脉冲展宽技术在超快探测器中的应用研究
由于X射线分幅相机兼具有时间、二维空间及能谱三方面分辨的特点,使之成为惯性约束聚变（inertial confinement fusion,ICF）试验中X射线测量的非常重要的诊断设备。该设备是开展高能量密度物理学、惯性约束核聚变、光物理、光化学等方面研究的重要技术支撑,所得数据是分析超快过程的重要依据,因此自主研发我国的高时空分辨能力的分幅成像诊断技术对我国进一步开展相关领域的研究具有重要的支撑作用。ICF内爆燃烧后阶段持续时间约为100 ps,在如此短的燃烧持续时间内有效诊断等离子体状况的变化具有极大的挑战性。这就使得提高探测器的时间分辨率,以完全表征ICF燃烧过程显得尤为重要。提高探测信号时间分辨能力主要有两种途径:一是提高探测设备自身的时间分辨能力;二是当探测器自身的时间分辨能力无法提高的情况下,使被测信号在时间上进行展宽,对测量出的信号进行时间压缩和脉冲重建。而第二种途径是将脉冲展宽技术引入到传统的探测器中,具体来讲就是利用随时间变化的展宽电脉冲加载于光电阴极,从而在阴栅之间引入与时间相关的光电子加速电位,变化的电场赋予光电子束轴向速度色散。由于光电子束前后速度的差距,其经过漂移区到达MCP输入面时被拉伸,实现电子束的时间放大,进而提高分幅相机和光电二极管的时间分辨率。本论文利用脉冲展宽技术展宽被探测信号从而提高设备时间分辨率;并开展了理论模型、具体影响因素、实验验证等方面的研究工作。主要研究工作及创新点包括以下几个方面:1、采用Monte Carlo方法和有限差分等方法建立了脉冲展宽分幅相机系统的理论模型。在成像比例为1的条件下,当光电阴极的电压为-3.0 kV,采用三个磁透镜成像时,其轴上、离轴6 mm、离轴12 mm、离轴18 mm和离轴24 mm的空间分辨率分别为:20.8 lp/mm,11.4 lp/mm,5.4 lp/mm,2.7 lp/mm和1.7 lp/mm,这些结果均高于采用单透镜和双透镜成像时,相同离轴位置的空间分辨率。电子在阴极面发射位置离轴距离越远,成像位置离光电阴极的距离越小,空间分辨率越差,磁透镜个数越多,空间分辨率越好。采用电子束脉冲展宽技术,在阴极偏置电压为-1.4 k V,展宽脉冲斜率10 V/ps条件下,系统的时间分辨率可提高至约2 ps。系统时间分辨率随着阴极偏置电压的减小、阴极脉冲斜率的增大、漂移区长度的增加而提高。2、利用光刻阴极分划板对所建立的脉冲展宽分幅相机实验平台的空间分辨率进行测量,当阴极电压为-3.0 kV,成像倍率为1:1时,单透镜像管离轴6 mm,12 mm和15 mm等处的静态空间分辨率分别为9.4 lp/mm,4.7 lp/mm和4.2 lp/mm。阴极电压越高,空间分辨率越好,离轴位置越远,空间分辨率越差,空间分辨优于10 lp/mm时单透镜、双透镜和三透镜的离轴距离分别在6 mm、9 mm和18 mm的范围内。应用光纤束法对系统时间分辨率进行测试,当微带阴极加-3.0 kV的直流偏置电压和斜率为3.0 V/ps的展宽脉冲时,设备的时间分辨率为9 ps,远高于未采用脉冲宽度技术时的78 ps,并且时间分辨率随着阴极偏压的减小、阴极脉冲斜率的增大而提高,系统的动态空间分辨率优于10 lp/mm。3、分析并提出了脉冲展宽分幅相机的传输快门效应的产生机理,利用激光打靶产生的X射线均匀照明微带阴极,在成像比为2:1的情况下,测试了对脉冲展宽型分幅相机的传输快门效应,获得了时间分辨率为9.8 ps的X射线条纹图像。提出了通过限制成像比例的改进方案,从而消除传输快门效应对脉冲展宽分幅相机成像的不利影响。4、建立了透射式真空光电二极管实验平台,在静态条件下测试了输出信号及其依赖的因子。在阴极偏置电压为-3.0k V下,阴极和集电极的信号分别由示波器读出,测得其信号的全宽半高约分别为190 ps和600 ps,同时测得电子束的从阴极到集电极的飞行时间约为15.46ns。由实验结果可知,集电极输出信号强度随电子束距离集电极的长度呈现高度的非线性;输出信号的半高全宽随阴极偏置电压的降低而增大。5、利用脉冲展宽技术对光电二极管的动态特性参数进行了实验测试,建立了展宽脉冲的恢复算法,在阴极直流偏置电压为-3.0k V和展宽电脉冲斜率为3.0 ps/V条件下,测试得到了电子束的脉冲平均展宽倍率为10.6倍,展宽后脉冲宽度为255ps的结果;通过恢复算法获得了脉冲展宽型光电二极管的时间分辨率为25 ps的结果,与未加展宽电脉冲时的时间分辨率261ps相比提高了10倍。
- 作者：
- 付文勇
- 学位授予单位：
- 深圳大学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2020年
- 导师姓名：
- 刘进元
- 中图分类号：
- TL81
- 关键词：
- 惯性约束聚变；分幅相机；脉冲展宽；时间分辨率；光电二极管
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