專利名稱：各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種大動態(tài)各向異性聚焦條紋變像管。
背景技術：
條紋相機廣泛地應用于慣性約束核聚變(ICF)、半導體、表面物理、光化學、光生物 學、分子研究、等離子體物理、超快光譜學、X光激光等諸多前沿科學領域中，實現(xiàn)對超快現(xiàn) 象的記錄，最近發(fā)展起來的超快電子衍射技術更是為超快診斷技術的發(fā)展起到了極大的推 動作用，它具有條紋相機的時間分辨能力(亞皮秒)，但其空間分辨能力卻可以達到ο. 01A, 使人們夢寐以求的“分子電影或原子電影”時代到來，近年來，人們將微波技術引入超快電 子衍射技術中，通過微波技術實現(xiàn)超快電子衍射系統(tǒng)中電子脈沖的“同步整形”，使得具有 一定時間彌散的電子脈沖基本同步到達被測樣品，有望達到IOOfs的時間分辨能力。盡管 如此，條紋相機仍然具有不可替代的作用，因為超快電子衍射儀和條紋相機對時間分辨的 原理是不一樣的超快電子衍射儀中往往是通過激勵光和參考光之間的時間差來進行時間 分辨的，而條紋相機是通過掃描板來提供甚至超過光速的掃描速度將時間信息轉化為空間 信息實現(xiàn)對超快過程測量的，很多超快過程中的測量往往不具備提供參考光的條件，因而 條紋相機在超快現(xiàn)象診斷過程中有其不可取代的地位，尤其是大動態(tài)范圍的條紋相機更是 用戶渴望得到超快診斷工具。盡管針對條紋相機動態(tài)范圍的定義不盡一致，但對限制條紋相機動態(tài)范圍的主要 因素卻有統(tǒng)一的認識空間電荷效應是限制條紋變像管動態(tài)范圍的主要因素，尤其是亞皮 秒脈沖，由于瞬時電流密度很高，空間電荷效應顯得尤為明顯，一般認為200fs以下的條 紋相機其動態(tài)范圍不超過20，甚至有人認為只有5左右。其次便是增強器本身的動態(tài)范圍 (比如微通道板-MCP的增益飽和效應)則是限制條紋相機整機系統(tǒng)動態(tài)范圍的另一重要因 素；限制條紋變像管動態(tài)范圍的另一個因素是條紋管光電陰極的制備方法國外條紋相機 無一例外地采用轉移陰極系統(tǒng)來制作光電陰極，陰極制作過程和條紋管其它部件分開，這 樣制作的陰極不但靈敏度高、均勻好，而且在陰極制作過程中不會造成其它電極上沉積陰 極材料，相比之下，國內(nèi)采用非轉移陰極系統(tǒng)來制備光電陰極，制備過程中陰極片和條紋管 其它電極位于同一環(huán)境中，勢必造成其它電極的污染，這些被污染的電極一旦受雜散光照 射，便會發(fā)射光電子形成背景噪聲，造成條紋相機背景差、動態(tài)范圍小等諸多缺點。條紋變像管的聚焦方式多采用靜電聚焦或磁聚焦的方式，磁聚焦曾一度用的比較 多，尤其是亞皮秒條紋相機，由于磁聚焦變像管中，掃描板可以放置在磁透鏡的前面，提高 了掃描板的偏轉靈敏度并減小了條紋管的技術時間彌散，但磁聚焦透鏡體積相對龐大，加 之磁透鏡往往是由多匝(一般大于100匝)線圈繞制而成，而激磁電流往往存在一定范圍 內(nèi)的波動，當激磁電流稍有波動時，將引起安匝數(shù)的較大改變，使得條紋管的成像面在熒光 屏前后漂移，導致空間分辨下降，因此現(xiàn)在流行的條紋相機多以靜電聚焦為主。條紋變像管時間分辨能力的理論極限大約在IOfs的量級，自條紋變像管實用新 型以來，各國研究者不斷朝這個極限努力，最具代表性的是日本濱松公司已經(jīng)研制出了200fs的條紋相機。在空間分辨能力方面，100 μ m左右的相機已經(jīng)比較常見，幾十微米左右 的條紋相機逐漸開發(fā)出來。2004年，日本開發(fā)的X光條紋變像管實現(xiàn)了 10 20μπι的空間 分辨能力；2006年中日工作者研制的X光條紋變像管達到了小于ΙΟμπι的空間分辨能力。增強對微弱信號的檢測能力意味著提高器件的增益，這與探測的光譜范圍或粒子 種類密切相關，特別是與高信噪比增強器件密切相關。無論采用內(nèi)增強還是外增強，探測信 號轉化為電子信號后，均可用微通道板(MCP，電子倍增器)予以大幅增強。微通道板的實用 新型使變像管增益提高出現(xiàn)飛躍，單MCP、雙MCP、三MCP的增益可達103、106、107。MCP已經(jīng) 成為包括變像管在內(nèi)的真空探測、成像器件不可缺少的部件。目前MCP正在向高分辨、低噪 聲、大動態(tài)范圍方向發(fā)展。變像管的動態(tài)范圍，是指在增益基本保持不變時，可探測的最大信號與最小信號 之比。另一種更為嚴格的定義是在特定的掃描速度下，且在線性范圍內(nèi)，當入射光的強度 達到Imax時，狹縫像的寬度(峰值半寬度FWHM)增大到條紋相機能探測的最小光強Imin對應 狹縫像寬度的120%時，D = Imax/Imin定義為條紋相機在該掃描速度下的動態(tài)范圍。變像管 響應的動態(tài)范圍越大，信號灰度級分辨率越高，對超快過程可探測的信號幅度范圍就越大， 變像管可適用的信號范圍就越寬。變像管動態(tài)范圍與增益、噪聲密切相關。可探測最小信 號一般取決于器件的噪聲，降低噪聲、提高器件在低輸入時的信噪比可以使可探測最小信 號隨之減小?？商綔y最大信號受限于器件飽和效應，輸入大信號使器件飽和時，器件增益下 降，輸出信號與輸入信號的比值不再是原增益值，即偏離線性。近年來，國際上對大動態(tài)范 圍變像管競相展開研究。2004年英國fegleton等人實現(xiàn)了動態(tài)范圍超過IO3:1的可見光 條紋變像管(包括帶內(nèi)、外增強器兩種)，脈沖半高寬30ps ；2005年美國Ke-Xim Sun等人 研制成功了大面積、動態(tài)范圍達6X IO3:1的X光條紋變像管；2007年法國Bonte等人實現(xiàn) 了 IO4:1動態(tài)范圍的條紋變像管。一代像增強器具有較大的動態(tài)范圍，但一代像增強器往往存在增益低的缺點，缺 乏對微弱信號的探測能力；級聯(lián)式一代像增強器雖然可以部分解決增益低的瓶頸問題，但 帶有電子光學系統(tǒng)的一代像增強器，存在體積龐大的弊端；而級聯(lián)近貼式一代像增強器通 常不設置光闌，熒光屏產(chǎn)生的向后傳播的光子會激發(fā)光電陰極產(chǎn)生二次電子，多級級聯(lián)像 增強器的二次電子很強，這些二次電子都是噪聲，限制對弱小信號的探測能力，最終導致像 增強器的動態(tài)范圍縮小?？梢姡捎靡淮裨鰪娖骷捌浼壜?lián)方式都不是實現(xiàn)高增益大動態(tài) 范圍條紋變像管的理想途徑，必須尋找其它方法來同時實現(xiàn)條紋變像管的高增益和大動態(tài) 范圍這兩個性能指標。
發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有的條紋變像管增益低、動態(tài)范圍小的技術問題，本實用新型提供了 一種各向異性大動態(tài)聚焦條紋變像管。一種各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管，其不同之處在于其包括依次設置在電子束傳遞方向上的光電陰極C、預時間聚焦系統(tǒng)、空間聚焦系 統(tǒng)、后時間聚焦系統(tǒng)、掃描偏轉器D、電子倍增器M以及熒光屏S ；所述預時間聚焦系統(tǒng)包括依次設置在電子束傳遞方向上的柵極G、第一時間聚焦 電極Fl和第一消隱電極Bl ；[0013]所述空間聚焦系統(tǒng)為電四極聚焦透鏡QL ；所述后時間聚焦系統(tǒng)包括依次設置在電子束傳遞方向上的第二消隱電極B2、第二 時間聚焦電極F2和陽極A;所述陽極A上設置有供電子束透過的陽極孔Al，所述光電陰極C上設置有光電發(fā) 射材料，所述柵極G設置有供電子束透過的矩形柵極孔Gl ；所述光電陰極C為面形結構，所述柵極G和陽極A為具有三個面或五個面的矩形 槽，第一時間聚焦電極F1、第一消隱電極Bi、第二消隱電極B2和第二聚時間焦電極F2均為 矩形框結構的柱透鏡或板狀電極對結構的柱透鏡。上述矩形柵極孔Gl上設置有超精細柵網(wǎng)。上述超精細柵網(wǎng)結構為501p/mm，線寬6 μ m，線間距14 μ m,厚度為3 μ m。上述電子倍增器M為工作在選通狀態(tài)下的電子倍增器。上述電子倍增器M的線性動態(tài)范圍大于104，阻抗小于10ΜΩ。上述掃描偏轉器D為一對平行板或平折板。本實用新型所具有的優(yōu)點1、本實用新型空間聚焦采用電四極聚焦透鏡，利用空間聚焦和時間聚焦相對分立 的結構在電子束會聚區(qū)域將電子束調制成條形電子斑，和以往旋轉對稱結構條紋管中電子 束往往會聚成一個圓形的電子斑相比，可以大幅度地降低空間電荷效應，從而有利于提高 條紋變像管的動態(tài)范圍，電四極透鏡的采用也有利于降低二階像差系數(shù)和提高空間分辨率。2、本實用新型的光電陰極C采用面形結構，柵極G和陽極A為具有三個面或五個 面的矩形槽，第一時間聚焦電極F1、第一消隱電極Bi、第二消隱電極B2和第二時間聚焦電 極F2均為矩形框或板狀電極對構成的柱透鏡。采用矩形框或板狀電極對(Bilamellar)結 構的柱透鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的旋轉對稱電極，使得電子束實現(xiàn)各向異性的聚焦特點，減弱空間電 荷效應。3、本實用新型通過柵極開有柵極孔并粘附有超精細結構的柵網(wǎng)，一方面能夠保證 光電子順利通過并最終在熒光屏上形成相應的圖像，另一方面在陰、柵極之間形成足夠強 的電場，有利于提高條紋相機的時間分辨能力。4、本實用新型通過陽極上開陽極孔并粘附有超精細結構的柵網(wǎng)，一方面能夠保證 光電子順利通過并最終在熒光屏上形成相應的圖像，另一方面能夠防止前面的電場外溢進 入偏轉器而造成較大的偏轉散焦。5、本實用新型通過設置掃描偏轉器，并結合超快掃描電路，將光電子在熒光屏上 掃開，掃描速度可以高于光速，將時間信號轉換為空間信號，實現(xiàn)對超快現(xiàn)象的診斷。6、本實用新型通過采用矩形框結構的柱透鏡，既實現(xiàn)了電子束各向異性的聚焦特 點，又具有較強的抗電磁干擾能力(與板狀電極對結構的柱透鏡相比)。7、本實用新型采用大動態(tài)范圍電子倍增器MCP和滿阱電荷/讀出噪聲比高的CCD， 以擴展條紋相機動態(tài)范圍的上限和下限，擴大動態(tài)范圍。
圖1是本實用新型各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管的結構示意圖(采用矩形框結構的柱透鏡)；圖2是從另一個角度看圖1中各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管的結構示意圖；圖3是圖1中各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管的俯視圖；圖4是圖1中各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管的側面剖視圖；圖5是本實用新型另一種各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管的結構示意圖(采用板 狀電極對結構的柱透鏡)；圖6是從另一個角度看圖5中各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管的結構示意圖；圖7是圖5中各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管的俯視圖；圖8是圖5中各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管的側面剖視圖；圖9是圖8中Z-Z向視圖，即電四極聚焦透鏡的側視圖。圖10是本實用新型各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管時間調制傳遞函數(shù)；圖11是本實用新型條紋管陰極上坐標(Y，Z)為(0. 5mm, 10mm)處狹縫方向的空間 調制傳遞函數(shù)；圖12是本實用新型條紋管陰極上坐標(Y，Z)為(0. 5mm, 10mm)處掃描方向的空間 調制傳遞函數(shù)圖13是本實用新型各向異性電極聚焦條紋變像管靜態(tài)空間分辨率實驗結果圖。附圖標記為QL_電四極聚焦透鏡，G-柵極，Gl-柵極孔，F(xiàn)l-第一時間聚焦電極， Bl-第一消隱電極，B2-第二消隱電極，F(xiàn)2-第二時間聚焦電極，A-陽極，Al-陽極孔，D-掃 描偏轉器，M-電子倍增器，S-熒光屏，B-電子束。
具體實施方式
如圖1 9所示，各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管包括光電陰極C、(柵極G、第一 時間聚焦電極Fl和第一消隱電極Bl共同構成預時間聚焦系統(tǒng))、電四極聚焦透鏡QL、第二 消隱電極B2、第二時間聚焦電極F2、陽極A(其中第二消隱電極B2、第二時間聚焦電極F2和 陽極A構成后時間聚焦系統(tǒng))、掃描偏轉器D、電子倍增器M、熒光屏S。其中柵極G上開有 矩形孔Gl，陽極A開有供電子束B透過的矩形圓形孔Al，光電陰極C上制作了光電轉換材 料。采用空間聚焦(電四極聚焦透鏡)和時間聚焦相對分立的結構有利于在電子束會 聚區(qū)域將電子束調制成條形電子斑，和以往旋轉對稱結構條紋管中電子束往往會聚成一個 圓形的電子斑相比，可以大幅度地降低空間電荷效應，從而有利于提高條紋變像管的動態(tài) 范圍。陰極和柵極之間的距離很近，在柵極開有矩形孔并粘附有超精細結構的柵網(wǎng)，一 方面能夠保證光電子順利通過并最終在熒光屏上形成相應的圖像，另一方面在陰、柵極之 間形成足夠強的電場，有利于提高條紋相機的時間分辨能力。通過提高陽極A上的電壓有利于減小光電子條紋管內(nèi)的渡越時間，從而可以減小 光電子之間空間電荷相互作用的時間，有利于提高條紋管的動態(tài)范圍。通過改變陰極材料，可以將該類型的條紋管發(fā)展成可見、紫外、紅外、X光以及中子 等基本粒子探測的條紋變像管。通過選用大動態(tài)范圍MCP(HOT-MCP)和滿阱電荷/讀出噪聲比高的(XD，以擴展條紋相機動態(tài)范圍的上限和下限。通過采用電四極透鏡和柱透鏡結合，二階像差系數(shù)小，可提高變像管的空間分辨 能力，同時可以將電子束沿狹縫方向壓扁，避免電子束會聚成一個很小的聚焦斑，以弱化空 間電荷效應。在陽極上開孔并粘附有超精細結構的柵網(wǎng)，一方面能夠保證光電子順利通過并最 終在熒光屏上形成相應的圖像，另一方面能夠防止前面的電場外溢進入偏轉器而造成較大 的偏轉散焦。通過設置掃描偏轉器，并結合超快掃描電路，將光電子在熒光屏S上掃開，掃描速 度可以高于光速c，將時間信號轉換為空間信號，實現(xiàn)對超快現(xiàn)象的診斷。采用的大動態(tài)、小阻抗(線性動態(tài)范圍大于104，阻抗小于10ΜΩ)的電子倍增器 MCP工作在選通模式下，可以降低因電子倍增器MCP發(fā)熱引起的噪聲。本實用新型原理傳統(tǒng)的條紋變像管均采用旋轉對稱性的電極結構，這種條紋變像管一般結構簡 單，裝架容易，尤其是各電極之間互有嵌套和交疊時，條紋管抗外界電磁干擾的能力也很 強，但旋轉對稱結構的條紋變像管由于電子束在通過陽極孔時，往往會聚成很小的電子束 斑，空間電荷效應明顯，從而限制了條紋管的動態(tài)范圍。本實用新型在各向異性聚焦條紋變像管電子光學優(yōu)化設計中，采用空間聚焦(電 四極透鏡)和時間聚焦相對分立的結構有利于在電子束會聚區(qū)域將電子束調制成條形電 子斑，可以大幅度地降低空間電荷效應，從而有利于提高條紋變像管的動態(tài)范圍。為了提高 計算精度和理論設計的可靠性，采取邊界元法和有限差分法兩種計算電磁場的方法，同時 采用兩種商業(yè)化電子光學設計軟件Simion和Lorentz進行設計，兩套模擬軟件相互參照印 證。光電子初始狀態(tài)參量采用Monte Carlo方法隨機抽樣；電子光學系統(tǒng)設計中，采用局部 與整體優(yōu)化相結合的方法，最終得到使條紋變像管整體性能最優(yōu)的結構、電氣參數(shù)。電子光 學系統(tǒng)的性能采用靜態(tài)、動態(tài)空間調制傳遞函數(shù)、時間調制傳遞函數(shù)，動態(tài)范圍等參數(shù)進行 綜合評價，使得對變像管性能指標的評價更合理、客觀和全面。建立變像管內(nèi)電場分布數(shù)值 模型時，設置了合理的網(wǎng)格劃分密度，特別注意了在電磁場等物理量變化劇烈區(qū)域的網(wǎng)格 劃分，確保數(shù)值模型能代表實際電磁場分布；同時兼顧計算量，提高設計效率。對于光電子初始狀態(tài)參量，初能量以β (1,4)分布模擬，傾角以余弦分布模擬，方 位角以均勻分布模擬，采用Monte Carlo方法對這些初始狀態(tài)參量進行隨機抽樣，抽樣有效 光電子數(shù)不低于104，使得理論設計結果更可靠。電子軌跡追蹤采用四階Rimge-Kutta法計 算。瞬態(tài)空間電荷效應計算中，將空間電荷連續(xù)化，采用自洽迭代方法反復計算，直至電子 軌跡(或空間電荷分布)達到數(shù)值穩(wěn)定。經(jīng)過優(yōu)化設計，各向異性聚焦條紋變像管性能指標為變像管的長度設計值為 397mm ；狹縫的有效長度為20mm ；放大倍率為-1. 83 ；如圖10，陰極中心時間調制傳遞函數(shù) 值0. 1時對應的物理時間彌散為τ phy = 0. 38ps ；理論計算得到的靜態(tài)空間分辨率即使在狹 縫的邊緣(狹縫的長度按20mm計算)也超過501p/mm。圖10中的Y代表掃描方向、X代表 條紋管的軸向、Z代表狹縫方向，具體可參看圖1。如圖11和圖12，掃描和狹縫方向的空間 分辨率超過了 501p/mm，而實驗得到靜態(tài)空間分辨率達到301p/mm(帶MCP)；而動態(tài)范圍有 待于進一步實驗測定。[0059] 而偏轉板的偏轉靈敏度為P = 38. 5mm/kV,如果該變像管的動態(tài)空間分辨率δ = 101p/mm，掃描電壓的斜率取k = 3kV/ns (換算成掃描速度為ν = k · P = 1. 16X108m/s)， 則技術時間分辨 ^tec = 1 =0.43 戸 2-0-ν則總的時間分辨能力為τ = ,Jr2phy + Tl = λ/Ο.382 +0.432 = 0.573俾說明了該各向異性聚焦條紋變像管的極限時間分辨率在Ips以下。用于圖像增強的微通道板MCP的增益飽和效應是限制條紋相機動態(tài)范圍的一個 主要因素，本實用新型選用大動態(tài)范圍(傳導電流大)MCP，使得增益飽和工作電流點提高， 從而減弱了 MCP對條紋管動態(tài)范圍的限制，同時我們也讓MCP工作在選通工作模式下，以免 MCP因長時間通電發(fā)熱，產(chǎn)生的熱噪聲削弱條紋管對弱信號的探測能力。在條紋管裝架過程中，采用特殊的設計結構和工藝方式，在不造成電極之間打火 放電的情況下盡量提高電子的加速電壓，減小光電子在條紋管內(nèi)的渡越時間，該措施有利 于提高條紋管的動態(tài)范圍。如圖13所示為各向異性電極聚焦條紋變像管靜態(tài)空間分辨率 實驗結果圖。
權利要求1.一種各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管，其特征在于其包括依次設置在電子束傳遞方向上的光電陰極(C)、預時間聚焦系統(tǒng)、空間聚焦系 統(tǒng)、后時間聚焦系統(tǒng)、掃描偏轉器(D)、電子倍增器(M)以及熒光屏⑶；所述預時間聚焦系統(tǒng)包括依次設置在電子束傳遞方向上的柵極(G)、第一時間聚焦電 極(Fl)和第一消隱電極(Bi)；所述空間聚焦系統(tǒng)為電四極聚焦透鏡OiL)；所述后時間聚焦系統(tǒng)包括依次設置在電子束傳遞方向上的第二消隱電極(B》、第二時 間聚焦電極(F2)和陽極(A)；所述陽極(A)上設置有供電子束透過的陽極孔(Al)，所述光電陰極(C)上設置有光電 發(fā)射材料，所述柵極(G)設置有供電子束透過的矩形柵極孔(Gl)；所述光電陰極(C)為面形結構，所述柵極(G)和陽極(A)為具有三個面或五個面的矩 形槽，第一時間聚焦電極(Fl)、第一消隱電極(Bi)、第二消隱電極(B》和第二聚時間焦電 極(F2)均為矩形框結構的柱透鏡或板狀電極對結構的柱透鏡。
2.根據(jù)權利要求1所述的各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管，其特征在于所述矩形柵 極孔(Gl)上設置有超精細柵網(wǎng)。
3.根據(jù)權利要求2所述的各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管，其特征在于所述超精細 柵網(wǎng)結構為501p/mm，線寬6μπι，線間距14 μ m，厚度為3 μ m。
4.根據(jù)權利要求1或2或3所述的各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管，其特征在于所 述電子倍增器(M)為工作在選通狀態(tài)下的電子倍增器。
5.根據(jù)權利要求4所述的各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管，其特征在于所述電子倍 增器(M)的線性動態(tài)范圍大于104，阻抗小于10ΜΩ。
6.根據(jù)權利要求4所述的各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管，其特征在于所述掃描偏 轉器(D)為一對平行板或平折板。
專利摘要本實用新型涉及各向異性聚焦大動態(tài)條紋變像管，包括依次設置在電子束傳遞方向上的光電陰極、預時間聚焦系統(tǒng)、空間聚焦系統(tǒng)、后時間聚焦系統(tǒng)、掃描偏轉器、電子倍增器以及熒光屏；空間聚焦系統(tǒng)為電四極聚焦透鏡；陽極上設置有供電子束透過的陽極孔，光電陰極上設置有光電發(fā)射材料，柵極設置有供電子束透過的矩形柵極孔；光電陰極為面形結構，柵極和陽極為具有三個面或五個面的矩形槽，第一時間聚焦電極、第一消隱電極、第二消隱電極和第二聚時間焦電極均為矩形框結構的柱透鏡或板狀電極對結構的柱透鏡。本實用新型解決了條紋變像管增益低、動態(tài)范圍小的技術問題，本實用新型提高條紋變像管的動態(tài)范圍，使得電子束實現(xiàn)各向異性的聚焦特點，減弱空間電荷效應。
文檔編號H01J29/04GK201927573SQ20102064330
公開日2011年8月10日 申請日期2010年12月6日 優(yōu)先權日2010年12月6日
發(fā)明者劉虎林, 張小秋, 張鐵, 徐向晏, 曹希斌, 溫文龍, 王俊鋒, 王雅茹, 田進壽, 董改云, 鄒瑋, 鄒遠鑫 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所