一聚焦极、第一阳极、第二聚焦极、第二阳极、上偏转板、下偏转板、上偏转板扫描脉冲同轴传输线、下偏转板扫描脉冲同轴传输线；扫描脉冲产生器分别通过上偏转板扫描脉冲同轴传输线和下偏转板扫描脉冲同轴传输线与上偏转板和下偏转板连接；光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ设置在超快闪烁体后端；光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ均与示波器连接；被测脉冲辐射在不同时域中包含强度相差悬殊的弱子脉冲辐射和强子脉冲辐射先后激发光阴极发射光电子、光电子依次经过网状栅极、第一聚焦极、第一阳极、第二聚焦极、第二阳极后，穿过上偏转板和下偏转板之间的区域，在偏转电场的作用下，使得位于不同时域的强、弱子脉冲辐射在阴极上产生的光电子束偏转到不同的空间区域、并激发超快闪烁体发射荧光，光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ分别测量两组不同时域激发的光电子束并通过示波器记录。
作为本方案的优选：被测脉冲辐射为带电粒子、伽马射线、X射线、紫外光、可见光或红外光；强子脉冲辐射和弱子脉冲辐射的强度相差10~107倍。
作为本方案的优选：光阴极为双碱阴极、多碱阴极、Au或CsI阴极。
作为本方案的优选：被测脉冲为带电粒子、伽马射线或硬X射线时，双碱或多碱光阴极前置超快闪烁体，将这些辐射转换为光信号进行探测。
作为本方案的优选：光阴极前有限制被测脉冲辐射束斑口径的输入狭缝，长5~40mm，宽10μm~5mm，长度和宽度能调节。
作为本方案的优选：扫描变像管对光阴极发射的宽光电子束成像，全阴极范围内空间分辨大于15lp/mm，像放大率在1~3之间。
作为本方案的优选：超快闪烁体为掺In、Ga、Fe和Al等杂质的透明ZnO材料，或其他具有超快响应速度的短余辉有机或无机闪烁体，厚度在1~100μm间，口径在5~30mm间，响应时间小于0.1ns，发射光谱位于300~700nm间；超快闪烁体为两片，分别贴合于光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ阴极前的光纤面板或石英平板玻璃的前表面，且相互间进行光隔离，超快闪烁体前表面蒸镀100nm厚Al膜。
作为本方案的优选：扫描脉冲产生器输出极性相反的两路双台阶脉冲电压信号，幅度位于0.5kV~2kV之间,两台阶脉冲宽度在500ps~500ns可调，两台阶脉冲前、后沿时间小于200ps，两台阶脉冲所处的时域分别对应两强、弱脉冲辐射所处的时域。
作为本方案的优选：光纤面板或石英平板玻璃口径在10~50mm，厚度在2~5mm，且位于扫描变像管后端真空密封面，将扫描变像管内部的真空环境与外部的大气环境进行隔离。
作为本方案的优选：光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ为光电管、光电倍增管或InGaAs快响应光电探测器，两探测器的灵敏度不同，低灵敏度光电探测器用于强信号探测，高灵敏度光电探测器用于弱信号探测，探测器响应时间小于200ps。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中被测脉冲辐射入射到扫描变像管阴极产生光电子，被栅极加速后形成的电子束被电子光学系统聚焦成像，通过扫描偏转板，加载其上的两台阶脉冲电压在偏转板间产生电场使光电子束发生偏转，不同时域的光电子被分别成像于不同的空间区域，光电子激发置于成像区域的高速闪烁体发射荧光信号,然后分别进入两光电探测器，产生脉冲电流，被示波器记录，可对两时域的脉冲辐射分别进行测量；与现有技术相比，本发明采用成像光电子束扫描方式实现探测时域选通，提高了时域选通速度。本发明可对两时域信号强度差别悬殊的脉冲辐射同时进行定量测量，在脉冲辐射探测领域具有广泛的应用前景。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中，1为弱子脉冲辐射，2为强子脉冲辐射，3为探测时域Ⅰ，4为探测时域Ⅱ，5为光阴极，6为网状栅极，7为変像管外壳，8为第一聚焦极，9为第一阳极，10为第二聚焦极，11为第二阳极，12为上偏转板，13为下偏转板，14为上偏转板扫描脉冲同轴传输线，15为下偏转板扫描脉冲同轴传输线，16为探测时域Ⅰ内被偏转的光电子束，17为探测时域Ⅱ内被偏转的光电子束，18为扫描変像管，19为超快闪烁体，20为光电探测器Ⅰ，21为光电探测器Ⅱ，22为施加在上偏转板台阶脉冲波形，23为施加在下偏转板台阶脉冲波形，24为在时域Ⅰ内光电探测器Ⅰ测量输出的脉冲信号，25为在时域Ⅱ内光电探测器Ⅱ测量输出的脉冲信号，26为扫描脉冲产生器，27为示波器。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
通过图1能够看出，本发明包括有扫描变像管、超快闪烁体、光电探测器Ⅰ、光电探测器Ⅱ、扫描脉冲产生器和示波器；扫描変像管包括有光阴极、网状栅极、第一聚焦极、第一阳极、第二聚焦极、第二阳极、上偏转板、下偏转板、上偏转板扫描脉冲同轴传输线、下偏转板扫描脉冲同轴传输线；扫描脉冲产生器分别通过上偏转板扫描脉冲同轴传输线和下偏转板扫描脉冲同轴传输线与上偏转板和下偏转板连接；光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ设置在超快闪烁体后端；光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ均与示波器连接；被测脉冲辐射在不同时域中包含强度相差悬殊的弱子脉冲辐射和强子脉冲辐射先后激发光阴极发射光电子、光电子依次经过网状栅极、第一聚焦极、第一阳极、第二聚焦极、第二阳极后，穿过上偏转板和下偏转板之间的区域，在偏转电场的作用下，使得位于不同时域的强、弱子脉冲辐射在阴极上产生的光电子束偏转到不同的空间区域、并激发超快闪烁体发射荧光，光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ分别测量两组不同时域激发的光电子束并通过示波器记录。
被测脉冲辐射为可见光；强子脉冲辐射和弱子脉冲辐射的强度相差103倍。
光阴极为多碱阴极。
被测脉冲为带电粒子、伽马射线或硬X射线时，双碱或多碱光阴极前置超快闪烁体，将这些辐射转换为光信号进行探测。
光阴极前有限制被测脉冲辐射束斑口径的输入狭缝，长10mm，宽1mm，长度和宽度能调节。
扫描变像管对光阴极发射的宽光电子束成像，全阴极范围内空间分辨大于15lp/mm，像放大率为1.3。
超快闪烁体为掺In、Ga、Fe和Al等杂质的透明ZnO材料，或其他具有超快响应速度的短余辉有机或无机闪烁体，厚度在100μm间，灵敏面口径为10mm，响应时间小于0.1ns，发射光谱位于360~450nm间；超快闪烁体为两片，分别贴合于光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ阴极前的光纤面板或石英平板玻璃的前表面，且相互间进行光隔离，超快闪烁体前表面蒸镀100nm厚Al膜。
扫描脉冲产生器输出极性相反的两路双台阶脉冲电压信号，幅度为500V,两台阶脉冲宽度在500ps~500ns可调，两台阶脉冲前、后沿时间小于200ps，两台阶脉冲所处的时域分别对应两强、弱脉冲辐射所处的时域。
光纤面板为两片，口径为15mm，厚度为5mm，且位于扫描变像管后端真空密封面，将扫描变像管内部的真空环境与外部的大气环境进行隔离。
光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ为光电管、光电倍增管或InGaAs快响应光电探测器，两探测器的灵敏度不同，低灵敏度光电探测器用于强信号探测，高灵敏度光电探测器用于弱信号探测，探测器响应时间小于150ps。
实施例2：
本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是，所述的被测脉冲辐射包含不同强度的软X射线子脉冲，子脉冲间强度相差20倍，时间间隔1~20ns；光阴极为光谱响应平坦的复合Au阴极；被测脉冲辐射为0.1~4keV的软X射线。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (7)
1.一种成像光电子束扫描型时域选通光电探测系统，其特征是：包括有扫描变像管、超快闪烁体、光电探测器Ⅰ、光电探测器Ⅱ、扫描脉冲产生器和示波器；所述扫描変像管包括有光阴极、网状栅极、第一聚焦极、第一阳极、第二聚焦极、第二阳极、上偏转板、下偏转板、上偏转板扫描脉冲同轴传输线、下偏转板扫描脉冲同轴传输线；所述扫描脉冲产生器分别通过上偏转板扫描脉冲同轴传输线和下偏转板扫描脉冲同轴传输线与上偏转板和下偏转板连接；所述光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ设置在超快闪烁体后端；所述光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ均与示波器连接；被测脉冲辐射在不同时域中包含强度相差悬殊的弱子脉冲辐射和强子脉冲辐射先后激发光阴极发射光电子、光电子依次经过网状栅极、第一聚焦极、第一阳极、第二聚焦极、第二阳极后，穿过上偏转板和下偏转板之间的区域，在偏转电场的作用下，使得位于不同时域的强、弱子脉冲辐射在阴极上产生的光电子束偏转到不同的空间区域、并激发超快闪烁体发射荧光，光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ分别测量两组不同时域激发的光电子束并通过示波器记录；
被测脉冲辐射为带电粒子、伽马射线、X射线、紫外光、可见光或红外光；所述强子脉冲辐射和弱子脉冲辐射的强度相差10~107倍；
光阴极为双碱阴极、多碱阴极、Au或CsI阴极；
所述被测脉冲为带电粒子、伽马射线或硬X射线时，双碱或多碱光阴极前置超快闪烁体，将这些辐射转换为光信号进行探测。
2.根据权利要求1所述的一种成像光电子束扫描型时域选通光电探测系统，其特征是：所述光阴极前有限制被测脉冲辐射束斑口径的输入狭缝，长5~40mm，宽10μm~5mm，长度和宽度能调节。
3.根据权利要求1所述的一种成像光电子束扫描型时域选通光电探测系统，其特征是：所述扫描变像管对光阴极发射的宽光电子束成像，全阴极范围内空间分辨大于15lp/mm，像放大率在1~3之间。
4.根据权利要求1所述的一种成像光电子束扫描型时域选通光电探测系统，其特征是：所述超快闪烁体为掺In、Ga、Fe和Al等杂质的透明ZnO材料，或其他具有超快响应速度的短余辉有机或无机闪烁体，厚度在1~100μm间，口径在5~30mm间，响应时间小于0.1ns，发射光谱位于300~700nm间；所述超快闪烁体为两片，分别贴合于光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ阴极前的光纤面板或石英平板玻璃的前表面，且相互间进行光隔离，超快闪烁体前表面蒸镀100nm厚Al膜。
5.根据权利要求1所述的一种成像光电子束扫描型时域选通光电探测系统，其特征是：所述扫描脉冲产生器输出极性相反的两路双台阶脉冲电压信号，幅度位于0.5kV~2kV之间,两台阶脉冲宽度在500ps~500ns可调，两台阶脉冲前、后沿时间小于200ps，两台阶脉冲所处的时域分别对应两强、弱脉冲辐射所处的时域。
6.根据权利要求4所述的一种成像光电子束扫描型时域选通光电探测系统，其特征是：所述光纤面板或石英平板玻璃口径在10~50mm，厚度在2~5mm，且位于扫描变像管后端真空密封面，将扫描变像管内部的真空环境与外部的大气环境进行隔离。
7.根据权利要求1所述的一种成像光电子束扫描型时域选通光电探测系统，其特征是：所述光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ为光电管、光电倍增管或InGaAs快响应光电探测器，两探测器的灵敏度不同，低灵敏度光电探测器用于强信号探测，高灵敏度光电探测器用于弱信号探测，探测器响应时间小于200ps。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 强激光靶耦合过程中激发的电磁脉冲诊断与分析;杨进文;杨鸣;李廷帅;易涛;刘慎业;;电气技术(第12期);全文 * |
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|---|---|
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