CN110189969A - 一种磁场约束脉冲展宽成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁场约束脉冲展宽成像系统。该系统的光电阴极将目标辐射的X光转换为电子，电子在高速渐变电场作用下被色散调制并穿过前端栅网，在屏蔽壳内的等位漂移区中漂移，漂移中电子群的时间尺度被充分展宽，然后穿过后端栅网，经微通道板获得倍增后轰击荧光屏发光，将电信号重新转换为光信号，整个过程电子均处在由磁壳包裹的磁线圈产生的均匀磁场中。该系统可显著改善线圈内磁场分布均匀性，从而最大限度降低电子群的空间弥散。该系统同时具备高时间分辨和高空间分辨能力，有助于推动超高时间分辨二维成像诊断技术的发展，对提升激光惯性约束聚变诊断精密化水平具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于超快成像领域，具体涉及一种磁场约束脉冲展宽成像系统。
背景技术
在天文观测、同步辐射、聚变辐射等相关领域，存在变化速率极快的超快物理过程。而对于超快过程的捕捉，需要曝光时间极短、空间分辨率极高的“高速摄影”设备，才能避免运动模糊带来的认识局限。尤其在激光惯性约束聚变实验中，重点关注的内爆芯部压缩过程是一个空间尺度仅200μm，时间尺度仅200ps的时空演化过程，需要高时空分辨率的诊断设备对其进行诊断。脉冲展宽成像系统，首先是利用光电阴极实现X光/电子转换，再利用时变加速电场对电子束进行时域色散，然后经过电子漂移区实现电子脉冲束的时间展宽，最后由微通道板实现电子选通倍增并成像到荧光屏实现图像记录。现有的脉冲展宽成像系统可实现5ps的超高时间分辨二维成像，但由于电子飞行过程中的空间电荷效应引起时间弥散和较大的空间弥散，造成该成像系统的空间分辨率极差。在现有的脉冲展宽成像系统加装了磁场约束以后，空间分辨率有了提高，但还不满足使用需求。当前，亟需发展具有更高空间分辨率的脉冲展宽成像系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种磁场约束脉冲展宽成像系统。
本发明的磁场约束脉冲展宽成像系统，其特点是，所述的成像系统包括由内至外同心分布的飞行管道、磁线圈和磁壳；所述的飞行管道包括沿光路方向顺序排列的光电阴极、前端栅网、后端栅网、微通道板和荧光屏，前端栅网和后端栅网之间包裹有环形的屏蔽壳，前端栅网、后端栅网和屏蔽壳内的空腔为电子的等位漂移区；所述的磁线圈环绕在飞行管道外，磁线圈的外表面和两端端面包覆有磁壳，磁线圈的内表面位于飞行管道的前端和后端的位置有从外至内对称分布的楔形磁靴，楔形磁靴的头端朝外，楔形磁靴的尾端朝内。
所述的磁壳由电磁纯铁材料制作而成，磁壳的最大磁导率大于0.015H/m，在线圈磁场为200A/m时，磁壳的磁感应强度大于1.3T。
所述的磁线圈通过脉冲电流驱动，有利于减小系统运行中产生的热量。
所述的楔形磁靴的形状为线性渐变楔形。
所述的光电阴极的材料为Au或CsI。
所述的飞行管道的各部件加有不同的直流偏压，光电阴极相比前端栅网为负偏压，前端栅网、屏蔽壳、后端栅网等电位，微通道板的输入面和微通道板的输出面等电位，微通道板的输出面相比荧光屏为负偏压；光电阴极和前端栅网之间叠加有正高压脉冲，正高压脉冲上升沿线性渐变区对电子进行色散调制，微通道板的输入面和微通道板的输出面之间叠加有负高压脉冲。
所述的光电阴极、前端栅网、屏蔽壳、后端栅网、微通道板的输入面、微通道板的输出面和荧光屏的电位分别为-5000V、-3000V、-3000V、-3000V、0V、0V、4000V；所述的正高压脉冲幅值为2000V，上升沿线性区斜率在1 V/ps~5V/ps范围内，所述的负高压脉冲幅值为-2500V，脉宽200ps。
本发明的磁场约束脉冲展宽成像系统的工作过程如下：
光电阴极将目标辐射的X光转换为电子，电子在高速渐变电场作用下被色散调制并穿过前端栅网，在屏蔽壳内的等位漂移区中漂移，漂移中电子群的时间尺度被充分展宽，然后穿过后端栅网，经微通道板获得倍增后轰击荧光屏发光，将电信号重新转换为光信号，整个过程电子均处在由磁壳包裹的磁线圈产生的均匀磁场中。
本发明的磁场约束脉冲展宽成像系统是在脉冲展宽成像系统的电子产生、飞行、记录过程中，添加均匀磁场，约束电子飞行轨迹，达到大幅度提高系统空间分辨的目的。电子受均匀磁场约束做螺旋运动，由于电子漂移的空间分辨与电子的螺旋半径成正比，只要磁场够强，螺旋半径够小，成像系统空间分辨率就可以很高。本发明的磁场约束脉冲展宽成像系统中的带有楔形磁靴的磁壳对于降低磁线圈两端的磁能漏失，避免磁场整体强度下降，及提高磁线圈轴向磁场分布的均匀性有很好的效果。
本发明的磁场约束脉冲展宽成像系统有助于推动超高时间分辨二维成像诊断技术的发展，对激光聚变产生高温高密度等离子体的物理过程的诊断精密化具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的磁场约束脉冲展宽成像系统的结构示意图；
图2 为本发明的磁场约束脉冲展宽成像系统形成的磁场分布；
图3为本发明的磁场约束脉冲展宽成像系统与现有的脉冲展宽成像系统获得的调制传递函数曲线对比图；
图中，1.磁壳 2.磁线圈 3.楔形磁靴 4.后端栅网 5.微通道板 6.荧光屏 7.屏蔽壳 8.光电阴极 9.前端栅网 10.等位漂移区；
图2、图3中，——为楔形磁靴的磁壳；........为无磁壳；------为普通磁壳。
具体实施方式
下面通过附图和实施例详细说明本发明。
如图1所示，本发明的磁场约束脉冲展宽成像系统包括由内至外同心分布的飞行管道、磁线圈2和磁壳1；所述的飞行管道包括沿光路方向顺序排列的光电阴极8、前端栅网9、后端栅网4、微通道板5和荧光屏6，前端栅网9和后端栅网4之间包裹有环形的屏蔽壳7，前端栅网9、后端栅网4和屏蔽壳7内的空腔为电子的等位漂移区10；所述的磁线圈2环绕在飞行管道外，磁线圈2的外表面和两端端面包覆有磁壳1，磁线圈2的内表面位于飞行管道的前端和后端的位置有从外至内对称分布的楔形磁靴3，楔形磁靴3的头端朝外，楔形磁靴3的尾端朝内。
所述的磁壳1由电磁纯铁材料制作而成，磁壳1的最大磁导率大于0.015H/m，在线圈磁场为200A/m时，磁壳1的磁感应强度大于1.3T。
所述的磁线圈2通过脉冲电流驱动。
所述的楔形磁靴3的形状为线性渐变楔形。
所述的光电阴极8的材料为Au或CsI。
所述的飞行管道的各部件加有不同的直流偏压，光电阴极8相比前端栅网9为负偏压，前端栅网9、屏蔽壳7、后端栅网4等电位，微通道板5的输入面和微通道板5的输出面等电位，微通道板5的输出面相比荧光屏6为负偏压；光电阴极8和前端栅网9之间叠加有正高压脉冲，正高压脉冲上升沿线性渐变区对电子进行色散调制，微通道板5的输入面和微通道板5的输出面之间叠加有负高压脉冲。
所述的光电阴极8、前端栅网9、屏蔽壳7、后端栅网4、微通道板5的输入面、微通道板5的输出面和荧光屏6的电位分别为-5000V、-3000V、-3000V、-3000V、0V、0V、4000V；所述的正高压脉冲幅值为2000V，上升沿线性区斜率在1 V/ps~5V/ps范围内，所述的负高压脉冲幅值为-2500V，脉宽200ps。
实施例1
在本实例中，磁壳1采用DT4C电磁纯铁材料制作而成，磁线圈2的内径为Φ45mm，外径为Φ75mm，磁壳1厚度为5mm，楔形磁靴3长度为40mm，磁线圈2的安匝数（匝数*电流值）为400000A*N，磁线圈2由脉宽0.5ms的脉冲电流驱动，光电阴极8的材料为Au，光电阴极8外径为Φ30mm，等位漂移区10的长度为400mm。光电阴极8的电位为-5000V，前端栅网9、屏蔽壳7、后端栅网4电位均为-3000V，微通道板5的输入面和微通道板5的输出面电位均为0V，荧光屏6电位为4000V。光电阴极8和前端栅网9之间叠加的正高压脉冲幅值为2000V，上升沿线性区斜率为2V/ps，微通道板5的输入面和微通道板5的输出面之间叠加的负高压脉冲幅值为-2500V，脉宽200ps。
如图2所示，当磁线圈2外无磁壳时，磁场分布呈现“中间强、两端弱”；当磁线圈2外加普通磁壳时，磁场分布得到一定改善，但在曲线两端存在突变，在磁线圈2两端磁壳中止位置磁场强度明显高于内部；当磁线圈2外加楔形磁靴3的磁壳1时，磁线圈2两端磁场分布不再突变，在整个磁线圈2分布范围内，磁场分布非常均匀。由此可见，楔形磁靴3的磁壳1对改善磁场分布均匀性有明显效果。
从实验数据绘制的云图可以知道，本发明的磁场约束脉冲展宽成像系统形成的电子束的焦斑在±40μm范围内，现有的脉冲展宽成像系统形成的电子束的焦斑在±80μm范围内，本发明的磁场约束脉冲展宽成像系统的电子聚焦效果优于现有的脉冲展宽成像系统。
如图3所示，本发明的磁场约束脉冲展宽成像系统获得的调制传递函数降到0.15时，对应的空间分辨率为12lp/mm，而现有的脉冲展宽成像系统获得的调制传递函数降到0.15时，对应的空间分辨率为45lp/mm，因此，使用本发明提出的磁场约束脉冲展宽成像系统可显著改善成像系统的空间分辨能力。
本实施例的光电阴极8的材料还可以为CsI。
Claims (7)
1.一种磁场约束脉冲展宽成像系统，其特征在于，所述的成像系统包括由内至外同心分布的飞行管道、磁线圈（2）和磁壳（1）；所述的飞行管道包括沿光路方向顺序排列的光电阴极（8）、前端栅网（9）、后端栅网（4）、微通道板（5）和荧光屏（6），前端栅网（9）和后端栅网（4）之间包裹有环形的屏蔽壳（7），前端栅网（9）、后端栅网（4）和屏蔽壳（7）内的空腔为电子的等位漂移区（10）；所述的磁线圈（2）环绕在飞行管道外，磁线圈（2）的外表面和两端端面包覆有磁壳（1），磁线圈（2）的内表面位于飞行管道的前端和后端的位置有从外至内对称分布的楔形磁靴（3），楔形磁靴（3）的头端朝外，楔形磁靴（3）的尾端朝内。
2.根据权利要求1所述的磁场约束脉冲展宽成像系统，其特征在于，所述的磁壳（1）由电磁纯铁材料制作而成，磁壳（1）的最大磁导率大于0.015H/m，在线圈磁场为200A/m时，磁壳（1）的磁感应强度大于1.3T。
3.根据权利要求1所述的磁场约束脉冲展宽成像系统，其特征在于，所述的磁线圈（2）通过脉冲电流驱动。
4.根据权利要求1所述的磁场约束脉冲展宽成像系统，其特征在于，所述的楔形磁靴（3）的形状为线性渐变楔形。
5.根据权利要求1所述的磁场约束脉冲展宽成像系统，其特征在于，所述的光电阴极（8）的材料为Au或CsI。
6.根据权利要求1所述的磁场约束脉冲展宽成像系统，其特征在于，所述的飞行管道的各部件加有不同的直流偏压，光电阴极（8）相比前端栅网（9）为负偏压，前端栅网（9）、屏蔽壳（7）、后端栅网（4）等电位，微通道板（5）的输入面和微通道板（5）的输出面等电位，微通道板（5）的输出面相比荧光屏（6）为负偏压；光电阴极（8）和前端栅网（9）之间叠加有正高压脉冲，正高压脉冲上升沿线性渐变区对电子进行色散调制，微通道板（5）的输入面和微通道板（5）的输出面之间叠加有负高压脉冲。
7.根据权利要求6所述的磁场约束脉冲展宽成像系统，其特征在于，所述的光电阴极（8）、前端栅网（9）、屏蔽壳（7）、后端栅网（4）、微通道板（5）的输入面、微通道板（5）的输出面和荧光屏（6）的电位分别为-5000V、-3000V、-3000V、-3000V、0V、0V、4000V；所述的正高压脉冲幅值为2000V，上升沿线性区斜率在1 V/ps~5V/ps范围内，所述的负高压脉冲幅值为-2500V，脉宽200ps。
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