X射线飞秒条纹相机关键技术的研究
飞秒条纹相机因其超高时间分辨特性而成为超快诊断的重要测量仪器.本文从激光惯性约束聚变(ICF)研究的需求出发,设计并研制了一种同时兼顾高时空分辨的X射线飞秒条纹相机系统.本文全面优化设计了一种行波偏转器前置短磁聚焦条纹变像管.通过减小电子渡越时间以抑制空间电荷效应,采用行波偏转器前置方式提高偏转灵敏度;优化设计行波偏转器结构以提高通频带宽,并实现了偏转器上的电磁波传播速度与电子轴向运动速度相匹配,产生更有效偏转;优化设计磁透镜的电气结构参数,改善空间聚焦能力,实现整管时空分辨率的大幅提升.利用CST软件粒子工作室模拟追踪光电子的运行轨迹,采用调制传递函数和像差理论对变像管成像质量进行评价,理论计算得到其极限物理时间分辨率为189fs,阴极中心空间分辨率高于100Lp/mm.完成了X射线飞秒条纹相机系统的研制,包括光电阴极、短磁透镜聚焦系统、行波偏转系统、以及基于GaAs光导开关的超快扫描电路.搭建了X射线飞秒条纹相机系统的测试平台,包括掺钛蓝宝石自锁模飞秒激光器、马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪、飞秒条纹相机、真空系统、高压供电系统、以及自相关仪.完成静态测试实验和动态测试实验,测试结果显示静态空间分辨率值至少为35Lp/mm;在狭缝长度大于3mm的条件下,整个静态图像的放大率为2.2倍;飞秒条纹相机的动态空间分辨率优于25Lp/mm;动态时间分辨率约为0.975ps;增益测量值最大为13000.本文研制的X射线飞秒条纹相机系统,具有如下特点:1.首次提出以提高时间分辨率为主要研究目标,同时兼顾尽可能高的空间分辨率的飞秒条纹相机系统的关键技术研究,该项目的开展对我国惯性约束核聚变研究的发展具有重要意义;2.采用行波偏转器前置、短磁聚焦的条纹变像管管型,并采取措施有效抑制由空间电荷效应造成的时间展宽,同时提升条纹变像管的时间分辨率和空间分辨率;3.全面系统地优化设计了行波偏转器和磁透镜结构,改善了偏转系统的通频带宽、偏转特性,分析了磁透镜结构对系统时空分辨率的影响;同时在加速栅网后面设置了一个100μm*7mm的阳极狭缝作为电子光阑,对光电子进行整形,以提高系统的时间分辨率和空间分辨率;4.开展基于GaAs光导开关的扫描电路的设计与研制,并对扫描电路性能进行了实验测试,得到输出电脉冲的电压变化斜率大于10kV/ns,达到了飞秒条纹相机的设计要求,电路的触发晃动非常小,以至于常规的示波器无法测量;5.搭建了X射线飞秒条纹相机系统的测试平台,完成了静态测试实验和动态测试实验,实现了X射线飞秒条纹相机的性能标定.并通过自相关仪完成飞秒激光脉冲宽度的测量.
- 作者：
- 刘蓉
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
- 专业名称：
- 物理电子学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2014年
- 导师姓名：
- 田进寿
- 中图分类号：
- TH744
- 关键词：
- 飞秒条纹相机；行波偏转器；磁聚焦；时间分辨率；空间分辨率
- femtosecond streak image camera； traveling wave deflectors； magneticsolenoid lens； temporal resolution； spatial resolution