CN113438390A - 一种时间展宽型分幅相机及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对目前行波选通分幅相机受微通道板电子渡越时间弥散制约，时间分辨率最小只能达到60ps，无法满足激光聚变诊断需求的现状，提供一种时间展宽型分幅相机及其成像方法，相机包括真空容器、光学输入窗、行波选通分幅管、光电阴极、栅网、电源系统与线圈；电源系统包括斜坡电源、选通电源与线圈电源；入射光信号透过光学输入窗入射至光电阴极转化为光电子信号，利用斜坡电源在光电阴极和栅网之间形成的微带线结构对光电子信号进行速度色散，经速度色散后的光电子信号在零电势漂移区实现时间展宽，行波选通分幅管对时间展宽后的光电子信号进行成像。可实现小于60ps的时间分辨图像，最快可达到3.3ps，比现有行波选通分幅相机时间分辨能力提高数十倍。

Description

一种时间展宽型分幅相机及其成像方法

技术领域

本发明涉及一种光电成像设备，特别是涉及一种可对瞬态光信号进行光电转换，并对信号在时域进行放大的时间展宽型分幅相机，同时涉及该分幅相机的成像方法。

背景技术

在自然界和科学研究中，很多物理、生物、化学变化过程都发生在极短的时间范围内，如皮秒甚至纳秒时间范围内。研究这些超快过程最理想、最直接的方法，就是设法观察瞬态细节，即发展瞬时记录技术与设备，延伸人眼功能。分幅相机便是一种可以用来记录超快过程(如激光聚变过程以及高能量密度物理演绎过程)的重要设备。

激光聚变研究是目前国际主流研究受控核聚变的重要途径。激光聚变过程中聚变反应持续时间只有约200ps，而传统的行波选通分幅相机由于受到工作原理制约，其曝光时间最短只能达到60ps，在激光聚变关键过程只能获得3幅图像，远远无法满足激光聚变细节观测需要，因此需要发展时间分辨率更高的分幅相机。

发明内容

针对目前行波选通分幅相机受微通道板电子渡越时间弥散制约，时间分辨率最小只能达到60ps，无法满足激光聚变诊断需求的现状，本发明提出基于光电子速度色散和光电子宽谱聚焦技术的时间展宽型分幅相机及基于该分幅相机的成像方法，可实现小于60ps的时间分辨图像，最快可达到3.3ps，比现有行波选通分幅相机时间分辨能力提高数十倍。

本发明的技术解决方案是提供一种时间展宽型分幅相机，其特殊之处在于：包括真空容器、安装在真空容器相对两侧壁的光学输入窗与行波选通分幅管、位于真空容器内的光电阴极与栅网、位于真空容器外的电源系统与线圈；电源系统包括斜坡电源、选通电源与线圈电源；斜坡电源用于给光电阴极供电；选通电源用于给行波选通分幅管供电；线圈电源用于给线圈供电；

光电阴极固定在光学输入窗上，用于将透过光学输入窗的入射光信号转化为光电子信号；

栅网位于光电子信号的传输路径上，用于和光电阴极配合形成微带线结构，对光电子信号进行速度色散；微带线是一种高频信号传输线，主要用于高频信号的传输，具有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等优点；此处微带线结构主要用于传输高频成分丰富的斜坡脉冲；

栅网与行波选通分幅管之间的区域为零电势漂移区，零电势漂移区用于对速度色散后的光电子信号进行时间展宽；

线圈绕制在真空容器上，用于产生磁场，保证经速度色散后的光电子信号在零电势漂移区漂移过程中克服空间电荷效应导致的图像畸变；

行波选通分幅管用于对时间展宽后的光电子信号进行取样成像；

入射光信号透过光学输入窗入射至光电阴极转化为光电子信号，利用斜坡电源在光电阴极和栅网之间形成的微带线结构对光电子信号进行速度色散，经速度色散后的光电子信号在零电势漂移区实现时间展宽，行波选通分幅管对时间展宽后的光电子信号进行取样成像。

进一步地，光学输入窗、光电阴极、栅网及行波选通分幅管的中心线同轴。

进一步地，为了达到3.3ps的时间分辨率，栅网采用厚度为5微米，分辨率为30目的镍网；斜坡电源采用幅度为3.2kV，斜率为15V/ps，脉宽为260ps的电源。

进一步地，零电势漂移区的轴向长度为400mm；光电阴极与栅网之间的距离为1.5mm。

本发明还提供一种基于上述时间展宽型分幅相机实现分幅成像的方法，主要对极紫外或软X射线波段目标演化过程进行分幅成像，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、调节时间展宽型分幅相机与待测目标同步；

步骤1.1、将与待测目标演化过程存在确定时间关系的同步信号连接到示波器；

步骤1.2、将时间展宽型分幅相机中的光电阴极监测信号和行波选通分幅管选通信号经衰减器连接到示波器；

步骤1.3、理论计算同步信号与光电阴极监测信号及行波选通分幅管选通信号之间的时间关系；

步骤1.4、调节延迟器使同步信号与光电阴极监测信号及行波选通分幅管选通信号与理论计算时间一致；

步骤2、触发采集；

步骤2.1、给时间展宽型分幅相机线圈加电；

步骤2.2、给目标与时间展宽型分幅相机发送同步信号，使得同步信号与光电阴极监测信号及行波选通分幅管选通信号根据理论计算时间运行；

目标根据同步信号开始演变，目标光信号透过光学输入窗入射至光电阴极转化为光电子信号，斜坡电源在光电阴极和栅网之间形成的微带线结构上传输的同时对光电子信号进行速度色散，经速度色散后的光电子信号在零电势漂移区实现时间展宽，行波选通分幅管对时间展宽后的光电子信号进行取样成像；

步骤2.3、行波选通分幅管采集输出图像，利用图像分析软件分析图像特性。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在光电阴极加载斜坡电源，使得光电阴极与栅网之间形成随时间线性衰减的电场(微带线结构)，由于电场的线性衰减特性，使得先进入电场的光电子信号经加速后其轴向速度大于后进入的光电子信号。经电场加速后的光电子信号，由于轴向速度不同，因而进入零电势漂移区后先进入的光电子信号和后进入的光电子信号距离越来越远，从而光电子脉冲在轴向上被拉伸展宽，最终经行波选通分幅管取样后，获得小于60ps的超高时间分辨的分幅图像。

2、本发明通过对斜坡电源、栅网、零电势漂移区以及线圈的参数进行设置，可以获得3.3ps的超高时间分辨的分幅图像，比现有分幅管时间分辨能力提高数十倍。

3、本发明通过在真空容器上设置线圈，使其在零电势漂移区产生轴向电磁场，克服了光电子群在漂移过程中空间电荷效应导致的图像畸变，可获得高保真性的图像。

附图说明

图1为本发明时间展宽型分幅相机的结构示意图；

图2为动态测试光路原理图；

图3为系统动态测试电连接示意图；

图4为光电阴极动态、行波选通分幅管静态时相机记录图像；

图5动态时间分辨率测试数据；

图6相机取样过程示意图；

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

从图1可以看出，本发明时间展宽型分幅相机包括真空容器、光学输入窗、光电阴极、栅网、行波选通分幅管、线圈及电源系统。光学输入窗与行波选通分幅管安装在真空容器相对的两个壁面上。光电阴极与栅网位于真空容器内，光学输入窗、光电阴极、栅网及行波选通分幅管的中心线同轴。线圈绕制在真空容器上，电源系统位于真空容器外。电源包括斜坡电源、选通电源与线圈电源，斜坡电源用于给光电阴极供电。选通电源用于给行波选通分幅管供电；各个子线圈电源用于给线圈供电。真空容器用于保证光电子产生及运动过程在真空中完成。光学输入窗作为入射光信号的入射窗口，用于制作光电阴极和封真空。光电阴极用于将透过光学输入窗的入射光信号转化为光电子信号。栅网位于光电子信号输出路径中，用于和光电阴极配合形成微带线结构，对光电子信号进行速度色散。栅网与行波选通分幅管之间形成零电势漂移区，用于对速度色散后的光电子信号进行时间展宽。线圈用于产生磁场从而保证光电子群在漂移过程中克服空间电荷效应导致的图像畸变。行波选通分幅管用于对展宽后的光电子信号进行取样成像。

入射光信号透过光学输入窗经光电阴极被转化为光电子脉冲，光电子脉冲由光电阴极出射后，被加在光电阴极和栅网之间随时间线性衰减的电场加速；由于加速电场的线性衰减特性，使得先进入的光电子经加速后其轴向速度大于后进入的光电子。经电场加速后的光电子，由于轴向速度不同，因而进入零电势漂移区后先进入的光电子和后进入的光电子距离越来越远，从而光电子脉冲在轴向上被拉伸展宽，最终经行波选通分幅管取样后获得3.3ps超高时间分辨的分幅图像，通过调整斜坡电源、栅网等器件的相关参数，还可以获得6ps、7ps或10ps等小于60ps的超高时间分辨的分幅图像。

为了达到3.3ps的时间分辨率，栅网采用厚度为5微米，分辨率为30目的镍网；斜坡电源采用幅度为3.2kV，斜率为15V/ps，脉宽为260ps的电源。线圈采用漆包线绕制，约3000安匝；零电势漂移区的轴向长度为400mm；光电阴极与栅网之间的距离为1.5mm。

利用上述时间展宽型分幅相机可对极紫外或软X射线波段目标演化过程进行分幅成像，具体成像过程可分为以下两步：

步骤1、调节时间展宽型分幅相机与待测目标同步；

步骤1.1、将与待测目标演化过程存在确定时间关系的同步信号连接到示波器；

步骤1.2、将时间展宽型分幅相机中的光电阴极监测信号和行波选通分幅管选通信号经衰减器连接到示波器；

步骤1.3、理论计算同步信号与光电阴极监测信号和行波选通分幅管选通信号之间的时间关系；

步骤1.4、调节延迟器使同步信号与光电阴极监测信号及行波选通分幅管选通信号与理论计算时间一致；

步骤2、触发采集；

步骤2.1、给时间展宽型分幅相机线圈加电，设定所需电流；

步骤2.2、给目标与时间展宽型分幅相机发送触发信号，使得同步信号与光电阴极监测信号及行波选通分幅管选通信号根据理论计算时间运行；

目标根据同步信号开始演变，目标光信号透过光学输入窗入射至光电阴极转化为光电子信号，斜坡电源在光电阴极和栅网之间形成的微带线结构上传输的同时对光电子信号进行速度色散，经速度色散后的光电子信号在零电势漂移区实现时间展宽，行波选通分幅管对时间展宽后的光电子信号进行取样成像；

通过在光电阴极加载斜坡电源，使得光电阴极与栅网之间形成随时间线性衰减的电场，先进入电场的光电子经加速后其轴向速度大于后进入的光电子；经电场加速后的光电子，进入零电势漂移区后先进入的光电子和后进入的光电子距离越来越远，从而光电子脉冲在轴向上被拉伸展宽；

步骤2.3、行波选通分幅管采集输出图像，利用图像分析软件分析图像特性。

以下通过实验对时间展宽型分幅相机动态时间分辨率进行测试。

1、设计动态测试方案；

时间分辨率代表系统所能区分的两个事件之间的最小时间间隔。本实验采用脉宽8ps、波长266nm的紫外激光脉冲作为测试光源。将两路相差△t时间的超短紫外激光脉冲入射至时间展宽型分幅相机，当相机某时刻采集的图像仅仅是其中一路脉冲图像时(即从两个时间相差△t的信号中提取出一路信号)，则认为相机时间分辨率优于△t。

2、搭建动态测试光路；

根据上述测试方案，首先利用分束镜将激光脉冲分为两路，其中一路直接入射到时间展宽型分幅相机光电阴极，另一路通过可调位移平台入射到时间展宽型分幅相机光电阴极，如图2所示；然后调整位移平台使两路激光脉冲的时间差△t＝0ps，此时，两束激光脉冲完全同步；最后，以0.3ps步进调整位移平台使△t递增，Δt每变化一次便采集若干次图像，若每次采集的图像均含有两路光信号则认为时间展宽型分幅相机未能在时间上将两路激光脉冲区分开；继续增加Δt直至时间展宽型分幅相机采集到的图像只包含一路光信号时，便认为系统将两路光信号在时间上进行了有效区分。此刻，两路激光脉冲的时间间隔△t即代表系统的时间分辨率。

为了对两路光信号进行区分，在两路信号的光路中分别增加了狭缝光阑，并且两路狭缝光阑方向互相垂直，固定光路光阑狭缝平行于光学平台，可调光路光阑狭缝垂直于光学平台。

3、系统电连接；

系统测试电连接示意图如图3所示，激光器的输出端采用DET08C型PIN(光电探测器)与电源系统连接，给电源系统提供触发信号；另一输出端采用DET08C型PIN(光电探测器)与示波器连接，给示波器提供触发信号，作为同步信号。该型PIN输出信号上升沿可达100ps，幅度可达12V，可有效减小触发信号引起的脉冲抖动。

经触发信号触发，电源系统中斜坡电源输出调制脉冲CP经同轴电缆输入时间展宽型分幅相机光电阴极馈电输入端，然后经过光电阴极、光电阴极馈电输出端、同轴电缆和衰减器接入示波器3通道，以对其进行监测。电源系统中选通电源输出选通脉冲MP经由同轴电缆输入行波选通分幅管并经由行波选通分幅管、同轴电缆和衰减器接入示波器2通道以对其进行监测。

4、调整位移平台使两路激光脉冲时间差Δt为0ps；

调整位移平台使两路激光脉冲时间差Δt为0ps。根据光的干涉原理，当两束频率相同的光在同一空间位置的光程差为波长的整数倍时则两束光可发生干涉。实验中所用两路激光脉冲取自同一光源，因而波长相同，通过调整位移平台只要使两束光在时间上和空间上重合便可观测到干涉条纹。由此，可以通过观测干涉条纹来判定两束光信号的时间差是否为0ps。

5、动态时间分辨率测试；

首先使时间展宽型分幅相机光电阴极工作于动态模式(即通过斜坡电源给光电阴极供电，在光电阴极与栅网之间馈入调制脉冲)，行波选通分幅管工作于静态模式(即行波选通分幅管加直流电压)，调整延时器，使光电阴极监测信号与入射光信号精确同步；具体可通过监测示波器显示的光电阴极监测信号和光信号的时间差，当调整延时器过程中，光电阴极监测信号和光信号的时间差与理论计算时间相等时候，认为已同步。

如图4所示，可以看到两路光信号均被时间展宽型分幅相机记录。

然后，使行波选通分幅管工作于动态模式(通过选通电源为行波选通分幅管馈入选通脉冲)，此时时间展宽型分幅相机系统便处于完全动态工作模式，调整延时器使选通脉冲与入射到行波选通分幅管上的电子群同步，具体可通过监测示波器显示的行波选通分幅管选通信号和光信号时间差，当调整延时器过程中，行波选通分幅管选通信号和光信号时间差与理论计算时间相等时候，认为已同步；此时，在零电势漂移区展宽后的光电子信号便可被行波选通分幅管分幅成像。

以0.3ps步进调整位移平台，当位移平台移动3.3ps时，时间展宽型分幅相机可以将两路光信号在时间上区分开来。由于选通脉冲脉宽为220ps，考虑到脉冲抖动，以250ps步进调整选通脉冲相对于触发脉冲的延时，获取到如图5所示的系列数据。从图中可以看出，当选通脉冲从579ps以约250ps步进移动到3111ps位置时，行波选通分幅管获取到的图像经历了从出现固定光路信号到两路光信号同时出现再到只出现可调光路信号的过程。

当调制脉冲与选通脉冲间隔约32ns时，调制脉冲与入射光脉冲同时到达光电阴极；选通脉冲与调制脉冲间隔约16ns时，选通脉冲与展宽后的电子群同步到达行波选通分幅管，说明电子群从栅网岀射后经过约16ns到达行波选通分幅管MCP。

行波选通分幅管取样示意图如图6所示，由于测试光源脉宽为8ps，当两路光脉冲相差3.3ps时其在时间上存在交叠部分。经行波选通分幅管依次对固定光路信号、交叠部分光信号和可调光路信号进行取样，从而获取到各部分相应的图像。测试结果表明，当脉宽8ps的两路激光脉冲中心时差为3.3ps时，时间展宽型分幅相机不仅对两路信号进行了有效区分，同时对两路信号的交叠过程进行了完整成像，时间展宽型分幅相机时间分辨率优于3.3ps。

Claims (5)

1.一种时间展宽型分幅相机，其特征在于：包括真空容器、安装在真空容器相对两侧壁的光学输入窗与行波选通分幅管、位于真空容器内的光电阴极与栅网、位于真空容器外的电源系统与线圈；电源系统包括斜坡电源、选通电源与线圈电源；斜坡电源用于给光电阴极供电；选通电源用于给行波选通分幅管供电；线圈电源用于给线圈供电；

光电阴极固定在光学输入窗上，用于将透过光学输入窗的入射光信号转化为光电子信号；

栅网位于光电子信号的传输路径上，用于和光电阴极配合形成微带线结构，对光电子信号进行速度色散；

栅网与行波选通分幅管之间的区域为零电势漂移区，零电势漂移区用于对速度色散后的光电子信号进行时间展宽；

线圈绕制在真空容器上，用于产生磁场，保证经速度色散后的光电子信号在零电势漂移区漂移过程中克服空间电荷效应导致的图像畸变；

行波选通分幅管用于对时间展宽后的光电子信号进行取样成像；

入射光信号透过光学输入窗入射至光电阴极转化为光电子信号，在光电阴极和栅网之间形成的微带线结构对光电子信号进行速度色散，经速度色散后的光电子信号在零电势漂移区实现时间展宽，行波选通分幅管对时间展宽后的光电子信号进行取样成像。

2.根据权利要求1所述的时间展宽型分幅相机，其特征在于：光学输入窗、光电阴极、栅网及行波选通分幅管的中心线同轴。

3.根据权利要求2所述的时间展宽型分幅相机，其特征在于：栅网采用厚度为5微米，分辨率为30目的镍网；斜坡电源采用幅度为3.2kV，斜率为15V/ps，脉宽为260ps的电源。

4.根据权利要求1-3任一所述的时间展宽型分幅相机，其特征在于：零电势漂移区的轴向长度为400mm；光电阴极与栅网之间的距离为1.5mm。

5.一种基于权利要求4所述时间展宽型分幅相机实现分幅成像的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、调节时间展宽型分幅相机与待测目标同步；

步骤1.1、将与待测目标演化过程存在确定时间关系的同步信号连接到示波器；

步骤1.2、将时间展宽型分幅相机中的光电阴极监测信号和行波选通分幅管选通信号经衰减器连接到示波器；

步骤1.3、理论计算同步信号与光电阴极监测信号及行波选通分幅管选通信号之间的时间关系；

步骤1.4、调节延迟器使同步信号与光电阴极监测信号及行波选通分幅管选通信号与理论计算时间一致；

步骤2、触发采集；

步骤2.1、给时间展宽型分幅相机线圈加电；

步骤2.2、给目标与时间展宽型分幅相机发送同步信号，使得同步信号与光电阴极监测信号及行波选通分幅管选通信号根据理论计算时间运行；

目标根据同步信号开始演变，目标光信号透过光学输入窗入射至光电阴极转化为光电子信号，斜坡电源在光电阴极和栅网之间形成的微带线结构上传输的同时对光电子信号进行速度色散，经速度色散后的光电子信号在零电势漂移区实现时间展宽，行波选通分幅管对时间展宽后的光电子信号进行取样成像；

步骤2.3、行波选通分幅管采集输出图像，利用图像分析软件分析图像特性。

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