CN118136487A - 一种快响应三代像增强器及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种像增强器及其成像方法，为解决现有三代像增强器的开关过程缓慢和影响成像质量的问题，而提供一种快响应三代像增强器及其成像方法。本发明提供的快响应三代像增强器，包括真空密封腔体，以及沿光路传播方向依次设置在真空密封腔体内的输入窗、GaAs光阴极、微通道板和输出荧光屏；输入窗包括输入面和输出面，用于透过光信号；GaAs光阴极镀设在输入窗的输出面上；微通道板上带有多个通孔，且其两侧表面均镀设有导电金属薄膜。其中微通道板相较于现有三代像增强器去除了防离子反馈膜，近贴并有间隙地安装在GaAs光阴极的后方；光电子在微通道板中可实现雪崩式增益。
Description
技术领域
本发明涉及一种像增强器及其成像方法，具体涉及一种快响应三代像增强器及其成像方法。
背景技术
电爆炸、等离子反应等超快过程的成像对于研究物体内部的微观机理具有重要价值。一般对于研究目标的时间、空间分辨率不同的情况，通常采用不同的高速成像系统，例如转镜式高速摄影机、条纹相机、像增强器选通型分幅相机等设备。其中像增强器选通型分幅相机的成像尺寸大、二维空间分辨率高、响应波段范围大、结构简单，广泛应用于超快物理过程成像。像增强器作为其中的关键器件，在高速选通成像中的性能是影响高速成像质量的关键因素。
像增强器的光电阴极将光学图像转化成光电子在真空电场的作用下轰击微通道板产生电子倍增，倍增后的电子在荧光屏上再次转化成光子，过程可以实现103～106倍的亮度增益，该技术广泛应用于可视化夜间装备中。高速选通中，在像增强器内部实现瞬间选通的高压电场，该时间内的光电子达到荧光屏以形成成像光路的开关，开关速度可以达到ns量级。
光阴极处于像增强器的最前端，将入射光转化为光电子，决定了像增强器的工作特性，GaAs(砷化镓)光阴极具有负电子亲和势，但因其高度化学敏感，GaAs光阴极像增强器需要在微通道板输入面上增镀防离子反馈膜来阻止正离子反馈，这种像增强器也被称为三代像增强器。目前高速成像中主要使用二代像增强器，其面电阻在1010～1011Ω/sq，选通电压在光阴极的传播速度很慢(ms尺度)，为实现高速选通，需要在光阴极上镀导电膜来降低面电阻，加快选通速度，这种提高选通速度的方法降低了光电子透过率(镍膜降低面电阻至100Ω/sq时透过率仅为50％)。而GaAs光阴极面电阻在10Ω/sq量级，无需增镀导电膜，相较于S20光阴极其综合量子效率显著增高，并且发射电子的能量分布及角分布更集中，可有效降低像增强器噪声并改善空间分辨特性。
像增强器是高速成像系统中的核心器件，三代像增强器具备改善成像系统性能的潜力。但现有的三代像增强器，存在开关过程缓慢和影响成像质量的问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有三代像增强器的开关过程缓慢和影响成像质量的问题，而提供一种快响应三代像增强器及其成像方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
一种快响应三代像增强器，其特殊之处在于：
包括真空密封腔体，以及沿光路传播方向依次设置在真空密封腔体内的GaAs光阴极、微通道板和输出荧光屏；真空密封腔体上靠近GaAs光阴极的部分为输入窗，用于光电子穿过并到达GaAs光阴极；所述输入窗包括输入面和输出面，用于透过光信号；所述GaAs光阴极镀设在所述输入窗的输出面上；所述微通道板上设有多个通孔，且其输入侧表面和输出侧表面均镀设有导电金属薄膜；所述GaAs光阴极与所述微通道板的输入侧表面之间、所述微通道板的输入侧表面与输出侧表面之间、所述微通道板的输出侧表面与所述输出荧光屏之间均设置有可选通的加速电压，加速电压分别为V1、V2、V3。
进一步地，所述微通道板的输出侧表面与输出荧光屏之间的距离为0.5mm～0.6mm。
进一步地，所述GaAs光阴极与所述微通道板的输入侧表面之间的距离为0.1mm～0.2mm。
进一步地，所述微通道板为玻璃板，其上每个通孔的直径均为6μm～10μm。
进一步地，所述输出荧光屏的荧光粉为P20型、P22型、P43型、P46型或P47型。可用于满足不同输出波长、发光效率和余辉时间的需求。
进一步地，所述输入窗的材质为石英。
进一步地，每个所述可选通的加速电压均由一个供电电路提供，每个供电电路均连接至同一个外部供电模块。
进一步地，所述V1＝-200V，V2＝-800V，V3＝-4000V。
进一步地，所述微通道板的输出侧表面与输出荧光屏之间的距离为0.5mm；所述GaAs光阴极与所述微通道板的输入侧表面之间的距离为0.1mm；所述微通道板上每个通孔的直径均为6μm。
同时，本发明还提供了上述快响应三代像增强器的成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤一、组装快响应三代像增强器，准备激光器并将其输出端对准快响应三代像增强器的输入窗，激光器发出激光脉冲；
步骤二、快响应三代像增强器的GaAs光阴极将激光脉冲转化成光电子；
步骤三、光电子在真空高压电场的作用下轰击微通道板产生电子倍增，倍增后的电子在输出荧光屏上再次转化成光子，获取选通过程中不同时刻的光子得到成像结果，实现103～106倍的亮度增益；其中，所述真空高压电场按以下方式实现：将激光脉冲与快响应三代像增强器可选通的加速电压进行光电互关联，精确控制加速电压的选通时间和激光脉冲到达光阴极面的相对时间，该时间内的光电子到达输出荧光屏以形成ns量级开关速度的成像光路开关，从而在该相对时间内快响应三代像增强器内部实现瞬间选通的真空高压电场。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的快响应三代像增强器，其中微通道板相较于现有三代像增强器去除了防离子反馈膜，靠近并有间隙地安装在GaAs光阴极的后方；光电子在微通道板中实现雪崩式增益，从而实现光电子倍增；
2、本发明提供的快响应三代像增强器，高速选通过程中的开启与关闭过程较现有三代像增强器有明显提升，明显减小开启与关闭的时间，更适用于亮度剧烈变化的应用场景；
3、本发明提供的快响应三代像增强器，在等离子成像、流体力学诊断、生物材料荧光发射、强光与物质相互作用诊断等领域具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明快响应三代像增强器实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例高速选通特性测试实验的原理图；
图3为本发明实施例快响应三代像增强器与现有像增强器的高速选通特性曲线对比图；
附图标记说明：
1-输入窗，2-GaAs光阴极，3-微通道板，4-输出荧光屏，5-像增强器，6-镜头，7-相机，8-光电管，9-PL2251激光器，10-激光扩束镜，11-半透半反镜，12-毛玻璃。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地说明。
一种快响应三代像增强器，参见图1，包括真空密封腔体，以及沿光路传播方向依次设置在真空密封腔体内的GaAs光阴极2、微通道板3和输出荧光屏4；真空密封腔体上靠近GaAs光阴极2的部分为输入窗1，用于光电子穿过并到达GaAs光阴极2；输入窗1包括输入面和输出面，用于透过光信号；GaAs光阴极2镀设在输入窗1的输出面上；微通道板3上带有多个直径为6μm的通孔，且其输入侧表面和输出侧表面均镀设有导电金属薄膜。输入窗1的材质为石英。
其中，微通道板3的输出侧表面与输出荧光屏4之间的距离为0.5mm；GaAs光阴极2的输入侧表面与微通道板3之间的距离为0.1mm。输出荧光屏4的荧光粉可采用P20型、P22型、P43型、P46型或P47型，用于满足不同输出波长、发光效率和余辉时间的需求。
GaAs光阴极2与微通道板3的输入侧表面之间、微通道板3的输入侧表面与输出侧表面之间、微通道板3的输出侧表面与输出荧光屏4之间均设置有用于提供加速电压的供电电路，加速电压依次为V1、V2、V3，V1＝-200V，V2＝-800V，V3＝-4000V；每路供电电路均与一个供电模块相连。GaAs光阴极2与微通道板3输入面之间的加速电压V1可选通，通过高速选通加速电压V1可实现本实施例快响应三代像增强器的门控，当V1为-200V时，则电子从GaAs光阴极2流向微通道板3，此时门控为开；当V1为50V时，电子从微通道板流3向GaAs光阴极2，从而隔绝GaAs光阴极2产生的电子，此时门控为关，达到门控选通。设置有供电模块与供电电路优点是便于实验操作。
同时，本发明实施例还提供了上述快响应三代像增强器的成像方法，包括以下步骤：
步骤一、组装快响应三代像增强器，准备激光器并将其输出端对准快响应三代像增强器的输入窗1，激光器发出激光脉冲；
步骤二、快响应三代像增强器的GaAs光阴极2将激光脉冲转化成光电子；
步骤三、光电子在真空高压电场的作用下轰击微通道板3产生电子倍增，倍增后的电子在输出荧光屏4上再次转化成光子，获取选通过程中不同时刻的光子得到成像结果，实现103～106倍的亮度增益；其中，真空高压电场按以下方式实现：将激光脉冲与快响应三代像增强器可选通的加速电压进行光电互关联，精确控制加速电压的选通时间和激光脉冲到达光阴极面的相对时间，该时间内的光电子到达输出荧光屏4以形成ns量级开关速度的成像光路开关，从而在该相对时间内快响应三代像增强器内部实现瞬间选通的真空高压电场。
特别地，在本实施例中，针对快响应三代像增强器，使用超短光脉冲测试高速选通特性。基于PL2251激光器9，设计了超短激光脉冲研究像增强器的实验系统，参见图2，实验系统包括沿光路方向依次设置的PL2251激光器9、激光扩束镜10、半透半反镜11、毛玻璃12、像增强器5、镜头6、相机7。其中半透半反镜11的折射光方向设置有光电管8。
上述实验过程为：将激光脉冲与像增强器5的加速电压选通脉冲进行光电互关联，精确控制加速电压选通脉冲和激光脉冲到达光阴极面的相对时间，并记录像增强器5的成像结果。使用光电管8探测激光信号代表脉冲到达光阴极面的时间，快门输出的监测脉冲代表加速电压选通脉冲的时间，采用信号源精确控制电快门脉冲和激光脉冲到达光阴极面的相对时间dt，从而获取选通过程中不同时刻的像增强器5的成像结果。其中增强器5即为本实施提供的快响应三代像增强器。
本发明实施例快响应三代像增强器与现有像增强器的高速选通特性曲线对比图参见图3，其中实线曲线代表本实施例的高速选通特性曲线，虚线曲线代表现有像增强器的高速选通特性曲线，横坐标为选通时间，纵坐标为归一化亮度。由图3可知，现有三代像增强器在开启与关闭(0％～50％)共需8.3ns，在ns量级选通成像中影响严重，本发明实施例的快响应三代像增强器在开启与关闭(0％～50％)仅需4.6ns，能够明显减小开启与关闭的时间，在亮度剧烈变化的应用场景中能够显著减少开启与关闭过程对半宽内的影响。
需要说明的是，以上仅为本发明的一个具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易地想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种快响应三代像增强器，其特征在于：
包括真空密封腔体，以及沿光路传播方向依次设置在真空密封腔体内的GaAs光阴极(2)、微通道板(3)和输出荧光屏(4)；真空密封腔体上靠近GaAs光阴极(2)的部分为输入窗(1)，用于光电子穿过并到达GaAs光阴极(2)；
所述输入窗(1)包括输入面和输出面，用于透过光信号；
所述GaAs光阴极(2)镀设在所述输入窗(1)的输出面上；
所述微通道板(3)上设有多个通孔，且其输入侧表面和输出侧表面均镀设有导电金属薄膜；
所述GaAs光阴极(2)与所述微通道板(3)的输入侧表面之间、所述微通道板(3)的输入侧表面与输出侧表面之间、所述微通道板(3)的输出侧表面与所述输出荧光屏(4)之间均设置有可选通的加速电压，加速电压分别为V1、V2、V3。
2.根据权利要求1所述快响应三代像增强器，其特征在于：
所述微通道板(3)的输出侧表面与输出荧光屏(4)之间的距离为0.5mm～0.6mm。
3.根据权利要求2所述快响应三代像增强器，其特征在于：
所述GaAs光阴极(2)与所述微通道板(3)的输入侧表面之间的距离为0.1mm～0.2mm。
4.根据权利要求3所述快响应三代像增强器，其特征在于：
所述微通道板(3)为玻璃板，其上每个通孔的直径均为6μm～10μm。
5.根据权利要求4所述快响应三代像增强器，其特征在于：
所述输出荧光屏(4)的荧光粉为P20型、P22型、P43型、P46型或P47型。
6.根据权利要求1所述快响应三代像增强器，其特征在于：
所述输入窗(1)的材质为石英。
7.根据权利要求5或6所述快响应三代像增强器，其特征在于：
每个所述可选通的加速电压均由一个供电电路提供，每个供电电路均连接至同一个外部供电模块。
8.根据权利要求7所述快响应三代像增强器，其特征在于：
所述V1＝-200V，V2＝-800V，V3＝-4000V。
9.根据权利要求8所述快响应三代像增强器，其特征在于：
所述微通道板(3)的输出侧表面与输出荧光屏(4)之间的距离为0.5mm；所述GaAs光阴极(2)与所述微通道板(3)的输入侧表面之间的距离为0.1mm；所述微通道板(3)上每个通孔的直径均为6μm。
10.一种权利要求1-9任一所述快响应三代像增强器的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、组装快响应三代像增强器，准备激光器并将其输出端对准快响应三代像增强器的输入窗(1)，激光器发出激光脉冲；
步骤二、快响应三代像增强器的GaAs光阴极(2)将激光脉冲转化成光电子；
步骤三、光电子在真空高压电场的作用下轰击微通道板(3)产生电子倍增，倍增后的电子在输出荧光屏(4)上再次转化成光子，获取选通过程中不同时刻的光子得到成像结果，实现103～106倍的亮度增益；其中，所述真空高压电场按以下方式实现：将激光脉冲与快响应三代像增强器可选通的加速电压进行光电互关联，精确控制加速电压的选通时间和激光脉冲到达光阴极面的相对时间，该时间内的光电子到达输出荧光屏(4)以形成ns量级开关速度的成像光路开关，从而在该相对时间内快响应三代像增强器内部实现瞬间选通的真空高压电场。
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