专利名称：一种宽时间分辨分幅管的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种ps～μs级宽时间分辨、多分幅、高增益的图像获取方法，具体涉及一种ps～μs级宽时间分辨双微通道板分幅管的控制方法。
背景技术：
微通道板(MCP，Microchannel Plate)行波选通式软X射线分幅相机作为一种两维图像测量装置，近年来广泛应用于X射线光谱范围内的超快现象的诊断，其应用范围涵盖了核物理学、生物医学光子学、等离子体物理学、强场物理学等等国内外新兴学科。
目前，对于ps量级时间分辨，无论单微带或是多微带结构的双微通道板行波选通式分幅相机，分幅数均可达几幅～十多幅，主要用于时空分辨较高的ps级或μm级的激光—惯性约束核聚变(ICF)诊断技术。但是对于等离子体箍缩(Z-pinch)X射线图像诊断研究、强流等离子体辐射源及同步辐射等研究领域中还存在有许多发生在数ns级甚至几十ns范围的时间变化过程。甚至在其它一些物理，化学，生物医学领域还存在许多百ns或是μs级甚至ms级的时间变化过程。此类相机需要ns级时间分辨，例如《强激光与粒子束》(邱孟通、吕敏、王葵禄等，Z-pinch X射线时间分辨多幅图像诊断系统，强激光与粒子束，Vol.15，No.1，2003，101-104)公开了一种应用于等离子体箍缩(Z-pinch)的ns级曝光时间的8针孔分幅相机，该机采用双微通道板选通，快门脉冲5ns，一次可记录四个时刻的图像。美国《科学仪器评论》期刊(Carl.J.Pawley，A.V.Deniz et al，Characterization of two-gated microchannel plateframing cameras，Rev.Sci.Ins.，71(3)，2000，1286-1295)公开了一种四微带双微通道板选通分幅相机，其在微带传输线的输入与输出端分别装有隔直电容和矩形铁氧体珠，快门脉冲100ps～2.5ns，获得曝光时间接近100ps～2.5ns的多幅X射线图像，且可使用更长的电脉冲和直流，但其只能获得4幅像。而对于带有针孔装置的分幅相机，它的工作原理是被拍摄的等离子体的X射线图像经数个针孔同时成在双微通道板的输入面的不同部位，如果快门脉冲的宽度是较窄的ps级，双微通道板输入面上的微带线应视为长线，即ps级电脉冲沿微带线在双微通道板输入面上传输时，任一时刻只有一段区域有电压，经过某一个针孔成像在该区域的X射线图像被ps级电脉冲选通后，产生的光电子图像将被双微通道板增强，到达荧光屏输出可见光图像。电脉冲传输整块通道板平面，根据实际中使用的例如直径56mm微通道板微带线长度计算约需200～300ps，同一条微带上最多被选通图像数，曝光时间以及图像间距就由选通脉冲的脉宽和传输速度决定了。而对于长脉冲则会使整条微带传输线区域处于可选通状态，一条微带线上对应的若干针孔像实际上反映的都是约300ps内的图像信息。因此能够真实反映不同时段变化过程的画幅数较少，在很大程度上限制了对ns或更长曝光时间事件的捕捉和研究。
除了时间分辨率和分幅数，相机成像的强度增益量也是一个需要考虑的重要因素。单块双微通道板的增益可达到103，两块双微通道板组成的Chevron型，简称“V型”结构，增益可以达到106。大多数“V型”结构的相机中，第二块双微通道板主要起直流增益的作用。美国1995年SPIE会议中常增虎等人提出了一种新的“V型”结构的皮秒分幅相机原型(Chang Zenghu，Shan Bing，Liu Xiuqin et al，Gated MCPframing with 60 ps exposure time，SPIE，Vol.2549 1995 53-59)，其在两块双微通道板前后板面上均镀制有平行的微带线，且在板面上的投影重叠。当前后微通道板板面上平行的微带线分别通以选通脉冲时，这样既可以提高增益又可以缩短曝光时间，但是此结构的相机主要用于ps脉冲选通，可达到缩短曝光时间的目的，仍不能解决ns级时间分辨变化过程的画幅数较少的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种ps～μs级宽时间分辨分幅管的控制方法，其解决了背景技术在ns～μs级时间分辨下画幅数较少的技术问题。
本发明的技术解决方案是
一种宽时间分辨分幅管的控制方法，其特殊之处在于该方法包括以下步骤1).形成可曝光区域取两个制作有直条状、平行排布的微带线的微通道板，将其接地电极面贴近设置，并使输入侧微通道板上的微带线Mi和输出侧微通道板上的微带线Ni在微通道板板面的投影相交，投影重叠区域对应的微带线Mi和微带线Ni上的区域形成可曝光区域；2).给微带线加电压通过精密同步控制器控制电源，给输入侧微带线Mi和输出侧微带线Ni加电压；3).光电子图像选通当输入侧微带线Mi和输出侧微带线Ni的可曝光区域同时加有电压时，光电子图像被选通；4).获得多幅可见光图像在与图像被选通的可曝光区域相应的荧光屏区域上，获得多幅可见光图像；所述微带线Mi中的i＝1～m，微带线Ni中的i＝1～n；所述的m与n相等或不等。
上述通过精密同步控制器控制电源，给微带线Mi和微带线Ni加电压，可采用以下步骤1).通过精密同步控制器控制电源中的负高压脉冲/直流电源，给微带线Mi中第1～m行依次加脉冲电压；2).给微带线Mi中的每一行加脉冲电压的同时，通过精密同步控制器控制电源中的正高压脉冲/直流电源，给微带线Ni中的第1～n列依次加脉冲电压。
上述通过精密同步控制器控制电源，给微带线Mi和微带线Ni加电压，具体以采用以下最佳步骤1).通过精密同步控制器控制电源中的负高压脉冲/直流电源，给微带线Mi中第1～m行依次加ps或ns级脉冲电压；2).微带线Mi中的每一行加脉冲电压的同时，通过精密同步控制器控制电源中的正高压脉冲/直流电源，给微带线Ni中的第1～n列依次加ps级脉冲电压。
上述通过精密同步控制器控制电源，给微带线Mi和微带线Ni加电压，具体以采用以下较佳步骤
1).通过精密同步控制器控制电源中的正高压脉冲/直流电源，给微带线Ni中的第1～n列同时加直流电压；2).通过精密同步控制器4控制电源中的负高压脉冲/直流电源给微带线Mi中的第1～m行依次加ps级或ns级脉冲电压。
上述通过精密同步控制器控制电源，给微带线Mi和微带线Ni加电压，具体还可采用以下步骤1).通过精密同步控制器控制电源中的负高压脉冲/直流电源，给微带线Mi中第1～m行依次加ns或μs级脉冲电压；2).微带线Mi中的每一行加脉冲电压的同时，通过精密同步控制器控制电源中的正高压脉冲/直流电源，给微带线Ni中的第1～n列依次加ns级脉冲电压。
上述通过精密同步控制器控制电源，给微带线Mi和微带线Ni加电压，具体还可采用以下步骤1).通过精密同步控制器控制电源中的负高压脉冲/直流电源，给微带线Mi中第1～m行依次加μs或ms级脉冲电压；2).微带线Mi中的每一行加脉冲电压的同时，通过精密同步控制器控制电源中的正高压脉冲/直流电源，给微带线Ni中的第1～n列依次加μs级脉冲电压。
本发明具有以下优点1.采用两组微带线彼此相交的微通道板，通过控制电源可灵活选择选通脉冲、脉冲脉宽以及选通脉冲之间的时间间隔，进行光电子图像选通，可实现ps～μs级多时间分辨可见光图像的获取。
2.可根据具体需要，通过改变双微通道板的几何尺寸和形状，如，圆形、方形或其它平面形状，以及所镀制微带线的几何形状和数量，设计所需的图像幅数或图像尺寸。
3.采用级联双微通道板结构，既提高了增益，又减少了入射光、直穿光造成的背景噪声，提高了图像质量。
4.本发明可应用于惯性约束核聚变、激光等离子体产生、等离子体箍缩(Z-pinch)等众多X射线诊断领域，也可应用于紫外探测、可见光探测、红外探测等技术领域，其提供了一种ps～μs级多时间分辨、高增益的二维多分幅图像获取技术。
图1为本发明的原理示意图；图2为本发明双微通道板上两组微带线的投影及可曝光区域示意图；图3为本发明两组微带线形成的可曝光区域示意图。
附图标号说明1—双微通道板，11—输入侧微通道板，12—输出侧微通道板，13—接地电极面，14—接地电极面，2—荧光屏，3—光纤面板，41—负高压脉冲/直流电源，42—正高压脉冲/直流电源，43—负高压直流电源，44—精密同步控制器，5—可曝光区域。
具体实施例方式
双微通道板分幅变像管是分幅摄影系统的核心部分。本发明采用的双微通道板分幅变像管主要由Chevron型双微通道板1和制作在光纤面板3上的荧光屏2构成，参见附图1。控制单元主要由负高压脉冲/直流电源41、正高压脉冲/直流电源42、负高压直流电源43及精密同步控制器44构成。在输入侧微通道板11的输入面上镀制有平行的微带线Mi，既作光阴极又作电极。在输出侧微通道板12的输出面上镀制平行的微带线Ni，作电极。在输入侧微通道板11的整个输出面蒸镀有一层接地电极面13，输出侧微通道板12的整个输入面上蒸镀有一层接地电极面14。将接地电极面13和14紧贴在一起，并使输入侧微通道板11上的微带线Mi与输出侧微通道板12上的微带线Ni方向彼此相交重叠，形成可曝光区域5的区域。微带线Mi与微带线Ni相交重叠，其投影所形成的可曝光区域5参见图2。只有当微通道板11和微通道板12在正交重叠的某个区域处同时加有电压时，光电子图像才会在该区域被级联选通并增强，并在荧光屏2相应的位置上，获得一幅可见光图像，参见图3。其它不重叠的区域，或是重叠区域未同时加有电压时，在荧光屏2的相应位置上都不能获取到图像。
本发明设计原理以一个曝光区域M1N1为例，参见图2-3。首先假设输入侧微通道板的微带线上所加电脉冲为Vm(t)，输出侧微通道板的微带线上所加电脉冲为Vn(t)。Vn(t)是直流时，可视为是长脉冲的一种特殊情况。若假设Vm(t)和Vn(t)是高斯型脉冲，即Vm(t)=Vmpexp[-ln2(tTm)2]----(1)]]>
Vn(t)=Vnpexp[-ln2(tTn)2]----(2)]]>其中Vmp，Vnp和Tm，Tn分别是Vm(t)，Vn(t)的峰值和半高全宽(FWHM)值。Vn(t)相对Vm(t)的延迟时间Td为微通道板中电子最可几渡越时间Ttr。设Tm＝1ns，即电脉冲Vm(t)宽度远大于微通道板中电子最可几渡越时间Ttr，采用“能量正比假设”进行分析，微通道板的电子增益可表示为G=δn=(VnVc)k·n=G0·Vr----(3)]]>式中k和Vc是常量，取决于二次电子发射产额，δ为单级打拿级的电子增益。(3)式表示单块微通道板增益与工作电压的非线性关系，G0是初始增益，G0=(1nVc)r,]]>γ为非线性因子，γ＝k·n取决于微通道板的特性。参考(3)式，单块微通道板被电脉冲选通后，增益可表示为Gm(t)=G0[Vm(t)]r=G0·Vmpr·exp[-ln2(tTm)2]r=G0·Vmpr·exp[-ln2(1Tmr12)2]----(4)]]>Gn(t)=G0·Vnpr·exp[-ln2(tTnr12)2]----(5)]]>可以看出单块微通道板的增益的全高半宽(FWHM)是其电脉冲的全高半宽(FWHM)的 称之为“增益压窄效应”。
设两块微通道板的相对延迟时间Td＝Ttr，则，级联总增益Gmn(t)＝Gm(t)×Gn(t) (6)峰值总增益Gmn=G02·(Vmp·Vnp)r----(7)]]>全高半宽Tmn=TmTnr(Tm2+Tn2)----(8)]]>分析若取Tm＝Tn，在两块微通道板级联的非线性增益叠加下，可获得比单块微通道板短 倍的曝光时间，而且会减少X射线直穿光造成的背景噪声，提高了图像质量。
在直流增益模型下，微通道板中电子渡越时间的理论值可由式(9)计算Ttr=(2meV)12L21/2(LD)12----(9)]]>m，e分别是电子的质量和电量，选用参数为长度L＝0.5mm，孔径D＝12.5μm，长径比L/D＝40∶1的微通道板，理论计算其电子最可几渡越时间Ttr～250ps(V＝800V)。平均取参数k＝0.5，Vc＝21.8，n＝18.6。所以γ＝9.3，G0＝exp(-55.85)。
由于需要控制选通电脉冲之间的时间间隔，还需考虑电脉冲在微带线上的传输情况。取微带线的相对介电常数εr＝3.5(一般εr＝2.9～4.0)，电脉冲在微带线上的传播速度vp=cϵr=1.59×1011mm/s,]]>Φ56mm尺寸的微通道板上可镀制的微带线最长为51mm，估算电脉冲Vm(t)传输整条微带的时间约为310ps。若将微带按成像区域分成四块，可曝光区域是一个6mm×6mm方块，每一区域的脉冲传输时间为40ps，间隔为20ps。
根据以上理论设计分析，本发明主要包括以下步骤1).形成可曝光区域取两个制作有直条状、平行排布的微带线的微通道板，将其接地电极面13和14贴近设置，并使输入侧微通道板11上的微带线Mi和输出侧微通道板12上的微带线Ni在微通道板板面的投影相交，投影重叠区域对应的微带线Mi和微带线Ni上的区域形成可曝光区域5。
2).给微带线加电压通过精密同步控制器44控制电源，给输入侧微带线Mi和输出侧微带线Ni加电压。
3).产生光电子图像选通当输入侧微带线Mi和输出侧微带线Ni的可曝光区域5同时加有电压时，光电子图像被选通。
4).获得多幅可见光图像在与图像被选通的可曝光区域5相应的荧光屏2的区域上，获得多幅可见光图像；微带线Mi中的i＝1～m，微带线Ni中的i＝1～n；m与n可相等，亦可不等。
通过精密同步控制器44控制电源，给微带线Mi和微带线Ni加电压，可采用以下步骤1).通过精密同步控制器44控制电源中的负高压脉冲/直流电源41，给微带线Mi中第1～m行依次加脉冲电压。
2).微带线Mi中的每一行加脉冲电压的同时，通过精密同步控制器44控制电源中的正高压脉冲/直流电源42，给微带线Ni中的第1～n列依次加脉冲电压。
给微带线Mi中的第1～m行依次加脉冲电压的时间间隔可根据实际需要确定。当微带线Mi中行所加脉冲的宽度大于该脉冲传输整条微带线所需的时间时，微带线Ni中列依次加脉冲的时间间隔可根据实际需要确定；当微带线Mi中行所加脉冲的宽度小于该脉冲传输整条微带线所需的时间时，微带线Ni中列依次加脉冲的时间间隔由可曝光区域之间的间距和微带线Mi中该行脉冲的传输速度确定。
本发明通过精密同步控制器44控制电源，给微带线Mi和微带线Ni加电压，具体可采用以下实施例实施例1，通过精密同步控制器44控制电源中的负高压脉冲/直流电源41，给微带线Mi中第1～m行依次加ps或ns级脉冲电压；例如，加半高全宽(FWHM)为2ns、峰值电压为800V的电脉冲Vm(t)。同时，通过精密同步控制器44控制电源中的正高压脉冲/直流电源42，给微带线Ni中的第1～n列依次加ps级脉冲电压。例如，给输出侧微通道板12上的微带线Ni(i＝1～4)四条微带依次加峰值电压为800V、半高全宽为250ps的电脉冲。给微带线Mi行依次加脉冲的时间间隔可根据实际需要确定。改变Vni(t)的时间间隔，使它尽可能叠加在Vm1(t)的半高全宽区域内。微带线M1与微带线N1、N2、N3、N4重叠的区域将依次出现选通光电子图像。参见图2-3。四幅图像增益的最大值为2.0274×104，增益的最小值为1.4575×104。由于Vm1(t)和Vni(t)设为高斯型脉冲，作用在每个选通区域的是ns电脉冲的一部分，尽管增益已经足够大，但是仍会存在四个区域的图像增益不一致的现象。若输入Vm1(t)的脉宽较长，可以选择近方波型脉冲，则它们的图像增益将基本一致。微带线Mi和Ni若同时加ns电脉冲，那么多幅图像最终可以对μs时间范围的事件变化过程进行记录。可实现ps级时间分辨率，ns级曝光时间范围的高增益，多分幅的X射线诊断技术。
实施例2，通过正高压脉冲/直流电源42，给微带线Ni中的第1～n列同时加直流电压。直流可视为是脉宽宽于秒量级的电脉冲。例如，给微带线Ni(i＝1～4)列四条微带均加600V直流电压。通过的负高压脉冲/直流电源41给微带线Mi中的第1～m行依次加ps或ns级脉冲电压。例如，加半高全宽为250ps、峰值电压为800V的电脉冲Vm(t)。电脉冲Vm(t)传输整条微带的时间约为310ps，可曝光区域5是一个6mm×6mm方块，参见图2-3，每一区域的脉冲传输时间为40ps，间隔为20ps。据“增益压窄效应”，每一个区域可得到时间分辨率84ps，图像增益2.0×104的图像。对微带线Mi(i＝1～4)行依次加脉冲，可获得16幅图像。可实现ps级时间分辨率，ns级曝光时间范围的高增益，多分幅的X射线诊断技术。在微带线Mi行依次加脉冲的时间间隔可根据实际需要确定。由于在每一个曝光区域都作用了一个完整的ps电脉冲，所以每幅图像的增益一致。输出侧微通道板12主要起直流增益的作用。
实施例3，通过精密同步控制器44控制电源中的负高压脉冲/直流电源41，给微带线Mi中第1～m行依次加ns或μs级脉冲电压；同时，通过精密同步控制器44控制电源中的正高压脉冲/直流电源42，给微带线Ni中的第1～n列依次加ns级脉冲电压。可实现ns级时间分辨率，ns～μs级曝光时间范围的高增益、多分幅的X射线诊断技术。在微带线Mi行依次加脉冲的时间间隔可根据实际需要确定依次加Vni(t)的时间间隔，使它尽可能叠加在Vm1(t)的半高全宽区域内。
实施例4，通过精密同步控制器44控制电源中的负高压脉冲/直流电源41，给微带线Mi中第1～m行依次加μs或ms级脉冲电压。微带线Mi中的每一行加脉冲电压的同时，通过精密同步控制器44控制电源中的正高压脉冲/直流电源42，给微带线Ni中的第1～n列依次加μs级脉冲电压。可实现时间分辨率μs级的高增益、多分幅的X射线诊断技术。多幅图像可实现对μs甚至更长时间范围，如ms级事件变化过程的诊断。在微带线Mi行依次加脉冲的时间间隔可根据实际需要确定依次加Vni(t)的时间间隔，使它尽可能叠加在Vm1(t)的半高全宽区域内。
本发明通过精密同步控制器44控制电源，给微带线Mi和微带线Ni加电压的实施例还可通过下表示意出
本发明可采用开放式或阴极封装式等多种光阴极结构，光谱响应范围则可从极紫外到红外，以适用于更多场合。通过增大双微通道板1的尺寸或增加微带线数，可成倍增加画幅数。例如，若在Φ100mm尺寸的双微通道板1的平面上制作八条微带线，则相同双微通道板结构的相机可获得64幅图像。通过减少微带线数，也可制作少画幅，大尺寸的相机。通过增加双微通道板1的倍增级，如，在输入侧微通道板11和输出侧微通道板12之间增加微通道板数量，进行多级放大，可扩大增益范围。例如加一块0.5厚的微通道板，增益可提高103倍。薄的微通道板在一定程度上会降低增益范围，但可提高时间分辨的获取；厚的微通道板可提高增益范围，但会在一定程度上降低时间分辨。具体可根据相机使用的需要匹配选取。
权利要求
1.一种宽时间分辨分幅管的控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤1).形成可曝光区域取两个制作有直条状、平行排布的微带线的微通道板，将其接地电极面贴近设置，并使输入侧微通道板上的微带线Mi和输出侧微通道板上的微带线Ni在微通道板板面的投影相交，投影重叠区域对应的微带线Mi和微带线Ni上的区域形成可曝光区域；2).给微带线加电压通过精密同步控制器控制电源，给输入侧微带线Mi和输出侧微带线Ni加电压；3).光电子图像选通当输入侧微带线Mi和输出侧微带线Ni的可曝光区域同时加有电压时，光电子图像被选通；4).获得多幅可见光图像在与图像被选通的可曝光区域相应的荧光屏区域上，获得多幅可见光图像；所述微带线Mi中的i＝1～m，微带线Ni中的i＝1～n；所述的m与n相等或不等。
2.根据权利要求1所述的宽时间分辨分幅管的控制方法，其特征在于所述的通过精密同步控制器控制电源，给微带线Mi和微带线Ni加电压，包括以下步骤1).通过精密同步控制器控制电源中的负高压脉冲/直流电源，给微带线Mi中第1～m行依次加脉冲电压；2).给微带线Mi中的每一行加脉冲电压的同时，通过精密同步控制器控制电源中的正高压脉冲/直流电源，给微带线Ni中的第1～n列依次加脉冲电压。
3.根据权利要求1或2所述的宽时间分辨分幅管的控制方法，其特征在于所述的通过精密同步控制器控制电源，给微带线Mi和微带线Ni加电压，包括以下步骤1).通过精密同步控制器控制电源中的负高压脉冲/直流电源，给微带线Mi中第1～m行依次加ps级或ns级脉冲电压；2).给微带线Mi中的每一行加脉冲电压的同时，通过精密同步控制器控制电源中的正高压脉冲/直流电源，给微带线Ni中的第1～n列依次加ps级脉冲电压。
4.根据权利要求1或2所述的宽时间分辨分幅管的控制方法，其特征在于所述的通过精密同步控制器控制电源，给微带线Mi和微带线Ni加电压，包括以下步骤1).通过精密同步控制器控制电源中的正高压脉冲/直流电源，给微带线Ni中的第1～n列同时加直流电压；2).通过精密同步控制器控制电源中的负高压脉冲/直流电源，给微带线Mi中的第1～m行依次加ps级或ns级脉冲电压。
5.根据权利要求1或2所述的宽时间分辨分幅管的控制方法，其特征在于所述的通过精密同步控制器控制电源，给微带线Mi和微带线Ni加电压，包括以下步骤1).通过精密同步控制器控制电源中的负高压脉冲/直流电源，给微带线Mi中第1～m行依次加ns级或μs级脉冲电压；2).给微带线Mi中的每一行加脉冲电压的同时，通过精密同步控制器控制电源中的正高压脉冲/直流电源，给微带线Ni中的第1～n列依次加ns级脉冲电压。
6.根据权利要求1或2所述的宽时间分辨分幅管的控制方法，其特征在于所述的通过精密同步控制器控制电源，给微带线Mi和微带线Ni加电压，包括以下步骤1).通过精密同步控制器控制电源中的负高压脉冲/直流电源，给微带线Mi中第1～m行依次加μs级或ms级脉冲电压；2).给微带线Mi中的每一行加脉冲电压的同时，通过精密同步控制器控制电源中的正高压脉冲/直流电源，给微带线Ni中的第1～n列依次加μs级脉冲电压。
全文摘要
一种宽时间分辨分幅管的控制方法，其用两组微带线彼此相交的微通道板形成可曝光区域，通过控制电源选通脉冲、脉冲脉宽以及选通脉冲之间的时间间隔，进行光电子图像选通，可实现ps～μs级多时间分辨、高增益的二维多分幅图像的获取。本发明解决了背景技术在ns～μs级时间分辨下画幅数较少的技术问题，可应用于惯性约束核聚变、激光等离子体产生、等离子体箍缩(Z－pinch)等众多X射线诊断领域，也可应用于紫外探测、可见光探测、红外探测等技术领域。
文档编号G03B39/00GK1877445SQ20051004276
公开日2006年12月13日 申请日期2005年6月7日 优先权日2005年6月7日
发明者侯洵, 杨文正 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所