本发明属高速摄影技术领域。 本世纪六十年代以来,激光核聚变、X射线激光等研究取得了很大的进展。这些前沿学科的发展是与先进的诊断技术密切相关,然而,已有的诊断技术已不能满足要求。因为激光等离子体的光谱辐射主要在X射线波段,辐射的持续时间只有几个纳秒(10-9秒)到几百皮秒(10-12秒),并分布在1毫米左右的空间范围内,故要求诊断工具既要对X射线敏感,还要有高的时间分辨能力和高的空间分辨能力。变象管高速摄影技术中的分幅摄影技术,由于具有两维空间分辨能力而受到世界科学家的特别重视。
到目前为止,已经商品化的变象管分幅摄影机能获得的最短曝光时间为1纳秒,幅间间隔为2纳秒,空间分辨率为4线对/毫米,参见英国Imacon 675 Technical Data Sheet,Hadland Photo-nics Ltd.Bovingdon Herts.为了满足高温等离子体诊断的需要,必须使分幅摄影的曝光时间达到皮秒量级。国内外已提出了多种方案来实现这一目标。这些方法可以归纳为:
1.阴级选通、偏转分离法。这是传统的分幅摄影法,用这种方法实现皮秒分幅的最大困难是皮秒级的电快门脉冲和阶梯波电压很难产生并要与变象管耦合。(N.Finn,T.A.Hall et al:Appl.Phys.Lett,1985,46,No.8,731)。
2.光学分幅与行波电子快门法。这种变象管多采用近贴聚焦且不用偏转板,只要求矩形快门脉冲,且对波形的上沿及平顶要求不高,但它要求快门脉冲的宽度在皮秒量级,这一点不易做到。参见D.G.Stearns et al:Rev.Sci.Instrum.1986,57,No.10,2455.
3.使用线性扫描原理的分幅变象管。这种方法使用了发展成熟地线性斜坡电压产生线路来控制变象管。其电子光学结构主要有两种:第一种是分解复原式,分幅变象管由两对类似于条纹变象管的部分组成。其缺点是对线性斜坡电压的斜率要求过高,如对100皮秒曝光时间要求斜率为11700伏/纳秒,参见R.Kalibjian.Pro.of SPIE,vol.97.High Speed Photography,1978,269.第二种是多孔阑多对补偿板式,其缺点是几对补偿板都必须与快门板具有相同的偏转灵敏度,这一点难以保证。且多对板与线路难以耦合,板间也产生互相干扰,参见M.R.Baggs et al:Adv.EE.P.vol.64B.627(1985).
本发明的目的在于提出一种新的皮秒分幅摄影法,设计和研制一种具有高时间、空间分辨率的皮秒分幅变象管。
本发明所述的新的皮秒分幅摄影法是光学分幅、偏转快门法。其工作原理如附图所示。在进行皮秒分幅摄影时,被摄物体1(如等离子体)通过针孔组2的两个针孔在光阴极3上形成两幅间距一定的像,相应的两束光电子被加速、聚焦,在阳极6后交叉,并在双缝光阑9处形成两个分离的电子斑。当在快门板7上加以斜坡电压时,这两个电子斑便依次通过具有两个狭缝的双缝光阑;在加直流电压的分离板8和加斜坡电压的补偿板10的作用下,最后在荧光屏上形成四幅图象。每幅图象的曝光时间等于电子斑在快门板作用下扫过狭缝光阑的时间。
上述原理同样也适用于可见光波段。
本发明的特征在于:由于采用光学分幅,减少了狭缝光阑和分离板的数目,只用了一个双缝光阑和两对分离板,从而简化了变象管的结构;只采用一对补偿板,与快门板的偏转配合比较容易,与扫描线路的耦合也比较容易,各幅图象的一致性好;控制线路只需产生斜坡电压,且斜率不必过高,这种波形易于产生。
本发明的特征还在于:根据光学分幅、偏转快门法设计和制作的皮秒分幅变象管,采用CsI材料为光阴极,它制备在镀有金属导电基底的聚醋酸甲基乙稀脂有机薄膜衬底上面,在光子能量为0.1-10Kev的X射线波段,这种阴极衬底的透过率大于40%,CsI的量子效率大于50%,且这种阴极的平整度很好。在阴极与栅极之间有一不加电压的微通道板(MCP),它可以拦截一些以较大能量、较大角度从阴极上射出的电子,以缩小在快门板和狭缝光阑处的电子斑,从而可以改善成象质量,缩短曝光时间。为了避免聚焦场与偏转场之间的相互影响,在阳极上加有隔离网。为了提高输出图象的信噪比,变象管内还使用了微通道板(MCP)内增强器,变象管的荧光屏制作在纤维面板输出窗上。
按照本发明所制作的皮秒分幅变象管,每次能拍摄四幅照片,每幅曝光时间为100皮秒,动态空间分辨率为10线对/毫米。
附图为光学分幅、偏转快门法原理图。图中:1.被摄物体(等离子体)2.针孔组,3.光阴极,4.加速网(栅极),5.聚焦板,6.阳极,7.快门板,8.分离板,9.双缝光阑,10.补偿板,11.微通道板(MCP),12.荧光屏。