X光分幅相机结构优化及其增益机理研究

摘要

物理实验和诊断是当前惯性约束聚变研究中非常重要的两大内容，在当前理论不够完善，制靶技术不够理想，激光装置功率有限的实情下，发展ICF的诊断技术是ICF研究的一个重要方向。以微通道板(MCP)为核心部件的高速近贴聚焦X光分幅相机(XFC)，可提供高精度的时空分辨图像，其测量数据是分析超快过程的重要依据，已经成为惯性约束核聚变（ICF）、高能高密度物理（HEDP）、Z箍缩（Z-Pinch）等研究领域的标准诊断设备。
　　本文在总结国内外分幅相机技术发展历程的基础上，重点介绍了当前比较成熟、实用的快分幅技术——行波选通型X光分幅相机，并研究了其基本结构和工作原理。由于微通道板是行波选通型分幅相机的核心器件，文中对其工作原理、制造工艺和结构参数作了详细介绍。在此基础上，采用模块化的设计思想，优化了当前的分幅相机结构。同时采用纯电子学的方法产生了四路一致的皮秒高压选通脉冲，通过测试脉冲波形，发现脉冲能量主要分布在0~6GHz频率范围内。在此通带内，对多种渐变微带线的传输特性进行了仿真，研究结果表明Chebyshev多节变换线和Klopfenstein阻抗渐变线不仅可以实现输入输出端的阻抗匹配，还可使选通脉冲信号低反射、低损耗地沿传输路径传输。
　　为了验证相机的性能，利用多种紫外光源，对分幅相机的静态性能和动态性能进行了实验测试，获得了相机的曝光时间参数（152ps）。通过监测选通脉冲的传输过程，发现脉冲宽度展宽是造成曝光时间测量值比理论值小的主要原因，该研究结果可为提高相机的时间分辨率提供重要指导。
　　为研究分幅相机的增益机理，采用解析法对X光分幅相机中微通道板单孔内电子运动、碰壁和二次发射一系列完整过程进行了建模与求解，依托商业软件Lorentz-2D，得到了二次电子初能量分布、电子碰壁前能量分布、渡越时间分布等曲线，这些仿真结果可为优化分幅相机系统设计、提高相机性能提供理论参考。实验测量了分幅相机的静态灵敏度曲线，与仿真结果对比研究表明：光电子首次碰撞深度是影响相机增益的重要因素，给出了修正后的增益与电压关系表达式，定性分析了工作偏压等参数对首次碰撞深度的影响。通过测量样机的动态增益曲线，从微波原理上分析了造成增益衰减的原因，并设计实验测量了增益衰减常数。

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究课题的选择

1.3 本文的主要任务

2 X光分幅相机

2.1 分幅诊断技术的发展概述

2.2 行波选通型分幅相机

2.3 微通道板

2.4 本章小结

3 分幅相机设计与实验验证

3.1 分幅变像管的机械结构设计

3.2 微带线

3.3 电控系统

3.4 图像记录装置

3.5 验证实验与结果

3.6 本章小结

4 分幅相机增益机理

4.1 MCP离散打拿极增益模型

4.2 静态增益

4.3 动态增益

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附 录