大面積MCP選通X射線分幅相機的研制

蔡厚智，龍井華，劉進元，彭 翔，賈 凌，張 月，黃 龍，楊國洪，劉慎業，丁永坤

1)天津大學精密儀器與光電工程學院，天津300072;2)深圳大學光電子器件與系統教育部重點實驗室，廣東省光電子器件與系統教育部重點實驗室，深圳518060;3)深圳大學物理科學與技術學院，深圳518060;4)中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽621900

在激光與物質相互作用、慣性約束聚變、等離子體物理等超快研究及其應用領域，需要研究持續時間為納秒及亞納秒量級的超快物理過程及物理參數，微通道板 (microchannel plate，MCP)選通X射線分幅相機是關鍵診斷工具之一，它可完成超快現象的高時間、空間分辨與捕獲，具有皮秒量級的時間分辨和二維空間分辨能力，且其一次曝光可獲得不同時刻的多幅圖像［1-3］.

隨著MCP的發展及皮秒高壓電脈沖技術的突破，MCP行波選通分幅相機的性能得到逐漸提高.目前實用化分幅相機的時間分辨率為60～100 ps［4-5］，采用薄MCP(厚度為0.2 mm)技術，可將時間分辨率提高至35 ps左右［6］.近年Hilsabeck T J等［7］采用電子束時間放大系統，研制出時間分辨率為5 ps的X射線分幅相機樣機.隨著分幅相機時間分辨率的提高，對畫幅尺寸和事件時間記錄長度的要求也不斷提高.畫幅尺寸由微帶陰極寬度決定，時間記錄長度由微帶陰極長度決定［8］.目前，分幅相機多使用小MCP［9］，若在MCP輸入面鍍上4條相互獨立的直微帶陰極，每條微帶陰極的長度為40 mm，寬度為6 mm，則時間記錄長度約為1 ns，X射線像的大小需在0.5 mm內 (假設被拍攝等離子體的X射線像經放大倍數為12的針孔陣列成像在微帶陰極上).為增大畫幅尺寸，增加時間記錄長度，本文研制大面積MCP行波選通X射線分幅相機，在MCP輸入面上鍍有6條相互獨立的直微帶陰極，并測量該分幅相機的性能指標.

1 大面積MCP選通X射線分幅相機結構

X射線分幅相機系統主要由成像針孔陣列、MCP分幅變像管、選通脈沖發生器和CCD構成.選通脈沖通過以MCP為電介質的微帶陰極加在MCP上，被拍攝等離子體的X射線圖像經針孔陣列同時成于MCP輸入面的不同部位，若MCP上不加電壓，則X射線圖像將被MCP吸收，在MCP分幅變像管的熒光屏上沒有圖像輸出.當選通脈沖沿微帶陰極在MCP上傳輸時，某時刻僅有一段微帶區域存在電壓，經某個針孔而成在該區域的X射線像所產生的光電子圖像將被MCP增強，并到達熒光屏形成可見光圖像.經過一段時間傳輸后，選通脈沖到達另一個針孔所成的X射線像區域，此時該圖像將被輸出.這樣，這些針孔所成的像將依次逐個被選通，輸出的可見光圖像用緊貼在光纖面板的CCD記錄.

MCP分幅變像管是相機的核心部件，由阻抗漸變線、微帶陰極、MCP和制作在光纖面板上的熒光屏組成，如圖1，其作用是將X射線轉換成可見光，實現時空分辨.低背景噪聲，大動態范圍等性能指標的實現均主要取決于該系統.本研究中MCP分幅變像管的主要參數為:MCP外徑106 mm、厚0.5 mm、通道直徑12 μm、通道間距14 μm、斜切角6°.在MCP輸入面上蒸鍍6條寬度為12 mm、間隔為3 mm的微帶陰極 (500 nm Cu和100 nm Au)，MCP輸出面蒸鍍與輸入面相同厚度的Cu和Au.MCP與熒光屏的距離為1 mm.

圖1 MCP變像管實物圖Fig.1 Physical map of the MCP imager

電控系統由選通脈沖發生器、MCP靜態及偏置電源、熒光屏電源、延時控制器等組成.選通脈沖發生器是電控系統的核心部分，由雪崩三極管線路(圖2)和雪崩二極管脈沖成形電路組成.其基本原理是雪崩三極管線路產生一個有較快前沿的高壓斜坡脈沖，利用此高壓斜坡脈沖驅動雪崩二極管脈沖成形電路，從而得到皮秒選通脈沖［10］.

圖2 雪崩三極管線路示意圖Fig.2 Schematic diagram of avalanche triode circuit

本研究中選通脈沖信號經50 Ω的同軸電纜送入MCP分幅變像管外端的SMA插頭，然后短接PCB板上的50 Ω微帶線，經過一段50～11 Ω的阻抗漸變線與MCP上的微帶陰極阻抗匹配，通過微帶陰極后，再經過另一段11～50 Ω阻抗漸變線與50 Ω同軸電纜連接至外引線，并在外引線端頭實現阻抗匹配.

2 實驗結果

2.1 微帶陰極的時域反射測量

圖3為取樣示波器測得6條微帶的時域反射曲線.其中，曲線中標注為1的部分為50 Ω同軸電纜的阻抗;2為MCP分幅變像管SMA插頭處阻抗;3為阻抗漸變線的阻抗;4為阻抗漸變線與MCP微帶陰極連接處的阻抗;5為MCP微帶陰極的阻抗.可見，6條微帶陰極的特性阻抗均約為11 Ω，一致性較好，總的時間記錄長度約為3 ns.

2.2 靜態空間分辨率測量

用紫外盤形燈作為光源照射石英分辨率板，通過平行光管的光學系統將石英分辨率板的圖像成像在微帶陰極的工作區域內，設置相機工作在靜態模式下，陰極產生的光電子經MCP倍增，倍增電子經屏壓加速轟擊熒光屏形成可見光圖像.用CCD采集熒光屏上所成的分辨率板圖像，并在計算機上觀測分辨率線對數，觀察4個方向都清晰的單元組，再將對應的組數換算成空間分辨率線對數.

當MCP電壓為－600 V，屏壓為4.0 kV時，獲得的靜態空間分辨率圖像如圖4.其中，第1～12單元組的4個方向都較清晰，石英分辨率板單元號為12時，條紋寬度為10.6 μm，平行光管放大倍數為2.5，則靜態空間分辨率為

圖3 微帶陰極的時域反射曲線Fig.3 Measured time domain reflectometry of the six microstrip lines

圖4 靜態空間分辨率測量結果Fig.4 The measured result of the static spatial resolution

2.3 時間分辨率測量

曝光時間 (即時間分辨率)定義為分幅相機增益－時間曲線的半峰全寬，是相機最重要的性能指標之一.曝光時間與MCP選通脈沖的幅值和寬度有關，幅值越大寬度越小，曝光時間越短.曝光時間測量裝置如圖5.實驗首先在MCP上加直流電壓，測量微帶的靜態像，得到入射光在微帶上的靜態分布.然后進行動態測量，脈沖寬度為100 fs，波長為266 nm的紫外激光，經延時后照射擴束鏡(圖5中L)，擴束后均勻照明整個微帶陰極.主光路另一束波長為400 nm的紫光送入PIN探測器，產生一個觸發脈沖，觸發選通脈沖發生器，調節電路延遲，使得光信號和選通脈沖到達微帶陰極的時間同步，從而產生動態圖像，用CCD讀出系統記錄動態圖像，得到微帶像的動態分布，將微帶像的動態分布和靜態分布進行歸一化處理，消除光脈沖的空間不均勻性對測量的影響，再由選通脈沖在微帶陰極上的傳輸速度，將歸一化的動態像光強空間分布換算成時間分布，從而得到相機的曝光時間.

圖5 曝光時間測量裝置Fig.5 The experimental setup of the exposure time measurement

圖6為微帶的靜態圖像.當幅值為－2.16 kV、寬度為165 ps的選通脈沖傳輸到MCP微帶陰極，且MCP上加－50 V的直流偏置后獲得的動態圖像如圖7.對動態圖像和靜態圖像進行歸一化處理后，將歸一化的動態像光強空間分布換算為時間分布，結果如圖8，圖中曲線的半峰全寬為62 ps，因此，得到相機的曝光時間為62 ps.曝光時間的測量結果與所用激光器的脈沖寬度有關，本課題組之前的理論分析表明，激光器脈沖寬度為10 ps時，對曝光時間測量結果的影響為1.1%［11］.本研究中激光器脈沖寬度為100 fs，對曝光時間測量結果的影響甚微.

圖6 微帶靜態圖像Fig.6 The static image of the microstrip line

圖7 微帶動態圖像Fig.7 The gating image of the microstrip line

圖8 曝光時間的測量結果Fig.8 The measured result of the exposure time

圖9為MCP上加幅值為－2.16 kV、寬度為165 ps的高斯脈沖和－50 V的直流偏置后獲得的增益－時間曲線的理論結果，理論模型見參考文獻［11］.曝光時間的理論結果為41 ps，比實際測量的結果小21 ps，原因之一是選通脈沖在傳輸過程中被不斷衰減，在MCP微帶陰極上的選通脈沖幅值要小于－2.16 kV，限于實驗條件，目前尚無法測量微帶陰極上的選通脈沖幅值.

圖9 曝光時間的理論結果Fig.9 The theoretical result of the exposure time

結 語

研制大面積MCP行波選通X射線皮秒分幅相機.MCP的外徑為106 mm，在MCP的輸入面蒸鍍了6條微帶陰極，每條微帶陰極的寬度為12 mm，微帶陰極間距離為3 mm.對微帶陰極進行時域反射測量，得到微帶陰極的特性阻抗約為11 Ω，總的時間記錄長度約為3 ns.當幅度為－2.16 kV、寬度為165 ps的選通脈沖傳輸到MCP微帶陰極，且MCP上加－50 V的直流偏置時，測得相機的時間分辨率為62 ps，大于時間分辨率的理論結果41 ps.設置相機工作在靜態模式，測得相機的靜態空間分辨率為18.87 lp/mm.

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