一种超小型条纹变像管的制作方法

本实用新型涉及一种条纹变像管的结构设计。

背景技术：

条纹相机是一种基于扫描变像管的、具有高时间空间和光强度分辨能力的超快诊断仪器，可同时提供超快过程的一维空间、一维强度和一维时间等超快信息。

条纹相机激光雷达可实现3D多光谱荧光成像、3D偏振成像，融高的灰度等级(大于12位)和高的采样率于一体(1MHz～100GHz)，图像数据刷新率高，且与其它共焦面传感器获得的图像数据融合简单，因为不需要扫描光学系统更有利于雷达系统的小型化，而系统小型化技术和高可靠性正是决定雷达能否适用于太空的最为关键的技术。

激光三维成像雷达技术，特别是能够进行高帧频三维成像的非扫描式激光成像雷达，在航天、空间对抗与攻防、外星球探测和水下探测等领域有非常大的需求。

传统的激光成像技术采用扫描形式，其帧频较低，成像视角也较小，且扫描器的应用，不仅增大系统的体积，还降低了系统的可靠性和工作稳定性，这些缺点限制了扫描式的激光成像技术的应用。

基于条纹相机的激光雷达采用的是非扫描式(或闪烁成像)工作模式，不仅具有成像帧频高、宽视场、体积小和高可靠性等优点，还可以克服传统推扫雷达由于目标和探测器之间的相对运动而造成的成像畸变，适合对水下海床及沼泽开展海洋矿产探测，也适用于海军先进两栖登陆舰对障碍物的规避等。条纹管成像激光雷达(STIL-streak tube imaging lidar)得到的距离信息是由条纹管时间分辨率决定的，不易受到散射等效应的影响，所以在水下探测时，条纹管成像激光雷达比传统探测器有更好的识别目标能力。

应用于海洋探测的非扫描式激光雷达应具有较大的探测范围，即激光雷达要求具有较大的成像视角(field of view)；应用于航天和空间探测的激光雷达要求体积小、重量轻、可靠性高和抗干扰能力强等。

目前，在条纹变像管超小型和大探测面积方面，俄罗斯研制出了超小型条纹管，N.V.Ageeva,S.V.Andreev et al,"small-size meshless 50ps streak tube".SPIE.7126,2009,71260A-1，采用的是无栅网结构，聚焦系统由筒状预聚焦电极和聚焦电极组成。其长度为100mm，时间分辨率在50ps以内，在球面阴极的范围内，空间分辨率达到30lp/mm，其结构如图1所示，该条纹变像管主要由玻壳及固定在玻壳内的光电球面阴极、聚焦系统、偏转系统和加速系统组成。光电球面阴极实现被测光束的光电转换；聚焦系统由预聚焦电极和聚焦极两个筒状聚焦电极组成，实现对电子束的加速和垂直轴向方向的调制；偏转系统通过所加电压实现被测目标时间信息向空间信息转换；加速系统对包含被测目标信息的电子进行轴向加速。

技术实现要素：

为进一步减小条纹变像管的体积、提升球面阴极的有效探测面积、改善球面阴极均匀性，降低制作工艺复杂度，本实用新型提供了一种超小型大探测面积的超小型条纹变像管。

本实用新型的技术解决方案如下：

本实用新型所提供的超小型条纹变像管，包括球面阴极、预聚焦电极、聚焦电极、阳极、偏转板及球面荧光屏，其特殊之处在于：

所述球面阴极、预聚焦电极、聚焦电极、阳极中依次相邻的两个电极之间通过陶瓷壳连接，两个电极之间陶瓷壳的宽度依据两个电极之间的设定间距而定。

上述偏转板为一对上下倾斜放置的梯形偏转板，所述梯形偏转板靠近球面阴极的一端为小端。

上所述球面荧光屏的曲率半径大于球面阴极曲率半径。

本实用新型与现有技术相比，优点是：

1、形状及位置精度好、体积小、重量轻。本实用新型利用陶瓷材料与电极系统封接后一体加工，从而保证该小型条纹变像管零件及整体的形状精度与空间位置精度，而且相对与整体的玻壳结构的变像管具有更小的体积及重量。

2、图像畸变小，有效面积大、分辨率高。本实用新型的球面阴极和荧光屏采用不同曲率的球面，球面结构减小了成像的误差，同时也就使得阴极有效探测面积增大；同时，本实用新型光电球面阴极与荧光屏采用不同曲率的球面结构，边缘空间分辨率高。

3、偏转灵敏度一致性好。本实用新型一对梯形偏转板倾斜放置，由于梯形偏转板后端宽度增加，电子运行中不会受到偏转板边缘场效应的影响，偏转灵敏度一致性更好。

4、可靠性好。本实用新型转移光电球面阴极制作技术及热铟封技术进行该条纹管的制作，降低条纹管暗电流，提高光球面阴极均匀性，改善条纹管可靠性。

5、价值高。本实用新型的条纹变像管具有较高的空间分辨率和较大的探测面积使其适用于多个领域。本实用新型所提供的条纹变像管制作成本低，性能优良，具有很高的商业应用价值。

附图说明

图1俄罗斯研制的超小型条纹管的结构图；

图2超小型条纹变像管结构示意图；

图3为偏转板结构；

图4离轴不同距离的点处发射的电子束的扫描方向空间调制传递函数；

图5间隔为30ps的电子脉冲扫描结果，其中(a)为荧光屏上电子脉冲的束斑分布；(b)为子午方向电子几率分布曲线。

图中：1-球面阴极、2-陶瓷壳1、3-预聚焦电极、4-陶瓷壳2、5-聚焦电极、6-陶瓷壳3、7-梯形偏转板、8-阳极、9-荧光屏。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做详细说明。

本实用新型条纹变像管的具体工作过程为：光球面阴极在外界瞬态光信号的辐照下，发射光电子脉冲。此过程是瞬间完成的，电子脉冲宽度与入射光信号相同，电子脉冲强度信息与入射光信号成比例关系。预聚焦电极、聚焦电极、梯形偏转板和阳极构成复合聚焦-偏转系统，将此光电子脉冲聚焦在最佳像面处的荧光屏平面不同位置上形成空间偏转扫描条纹像，实现待测光信号时间信息至空间信息的映射。

本实用新型的结构如图2所示，超小型条纹变像管，包括球面阴极1、预聚焦电极3、聚焦电极5、阳极8、偏转板7及球面荧光屏9，球面阴极1与预聚焦电极3直接通过第一陶瓷壳2固定连接，预聚焦电极3与聚焦电极5之间通过第二陶瓷壳4固定连接，聚焦电极5与阳极8之间通过第三陶瓷壳4固定连接，两个电极之间陶瓷壳的宽度依据两个电极之间的设定间距而定；偏转板为一对上下倾斜放置的梯形偏转板；预聚焦电极与聚焦极为筒状静电聚焦电极；球面荧光屏的曲率半径大于球面阴极曲率半径。

基于本实用新型的基本结构，在进行具体的结构参数确定时需要理论结合实验共同完成设计。

首先采用电子光学设计软件，结合电磁场计算方法(有限积分法)计算系统电磁场分布，尤其在物理量变化剧烈区域，提高网格密度，使数值计算结果尽可能准确地代表条纹变像管实际电磁场分布。其次估算系统最佳像面的位置，也即荧光屏平面所在的位置。最佳像面的定义为：从光球面阴极轴上以仰角发射的电子，在聚焦透镜作用下与系统对称轴交点所在的横向平面即为最佳像面。再次，计算系统的时间分辨率及空间分辨率等参数。这要求给出光球面阴极发射光电子的抽样，根据求出的系统复合聚焦-偏转场分布，进行电子轨迹追踪。从光电球面阴极上发射出来的光电子，其初始能量、方位角、仰角及初始位置都满足一定的统计分布。光电子的初始位置分布可以是均匀分布(均匀光照射时)或近于高斯分布(激光近距离照射)，光电子初能量一般认为服从β分布，初始倾角服从余弦分布。当给定光电子的初能量、初位置以及初始倾斜角分布后，可以利用Monte-Carlo方法进行抽样。根据概率论中的大数定理，只有当抽样次数达到无穷大的时候，抽样分布才能接近实际分布，而实际又很难做到抽样次数达到无穷大，因此Monte-Carlo抽样结果是否可靠，必须得到验证。跟踪电子轨迹的计算是基于以下假设：(1)光电子的初能量满足在(0～0.6eV)上的β(1,4)分布，该分布的Monte-Carlo抽样采用直接抽样法；(2)电子的初位置满足均匀分布；(3)电子发射仰角服从(0～90°)范围的余弦分布，方位角服从(0～2π)范围内的均匀分布。最后，在条纹变像管的结构优化设计中，采用正交试验设计法，合理选择试验因素和试验指标使得所选试验组合具有代表性，分析各个部件对系统性能的影响。由于条纹变像管对其电极部件的几何尺寸及装配精度要求很高，而在实际的加工、装配过程中误差不可避免，使得条纹变像管实测性能往往低于理论设计很多。考虑到该情况，在电子光学设计中我们将首次详细考查各电极部件的加工、装配误差对成像性能的影响，筛选出对变像管性能影响显著的电极部件，并通过结构的优化设计尽量提高其误差容限，使其在可实现的范围内。

通过上述理论优化模拟研究，得到超小型条纹变像管的最优结构、电气参数，以此为指导，进行超小型条纹变像管各部件的加工、装配和调试。

在动态时间分辨率估算方面，通过从球面阴极表面发射具有一定时间间隔(30ps)的窄电子脉冲序列(脉宽5ps)来计算条纹管的动态时间分辨率。给偏转板施加时变扫描电压，扫描速度为v＝0.3×10⁸m/s，选择合适的扫描工作点，使得当电子束进入偏转板的时刻，扫描电压处在线性部分。图5(a)、(b)所示分别为相邻电子脉冲经过偏转板扫描后在荧光屏上的束斑分布和子午方向(即扫描方向)上电子分布曲线。从图5(a)中可以看出间隔为30ps的相邻电子束到达荧光屏时有部分交叠，不过图5(b)显示电子在子午方向上的几率分布曲线的谷底位置对应的分布几率小于瑞利判据所要求的0.7，所以，条纹管可以区分间隔为30ps的电子脉冲，即条纹管动态时间分辨率优于30ps。