CN113130278B - 低噪音长阴极扫描变像管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低噪音长阴极扫描变像管，包括沿沿水平方向依次间隔设置的阴极、栅极、第一聚焦极、第一阳极、第二聚焦极、第二阳极、偏转电极和荧光屏，第二阳极靠近偏转电极的一端端面上开设有阳极孔，该阳极孔上覆盖有金属屏蔽网。采用以上技术方案的低噪音长阴极扫描变像管，可有效抑制阴极发散电子的发散角度，进而控制低噪音长阴极扫描变像管的放大倍数，不仅能够有效提升有效阴极的长度，而且可以降低环境光辐射而引入的背景噪声而提升实验测量信噪比，在激光惯性约束聚变物理实验研究以及各种超快物理诊断中具有广阔应用前景。

Description

低噪音长阴极扫描变像管
技术领域
本发明涉及激光聚变研究和光学探测技术领域，具体涉及低噪音长阴极扫描变像管。
背景技术
基于扫描变像管的条纹相机是一种具有一维连续高时间分辨和一维高空间分辨的光学探测仪器，它的时间分辨可以达到皮秒甚至飞秒量级，空间分辨可以达到微米量级，测量时间窗口可以覆盖纳秒到微秒时间尺度。
通过条纹相机自身可以对光脉冲的时间波形进行测量，也可以与光学成像镜头相结合而对光脉冲的时空演化过程进行精密测量，还可以与光谱仪进行耦合而对光脉冲的能谱变化过程进行测量。因此基于扫描变像管的条纹相机广泛应用于各种超快瞬态现象研究领域中，尤其是在激光惯性约束聚变研究中，是必不可少的诊断设备之一，无论是在神光系列激光器的激光脉冲测量，还是在物理实验中的激光靶耦合产生的各种X射线时空演化过程的测量中，都有着十分重要的应用。
中国专利CN201910372275.0和CN201911043227.3中，所用的光学条纹相机变像管的阴极通常为多碱阴极，该阴极对可见光波段的各种环境光(包括散射光和周围环境杂散光)都会有响应，从而会产生较强噪声而淹没待测物理信号或严重影响所测物理信号的信噪比；而且，由于现有条纹相机扫描变像管的有效阴极长度受像差限制，最长只能达到30mm，并且对于环境杂散光引入的噪声无法屏蔽。
然而，随着激光聚变惯性约束聚变的进一步开展，测量的目标尺寸和能谱范围都进一步提升，要求扫描变像管的有效阴极长度越来越长。同时，由于激光聚变物理实验打靶的激光能量更大，测量环境更复杂。因此亟需一种低噪声长阴极扫描变像管，既可以提升条纹相机有效阴极长度，又可以降低测量时的背景噪声，以能够满足激光惯性约束聚变物理实验需求。
发明内容
为解决以上的技术问题，本发明提供了一种低噪音长阴极扫描变像管。
其技术方案如下：
一种低噪音长阴极扫描变像管，其要点在于，包括沿沿水平方向依次间隔设置的阴极、栅极、第一聚焦极、第一阳极、第二聚焦极、第二阳极、偏转电极和荧光屏，所述阴极上的有效阴极为直线结构，所述第一聚焦极、第一阳极和第二聚焦极均为两端敞口的圆筒形结构，所述第二阳极为靠近第二聚焦极的一端敞口、靠近偏转电极的一端封闭的圆筒形结构，该第二阳极靠近偏转电极的一端端面上开设有阳极孔，该阳极孔上覆盖有金属屏蔽网；
所述低噪音长阴极扫描变像管对阴极发射电子进行聚集成像时阴极上作用的工作电压为负高压，其幅值为V1，该阴极的工作电压分别为直流负高压和门控脉冲负电压，所述直流负高压的幅值为V2，所述门控脉冲负电压的幅值为V3；所述第一聚焦极轴心位置上的电压幅值为V4；V1＝V2+V3，且V2＜V4；
所述门控脉冲负电压的下降沿时间为t1，该门控脉冲负电压的脉冲平顶持续时间为△t1，待测信号到达阴极的时间为t2，待测信号在阴极上的持续时间为△t2；t2＞t1，且t2+△t2＜t1+△t1。
作为优选：所述低噪音长阴极扫描变像管的放大倍数为0.8-1倍。采用以上设计，通过优化低噪音长阴极扫描变像管的放大倍数，能够提升有效阴极的长度，从而提升条纹相机测量的目标尺寸和能谱范围。
作为优选：所述低噪音长阴极扫描变像管的放大倍数为1倍。采用以上设计，能够将有效阴极的长度提升到40mm以上，进一步提升了条纹相机测量的目标尺寸和能谱范围。
作为优选：所述第二聚焦极和第二阳极的直径相等。采用以上设计，能够更好地消除阳极孔的孔径透镜效果，从而进一步降低低噪音长阴极扫描变像管的像差，同时保证阴极边缘位置的空间分辨。
作为优选：所述第二阳极的轴向长度小于10mm。采用以上设计，可以使第二聚焦极和第二阳极形成的电子透镜与栅极与第一聚焦极形成的电子透镜具有互补作用，从而可进一步降低变像管的整体像差而提升阴极边缘位置的空间分辨。
作为优选：所述阳极孔为椭圆形或长方形。采用以上设计，可以避免阴极边缘发射电子被阳极孔拦截而影响阴极长度。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
采用以上技术方案的低噪音长阴极扫描变像管，不但可有效降低变像管的像差，而且可有效抑制阴极发散电子的发散角度，进而控制低噪音长阴极扫描变像管的放大倍数，从而不仅能够有效提升有效阴极的长度，突破30mm的长度限制，还可以降低环境光辐射而引入的背景噪声而提升实验测量信噪比，在激光惯性约束聚变物理实验研究以及各种超快物理诊断中具有广阔应用前景。
附图说明
图1为低噪音长阴极扫描变像管的结构示意图；
图2为第二阳极其中一个视角的结构示意图；
图3为第二阳极另外一个视角的结构示意图；
图4为低噪声长阴极扫描变像管阴极发射面的电子分布图；
图5为低噪声长阴极扫描变像管像面的电子分布图；
图6为低噪声长阴极扫描变像管阴极同时加载直流负高压与门控脉冲负电压时的电子轨迹示意图；
图7为低噪声长阴极扫描变像管阴极只加载直流负高压时的电子轨迹示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种低噪音长阴极扫描变像管，其主要包括沿沿水平方向依次间隔设置的阴极1、栅极2、第一聚焦极3、第一阳极4、第二聚焦极5、第二阳极6、偏转电极7和荧光屏8，本实施例中，阴极1、栅极2和荧光屏8均为圆盘形结构，第一聚焦极3、第一阳极4、第二聚焦极5和均为圆筒形结构，因此，阴极1、栅极2、第一聚焦极3、第一阳极4、第二聚焦极5、第二阳极6、偏转电极7和荧光屏8沿轴线方向依次设置。
具体地说，请参见图1-图3，阴极1上的有效阴极1a为直线结构，第一聚焦极3、第一阳极4和第二聚焦极5均为两端敞口的圆筒形结构，第二阳极6为靠近第二聚焦极5的一端敞口、靠近偏转电极7的一端封闭的圆筒形结构，第二阳极6靠近偏转电极7的一端端面上开设有阳极孔6a。本实施例中，阳极孔6a优选为椭圆形或长方形，可以避免阴极边缘发射电子被阳极孔拦截而影响阴极长度。
现有技术中，第二阳极6上的阳极孔6a两端由于存在电势差，从而形成一个孔径透镜，其对电子具有发散效应，会导致扫描变像管的像差较大而严重降低扫描变像管的有效阴极1a的长度。为了解决这一技术问题，本实施例中，不仅阳极孔6a上覆盖有金属屏蔽网9，能够屏蔽电场，而且第二聚焦极5和第二阳极6的直径相等，能够有效消除阳极孔6a的孔径透镜效果，从而降低了变像管的像差，同时保证阴极1边缘位置的空间分辨。
并且，第二阳极6的轴向长度小于10mm，可以避免第二聚焦极5和第二阳极6间的场力线向第二阳极6方向弯曲，可以使第二聚焦极5和第二阳极6形成的电子透镜与栅极2与第一聚焦极3形成的电子透镜具有互补作用，两个地方电子透镜引入的像差可以相互抵消，从而可进一步降低变像管的整体像差而提升阴极边缘位置的空间分辨。
进一步地，低噪音长阴极扫描变像管的放大倍数设计为0.8-1倍，本实施例中，低噪音长阴极扫描变像管的放大倍数优选为1倍，能够将有效阴极1a的长度提升到40mm以上，大幅提升了条纹相机测量的目标尺寸和能谱范围。图4为阴极1发射面的电子分布，图5为变像管对电子聚焦成像后像面即荧光屏8位置的电子分布，由图4和如图5可以看出，即使有效阴极1a的长度达到40mm，边缘的电子成像依然清晰，低噪音长阴极扫描变像管的像差较小，分辨与中心位置相当，因此本低噪声长阴极扫描变像管可以将有效阴极长度提升到40mm以上。
现有技术中，光学扫描变像管的阴极1通常采用多碱阴极，对可见光波段的各种环境光(包括散射光和周围环境杂散光)都会有较强响应，从而会产生较强噪声而淹没待测物理信号或严重影响所测物理信号的信噪比。
为了现有技术的不足，本低噪声长阴极扫描变像管低噪音长阴极扫描变像管对阴极1发射电子进行聚集成像时阴极1上作用的工作电压为负高压，其幅值为V1，阴极1的工作电压分别为直流负高压和门控脉冲负电压，直流负高压的幅值为V2，门控脉冲负电压的幅值为V3；第一聚焦极3轴心位置上的电压幅值为V4；V1＝V2+V3，且V2＜V4。同时，门控脉冲负电压的下降沿时间为t1，门控脉冲负电压的脉冲平顶持续时间为△t1，待测信号到达阴极1的时间为t2，待测信号在阴极1上的持续时间为△t2；t2＞t1，且t2+△t2＜t1+△t1。
门控脉冲负电压作用于阴极1时间之前与之后，阴极1处电压幅值都将低于第一聚焦极3轴心位置上的电压幅值，阴极1发射的电子将在第一聚焦极3处被截止，阴极1发射的光电子将无法达到荧光屏8。而在门控脉冲负电压作用于阴极1之上时，阴极1电压处于正常工作时的电压值，此时才对阴极1发射的电子进行聚焦成像。
作为优选，低噪声长阴极扫描变像管对电子进行正常聚焦成像时，阴极1上作用的电压可设置为-12000V，则V1为12000V，此时第一聚焦极3轴心位置上的电压幅值为6120V，同时，将V2设置为6050V，而V3可设置为5950V。图6为阴极1电压为-12000V时的电子轨迹，此时对应于6050V的负直流高压与5950V的门控脉冲负电压共同作用于阴极1上的状态，可以看出此时变像管能够对阴极1发射电子进行正常聚焦成像，电子能够达到荧光屏8而被转化为光信号而被记录。图7为阴极1电压为-6050V时的电子轨迹，此时对应于门控脉冲负电压作用于阴极1时间之前与之后的状态，此时电子在第一聚焦极3位置处被截止，电子无法达到变像管后端荧光屏8。因此，可以毫无疑义地得知：本低噪声长阴极扫描变像管只有在门控脉冲负电压作用于阴极1上时，才会探测到各种环境光引入的噪声，在门控脉冲负电压作用于阴极1之前与之后，环境光引入的噪声信号都将被截止，而门控脉冲负电压的持续时间极短，通常为几十到几百纳秒，在这一时间段内环境光引入的噪声极小。
而由于门控脉冲负电压V3的下降沿时间为t1，脉冲平顶持续时间为△t1，待测信号到达阴极1时间大于t1，同时待测信号到达阴极1的时刻点t2加上待测信号本身持续的时间△t2之和是小于t1+△t1的，因此在门控脉冲负电压作用于阴极1时间内可对待测信号进行正常测量。
故本低噪声长阴极扫描变像管可以将有效阴极长度提升到40mm以上，同时可以降低环境光辐射而引入的背景噪声而提升实验测量信噪比，在激光惯性约束聚变物理实验研究以及各种超快物理诊断中具有广阔应用前景。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种低噪音长阴极扫描变像管，其特征在于：包括沿沿水平方向依次间隔设置的阴极(1)、栅极(2)、第一聚焦极(3)、第一阳极(4)、第二聚焦极(5)、第二阳极(6)、偏转电极(7)和荧光屏(8)，所述阴极(1)上的有效阴极(1a)为直线结构，所述第一聚焦极(3)、第一阳极(4)和第二聚焦极(5)均为两端敞口的圆筒形结构，所述第二阳极(6)为靠近第二聚焦极(5)的一端敞口、靠近偏转电极(7)的一端封闭的圆筒形结构，该第二阳极(6)靠近偏转电极(7)的一端端面上开设有阳极孔(6a)，该阳极孔(6a)上覆盖有金属屏蔽网(9)；
所述低噪音长阴极扫描变像管对阴极(1)发射电子进行聚集成像时阴极(1)上作用的工作电压为负高压，其幅值为V1，该阴极(1)的工作电压分别为直流负高压和门控脉冲负电压，所述直流负高压的幅值为V2，所述门控脉冲负电压的幅值为V3；所述第一聚焦极(3)轴心位置上的电压幅值为V4；V1＝V2+V3，且V2＜V4；
所述门控脉冲负电压的下降沿时间为t1，该门控脉冲负电压的脉冲平顶持续时间为△t1，待测信号到达阴极(1)的时间为t2，待测信号在阴极(1)上的持续时间为△t2；t2＞t1，且t2+△t2＜t1+△t1；
所述低噪音长阴极扫描变像管的放大倍数为1倍；
所述第二聚焦极(5)和第二阳极(6)的直径相等；
所述第二阳极(6)的轴向长度小于10mm；
所述阳极孔(6a)为椭圆形或长方形。
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