作者简介:廖 华(1972—),男(汉族),四川省富顺县人,深圳大学工程师、博士.E-mail:liaoh@szu.edu.cn
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深圳大学光电工程学院, 光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室, 深圳 518060
Liao Hua and Yang QinlaoCollege of Optoelectronic Engineering, Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems of Ministry of Education and Guangdong Province, Shenzhen University, Shenzhen 518060, P.R.China
ultrafast diagnostic technique; streak image tube; self targeting; high voltage remote control; X-ray streak camera; time resolution; dynamic range
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2014.06614
根据神光Ⅲ原型装置的特点,配套研制一种通用X射线扫描相机. 相机既可用于高时间分辨的实验诊断,也可用于神光Ⅲ原型装置各束激光同步性能的检验. 该相机在结构上,具备二维摆动调节和轴向进给调节的运动功能,实现了高精度自行瞄准,XY指向误差≤25 mm,轴向定位误差≤10 mm; 在控制上,实现了全部高压的远程控制; 在性能指标上,尤其是动态范围,也有较大的提高. 动态测试表明,该系统时间分辨率<31 ps,动态范围>900.
According to the characteristics of Shenguang-Ⅲ prototype facility, a universal X-ray streak camera was developed. It can be used not only to measure the time history of physical process but also to monitor the synchronization among the laser beams on the prototype facilities. Regarding its structure, the camera has a movement function 2D swing adjustment and axial feed regulation to achieve high precision targeting accuracy: XY≤25 mm and Z≤10 mm. Regarding its control, a high voltage remote control is realized. Its performances, especially the dynamic range, are also greatly improved. Dynamic test shows that the system time resolution is less than 31 ps, and the dynamic range is more than 900.
神光Ⅲ原型装置[1]是神光Ⅲ主机的工程样机,拥有8束3倍频激光,总能量可达万焦耳级,且具备初步的脉冲时间波形整形能力,在技术上属于第2代高功率固体激光装置,与美国国家点火装置[2-3]相当,是惯性约束聚变(inertial confinement fusion,ICF)实验研究的主力科研装置.
X射线扫描相机是一种基于扫描变像管的高时间分辨诊断设备[4],能够获得一维空间分辨和时间分辨的X射线发射谱,是ICF研究中不可或缺的重要诊断工具.神光Ⅲ原型装置对X射线诊断设备提出非常苛刻的要求,主要包括:靶室直径接近3 m,远大于X射线扫描相机的最佳诊断距离; 激光能量的提高,要求X射线扫描相机拥有更大的动态范围[5-7]; 能抵抗更加严重的电磁干扰[8]. 因此,为神光Ⅲ原型装置配套研制的X射线扫描相机与传统的仪器型扫描相机有很大不同. 在性能方面,相机拥有更大的动态范围,良好的屏蔽电磁干扰能力,传统的手动操作也可被远程自动控制[9]取代; 在结构方面,必须采用工程化和模块化的设计,将相机整体安装到靶室壁上,具备自瞄准功能.
本研究研制专用于神光Ⅲ原型装置的自瞄准X射线扫描相机,并描述其工程结构设计和主要技术指标测试结果.
扫描变像管是扫描相机最核心的部件,其性能直接决定了相机系统的整体性能.在变像管的设计上,重点考虑的是有效拓展动态范围,同时保证足够的空间分辨率和时间分辨率. 优化设计的变像管电子光学系统如图1. 主要特点为:
1)采用短聚焦区高压电子光学系统,以缩短电子束在聚焦区的渡越时间,减小空间电荷效应.该聚焦系统轴上最低电位为5 kV,最高电位为16.5 kV,电子渡越时间约0.5 ns.
2)提高扫描变像管的阳极工作电压,达到16.5 kV,并合理确定荧光屏的粉层厚度和制屏工艺,提高荧光屏的量子转换效率.
3)在扫描变像管内不用微通道板(microchannel plate, MCP),也不使用带MCP的像增强器,而是采用第1代像增强器,在高电压下通过光电和电光转换获得高的光增益,这样既不存在MCP噪声,也不存在MCP增益非线性的限制.
4)在扫描变像管荧光屏与像增强器光电阴极以及像增强器荧光屏与电荷耦合器件(charge coupled device,CCD)之间采用光纤面板或光锥实现光能耦合,从而提高光能耦合效率.
图2是研制的X射线扫描变像管实物,聚焦区已经用环氧树脂灌封.
研制的X射线扫描相机系统的实物如图3. 相机系统由X射线扫描变像管及主体安装结构、像增强器、远程控制高压电源组件、扫描电路、控制操作盒、电动/手动三维瞄准调整机构、模拟对靶机构、针孔相机组件、CCD相机、离机检测及真空储存辅助组件、转接法兰及转接筒等组成.为避免直穿光影响,变像管与安装法兰轴线倾斜1.5°安装,但光阴极中心始终位于安装法兰轴线上.
扫描相机可直接与神光Ⅲ原型装置通径为φ=225 mm的法兰对接安装,也可通过转接法兰安装于φ=250 mm和φ=300 mm的法兰口. 相机允许安装在靶室水平赤道方位法兰和非赤道方位法兰,并允许旋转安装.
相机控制系统由远程控制高压电源组件、扫描电路组件、延时器、像增强器电源及门控组件等组成,分别实现:相机高压电源的远程监测、调整和开关; 相机工作模式切换(静态/扫描); 扫速变换、延迟时间调整; 增益调整等功能.
精密调整控制由便携式控制器、步进电机驱动器及步进电机组成. 通过切换开关,可分别实现相机XY精密瞄准和模拟靶的控制. 相机XY二维调整采用摆动调节方式实现,轴向调整采用滑动调整方式实现. 以高精度球形轴承作为摆动支点,大口径焊接波纹管作为柔性真空密封件,滚动轴承作为轴向支承,采用高精度电动平移台驱动(轴向位移手动),可在靶室外对靶室内的相机主体进行三维高精度调整,实现了相机实时瞄准功能. 轴向滑动采用手动调节,二维摆动可手动或电动调节. 靶点位置XY指向误差≤25 mm,轴向定位误差≤10 mm.
相机安装了吊装环和重心平衡配重体,利用靶场吊车在靶室外可方便操作相机安装,而不需要人进入靶室辅助操作安装.
由于该相机机身庞大,为解决相机脱离靶室时的检测和储存问题,专门配备了离机检测与真空储存组件. 该组件具有石英紫外光输入窗、真空隔离阀门、针孔放气阀门、电离计及真空机组接口等,可满足利用皮秒紫外光源对相机进行扫描速度标定、时间分辨测量和相机检测等需要. 在相机非工作期间可用于相机的真空保存. 该组件具有结构简单紧凑,装卸方便的特点.
X射线扫描相机动态测试标定系统由4倍频Nd:YAG脉冲激光器(中心波长为266 nm,脉冲宽度30~40 ps)、紫外光标准具(光程12.4 mm,时间间隔41 ps; 光程132.0 mm,时间间隔440 ps; 光程150 mm,时间间隔500 ps)及延迟光路等组成,如图4. 测试与标定时,扫描相机的光阴极分别采用衬底为C8H8的狭缝金光阴极和衬底为石英、带有狭缝形分辨率图案的金光阴极.
精确测量扫描相机的时间分辨率,应采用光脉冲宽度远小于扫描相机时间分辨率的窄脉冲作为测试光源. 由于本实验室目前没有满足使用要求的激光器,时间分辨率的测量采用4倍频皮秒脉冲激光器作为测试光源. 该光源输出脉冲宽度为30~40 ps,用该光源测量,虽不能完全反映相机的最高时间分辨率,但至少可以证明该相机的时间分辨率小于光源输出的皮秒脉冲宽度.
测量时间分辨率所用标准具的光程为12.4 mm,时间间隔41 ps. 测量结果如图5,时间分辨率小于31 ps.与软X射线波段相比,光电阴极对于紫外波段的二次电子初能量比较小,因此时间分辨特性的测量结果会稍好一些.
测量所用紫外标准具光程为132.0 mm,时间间隔为440 ps. 由于标准具输出的序列光脉冲难于精确调整到光阴极狭缝的同一位置,导致输入光脉冲强度不能完全按照标准具的倍率变化,使动态范围的测量不能按标准具倍率计算. 为此,采用分别计量最大脉冲强度Imax和最小脉冲强度Imin,并以最大和最小脉冲强度之比确定动态范围
图6给出动态范围的测量结果. 最大强度值为37 033,如图6(b),脉冲宽度约为37 ps,未出现展宽; 最小脉冲强度为193,如图6(c); 背景噪声为如图6(d).由此计算出相机系统的动态范围为
D=(Imax)/(Imin)=(37 033-153)/(193-153)≈900
需要说明的是,当动态范围达到900时,所测光脉冲并没有展宽. 但受本实验中光脉冲强度所限,未能获得光脉冲展宽20%时的动态范围.因此,能得出该条纹相机动态范围>900的结论,不能给出所能达到的最大值.
为满足神光Ⅲ原型装置的特殊要求,优化设计一种具有高压电子光学系统的X射线扫描变像管. 在此基础上,研制自瞄准通用X射线扫描相机. 该相机具备二维摆动调节和轴向进给调节的运动功能,实现了高精度自行瞄准,XY指向误差≤25 mm,轴向定位误差≤10 mm. 在控制上,实现全部高压的远程控制; 在性能指标上,尤其是动态范围,也有较大的提高. 动态测试表明,该系统时间分辨率小于31 ps,动态范围大于900.
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
(1984年创刊 双月刊)
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