【摘要】：X射線分幅相機(jī)利用變像管來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的光電轉(zhuǎn)換、脈沖選通以及圖像增強(qiáng),是一種同時(shí)具有亞納秒時(shí)間分辨和二維空間分辨能力的高靈敏度診斷設(shè)備。其被廣泛用于慣性約束聚變(Inertial Confinement Fusion,ICF)、Z-箍縮(Z-pinch)等重大研究領(lǐng)域。在ICF的最后階段,聚變?nèi)紵掷m(xù)時(shí)間約為l00 ps,對(duì)該階段等離子體時(shí)空演化的測(cè)量要求X射線分幅相機(jī)的時(shí)間分辨率優(yōu)于30 ps,空間分辨率達(dá)到微米量級(jí),同時(shí)還對(duì)大靈敏面提出了要求。傳統(tǒng)的MCP行波選通分幅相機(jī)難以滿足上述要求。2010年,時(shí)間展寬X射線分幅相機(jī)被成功研制。該相機(jī)將脈沖展寬技術(shù)(Pulse-dilation technique)和MCP行波選通技術(shù)相結(jié)合,獲得了優(yōu)于5 ps的時(shí)間分辨。時(shí)間展寬分幅相機(jī)的問(wèn)世將為ICF研究提供一種新型的、具有更高時(shí)間分辨率的診斷設(shè)備。為了滿足國(guó)內(nèi)ICF的需求,本論文設(shè)計(jì)研制了短磁聚焦成像電子束時(shí)間展寬分幅變像管,對(duì)變像管的時(shí)空特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。探索大靈敏面條件下X射線分幅相機(jī)優(yōu)化時(shí)空分辨的有效途徑,進(jìn)而為國(guó)家慣性約束聚變和Z-箍縮等領(lǐng)域的研究提供一種高性能的超快診斷手段。本論文的主要工作包括:1、利用Matlab編程建立短磁聚焦時(shí)間展寬分幅變像管的理論模型,對(duì)其時(shí)空分辨特性進(jìn)行了理論研究。2、數(shù)值模擬了變像管系統(tǒng)的靜態(tài)成像特性。當(dāng)光陰極加載直流電壓-3.0 kV,柵網(wǎng)接地,成像倍率為1:1時(shí),單透鏡像管軸上、離軸6 mm和12 mm處的空間分辨率分別為16.2,7.3和2.5 lp/mm;成像倍率為2:1時(shí),上述三個(gè)位置的空間分辨率分別是7.1,4.6和2.1 lp/mm。采用磁透鏡組合成像,可有效提升空間分辨率。雙透鏡和三透鏡2:1成像,陰極上離軸6 mm的空間分辨提高了1倍以上,離軸12 mm提高了2至3倍,離軸18 mm范圍內(nèi)的空間分辨率優(yōu)于5 lp/mm。像差分析表明,組合磁透鏡成像系統(tǒng)的彗差、象散、場(chǎng)曲以及整體畸變較單磁透鏡成像均有明顯減小,像質(zhì)顯著改善。3、數(shù)值模擬了單磁透鏡1:1成像下變像管的動(dòng)態(tài)特性。陰極偏置-3.0kV時(shí),光電子脈沖在像管中的渡越時(shí)間和渡越時(shí)間彌散分別為15.5 ns和3.4 ps。陰柵間的渡越時(shí)間彌散為447 fs,主要由電子初能量彌散造成的。在漂移區(qū)中,初能量彌散和空間電荷效應(yīng)造成電子脈沖迅速展寬。陰極加載線性斜率的展寬脈沖時(shí),光電子脈沖展寬倍率隨陰極偏置的減小以及電壓斜率的增大而增大。推導(dǎo)了光電子脈沖線性展寬的陰極激勵(lì)函數(shù),并經(jīng)數(shù)值模擬驗(yàn)證。通過(guò)追蹤光電子脈沖的展寬過(guò)程和束流的演化,求得陰極偏置-3.0 kV,脈沖斜率分別為10 V/ps,7.0 V/ps和2.1V/ps時(shí),系統(tǒng)的技術(shù)時(shí)間分辨率分別為2.2 ps,3.2 ps,和6.6 ps,總時(shí)間分辨率分別為4.0 ps,4.7 ps和7.4 ps;變像管離軸2 mm以內(nèi)的動(dòng)態(tài)空間分辨率優(yōu)于10 lp/mm,離軸5 mm的動(dòng)態(tài)空間分辨率~6-7 lp/mm。4、采用陰極光刻分辨率板實(shí)驗(yàn)研究了變像管的成像質(zhì)量。陰柵電壓為-3.0kV,成像倍率為1:1時(shí),單透鏡像管離軸6 mm,9 mm和15 mm等處的靜態(tài)空間分辨率分別為9.2 lp/mm,4.8 lp/mm和1.8 lp/mm。成像倍率為2:1時(shí),發(fā)現(xiàn)組合透鏡成像空間分辨明顯高于單透鏡,并且像場(chǎng)畸變也較小。雙透鏡成像離軸9 mm以內(nèi)的空間分辨率優(yōu)于5lp/mm;三透鏡成像離軸20 mm以內(nèi)的空間分辨率優(yōu)于5 lp/mm,陰極面上成像范圍可達(dá)離軸30mm。通過(guò)改變磁透鏡激勵(lì)的方法測(cè)量了單、雙透鏡的像場(chǎng)彎曲,得到單、雙磁透鏡成像面中心處的曲率圓半徑分別為6.0mm和9.6mm。采用兩邊微帶較中間微帶加載更高加速電壓的方法改善三透鏡像管的場(chǎng)曲,使兩邊微帶離軸25mm區(qū)域的空間分辨達(dá)到或接近5lp/mm。此外,還研究了電子束莫爾條紋的成像規(guī)律。5、實(shí)驗(yàn)研究了變像管的動(dòng)態(tài)性能及其主要影響因素。利用高速示波器間接測(cè)得陰極偏置-3.0kV時(shí),電子在像管中渡越時(shí)間約為16.0ns;借助光纖傳光束法測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)、空分辨率。測(cè)得電子束時(shí)間寬度未展寬時(shí)系統(tǒng)時(shí)間分辨率為78ps。當(dāng)微帶陰極加-1.5kV的直流電壓和斜率為7 V/ps的脈沖電壓時(shí),電子束時(shí)間展寬技術(shù)將時(shí)間分辨率提高至5 ps。測(cè)得單磁透鏡1:1成像,相機(jī)的近軸動(dòng)態(tài)空間分辨率優(yōu)于10 lp/mm。本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:1、提出了大靈敏面條件下采用磁透鏡組改善離軸物點(diǎn)成像質(zhì)量的方法,建立了大物面變像管的理論模型,獲得了像管空間分辨率的模擬結(jié)果,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了磁透鏡組對(duì)像場(chǎng)彎曲的部分校正。成像倍率為2:1時(shí),得到單、雙磁透鏡成像面中心處的曲率圓半徑分別為6.0mm和9.6mm;2、系統(tǒng)研究了變像管中電子束莫爾條紋的成像,實(shí)驗(yàn)上得到了電子束莫爾條紋的成像條件符合傳統(tǒng)的光學(xué)莫爾條紋成像規(guī)律的結(jié)果。
【圖文】：

后再由重建節(jié)恢復(fù)為二維圖像。利用掃描分幅和快速偏轉(zhuǎn)電路，其成幅于 100 ps。990 年，我國(guó)也研制了掃描分幅變像管[33]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1-2 所示利用光學(xué)分幅于陰極上成兩幅圖像，之后再由偏轉(zhuǎn)快門(mén)分幅，若快門(mén)板上加載斜坡電壓，可獲 四幅圖像，，曝光時(shí)間 170 ps，空間分辨率為 5 lp/m

r 提出了雙近貼聚焦結(jié)構(gòu)的變像管(如圖 1-3 所示)[34]。在陰，光電子經(jīng)快門(mén)選通成像。這里，矩形脈沖的寬度決定了曝電阻及電路等效電容的影響，此類像管曝光時(shí)間較長(zhǎng)，通幅相機(jī)具有結(jié)構(gòu)小巧、增益高、成像面積大、空間分辨率高幅圖像。
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN143

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2615294