作者简介:廖昱博(1982—),男,深圳大学博士研究生、赣南师范大学讲师.研究方向:超快诊断技术.
中文责编:方 圆; 英文责编:木 南
1)深圳大学光电子器件与系统教育部重点实验室,广东深圳 518060; 2)赣南师范大学物理与电子信息学院, 江西赣州 341000; 3)深圳大学物理与能源学院,广东深圳 518060
Liao Yubo1,2,Long Jinghua3,Cai Houzhi1,Chen Jiayu1,and Liu Jinyuan11)Key Laboratory of Optoelectronic Devices and Systems of Ministry of Education, Shenzhen University, Shenzhen 518060,Guangdong Province, P.R.China2)School of Physics and Electronic Information Science, Gannan Normal University, Ganzhou 341000, Jiangxi Province, P.R.China3)College of Physics and Energy, Shenzhen University, Shenzhen 518060,Guangdong Province, P.R.China
nuclear instrumentation; ultrafast diagnostic technique; framing tube; magnetic double lenses; excitation condition; imaging rules
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2016.06593
设计研制了大面积阴极双磁透镜分幅变像管,考察双磁透镜系统相同激励下1:1的成像.从薄透镜成像关系出发,分析满足成像条件的4种情况,并求得各种情况下双透镜位置与焦距的关系式.通过阴极微带光刻分辨率板法进行成像的测试与验证. 测试结果表明,双磁透镜仅在少数几个位置能成较高质量的1:1像. 影响双磁透镜像管1:1成像的因素主要包括磁透镜的磁化饱和效应、铁磁材料间的磁场干扰以及透镜厚度.
A large cathode framing tube is designed and developed. Its imaging at a magnification ratio of 1:1 is investigated by using a magnetic double-lens system with the same excitation. Firstly, based on the imaging formula of thin lens, four imaging situations are analyzed, and the relationship between the positions of the two magnetic lenses and the focal length is derived. Then, resolution plates photo-etched on the cathode micro-stripe are adopted to test the imaging quality of the tube under the four situations. The test results show that 1:1 imaging with higher image quality occurs only when the double lenses are placed in a few positions. The factors that affect the 1:1 imaging of the magnetic double-lens system are mainly the magnetization saturation effect of the lens, magnetic-field interference between the ferromagnetic materials of the two lenses, and the lens thickness.
变像管是一种光电子束成像器件,主要由光电阴极、电子光学系统及荧光屏组成. 光电阴极把光学像转变成电子像,经电子光学系统聚焦成像在荧光屏上,荧光屏再把电子像转变成光学像,由电荷耦合元件(charge-coupled device, CCD)或胶卷记录下来. 变像管分幅相机通过变像管实现图像的光电转换、脉冲选通与图像增强,是研究亚纳秒时间范围内瞬变现象的主要工具. 其借助光电阴极来实现波长转换,所以具有较宽的波长响应范围,可覆盖从紫外光到X射线区段. 变像管分幅相机利用微通道板(micro-channel plate, MCP)实现光电子信号的倍增,故具有很高的灵敏度. 尤其是20世纪90年代以来,采用MCP行波选通技术使分幅相机的时间分辨率得以显著提升,最高可达35 ps[1],因此可广泛用于X射线激光、惯性约束核聚变(inertial confinement fusion, ICF)、Z-箍缩(Z-pinch)以及强场物理等[2- 6]重大研究领域. 2010年,Hilsabeck等[7]将脉冲展宽技术(pulse-dilation technique)和MCP行波选通技术相结合,研制了时间展宽分幅相机,使时间分辨率进一步提升至5 ps. 在这种像管中,光阴极与MCP之间以漂移区分开.当X光脉冲照射到阴极上,激发的光电子信号在阴栅之间的斜坡电压脉冲作用下产生速度梯度,使信号前沿部分比后沿部分具有更高的速度. 因而经过漂移区后,光电子束在时间上被展宽,并通过长磁透镜将其成像在MCP微带上,经快门脉冲的选通作用,获取动态图像,测得动态空间分辨率~300 μm. 在此基础上,本课题组通过改进磁透镜结构,在电子光学设计中引入短磁透镜替代长磁聚焦,测得时间分辨率为11 ps, 后经优化提高至4 ps,动态空间分辨率优于100 μm[8-9]. 进一步研究表明,采用双磁透镜电子光学系统有助改善像质,提升空间分辨率[10]. 为此,有必要深入研究变像管在双磁透镜系统下的成像特征. 本研究先考察两结构相同的磁透镜在相同激励下1:1的成像. 从薄透镜成像关系出发,讨论双透镜成等大的像时磁透镜位置与成像激励(或焦距)的关系; 再通过静态测试加以验证,并对磁透镜在不同位置的成像特征进行分析比较.
假设物面(阴极发射面)与成像面的间距为D(即变像管的长度),在实际测试中保持不变.短磁透镜的焦距f与励磁电流I之间近似满足[11]
f=(65VR)/((NI)2)(1)
其中, V、 R和N分别对应电子束加速电压、磁透镜线圈的平均半径和线圈匝数.因物侧磁透镜L1和像侧磁透镜L2具有完全相同的结构,故在相同激励下,两者也具有相同的焦距.以下利用光学透镜成像关系对不同相对位置下双磁透镜1:1成像进行分析,为简单起见,磁透镜作薄透镜处理.
图1 为两次成像均为实物成实像时的双透镜位置. 可见,此时中间像位于L1与L2之间,且L1的物距s1>f. 两次成像满足高斯成像关系
1/(s1)+1/(s1')=1/f(2)
1/(s2)+1/(s2')=1/f(3)
图1 两次成像均为实物成实像时的双透镜位置
Fig.1 The positions of the double lenses at which the two real images are formed
(s1')/(s1)×(s2')/(s2)=1(4)
将式(2)和式(3)代入式(4)消去s1'和s2, 可得
s1'=s2=s(5)
即L1与物面距离等于L2与像面距离. 另据图1可知
s1'+s2+2s=D(6)
由式(2)、(3)和(5)解出s1'和s2代入式(6)得
2s2-Ds+Df=0(7)
即为这种情况下透镜位置与透镜焦距应满足的关系式.
图2为中间像为虚像时的双透镜位置,成像关系如式(2)和式(3)所示. 但由于第1次成虚像,须有s1<f且s1'<0. 最终成倒立的实像,总放大率k=-1, 不难得出
s1+s2'=2f(8)
由图2中的几何关系可知
s1'+s2+s1+s2'=D(9)
联立式(2)、(3)、(8)和(9)可得
D=4f(10)
这种情况的成像关系仍满足式(2)和式(3),最终成倒立的实像. 因此,所满足的关系形式与式(8)、(9)和(10)一样,只是s1>f且s2<0.
此时,L1与L2之间形成平行束,显然有
s1=s2'=f(11)
变像管的静态成像测试采用最新研制的大面积阴极像管,其物面是尺寸为72 mm×12 mm的镀金微带阴极,后面是长1 mm的阴栅加速区.为便于测试空间分辨率,利用光刻技术在阴极微带上规则地刻划上各种空间频率的分辨率板,每块分辨率板是尺寸为3 mm×3 mm的小方格,其线对数分别为2、5、10、15, 直至35 lp/mm.像管末端装配有MCP、荧光屏和CCD图像采集系统. MCP也是镀金微带结构,其尺寸为40 mm×8 mm.像管前端光阴极至后端成像面的距离D为50 cm.成像透镜采用线圈密绕于铝芯,外覆软铁屏蔽罩的短磁透镜结构.线圈匝数N为1 320,磁透镜轴向宽度为10.0 cm, 平均半径R为10.4 cm,内壳上开有4 mm宽的环形空气缝隙.测试所用光源为紫外灯,测试条件为:阴极电压-3.0 kV、MCP电压-560 V、屏压+3.4 kV, 像管内部真空压强控制在1.0×10-3 Pa以下.阴极成像测试之前,先获取MCP上微带的CCD图像(图3),以备确定成像倍率.阴极成像测试时,将2个磁透镜正向串接,改变两透镜在像管中的相对位置,调整透镜激励,使成等大的像.
表1给出2个透镜均为实物成实像情况下的透镜位置(s值),与之对应的焦距(激励)理论值及激励的测试值.此时的中间像介于2个透镜之间,透镜焦距较短,因而激励电流较大.同时,激励电流的测试结果与理论计算值存在较大偏差,这主要是由于磁透镜已达磁饱和状态,偏离了磁化线性区的缘故,如图4所示,这种非线性效应使成像出现了明显畸变.
表1 双磁透镜均为实物成实像时的透镜位置与成像激励
Table 1 The positions and imaging excitations of the magnetic double lenses at which two real images are formed
图4 双透镜均为实物成实像时的测试结果(s=130 mm)
Fig.4 One of the test results for the double-lens system when the two lenses are placed to form two real images(s=130 mm)
表2 双磁透镜在几种不同位置下的成像激励电流
Table 2 The imaging excitations of the magnetic double lenses placed at several different positions
图5 双磁透镜在几种不同位置下的1:1成像测试图(上为s1=11.0 cm, s2'=14.0 cm; 中为s1=12.0 cm, s2'=13.0 cm; 下为s1=13.0 cm, s2'=12.0 cm)
Fig.5 The test images at 1:1 magnification ratio formed when the double lenses are placed at several different positions(Upper s1=11.0 cm, s2'=14.0 cm; middle s1=12.0 cm, s2'=13.0 cm; lower s1=13.0 cm, s2'=12.0 cm)
表3 物、像分别位于L1前焦面和L2后焦面时的透镜放置与成像激励电流
Table 3 The positions and imaging excitations of the magnetic double lenses when the object plane and the image plane are placed at the front focal plane of lens 1 and the back focal plane of lens 2, respectively
图6 阴极物面和成像面分别位于L1前焦面和L2后焦面时的测试图像.从左至右分别对应:s=11.0、12.5、13.0、15.0及 17.0 cm
Fig.6 The test images acquired when the cathode object plane and the image plane are placed at the front focal plane of lens 1 and the back focal plane of lens 2, respectively. From left to right: s=11.0, 12.5, 13.0, 15.0 and 17.0 cm
在所研制大面积阴极变像管的基础上,考察双磁透镜像管的1:1成像.从薄透镜成像关系出发得出满足等大成像的4种可能磁透镜位置组合.即中间像分别为实像、虚像、虚物以及物面和像面分别位于透镜前、后焦面的情形.经测试发现,双磁透镜仅在少数几个位置能成较高质量的1:1的像.影响双磁透镜像管1:1成像的因素主要包括:磁透镜的磁化饱和、铁磁材料间的磁场干扰以及透镜厚度.在双磁透镜成像中,两透镜在相同激励下1:1的成像是其中最简单的情形.下一步工作的重点是进一步探讨双磁透镜像管在不同激励以及不同倍率下的成像规律.
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
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