（物理电子学专业论文）大动态范围扫描变像管的理论与实验研究.pdf

摘要 摘要 扫描变像管的动态范围与时间分辨率是互相矛盾的，本论文的目标就是研制 一种在保持较高时间分辨率的同时，具有大动态范围的扫描变像管，为惯性约束 核聚变等超快过程诊断提供有力的工具。 分析了影响变像管时间响应特性的各种因素，诸如光电子初能量弥散；渡越 时间弥散等，以及影响变像管动态范围的诸多非线性因素，如空间电荷效应对光 电发射的影响；光电阴极发射电子脉冲的过渡过程：荧光屏的电流饱和效应等。 提出了全面优化的设计方针，确定了以时间一空间调制传递函数为评价原则，以 m o n t e c a r l o 方法为计算手段的设计路线。 在对影响时间分辨率和动态范围的共同物理机制空间电荷效应进行重 点分析基础上，放弃通常的轴对称的电子光学系统，采用特殊设计的平面聚焦的 电子光学柱透镜，缩短聚焦区域的轴向尺寸，同时适当增大极间电压，减小了光 电子在聚焦区域的渡越时间，从而抑制空间电荷效应的作用，进而改善动态范围。 本扫描变像管的显著特点是尺寸小，结构紧凑。管子全长1 9 0 m m ，聚焦区长 度6 5 m m ，偏转灵敏度4 0 m m k v ，时间畸变小。其理论设计时间分辨率3 0 0 f s ，静 态空间分辨率大于6 0 1 p m m 。 在电子光学设计的基础上，完成了大动态范围扫描变像管的结构设计和机械 加工，研制出了大动态范围扫描变像管。并进行了静态实验，得出比较理想的实 验结果。 关键词：扫描变像管；动态范围；时间分辨率；空间电荷效应；电子光学系 统 a b s t r a e t a b s t r a c t l i uh o n 曲o ( p h y s i c a le l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db yp r o f z h a ob a o s h e n g d y n a m i cr a n g ea n dt i m er e s o l u t i o n a r ea m b i v a l e n ti nt h es t r e a ki m a g et u b e t h e r e f o r eal a r g ed y n a m i cr a n g es t r e a ki m a g et u b eh a st ob ed e v e l o p e df o rt h ei c f r e s e a r c h ，w h i c hp o s s e s so f q u i t eh i g ht i m er e s o l u t i o na n dl a r g ed y n a m i cr a n g e s e v e r a lf a c t o r si n f l u e n c i n gt h et e m p o r a lr e s p o n s eo fs t r e a kt u b e ，i n c l u d i n gt h e t i m ed i s p e r s i o nd u et ot h ei n i t i a le n e r g yo f p h o t o e l e c t r o n a n dd i s p e r s i o no ft r a n s i tt i m e o fe l e c t r o ni nf o c u s i n gr e g i o n ，a n dt h o s ei n f l u e n c i n gt h ed y n a m i cr a n g eo ft h es t r e a k t u b e ，s u c ha si n f l u e n c eo fs p a c ec h a r g ee f f e c to np h o t o e l e c t r o ne m i s s i o n ，t r a n s i t i o n p r o c e s so fp h o t o - e l e c t r o ne m i s s i o na n d t h ec u r r e n ts a t u r a t i o ne f f e c to fp h o s p h o r s c r e e n ，a r ea n a l y z e d t h ed e s i g nm e t h o de v a l u a t e do nt i m e s p a t i a lm t f , c a l c u l a t e d i nt h em e a n so f m o n t e - c a r l o ，i sc o n f i r m e d o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gs p a c ec h a r g ee f f e c t ，w h i c hi st h ec o m m o np h y s i c a l m e c h a n i s m i n f l u e n c i n g t i m er e s o l u t i o na n d d y n a m i cr a n g e ，p l a n ef o c u s i n g e l e c t r o n o p t i c a l c o l u m n1 e n si s a d o p t e d ，i n s t e a d o fr o l a l i o n a l s y m m e t r i c a l e l e c t r o n o p t i c a ls y s t e m r e d u c i n g t h ea x i a ld i m e n s i o no f f o c u s i n gr e g i o n a n d i n c r e a s i n gv o l t a g er e d u c et h ep h o t o e l e c t r o n st r a n s i tt i m e t h e r e f o r e t h es p a c ec h a r g e e f f e c tc a nb er e s t r a i n e dg r e a t l y , a n dt h ed y n a m i cr a n g eo f t h et u b ei si m p r o v e d t h ef e a t u r eo ft h es t r e a kt u b ei sm i n i a t u r i z a t i o na n dc o m p a c t t h ep a r a m e t e r so f t h et u b ea r e f o c u s i n gr e g i o no f6 5 m mi n t h et o t a l l e n g t ho f 19 0 m m ，d e f l e c t i o n s e n s i t i v i t yb e i n ga sl a r g ea s4 0 m m k vs m n lt i m ed i s t o r t i o n 1 e s st h a n3 0 0 r sa st h e t h e o r e t i c a lt i m er e s o l u t i o na n ds t a t i cs p a t i a lr e s o l u t i o no f 6 0 1 p m m o nt h eb a s i so ft h ee l e c t r o nd e s i g na b o v et h el a r g ed y n a m i c r a n g es t r e a kt u b ei s m a n u f a c t u r e da f t e rw ea c h i e v es u c c e s si nt h es t r u c t u r a ld e s i g na n dm a c h i n i n g s o m e s t a t i cs p e c i f i c a t i o nh a sb e e na c q u i r e db ys t a t i ce x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：s t r e a ki m a g et u b e ；d y n a m i cr a n g e ；t i m er e s o l u t i o n ；s p a c ec h a r g e e f f e c t ；e l e c t r o n o p t i c a ls y s t e m 科研道德声明 y6 8 3 1 6 s 秉承研究所严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论义是我个人 在导师指导下进行的研究l i 作及取得的研究成果。论文中所引用的内容都已给予 了明确的注释和致谢。与我一同_ 丁作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名 盘l 杰私 只期：7 巾丛兰 知识产权声明 本人完全了解中科院西安光学精密机械研究所有关保护知识产权的规定 即：研究生在所攻读学位期间论文工作的知识产权单位系中科院西安光学精密机 械研究所。本人保证离所后，发表基于研究生工作的论文或使用本论文工作成果 时必须征得产权单位的同意，同意后发表的学术论文署名单位仍然为中科院西安 光学精密机械研究所。产权单位有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和 借阅；产权单位可以公布沦文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：幽墨塑导师簪名 日期：王竺z ：2 ：圭日期 第一章绪论 第一章绪论 随着近代科学的飞速发展，人们对现象本质的研究越来越深入。各种物理学 研究的实质就是物质的各种形态是如何随时间、空间变化的。例如，核爆炸和高 速飞行体的研究，高温等离子区和真空放电，高能粒子径迹记录，真空紫外和x 射线激光器，皮秒、飞秒激光超短脉冲，激光核聚变以及光生物学、光化学等。 作为目前唯一的高时间分辨率的超快现象线性诊断工具，变像管相机在时间分辨 的超快现象研究中发挥着难以替代的作用。它们或者被直接用来测量超短的脉冲 辐射的强度一时间波形，或者作为高时间分辨的记录设备和其它仪器如显微镜、光 谱仪构成联合诊断设备，提供高空间一时间分辨或能谱一时间参数。因此，这就要 求科学工作者去发展各种更精确的诊断工具，研究超快现象的发展过程以及在发 展过程中各种参量的变化情况，从而把握现象的本质。 1 1 问愿的提出 能源是人类赖以生存的基础，而目前摆在人类面前一项紧迫的战略任务就是 探索新的能源。原子核的聚变能是人类未来最理想的新能源，聚变是由较轻的原 子核聚合成较重的原子核而释放出能量”。最常见的是由氢的同位素氘和氚聚合 成较重的原予核如氦而释放出能量”1 。它的突出优点在于原料储量十分丰富，据 测算，每升海水中含有0 0 3 克氘，所以地球上仅在海水中就有4 5 万亿吨氘。1 升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于3 0 0 升汽油燃烧后释放出的能量。 至于氚，虽然自然界中不存在，但靠中予同锂作用可以产生，而海水中也含有大 量锂，可以说是取之不竭的能源。另外因为它不会产生污染环境的放射性物质， 所以是干净的。同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续地稳定进行，所以是 安全的。 实现受控聚变的途径目前有两个：一是磁约束，另一个是惯性约束。惯性约 束核聚变( i c f ) 。”是把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米 的小球内。从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发。受它 的反作用，球面内层向内挤压( 反作用力是一种惯性力，靠它使气体约束，所以 大动态范围扫描变像管的理论与实验研究 称为惯性约束) ，就像喷气飞机气体往后喷而推动飞机前飞一样，小球内气体受 挤压而压力升高，并伴随着温度的急剧升高。当温度达到所需要的点火温度( 大 概需要几十亿度) 时，小球内气体便发生爆炸，并产生大量热能。这种爆炸过程 时间很短，只有几个皮秒。如每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行 下去，所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。 中国进行惯性约束聚变的主要力量有两个：一是位于四j 1 1 绵阳的中国工程物 理研究院，另一个是位于上海的上海光学精密机械研究所。目前，中国最大的激 光聚变装置“神光i i ”已经建成，“神光i i i ”正在建造中。高速摄影变像管相机 在这两台装置的快速诊断中都发挥着无法替代的作用。由于国产相机的性能有 限，与国外相比，有明显的差距，只能依赖进口。但是国外相机不仅价格昂贵， 特别是受政治因素的影响常常受禁运。因此，研制高性能( 高时间分辨率、高空 间分辨率、大动态范围) 扫描变像管相机，尤其是提高扫描变像管相机的动态范 围不仅是十分必要的，而且是非常迫切的。 1 2 变像管概述 1 2 1 变像管的一般原理 变像管是一种宽柬电子光学成像器件，它一般由三部分组成：光电阴极、 电子光学系统及荧光屏。其基本工作原理如图1 2 1 所示。所观察或被拍摄的目 标，通过光学系统成像在变像管输入窗上的光电阴极上。光电阴极在光的照射下 发出光电子，逸出的光电子数目正比于照射到阴极面上各点的照度，因此光电阴 极面上发射的电流密度将对应光学图像上的亮度分布。这样一束，光学图象变成 光电子图象。电子光学系统使由光电阴极的一点( 物点) 发出的电子会聚到荧光 屏的一点( 像点) 上，即完成了所谓聚焦作用，同时还保证聚焦后各点的相互位 置与光电阴极上原来物点的相互位置对应，即完成了所谓“成像”作用。光电子 通过电子光学系统，被加速聚焦到输出窗上的荧光屏上，荧光屏在电子的轰击下 发光，而且屏上各点的发光亮度正比于落到各点的电子数目和电子能量。因此屏 上亮度的分布将与原来光学图像的亮度分布相对应，于是电子图像在荧光屏上又 2 第一章绪论 变换成供观察或拍摄的可见的光学图像了。这就是一般在直流电压下工作的变像 管的原理。 目标物镜阴极外筒 电于轨迹f 日极 奸堆圯擎光电脯棱聚焦极荧光屏 输出傈记录胶片 图l _ 2 1 变像管工作原理图 1 2 2 变像管高速摄影相机的特点 变像管作为一种电子光学成像器件，具有其它光机式的高速摄影技术难以具 有的特点” 。 l 、变像管高速摄影能够实现波长转换。如果在变像管中选用不同的光电发 射体和荧光屏材料。就可以进行各种不同波段的摄影。变像管的光谱响应范围可 以覆盖从红外、可见光、紫外、软硬x 射线一直到中子射线的整个光谱范围。 2 、利用增加电子动能或配用电子倍增器( 如微通道板等) 的方法，可以实 现亮度增强，可以对弱光目标进行拍摄。这一点为变像管高速摄影所独有，是其 它高速摄影难以比拟的。目前像增强器的灵敏度可以做到记录单个光子。 3 、拍摄频率高，曝光时间短。由于电场与磁场对电子束的作用极为迅速。 变像管的拍摄频率可以达到10 - 1 0 ”1 。 4 、图像数据可以实现实时输出。由于变像管荧光屏的面积有限，位置固定， 对其输出图像可用c c d 相机及计算机作迸一步的数据处理实现实时读出。 正是由于这一系列特点，变像管高速摄影在核武器研究，受控热核反应研究， 非线性光学，激光核聚变等方面具有较大的实用价值。 大动态范圈扫描变像管的理论与实验研究 1 2 3 扫描变像管的原理 原则上讲，扫描变像管技术属于示波技术，这是因为它是用来显示讯号随时 间的变化过程。但它又不同于通常的示波技术：通常的示波技术是以加在偏转系 统上的电压波形为讯号载体，而扫描变像管则是以电子束为讯号的载体；通常的 示波技术只能给出一维的时间信息而没有空间分辨能力，扫描变像管可以同时给 出一维的连续的时间信息和一维的空间信息。 扫描变像管的工作原理如图1 2 2 所示。 p 球置对嚣斜坡电医t 生嚣 图1 2 2 扫描变像管的工作原理 它由光电阴极( p c ) 、加速系统( m ) 、聚焦系统( f ) 、偏转系统( d ) 和荧光屏( p s ) 等部分组成。物镜将瞬态光源a 的像成在狭缝上，狭缝取出a 的一维空间信息通 过中继透镜成像在变像管的光电阴极上。当光电阴极上的狭缝部分被a 所发出的 光脉冲照明时，这一部分将发射光电子，并且光电子的瞬态发射密度正比于该时 刻的光脉冲强度，所产生的光电子脉冲的持续时间就是入射光脉冲的持续时间， 因此光电阴极发出的电子脉冲在时空结构上是入射光脉冲的复制品。只要设法测 出电子脉冲的时空结构，就可以得到入射光脉冲的时空结构。电子脉冲从阴极上 发出，经静电聚焦系统聚焦后，进入偏转系统。偏转系统上加有随时间线性变化 的斜坡电压，由于不同时刻进入偏转系统的电子受到不同偏转电压的作用，电子 束到达荧光屏时，将沿垂直于狭缝的方向展开，这一方向对应于时间轴，因此可 以得到沿狭缝每一点展开的时间信息。为了保证电子脉冲和斜坡电压的同步，在 4 第一章绪论 光路中引入分柬器，该分束器将一部分光送入物镜，另一部分光送入p i n 管，由 于p i n 输出的电脉冲经可变延时器适当延时后触发斜坡电压发生器。电子经前面 的系统加速后轰击荧光屏，转换为可见光。荧光屏输出的狭缝扫描图像，一般采 用接触照相机或c o o 实时读出系统记录。由于电子束比任何枫械结构在运动中具 有小得多的惯性，而利用超快速开关元件很容易产生瞬变电场所需的电压波形， 所以扫描变像管技术可以获得极高的时间分辨率。 1 3 扫描变像瞥的发展及现状 扫描变像管的研究可以大致分为两个阶段，九十年代以前以提高时间分辨率 为主，并进行了大量地理论和实验研究，其时间分辨率已接近极限。九十年代以 后对时间分辨率的突破势头有所停顿，转而以变像管诊断的应用为主要特征，如 扩展波长响应范围；改善性能参数，向多功能、实用化发展”3 。 变像管的发展起步于1 9 4 9 年，最重要的一步是英国的j s c o u r t n e y p r a t t 完成的”，他通过利用可变磁场实现了变像管中像的连续扫描，达到时间分辨 率约1 0 1 s ，可应用于可见光、红外和紫外光。但是用这种磁场变化的偏转扫描 技术，由于偏转线圈电感作用的结果，时间分辨率不可能超过1 0 “”s 。 同时，前苏联也开始了这方面的研究，m p v a n y u k o v 等用普通变像管和静 电快门实现高速摄影。m m b u s t l o v 引入静电偏转系统和像增强器，设计了第 一个p i m u m l 型变像管“。到六十年代初，前苏联达到了1 0 皮秒的时间分辨 率1 。 1 9 6 5 年，e k z a v o is k y 和s d f a n c h e n k o 对变像管高速摄影方法进行了理 论探讨，在分析了扫描变像管相机的各个技术因素之后，预言其对可见光的极限 时间分辨率可达到1 0 “1 秒“。 1 9 6 9 年，英国布雷德利提出：在靠近光电阴极的地方设置加速网格电极1 以提高光电阴极附近的电场强度，以便使得光电子很快加速到最高速度，从而减 少渡越时间和渡越时间弥散，时间分辨率提高到2 皮秒。七十年代初，最佳时间 分辨率达到1 皮秒。 从7 0 年代末到8 0 年代初这一阶段，变像管相机得到了迅速的发展。 大动态范围扫描变像管的理论与实验研究 d j b r a d l e y 首先将扫描变像管的时间分辨率提高到亚皮秒”。在此后的几年 内，各国学者对全面合理的评价快速变像管的时、空分辨本领进行了探讨“”。 1 9 7 6 年，w f r i e d m a n 首先发现了空间电荷效应“”，以后一些学者相继对其进行 了分析。h n j u 、w s i b b e t t 对管中输出扫描图象随入射光强度增加而展宽的效 应进行了理论分析”“，并证明其机制是由于空间电荷效应在低速区域的积累所 致，并为快速变像管的另一个重要指标动态范围提供了理论计算方法，同时 为提高动态范围指明了方向，也为以后的理论设计和实验研究奠定了基础。 1 9 8 2 年d j b r a d l e y 和k w j o n e s 设计了p h o t o c h r o ni l l 型管”1 1 。相比 于咀前的设计，增大了聚焦区的平均轴向电压，减小了电子在其中的渡越时间和 渡越时间弥散，同时改善了动态范围。其理论极限时间分辨率达2 0 0 f s 。同 年，h n i u 、w s i b b e t t 和m r b a g g s 报道了他们设计的p h o t o c h r o ni v 型管”“。 在i i i 型管的基础上，他们考虑了空间电荷效应对动态范围的影响，用调制传递函 数( m t f ) 和时间调制函数( t m t f ) 从理论上评价了管子的时间空间特性。设计 采用四电极的静电聚焦系统，它们构成的两个独立的透镜可方便的对管子的静态 动态特性进行优化，其理论极限时间分辨率也可达2 0 0 f s 。他们以同步工作方式 测试了管子性能之后。“，又对用这个管子做成的扫描相机进行了单次动态测试， 得到的时间分辨率是0 7 p s ”。以此为始端，时间传递函数的引进，对分析影响 时间分辨率的因素，进一步提高变像管的时间分辨率奠定了理论基础，其正确性 和重要性都已为实践证实。 1 9 8 4 年，日本的滨松公司研制成功飞秒扫描变像管及相机。他们采用短磁 聚焦、静电偏转的电子光学系统和m c p 内增强。其时间分辨率是5 0 0 f s ”和 3 6 0 f s ! = ! ”。；他们还以实验方法探讨了磁聚焦飞秒管动态范围的因素和机制”“。， 为此他们设计了高动态范围的新管型【= “，采用了先偏转后聚焦的电子光学系统， 时间分辨率仍是5 0 0 f s 。1 9 9 4 年，a t a k a h a s h i 等研制了具有18 0 飞秒时间分辨 率的飞秒条纹相机3 。近年滨松公司相继推出了条纹相机系列产品。= ”1 ，其性能 指标达到了相当好的水平。如表1 3 1 所示。 6 第一章绪论 表i 3 i 滨松条纹相机系列产品 型号特点光谱响应时间分辨率 c 77 0 0 大动态范围 2 0 0t 085 0 n m ( 5 p s 3 0 0t o10 6 0 h m c 6 13 8 最快时间分辨率 2 8 0t 08 5 0 h m 3 0 0 fs ( 2 0 0 fs t y p ) c 2 83 0 低价格 2 0 0t o8 5 0 n m 1o p s c 42 87 大阴极( 适用于分幅) 2 0 0t 08 5 0 n m 1 0 p s 3 0 0t 0160 0 n m 25o ps c 5 68 0 高重复频率( 1 6 5 m h z ) 20 0t 08 5 0 n m 时间分辨率：2 p s e c 3 0 0t 01 6 0 0 n m 5 0 p s 1 1 5t 08 5 0 n t o 2 0 0t 09 0 0 n t o 2 p s c 68 6 0 高重复频率1o o m h z 2 0 0t 085o n m 50 0 f s 时间分辨率：5 0 0 f s e c 3 0 0t 016 0 0 n m 5 0 p s c 4 57 5 0 1 用于x - r a y s l o e vt 01o k e v 2 p s ( 1 p st y p ，) c 56 8 0 - 0 6 用于x - r a y s 1o e vt 01o k e v ：。，因此 加：毫墼 ( 2 1 1 1 ) e 4 2 , 1o s ：o 令s ：。= f ：。= 占，则电子在阴极到栅网之间的渡越时间弥散为 妒击等 ( 2 1 1 2 ) 显然，提高阴极和栅网之间的场强和减小阴极电子初能量分布，可以减小这 一区域的渡越时间弥散。 二、聚焦系统的渡越时间弥散 设阴极和栅网间距为d ，阴极和偏转板入口间距为，由式2 1 8 可得聚焦系 第二章扫描变像管的设计理论 统内电子的渡越时间弥散为 血，2 而1f c 焘一赤皿 ( 2 1 1 3 ) 一般情况下，联z ) 。，将上式适当简化，并略去分母中的t 。，可得 扯3 孺1f 南出 ( 2 1 1 4 ) 从上式可见，渡越时间弥散和电子的轴向初能量有关，被积分项与轴上电位 分布的3 2 次方成反比。因此提高轴上电位，尽量缩短阴极到偏转板入口的距离， 有利于减小渡越时间弥散，提高时间分辨率。 三、偏转系统的渡越时间弥散 从阴极上同一点发出的电子经聚焦系统以不同的入射高度进入偏转系统，在 偏转板入口处附近在轴向获得不同的加速，从而在偏转系统中产生时间弥教。对 偏转系统的边缘弥散场作近似处理，可得电子在偏转系统中的渡越时间弥散为： a t 4 = w 4 2 r l v ( l + l 2 ) ( 2 ，1 1 5 ) 式中r 为从阴极上同一点出发的电子在偏转板入口处的半最大高度，y 表示 电子束在荧光屏上的偏转量，圪为阳极电压，和，分别为偏转板出口到荧光屏 的轴向距离和偏转板的轴向长度。 从式2 1 1 5 可见，减小电子束在偏转板入口处的轨迹高度是减小电子束在偏 转系统渡越时间弥散的最有效的方法。 四、偏转系统后等位区的渡越时间弥散 令电子在偏转系统出口处加速电位为v ，电子的轴向初电位为占。，则电子 在等位区的渡越时间弥散为 a t s = 一兰一一二一： ( 2 1 1 6 ) 。, 2 , j v4 2 r ( v + t o ) 、 。 由于v ，同其它部分电子渡越时间弥散相比，电子在偏转系统后等位 区的渡越时间弥散是很小的，通常可以忽略。 大动态范围扫描变像管的理论与实验研究 五、空间电荷效应导致的时间弥散 空间电荷效应对时间展宽的影响是在1 9 7 6 年由w f r i e d m a n 等首先提出的。 在从阴极运动到荧光屏期间，由于受到电子间库仑排斥作用，电子束不断膨胀， 产生了电子在横向和轴向的重新分布。这种重新分布的结果，将导致扫描变像管 的空间特性和时间特性的恶化。对横向的重新分布而言，将是电子束截面变大。 对轴向的重新分布而言，由于库仑排斥作用将产生脉冲前沿电子的加速和脉冲后 沿电子的减速。因此，同无空间电荷效应相比，产生了时间弥散。入射的辐射脉 冲越窄，由于电子轴向尺度的减小，空间电荷效应导致的时间弥散效应越明显。 一般情况下，空间电荷效应对脉冲展宽的影响在1 0 ”一1 0 ”1 秒量级。因此，对于亚 皮秒时间分辨率的扫描变像管，应当考虑空间电荷效应的影响，并且可以通过减 小电子在变像管内的渡越时间来减小其影响。 2 1 2 3 技术时间分辨率 如2 1 1 所述，扫描变像管的技术时间分辨率如下式 f 技木= ( v 口) - 。 其中 v = k p ( 2 1 17 1 式中，k 表示加在偏转系统上的扫描电压随时间变化的斜率，单位位k v s e c ， p 表示偏转系统的偏转灵敏度，单位为m m k v 。 可见，要提高扫描变像管的技术时间分辨率，必须改善扫描变像管的静态空 间分辨率，提高电压变化斜率和偏转系统的偏转灵敏度。 2 2 扫描变像管的偏转系统 偏转器是扫描变像管实现时间信息到空间信息线性转换的技术环节。用作超 短过程测量的偏转器均是电偏转。在实际应用中，希望较小的电信号就能控制电 子束使之产生足够的偏转，此外，光点在荧光屏上位移变化与信号变化一一对应， 才能使波形保持正确的形状，而且在偏转时光点尺寸不宜变得过大，这表明对偏 转系统的基本要求是： ( 1 ) 高的偏转灵敏度； 8 第二章扫描变像管的设计理论 ( 2 ) 良好的偏转线性： ( 3 ) 小的偏转解聚。 2 2 1 偏转灵敏度 偏转灵敏度是指单位偏转信号电压使光点在屏上产生的位移。显然，偏转灵 敏度越商，就表示只需要较小的偏转信号就能非常灵敏的控制电子束在荧光屏上 的位移。 如图2 2 1 所示为平行板静电偏转系统。 图2 2 1 平行板静电偏转系统示意图 假设：电子束直径很细：电子进入偏转板对能量为e 吒( 圪是阳极和阴极的 电位差) ；偏转板间电位差r 产生的横向电场只在偏转板区域内才存在。 偏转板之间的场强为 e = e l _ 一壬 ( 2 2 1 ) 点取负值，与正y 轴的方向相反。 电子沿着平行板电极的方向以速度v 。2 j 熹屹射入横向电场，则电子在弘 平面内的运动方程为 太动态范囤扫描变像管的理论与实验研究 撼：。：捌z = z 。0 ：o。o 户= 九= ，j = o =j e i v 了t2 。 m od2 = = z o ，l ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 设电子到达电极边界的时间为，= 旦，其中a 为偏转板的长度，以，l 和v o v 0 值代入式2 2 4 ，便求得平行板电场出1 ：1 处电子在y 方向的偏转值为 1y 口2 v 一一 。 4 屹d ( 2 2 5 ) 电子离开偏转作用区域时的偏转角口为 孵乱2 筹l2 嚣茜 池z s ， 亮点在荧光屏上的偏转即全位移d 为 。= y + l l g a = j l 瓦v i a 【j a + ，) ( 2 2 7 ) f 为偏转板边缘到荧光屏的距离。 则偏转灵敏度为 占：旦：i _ ( 旦+ z 、( 2 2 8 ) 2 。d 2 式2 2 8 为平行板偏转板的偏转灵敏度，但在实际应用中经常用到倾斜板、 多折板等偏转系统，如图2 2 2 就是平折板偏转系统。其偏转灵敏度为： s = 罟= 面b 肾鲁蛐鲁鸭，+ 老c 号+ 州z e ， 2 0 、， 矿一d p = y p o = = v， 三 o 0 m m 第二章扫描变像管的设计理论 图2 2 2 平折板静电偏转系统示意图 实际上在偏转板的边缘附近总存在着边缘效应，这种杂散场同样可以使电子 束偏转。因此实际的偏转灵敏度一般要比计算结果大1 5 左右。 2 2 2 偏转解聚 偏转解聚指光点在荧光屏的中央部分聚焦的很好，截面很小，而在荧光屏边 缘部分聚焦受到破坏，截面变大的现象。其根本原因是偏转板入口处电子束不是 一个点，而是一个截面，中心电子和边缘电子受到不同的偏转电压，因而偏转量 不同。偏转解聚的存在，降低了空间分辨率，电子光学设计必须设法减小偏转解 聚。 假设在偏转板入口处电子束直径为办，如图2 2 3 。电子束在未偏转时将会 聚在荧光屏的中点0 处，其截面是逐渐收缩的。我们将其视为均匀截面，即电子 束的上缘和下缘都平行于：轴。偏转板采用对称供电。当电子束上缘和下缘的电 子进入偏转场，由于偏转电压的存在，它们的能量就产生了差异，相应的速度分 别为： k = 、2 玎( 匕+ r 号) ，v ，= j 2 ，7 ( 圪一，i v ) ( 2 2 1 ( ) ) 由于速度的差异。所以他们经过偏转场后，在荧光屏上偏转量不同，即不交 于荧光屏上同一点。下缘电子速度较小，偏转量较大，反而；落在荧光屏上方的 2 大动态范围扫描变像菅的理论与实验研究 图2 2 3 静电偏转解聚示意图 只点，而上缘电子则落在较低的只点。两点之间的距离2 a r 就表示了偏转解聚的 大小。可推出 ，= i 1 矽v2 掣，( 2 2 1 1 ) 式中口为偏转板的长度，为偏转板出2 1 到荧光屏的距离，d 为偏转板间距。 将上式中的电压比用电子束中央部分的偏转角工表示，a = 2 d , 则 ，：堡竖他2 a( 2 2 】2 ) 当a 不大时 r ：型r 岔 ( 2 2 1 3 ) 显然，缩小偏转板入口处电子束斑直径是减小偏转解聚最好的办法：其他措 施，如增大偏转板间距，减小偏转板长度等，都会导致偏转灵敏度的降低。 2 3 扫描变像管的鼍小可探测能量密度”“ 最小可探测能量密度是扫描变像管相机的一个重要参数，它确定了输入图像 刚好被鉴别时的f 临界参数，其探测阈值与动态范围一同限定了变像管的可靠的测 量输入范围。其定义为：在单位时间分辨元时间间隔内，在扫描变像管光电阴极 l c m 2 上输入光能的大小，恰使在输出屏上产生的信息具有临界的信噪比。这时信 第二章扫描变像管的设计理论 号刚刚能从噪声中识别出来，并且能被记录系统所记录，这一所需输入光能的大 小就称为该相机的最小可探测能量密度。 最小可探测能量密度首先是由所需的临界信噪比确定的。即使记录系统有很 高的灵敏度，它也不可能记录比该阈值更小的输入光能。这是因为所记录下的东 西不包含有任何有意义的信息。若输出信噪比已达到临界值，而记录系统由于灵 敏度低仍记录不下来，此时最小光能探测阚则是由记录系统来确定。 已知，在变像管中，光电阴极的发射具有统计涨落现象。当时间分辨率为皮 秒或飞秒数量级时，光电阴极发射的统计涨落是非常严重的，如果发射的光电流 密度太小，则统计涨落噪声就会把真正所要的光信号所淹没。为此，光电流密度 就必须大到能在荧光屏上建立目标所具有的最小允许的灰度等级。假设灰度等级 为”，时间分辨率为，电子光学系统的放大倍率为肌，动态空间分辨率为巧， 则所需最小光电流密度可表示为 e 6 2 m 2 ， 厶= 忒l 妲3 ” 这里m 表示荧光屏上的灰度等级为i 的像素所要求相对应的光电阴极像素在 分辨率a t ，内发出的电子数。若不因统计涨落现象将相邻两灰度等级所淹没，则 f 应满足如下关系： 1 1 一 n 一去 ，+ 去， ( 23 2 ) 二 在具有内增强m c p 的扫描管中，除光电阴极发射的统计涨落外，微通道板 的噪声和系统的调制传递函数对最小光能探测阈值影响最大。 对于一般的变像管，理论研究指出i a q ： 1 ) 超快速变像管的最小可探测能量密度是由变像管本身的动态性能参数确 定的，它与时间分辨率无关。但随着时间分辨率的减小，变像管最小可探测能量 密度将与时间分辨率成反比的增加。 2 ) 减小最小可探测能量密度的途径有：尽量减小电子光学系统放大倍率， 改善系统的调制传递函数，尽量提高光电阴极的量子效率和降低暗发射。 大动态范围扫描变像管的理论与实验研究 2 4 离散空间电荷效应 由于电子之间存在相互作用，电子光学必须把这些相互作用及其对器件的影 响纳入自己的研究范围。关于这方面的研究涉及大功率微波管的设计、强流电子 注等，并有专门论著“1 ，是为稳态电子束的空间电荷效应。而普通的真空光电成 像器件一般不予考虑这种作用。但在扫描变像管中，该问题有其特殊的重要性。 长期以来人们在采取多种措施提高扫描变像管性能的努力中虽然早已意识到这 种机制的存在“，但相应的理论工作却十分有限”。本节是从理论上处理扫描 变像管中非稳态空间电荷效应问题的一点尝试。 2 4 1 空间电荷场” 2 4 ，1 1 空间电荷光学基本方程 为了计算空间电荷场，需要知道电子束的空间电荷密度，如果把电子看作点 电荷，其电荷密度可用万函数表示： 阳) = k 篡 ( 24 1 ) 目 肛( f ) d 矿= l ( 2 4 2 ) 电子束的空间电荷密度可以表示为： p ( 尹，f ) = p 万( f 一) ( 2 4 3 ) 式中f 是束中第i 个电子所在点的位置矢量，表示对电子束中所有电子求 和，这时泊松方程可表示为： v 2 “( 尹，) 一e y ，：e f 一例 ( 2 4 4 ) 非相对论的电子运动方程可表示为： 脚。i d g ( t ) = d v “( i ) 一e o ) 詹( f ) 】 ( 2 4 5 ) 上述两个方程结合起来就构成了空间电荷光学的基本方程，其中豆( f ) 是电 2 4 第二章扫描变像管的设计理论 子电流形成的磁场强度。如果一电子柬中包含了个电子，则上述两式就相当于 3 n + 1 个方程，原则上讲，只要给定了 ，个电子的初始运动状态和电位的边界条 件，那么所有电子的运动状态就被这一组方程完全确定，实际上述方程组在求解 中需要进一步简化。 2 4 1 2 空间电荷力 运动着的光电子群不仅由于库仑力产生电场，而且由于电流的存在产生磁 场。设有一个电子以速度v 平行于z 轴运动，考察该电子对周围点r 的电磁场。 选参考系固定在该电子上。在其上观察时，因为电子是静止的，因此只有静 电场，其电磁场强度分别为： 丘= 之，口：0 ( 2 4 6 ) 4 x g p 3 一 而在实验室参考系上，电子以速度v 沿z 轴运动，洛伦兹变换将上面电磁 场变换到上，得各分量： t = ，瓦e 2 r ，e = 。 e 2 ，南以一，孝为 ( 2 a z ， b 2 ，专朋，一y 7 v 砑e x y 7 中的r 7 ( x ，y ，z ) 与中的r ( x ，y ，：) 有变换关系： 一= x y = y z = y z 最终有： 豆：三 ! 三 ，b = ：里。主= _ = 一x 毛 7 。4 确【了f2 + ( 翌) 2 】j 3 。 ，。c ( 2 4 8 ) 式中y = ( 1 7 v 2 ) ，在电子光学中一般v ( c ，c 为光速。于是运动电子的 大动态范围扫描变像管的理论与实验研究 电磁场为： 重：，雪：掣 ( 2 4 9 ) 4 霹巩，4 n r 3 这里电场的形式与静电场相同。则每个电子所受到的作用力为电场力与磁 场力的矢量和： f = e + e ( 2 4 1 0 ) 式中丘，只之模为：i 丘l = e e ，i p 。l = e v b 于是有： 吲= o , u o v 2 = 罟( 2 4 1 1 ， 式中c 为光速。可见，在非相对论情况下，电子电场作用力较磁场作用力大 得多。因此只需考虑电子束所激励的电场，而不考虑电子柬所激励的磁场。 2 4 2 扫描交像管中的空间电荷效应 扫描变像管的功能在于对快速过程进行光谱的变换、空间信息的聚焦成像、 时间信息的转换显示。在扫描变像管中，信息的载体及信息处理的对象是电子， 扫描变像管正是利用了电子易于为电磁场所控制的特点，实现其功能的。但电子 之间也存在着相互作用，因此扫描变像管的电子光学设计应该考虑这种相互作 用。 在扫描变像管中，空间电荷效应对变像管时间特性的影响是一种脉冲展宽机 制。被诊断的辐射现象经阴极转换为电子脉冲束，现象的时间信息由电子束的轴 向分布表征。电子之间的相互作用的轴向分量将改变电子的轴向分布：脉冲前沿 的电子受到其后电子的拒斥而获得相对的加速；脉冲后沿电子反之获得相对的减 速；中部的电子也受到前后电子的调制。这种作用存在于电子脉冲的整个渡越过 程，并随电子脉冲变短而变强。它是系统时间、空间响应特性改变的一个因素。 首先，在输入光电予数目相同的情况下，与无相互作用的粒子相比，电子脉冲所 能达到的最小宽度存在一个限制因素。即空间电荷效应对变像管时间分辨率有所 限制。这种限制会因不同的管型而有不同。需要说明的是目前关于这一阈值并没 j g - - 章扫描变像管的设计理论 有统一的认识：没有理论计算给出这一阈值的大小，也没有直接的实验证据证实 这一阈值的存在，因为除了空间电荷效应这一脉冲展宽机制外，在变像管内还存 在其他展宽机制，如渡越时间弥散、渡越时间效应、各种像差等。各种机制对限 制时间分辨率都有贡献。尽管有些展宽机制已被深入研究，并通过有效措施予以 改善，但以目前变像管所达到的时间分辨率，区分或突出空间电荷效应的贡献还 是不太可能的。但对一些实验结果的分析，还是可以找到间接证据支持上述推论。 其次，假设为扫描变像管输入同样时间结构的不同强度的光信号，则变像管由于 空间电荷效应的存在，对被测量对象的反应依赖于该对象的输入强度。 一般而言，变像管反映的是测量对象的统计规律，足够多的光电子才能反映 现象的统计性质，这同时也是记录显示的需要。对一个统计性质相同的发光现象， 输入变像管光强大，管内光电子的数目就多( 正常情况下) ，其间的作用就剧烈， 即空间电荷效应就严重。这将导致测量结果偏离实际。反之，由于统计涨落，对 现象的反映以及记录显示都受影响。即空间电荷效应对变像管诊断对象的输入强 度有所限制。因此，在严格意义上，变像管并不是一个线性系统。但在一定输入 条件下，既保证现象不被背景和噪声淹没，又要求测量误差在人们可以接受的范 围内，变像管才可被视为线性系统。这样的一个保证变像管正常工作的输入强度 被界定在：( 1 ) 下限：待测信号的输入强度必须使信号在变像管内产生的光电子 数目足以表现该信号的特征( 单次工作的变像管更要强调这一点) ，同时该光电 子信号能区别于管子的噪声或背景；( 2 ) 上限：待测信号的输入强度必须使信号 在变像管内产生的光电子数目少于这样的程度，即空间电荷效应不致引起误差超 限，这样一个范围之内，这个输入限制范围称为变像管的有效动态范围。可以说 空间电荷效应是影响变像管测量结果的内在原因之一。 不同的变像管具有不同的动态范围，这表征了不同的变像管对空间电荷效应 有不同的忍耐程度。同一个变像管对不同时间宽度的现象的测量，也对应着不同 的动态范围( 至少不同的动态范围上限) 。理论分析和实验表明，随着测量对象 时间宽度的减小，变像管的动态范围也随之减小。设想如果不断减小输入到变像 管的光脉冲宽度，变像管获得可信测量结果的输入强度范围也不断减小。终究会 有这样一个短输入脉宽，当输入强度少有变化时，变像管输出的结果却相差很大。 大动态范围扫描变像管的理论与实验研究 此种情形在标定变像管实际时间分辨率的实验中有所表现。 在实验中通过变像管对j 脉冲( 相对变像管时间分辨率) 的响应，以测定时 间分辨率的实际值。多次实验给出变像管时间分辨率的期望值和最佳值。在造成 实验结果涨落的若干随机因素中，空间电荷效应是重要的一个：一方面，应减小 输入光强以减小空间电荷效应的展宽机制( 这也是一种随机事件) ，这就是在此 类实验中必须尽可能的减小输入光强的原因。但另一方面，输入光强的减小，使 得统计涨落增大。有些获得好的时间分辨率的实验