CN209133447U - 具有电子脉冲准直功能的扫描相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种具有电子脉冲准直功能的扫描相机，其核心元器件条纹管，包括物镜，采样狭缝，光电阴极，准直加速电极，电子聚焦透镜，阳极，行波偏转器，荧光屏。所述准直加速电极中心包含线性排列的微孔阵列结构，在电子脉冲经过时能够使其准直，在皮秒级及亚皮秒级超快现象研究领域，相较最接近技术的条纹管扫描相机更能有效地提高相机的时间分辨和空间分辨能力。

Description

具有电子脉冲准直功能的扫描相机

技术领域

本实用新型涉及皮秒级及亚皮秒级超快现象研究领域，具体而言，涉及一种具有电子脉冲准直功能的扫描相机。

背景技术

在皮秒级及亚皮秒级超快现象研究领域，基于条纹管的扫描相机诊断技术是不可替代的超快信息获取技术。条纹管扫描相机是具备超高时间分辨、高空间分辨和宽光谱响应的高端科学测量与诊断仪器，在材料科学、等离子体物理、基础前沿科学研究和精密加工与制造等领域具有非常广泛的用途，尤其在惯性约束聚变(ICF)、核爆模拟、先进常规武器设计与研制等国家战略技术研究中不可或缺的甚至是唯一的重要诊断技术手段。

随着ICF研究的深入发展，更高时间分辨、更大动态范围的条纹管扫描相机的重要性就显得越来越突出。目前条纹管扫描相机的时间分辨已经实现皮秒量级向飞秒量级的突破，但是在飞秒量级条纹管扫描相机的动态范围的研究方面一直无法实现突破，满足不了ICF实验的实际应用需求。扩大飞秒条纹管扫描相机的动态范围成为一道急需解决的难题。

条纹管是扫描相机的核心器件，扫描相机性能参数的极限(例如时间分辨、空间分辨、动态范围等参数)都是由条纹管决定。现有的扫描相机技术一般采用静电聚焦型条纹管，也有少部分采用磁聚焦型条纹管，其结构包括光电阴极、加速电极、聚焦系统(静电聚集透镜或磁聚焦透镜)、扫描偏转系统和荧光屏，其结构见图1。其工作原理是：所测的目标光源发出的光由狭缝取出一维空间信息，然后通过物镜将瞬态光源成像在扫描变像管的光电阴极上。光电阴极上的狭缝部分在光脉冲辐射下发射出光电子，由于光电阴极具有较快的时间响应特性和良好的光电发射线性特性，光脉冲将无失真地被转换成电子脉冲，即光电子的瞬态发射密度正比于该时刻的光脉冲强度，所产生的光电子脉冲的持续时间就是入射光脉冲的持续时间。因此，只要测量出电子脉冲的时空结构，就可以得到入射光脉冲的时空结构。光电阴极产生的光电子经过加速电极加速后进入聚焦系统，然后经扫描偏转系统扫描偏转，分离出电子脉冲所包含的时间信息，分离出时间信息的电子脉冲轰击荧光屏产生按时间顺序排列的包含空间信息的光学图像，可以被记录系统读取和记录。

上述现有技术中的加速电极一般采用栅网电极，它具有网状结构，是一种由直径为微米量级的细金属丝横竖排列焊接而成，网格越密，丝径越细。栅网作为加速电极，与阴极共同作用产生一个近似平面电场，光电阴极产生的电子在平面场的作用下迅速获得能量到达高能态，这就减少了电子束团空间电荷相互作用的时间，从而抑制时间弥散和空间扩展，提高了条纹管的时间分辨和空间分辨。

由于栅网是一种由金属丝组成的非平面结构网格，其表面所形成的电场为非平面电场，这种电场对电子束具有一定的散焦作用，会改变电子原有的运动方向和趋势，增大电子束的发散角度，扩大大角度电子和杂散电子在电子束中所占比重，从而影响电子束的时空特性，进而影响条纹管的时间分辨和空间分辨。

其缺点之二为，栅网的金属丝直径在微米量级，因此栅网很薄，在制作电极时容易产生褶皱；其自持力较小，易破损；在加载较高电压时，容易变形并产生高压放电。

其缺点之三为，栅网的网格状的栅网对附近电场具有微扰作用；虽然只要栅网的线足够细和足够密，就可以忽略它对电场的影响，但是过密的栅网对电子的吸收比较严重，电子的透过率低，例如线径为20μm、线密度为10线/mm的栅网对电子的吸收率为20％，线径为12.5μm、线密度为40线/mm的栅网对电子的吸收率为62％。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型提供了一种具有电子脉冲准直功能的扫描相机，通过其准直加速电极结构设计，达到提高条纹管时间分辨和空间分辨能力的效果。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：

与原有技术相比，栅网结构加速电极被置换成了准直加速电极，准直加速电极与阴极形成平面加速电场，并自带电子脉冲准直功能。阴极发射出的电子脉冲经加速电场加速后通过准直器再准直，角度大的电子被所述准直器吸收，然后电子脉冲经电子聚焦透镜聚焦，通过行波偏转器扫描偏转后，分离出电子脉冲所包含的时间信息，分离出时间信息的电子脉冲轰击荧光屏产生按时间顺序排列的包含空间信息的光学图像，可以被记录系统读取和记录。

准直器为厚度为0.1-0.5毫米的薄片金属板，中心包含线性排列的微孔阵列结构，微孔直径为5-20微米，微孔间隔为2-10微米，微孔排列方式可以为直排式，也可以为60°梅花错排式。准直器表面和微管的内壁经过导电处理，使得准直器表面及微管内壁表面为等势体，在电子通过微管时其方向得到准直。

本实用新型通过在条纹管中引入准直加速电极替换现有的栅网结构加速电极，相比现有技术的优点至少有以下三点：

其一，微孔作为准直结构的单元，其直径比栅网孔径小得多，对平面加速电场的扰动较小，降低了加速电极表面电场对电子脉冲自身时空结构的破坏；

其二，微孔的深度比栅网厚度大得多，可以对大角度电子和杂散电子进行吸收，并对电子束进行准直，减少电子束的弥散，提高电子束的时空特性；

其三，准直器为厚度为0.1-0.5毫米的薄片，其自持强度远远大于栅网，有助于加载更高高压，提高阴极表面电场强度，从而进一步提升条纹管的时空特性，使得条纹管具备更高的时间分辨和空间分辨能力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对本实用新型范围的限定。

图1是一种现有的条纹相机工作原理图；

图2是本实用新型实施例提供的一种具有电子脉冲准直功能的扫描相机的条纹管及其简化工作原理图；

图3是本实用新型实施例提供的一种微孔阵列结构平面示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种大面积微孔阵列准直器结构三维示意图；

图5是本实用新型实施例提供的一种条纹相机工作结构简图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

图2是本实用新型实施例提供的一种具有电子脉冲准直功能的扫描相机的条纹管及其简化工作原理图。

所述条纹管包括：

开设于所述光电阴极的阴极板上，用于将所测物体的一维空间信息提取出来的采样狭缝。

本实用新型实施例中，所述采样狭缝即一条宽度可调、狭窄细长的缝孔，狭缝种类有固定狭缝、单边可调的非对称狭缝和双边可调的对称狭缝。狭缝的宽度一般在μm-mm的量级，最大宽度为几个mm，决定了出射光束的强度，当出射光强度根据需要进行调节时，一般使用可调狭缝。可调狭缝除了应满足固体狭缝的一些要求，如刃口形状与谱线吻合，刃面光洁、无划痕、无缺口、无毛刺、无锈迹、无油烟，并设置相应的保护装置外，还要具有以下性能：1.开启性；在开启范围内应该能平稳的来回调节，并可在任意位置上自锁；2.具有一定示值精度和现性；3.两刃口严格平行；4.开启过程中谱线中心不变。所述采样狭缝朝向所测物体，接收所测目标光源发出的光，将光中的一维空间信息取出。

设置于采样狭缝的入射光路，用于将所测物体传递来的瞬态光源信息成像在光电阴极上的物镜。

本实用新型实施例中，所述物镜是由若干个透镜组合而成的一个透镜组，各镜片间彼此相隔一定的距离，为了克服单个透镜的成像缺陷，减少相差而组合使用。物镜质量的好坏直接影响成像的质量，是决定成像清晰程度的主要部件。所述物镜利用从目标物传递来的光线使所测物体成像在光电阴极上。

设置于物镜的出射光路，用于将光脉冲信息转化为光电子脉冲的光电阴极。

本实用新型实施例中，所述光电阴极包括阴极板及能将入射光辐射转化为电子的光电发射材料，所述阴极板采用对入射光具有阻挡或吸收的导电材料，入射端面开设有采样狭缝，所述采样狭缝为直线形缝隙，其出射端面涂覆有用于在光辐射下产生光电子脉冲的光电发射材料；当光照射材料表面时，如果入射光的能量足够大，能使材料内部的电子获得足够大的能量而从体内逸出，这种现象称为外光电效应。通过外光电效应，所述采样狭缝后的光电发射材料将从物镜传递到所述采样狭缝处的光脉冲辐射转化为光电子。所述光电阴极依现有工艺制备，有较低的表面真空能级以及原子级的清洁表面，具有较快的时间响应特性和良好的光电发射线性特性，可将光脉冲无失真的转化为电子脉冲，即光电子的瞬态发射密度正比于该时刻的光脉冲强度，所产生的光电子脉冲的持续时间就是入射所述采样狭缝中光脉冲的持续时间。因此，只要测量出电子脉冲的时空结构，就可以得到入射光脉冲的时空结构。光电阴极上的光电发射材料在光脉冲辐射下发射出光电子，随后这些光电子向准直加速电极移动。

所述准直加速电极设置于光电阴极的出射光路，用于加速并准直电子脉冲。

图3是本实用新型实施例提供的一种微孔阵列结构平面示意图。

本实用新型实施例中，所述准直加速电极为厚度0.1-0.5毫米的薄片金属板，其中心包含线性排列的微孔31阵列结构，微孔31孔径为5-20微米，间隔为2-10微米，微孔31排列方式可以为直排式，也可以为60°梅花错排式,微孔截面一般为圆形，也可以为正方形、菱形或正六边形等。

图4是本实用新型实施例提供的一种大面积微孔阵列准直器结构三维示意图。

它是由大量中空的毛细微管二维排列而成的片状结构，准直器表面和微管的内壁经过导电处理，使得准直器表面及微管内壁表面为等势体。

本实用新型提供的准直加速电极结构带来的优点包括：

其一，微孔31作为准直结构的单元，其直径比栅网孔径小得多。相对于组成栅网的金属丝形成的非平面结构网络，其覆盖于表面的电场更加平整，因而所述电场相对于栅网表面的非平面电场，对电子束的散焦作用更小，从而对电子原有运动方向和趋势的影响也更小从而对电子束的时空特性影响也更小，进而对条纹管的时间分辨与空间分辨的影响也更小。

其二，微孔31的深度比栅网厚度大的多，所述微孔31内壁可以对大角度电子和杂散电子进行吸收，并对电子束进行准直，减小电子束的弥散，提高电子束的时空特性；

其三，准直器32为厚度为0.1-0.5微米的薄片，其自持强度远远大于栅网，可以耐受更高高压电场，提高阴极表面电场强度，从而进一步提升条纹管的时空特性，使得条纹管具备更高的时间分辨和空间分辨能力。

所述微孔阵列结构用超快飞秒激光加工工艺、微结构材料压塑成型工艺、光化学刻蚀工艺、微纤维拉伸成型工艺或者精密微结构3D打印技术等微纳精密加工技术制作而成。

微孔阵列结构基材选用适合各制作工艺加工的材料，可以采用常用的金属导电材料、金属元素合金(铜合金、铝合金等)、复合金属以及其他特殊用途的导电材料等；也可采用电塑料、导电橡胶、导电纤维织物、导电涂料、导电胶粘剂以及透明导电薄膜等复合型高分子导电材料；也可采用经过掺杂或非掺杂的结构型高分子导电材料。

在一些实施例中，微孔阵列结构基材也可以选用为导电性较差的半导体或非导体，此时需要对其表面做导电处理。例如，在基材表面蒸镀一层导电性良好的薄膜材料，也可以采用电化学镀膜技术；导电薄膜材料可以选用铜，银、铝、金等导电性良好的金属材料，也可以为二氧化硅等导电性氧化物材料。

光电阴极产生的光电子经过准直加速电极加速与准直后，进入电子聚焦透镜聚焦。

设置于准直加速电极的出射光路，用于聚焦光脉冲的电子聚焦透镜。

本实用新型实施例中，所述电子聚焦透镜为静电场或电磁复合场组成的电子光学系统，所述电子聚焦透镜产生的所述静电场或电磁复合场，具有聚焦光电子和成像的作用。所述电子聚焦透镜将准直加速电极射来的光电子聚焦成像，随后进入到阳极。

优选的，所述条纹管还包括：

设置于电子聚焦透镜的出射光路，用于加速光电子脉冲的阳极。

本实用新型实施例中，所述阳极包括阳极板与开设于所述阳极板上的圆形光阑，所述阳极板与所述阴极板间存在有向电场，所述有向电场使场内光电子进一步加速，从所述圆形光阑中通过，射入行波偏转系统。

设置于所述阳极的出射光路，用于分离出光电子脉冲所包含的时间信息的行波偏转器。

本实用新型实施例中，所述行波偏转器包括两块相互平行的带电金属板，两块板上加有高速的斜坡扫描电压，不同时间到达的光电子将会以不同的空间位置进入荧光屏，最终轰击荧光屏产生按时间顺序排列的包含空间信息的光学图像。

所述荧光屏设置于行波偏转器的出射光路，用于光电子成像的载体。

本实用新型实施例中，所述荧光屏的主要作用是将接收到的电信号以亮度变化的形式重现在所述荧光屏上，产生包含时空信息的光学图像，能被记录系统记录和读取。

在一些实施例中，所述阳极可以不存在于所述条纹管结构中，即电子聚焦透镜聚焦后的光电子脉冲直接进入行波偏转器。

在一些实施例中，还存在设置于所述行波偏转器与所述荧光屏之间，用于使光电子信号放大的电子倍增管，所述光电子信号被放大后轰击荧光屏产生包含时间信息与空间信息的光学图像，可被记录系统记录和读取。

图5是本实用新型实施例提供的一种条纹相机工作结构简图。

所述条纹相机工作结构简图包括：

智能控制系统51，所述智能控制系统51与条纹管54、扫描控制系统52、高压供电系统53、记录系统55电性相连，所述智能控制系统51包含电极电压监控模块，气室环境监控模块，电子聚焦电压控制模块，所述智能控制系统需要在有限体积内对条纹相机的电子聚焦电压，记录系统做出精确的控制，并且需要对电极电压，气室环境参量数据进行精准的监控以确保相机安全有效的工作。

所述电极电压监控模块，用于实时监控两极间电压，并将信息传输到智能控制系统51，当电压波动超过某一预设的阈值时，控制系统将停止相机的工作。

所述气室环境监控模块，用于监控包括有限空间气室的实时温度，压力信息，并将信息传输到智能控制系统51，当温度和压力波动超过某一预设的阈值时，控制系统将停止相机的工作。

所述电子聚焦电压控制模块，用于控制两极板间的电压，分为静电聚焦透镜与磁聚焦透镜，实际均是通过控制透镜像管中的静电场或电磁复合场来聚焦光电子成像。

扫描控制系统52，所述扫描控制系统52与智能控制系统51、高压供电系统53、条纹管54电性相连，所述扫描控制系统52包含扫描触发延时模块，扫描偏压模块，需要对条纹相机的扫描触发延时，扫描偏压做出精确的控制以协助所述智能控制系统51确保相机安全有效工作。

所述扫描偏压模块与所述扫描触发延时模块，用于控制扫描信号的产生以及扫描信号到达行波偏转器的时间。行波偏转器可以控制扫描信号在偏转板上传输的速度，使其能与光电子脉冲在偏转板里面飞行的速度相匹配，以使得光电子脉冲在扫描信号产生的偏转电场的作用下能够更有效的发生偏转。

高压供电系统53，所述高压供电系统53与智能控制系统51，扫描控制系统52，条纹管54，记录系统55，通信系统56电性相连，用于相机内所有元器件的电能供给。

条纹管54，扫描相机的核心器件，扫描相机性能参数的极限(例如时间分辨、空间分辨、动态范围等参数)都是由条纹管54决定，所述条纹管54与智能控制系统51，扫描控制系统52，高压供电系统53，记录系统55电性相连，用于将光脉冲转化为电子脉冲并将其时空信息反映在荧光屏上。

记录系统55，所述记录系统55与所述条纹管54相连，可以读取和记录光电子脉冲轰击荧光屏留下的包含时间信息与空间信息的光学图像。

通信系统56，所述通信系统与记录系统相连，用于将所述记录系统获取的影像信息以可供传输的信号类型传输至外部终端，所述可供传输的信号类型包括文字信息，图像信息和视频信息。

在本实施例中，通信系统56可采用无线通信，也可以是有线通信。

优选的，通信系统56采用有线通信，以适于近距离传输的稳定，安全，抗干扰能力强。

在本实施例中，外部终端包括用户终端，传感器或其他扫描相机。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、装置、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、装置、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种具有电子脉冲准直功能的扫描相机，其特征在于，包括：光电阴极、准直加速电极、电子聚焦透镜、阳极、行波偏转器、荧光屏和记录系统,

所述光电阴极包括阴极板与能将入射光辐射转化为电子的光电发射材料，所述阴极板采用对入射光具有阻挡或吸收的导电材料，入射端面开设有采样狭缝，所述采样狭缝为直线形缝隙，其出射端面涂覆有用于在光辐射下产生光电子脉冲的光电发射材料；

所述准直加速电极设置在所述光电阴极的出射光路上，用于对光电子脉冲进行加速与准直；

所述电子聚焦透镜聚焦设置在所述准直加速电极的出射光路上，用于对光电子脉冲进行聚焦；

所述阳极设置在所述电子聚焦透镜的出射光路上，用于与光电阴极间形成高压电场，在高压电场的驱动下加速光电子脉冲；

所述行波偏转器设置在所述阳极的出射光路上，用于对光电子进行扫描偏转，分离出光电子脉冲所包含的时间信息；

所述荧光屏设置在所述行波偏转器的出射光路上，用于在分离出时间信息的电子脉冲的轰击下产生按时间顺序排列的包含空间信息的光学图像；

所述记录系统与所述荧光屏电性连接，用于对所述光学图像包含的时间信息和空间信息进行读取和记录。

2.根据权利要求1所述的扫描相机，其特征在于，还包括与所述阴极板平行的直线形缝隙——采样狭缝，用于提取光信号的一维空间信息。

3.根据权利要求1所述的扫描相机，其特征在于，还包括位于光电阴极入射光路的物镜，所述物镜用于将目标物的空间、时间信息成像在所述采样狭缝后的光电发射材料上。

4.根据权利要求1所述的扫描相机，其特征在于，所述准直加速电极具有微孔阵列结构，所述微孔阵列结构为多个中空的毛细微管二维排列而成的片状结构，微孔直径为5-20微米，孔管长度为0.1-0.5毫米，微孔间隔为2-10微米，光电子通过微管时其飞行方向得到准直。

5.根据权利要求4所述的扫描相机，其特征在于，所述准直加速电极的准直器表面和微管的内壁经过导电处理，使得准直器表面及微管内壁表面为等势体。

6.根据权利要求1所述的扫描相机，其特征在于，还包括通信系统，所述通信系统与记录系统相连，用于将所述记录系统获取的影像信息以可供传输的信号类型传输至外部终端。

7.根据权利要求1所述的扫描相机，其特征在于，还包括：智能控制系统、扫描控制系统及高压供电系统，所述智能控制系统与扫描控制系统、条纹管、记录系统相连，所述扫描控制系统与条纹管、智能控制系统相连，所述控制系统用于对相连的元器件做精确监控及控制；所述高压供电系统与智能控制系统，扫描控制系统，条纹管元器件，通信系统电性相连，用于供电。

8.根据权利要求7所述的扫描相机，其特征在于，所述智能控制系统包含电极电压监控模块、气室环境监控模块、电子聚焦电压控制模块，用于确保相机安全有效的工作：

所述电极电压监控模块与光电阴极和阳极电性连接，用于监控电极间电压；

所述气室环境监控模块包括温度传感器及气压传感器，用于监控气室内的气室环境参量；

所述电子聚焦电压控制模块与电子聚焦透镜电性连接，用于对电子聚焦电压做出精确控制。

9.根据权利要求7所述的扫描相机，其特征在于，所述扫描控制模块包含扫描触发延时模块，扫描偏压模块：

所述扫描触发延时模块与扫描偏压模块电性连接，响应于外界触发信息，用于延时发出扫描触发的信号；

所述扫描偏压模块与行波偏转器电性连接，响应于扫描触发信号，用于对行波偏转器的扫描偏压做出精确控制。