一种基于微通道板选通技术的飞行时间测量系统的制作方法

本发明涉及电子光学系统中飞行时间测量领域，更具体地说，涉及一种基于微通道板选通技术的飞行时间测量系统。

背景技术：

在电子光学系统中，飞行时间(timeofflight,tof)是一个十分重要的物理量，通过tof可以获得电子或其他粒子的速度及能量，因而可以利用tof来区分或选择具有不同参数(能量、动量或质量等)的粒子，如飞行时间质谱仪、电子能谱仪等。1946年,westephens首次提出利用飞行时间，原理制作质谱仪。1948年，cameronae等人研制成功第一台飞行时间质谱仪样机，此后飞行时间质谱仪成为研究的热点。随着研究的深入，质谱仪性能不断提高，使其广泛应用于材料科学、生物医学、地球科学、环境科学、分析化学、微电子学等领域。此外，在激光与等离子体相互作用、同步辐射等高能物理研究领域，飞行时间或电子能谱也是一个重要的研究对象。而现有飞行时间系统的时间分辨率不高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述现有飞行时间系统的时间分辨率不高的缺陷，提供一种基于微通道板选通技术的飞行时间测量系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于微通道板选通技术的飞行时间测量系统，包括激光器、半反半透镜m2、第一光电探测器pin1、示波器、第二光电探测器pin2、脉冲发生器、微通道板选通装置，其中，

所述激光器发射的第一光信号通过所述半反半透镜m2的反射传输至所述第一光电探测器pin1的输入端；所述第一光电探测器pin1的输出端连接所述示波器的输入端，所述第一光电探测器pin1输出第一电信号至所述示波器，所述示波器检测所述第一电信号的第一电脉冲时间；

所述激光器发射的第二光信号输入所述第二光电探测器pin2的输入端；所述第二光电探测器pin2的输出端连接所述脉冲发生器的输入端，所述第二光电探测器pin2输出第二电信号至所述脉冲发射器；所述脉冲发射器的输出端连接所述示波器，并发射第一选通脉冲至所述示波器，所述示波器测量所述第一选通脉冲的第二电脉冲时间；

所述微通道板选通装置包括光电阴极、阳极栅网、磁透镜、微通道板、微带传输线、荧光屏，其中，所述微带传输线设置在所述微通道板上，所述光电阴极、阳极栅网、磁透镜、微通道板、以及荧光屏依次顺序排列，所述阳极栅网与微通道板间隔预设飞行距离；

所述第一光信号通过所述半反半透镜m2的透射传输至所述光电阴极，并产生光电子，所述光电子经过所述光电阴极和阳极栅网加速后射向所述微通道板；所述脉冲发生器连接所述微通道板，并发射第二选通脉冲至所述微通道板；通过调节，使所述光电子和第二选通脉冲同步到达所述微带传输线，所述光电子被所述微通道板选通并增益，倍增后的所述光电子轰击所述荧光屏产生可见光动态图，则所述第一电脉冲时间和第二电脉冲时间之差即为所述光电子的飞行时间。

优选地，本发明所述的基于微通道板选通技术的飞行时间测量系统，所述第二光电探测器pin2的输出端通过延时电路连接所述脉冲发生器的输入端，所述延时电路用于调节所述第二电信号的时延，使所述光电子和第二选通脉冲同步到达所述微带传输线。

优选地，本发明所述的基于微通道板选通技术的飞行时间测量系统，所述第一光信号通过所述半反半透镜m2的透射传输至透镜组，经所述透镜组成像在所述光电阴极，产生所述光电子；

所述透镜组包括第一透镜l1和第二透镜l2。

优选地，本发明所述的基于微通道板选通技术的飞行时间测量系统，所述第一光信号通过光纤传光束传输至所述半反半透镜m2；

所述光纤传光束包括30根紧密排列，输入端为圆形，输出端为矩形的多模光纤，30根所述多模光纤排列为3行，每行10根；

30根所述多模光纤的长度依次增大。

优选地，本发明所述的基于微通道板选通技术的飞行时间测量系统，所述第一光信号通过第一反射镜m1反射至所述半反半透镜m2；和/或

所述第二光信号通过第二反射镜m3反射至所述第二光电探测器pin2的输入端。

优选地，本发明所述的基于微通道板选通技术的飞行时间测量系统，所述第一光信号通过所述半反半透镜m2的反射光到达所述第一光电探测器pin1的距离等于所述第一光信号通过所述半反半透镜m2的透射光到达所述光电阴极的距离。

优选地，本发明所述的基于微通道板选通技术的飞行时间测量系统，还包括设置在所述荧光屏发光侧、用于采集所述荧光屏产生的可见光图像的ccd摄像模块，所述ccd摄像模块采集到动态图像时，所述光电子和第二选通脉冲同步到达所述微带传输线。

优选地，本发明所述的基于微通道板选通技术的飞行时间测量系统，所述第一光信号的波长为266nm，宽度为130fs，强度为0.1mj；

所述第二光信号的波长为800nm；所述预设飞行距离为50cm。

优选地，本发明所述的基于微通道板选通技术的飞行时间测量系统，所述光电阴极有3条，每条所述光电阴极的厚度为80nm，宽度为8mm，相邻所述光电阴极的间隔为2.8mm；所述光电阴极与所述阳极栅网的间距为1.8mm；

所述微带传输线有3条，每条所述微带传输线的宽度为8mm，相邻两条所述微带传输线的间距2.8mm；所述微通道板的厚度为0.5mm，外径56mm，通道直径12μm，相邻两通道间距14μm；

所述荧光屏与微通道板的距离0.5mm；

所述磁透镜呈圆环状，包括1200匝铜线圈及软铁，所述磁透镜的内径为160mm，外径为256mm，厚度为100mm，内侧有一宽度为4mm的圆环狭缝，产生的磁场通过所述圆环狭缝传输至漂移区，使得光电阴极产生的光电子成像在所述微通道板上。

优选地，本发明所述的基于微通道板选通技术的飞行时间测量系统，光电子经过栅网时速度v为：

其中，e为光电子电荷量，u为所述光电阴极的电压，m为光电子质量；

所述光电阴极和阳极栅网间光电子飞行时间t1为：

其中，l1为所述光电阴极和阳极栅网间距离；

光电子到达所述微通道板时的速度v′为：

其中，u′为所述微通道板的直流偏置电压；

所述阳极栅网和微通道板间光电子飞行时间t2为：

其中，l2为所述阳极栅网和微通道板间距离，光电子从所述光电阴极至所述微通道板的飞行时t为：

t＝t1+t2。

实施本发明的一种基于微通道板选通技术的飞行时间测量系统，具有以下有益效果：该系统包括光电阴极、阳极栅网、磁透镜、微通道板、微带传输线、荧光屏、ccd摄像模块、延时电路等，延时电路调节第二电信号的时延，使光电子和第二选通脉冲同步到达微带传输线；ccd摄像模块采集到动态图像时，光电子和第二选通脉冲同步到达微带传输线。光电子被微通道板选通并增益，倍增后的光电子轰击荧光屏产生可见光动态图，则第一电脉冲时间和第二电脉冲时间之差即为光电子的飞行时间。通过实施本发明，通过微通道板选通技术测量电子飞行时间，提高时间分辨率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一种基于微通道板选通技术的飞行时间测量系统的结构示意图；

图2是本发明微通道板选通装置的结构示意图；

图3是本发明光纤传光束的结构示意图；

图4是本发明电子飞行时间测量结果图；

图5是本发明中电子飞行时间与能量关系图；

图6为本发明光纤静态图像；

图7为本发明光纤动态图像；

图8为本发明时间分辨率测量结果图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明利用微通道板(microchannleplate,mcp)选通技术对电子的飞行时间进行测量,该技术目前主要应用于x射线分幅相机。1986年，m.j.eckart提出把微带线直接镀在mcp的输入面，mcp输出面镀电极，使得mcp的两个端面形成微带传输线结构。在mcp输入面的微带线上加载时间宽度很窄的选通脉冲，当被探测的信号没有同步上选通脉冲时，该信号将被mcp吸收，没有图像输出。反之，信号产生的光电子将被mcp选通、增益，然后通过荧光屏将倍增后的电子图像转换成可见光图像。由于选通脉冲的时间宽度很窄，一般为几百ps，因而，mcp选通技术可以获得很高的系统时间分辨率。

图1是本发明一种基于微通道板选通技术的飞行时间测量系统的结构示意图。

具体的，该基于微通道板选通技术的飞行时间测量系统包括激光器、半反半透镜m2、第一光电探测器pin1、示波器、第二光电探测器pin2、脉冲发生器、微通道板选通装置，其中，

激光器发射的第一光信号通过半反半透镜m2的反射传输至第一光电探测器pin1的输入端；第一光电探测器pin1的输出端连接示波器的输入端，第一光电探测器pin1输出第一电信号至示波器，示波器检测第一电信号的第一电脉冲时间。

激光器发射的第二光信号输入第二光电探测器pin2的输入端；第二光电探测器pin2的输出端连接脉冲发生器的输入端，第二光电探测器pin2输出第二电信号至脉冲发射器。脉冲发射器的输出端连接示波器，并发射第一选通脉冲至示波器，示波器测量第一选通脉冲的第二电脉冲时间。

参考图2，图2是本发明微通道板选通装置的结构示意图。

具体的，微通道板选通装置包括光电阴极、阳极栅网、磁透镜、微通道板、微带传输线、荧光屏，其中，微带传输线设置在微通道板上，光电阴极、阳极栅网、磁透镜、微通道板、以及荧光屏依次顺序排列，且在一条轴线上，使得光电子经加速后可撞击到微通道板。阳极栅网与微通道板间隔预设飞行距离，即电子漂移区。优选地，第一光信号通过半反半透镜m2的反射光到达第一光电探测器pin1的距离等于第一光信号通过半反半透镜m2的透射光到达光电阴极的距离，则第一光电探测器pin1产生电脉冲的时间与光电子的产生时间几乎一致。

第一光信号通过半反半透镜m2的透射传输至光电阴极，并产生光电子，光电子经过光电阴极和阳极栅网加速后射向微通道板，光电阴极上加载负直流高压，阳极栅网接地，光电阴极与阳极栅网形成电场，为光电子加速，使光电子获得能量。脉冲发生器连接微通道板，并发射第二选通脉冲至微通道板。光电子通过电子漂移区，经磁透镜成像在微通道板的微带传输线上。第二选通脉冲沿微带传输线传输，当光电子与第二选通脉冲不是同步到达微通道板时，该光电子会被微通道板吸收，微通道板无信号输出。通过调节，使光电子和第二选通脉冲同步到达微带传输线，光电子被微通道板选通并增益，倍增后的光电子轰击荧光屏产生可见光动态图。此时，通过示波器采集的第一电脉冲时间和第二电脉冲时间之差即为光电子飞行时间。

进一步，脉冲发生器由斜坡脉冲电路和脉冲成形电路两部分组成，将多只雪崩三极管接成marx脉冲发生器及雪崩管串组合形式，三极管安装在具有50ω传输线结构的信号传输路径上，供电后电路处于高电压小电流状态。当有触发信号时，触发信号经变压器放大触发其中某只三极管，然后该三极管雪崩导通，电路立即转变为大电流低电压状态，电流流过整个线路并增大，当电流增大到一定程度时，三极管被二次击穿，产生具有皮秒量级上升沿的超快高压斜坡脉冲。该斜坡脉冲经一限流电感传输至雪崩二极管，作为驱动脉冲并使二极管反向加压，当输入斜坡脉冲到达一定幅值时，二极管被雪崩击穿，随之产生一极快的电压下降沿，经过输出电容耦合微分，然后再经电感与电容组成的高通滤波器对微分成形的脉冲再次滤波，从而输出宽度很窄的选通脉冲。

作为选择，第二光电探测器pin2的输出端通过延时电路连接脉冲发生器的输入端，延时电路用于调节第二电信号的时延，使光电子和第二选通脉冲同步到达微带传输线。

作为选择，第一光信号通过半反半透镜m2的透射传输至透镜组，经透镜组成像在光电阴极，产生光电子。优选地，透镜组包括第一透镜l1和第二透镜l2。

图3是本发明光纤传光束的结构示意图。

一些实施例中，第一光信号通过光纤传光束传输至半反半透镜m2；光纤传光束包括30根紧密排列，输入端为圆形，输出端为矩形的多模光纤，30根多模光纤排列为3行，每行10根；30根多模光纤的长度依次增大。优选地，如图3所示，编号为1的光纤长度最短，往后编号每增加1，光纤长度增加2mm，使得紫外光在光纤中的传输时间增加10ps，从而获得输出时间按10ps均匀递增的30个光点。第一光信号通过光纤传光束后形成相邻时间间隔为10ps的30个光点。可以理解，光纤传光束中多模光纤的数量及光纤长度增加值可根据需要设置，本发明的实施方式并不用于限定。

进一步，30个光点经半反半透镜m2后分成两路，其中一路送入第一光电探测器pin1产生电脉冲信号，将该电脉冲送入示波器；优选地，示波器为高速示波器。另一路经第一透镜l1、第二透镜l2成像至光电阴极产生光电子，光电子被光电阴极和阳极栅网间电场加速后向微通道板运动。半反半透镜m2到第一光电探测器pin1的距离和到光电阴极的距离相同，则第一光电探测器pin1产生电脉冲的时间与光电阴极产生光电子的时间几乎一致。激光器选用飞秒激光器，飞秒激光器输出的另一波长为800nm的光信号经延时后送入第二光电探测器pin2产生触发信号，触发脉冲发生器产生选通脉冲，包括第一选通脉冲和第二选通脉冲。调节延时电路延时，使得光电子与第二选通脉冲同步到达微通道板的微带传输线，光电子将被微通道板选通并增益，倍增后的电子轰击荧光屏产生可见光动态图像，用ccd摄像模块观测采集该动态图像。因此，当ccd摄像模块观测到动态图像时，光电子和第二选通脉冲到达微通道板的微带传输线的时间同步。又因第一选通脉冲和第二选通脉冲的时间一样，将第一选通脉冲输入到高速示波器。在示波器上测量第一光电探测器pin1产生的电脉冲时间(即光电阴极产生光电子的时间)和第一选通脉冲的时间(即第二选通脉冲到达微通道板的微带传输线的时间，也就是光电子到达微通道板的微带传输线的时间)，这两者的时间差即是光电子从光电阴极到微通道板的飞行时间。

作为选择，在实际搭建系统过程中，如果第一光信号不能直接传输至半反半透镜m2，则设置第一反射镜m1，第一光信号通过第一反射镜m1反射至半反半透镜m2。

作为选择，在实际搭建系统过程中，如果第二光信号不能直接传输至第二光电探测器pin2，则设置第二反射镜m3，第二光信号通过第二反射镜m3反射至第二光电探测器pin2的输入端。

优选地，本发明的基于微通道板选通技术的飞行时间测量系统还包括设置在荧光屏发光侧、用于采集荧光屏产生的可见光图像的ccd摄像模块，ccd摄像模块采集到动态图像时，光电子和第二选通脉冲同步到达微带传输线。

优选地，第一光信号的波长为266nm，宽度为130fs，强度为0.1mj；第二光信号的波长为800nm；预设飞行距离为50cm。

优选地，光电阴极有3条，且材料为金属，优选地，材料为金。每条光电阴极的厚度为80nm，宽度为8mm，相邻光电阴极的间隔为2.8mm；光电阴极与阳极栅网的间距为1.8mm；微带传输线有3条，每条微带传输线的宽度为8mm，相邻两条微带传输线的间距2.8mm；微通道板的厚度为0.5mm，外径56mm，通道直径12μm，相邻两通道间距14μm。

优选地，荧光屏与微通道板的距离0.5mm。

优选地，磁透镜呈圆环状，包括1200匝铜线圈及软铁，磁透镜的内径为160mm，外径为256mm，厚度为100mm，内侧有一宽度为4mm的圆环狭缝，产生的磁场通过圆环狭缝传输至漂移区，使得光电阴极产生的光电子成像在微通道板上。

优选地，当光电阴极的电压为-3.5kv，微通道板的加载幅值为-1.6kv，半高宽(fullwidthathalfmaxima,fwhm)为200ps第二选通脉冲和-400v直流偏置电压。荧光屏电压为3.4kv时，ccd摄像模块观测到动态图像，即光电子和第二选通脉冲同步到达微通道板，此时示波器上获得的脉冲波形如图4所示，图4是本发明电子飞行时间测量结果图。由图4可得，第一光电探测器pin1的电信号和第一选通脉冲的时间差为15ns，即能量为3.5kev的电子从光电阴极到微通道板的飞行时间约为15ns。

具体的，由于只有当光电子到达微通道板的时刻，第二选通脉冲才传输至微通道板，故可以忽略选通脉冲对电子飞行时间的影响。当考虑微通道板所加的-400v直流偏置电压对电子飞行时间的影响时，电子飞行时间可以简单计算如下：

光电子经过栅网时速度v为：

其中，e为光电子电荷量，u为光电阴极的电压，m为光电子质量；

光电阴极和阳极栅网间光电子飞行时间t1为：

其中，l1为光电阴极和阳极栅网间距离；

光电子到达微通道板时的速度v′为：

其中，u′为微通道板的直流偏置电压；

阳极栅网和微通道板间光电子飞行时间t2为：

其中，l2为阳极栅网和微通道板间距离，光电子从光电阴极至微通道板的飞行时t为：

t＝t1+t2。

改变光电阴极的电压，获得的电子飞行时间与电子到达栅网时的能量之间的关系如图5所示，图5是本发明中电子飞行时间与能量关系图。由图5可得，电子能量越大，电子飞行时间越小，理论结果和实验结果比较一致。

当光电阴极电压为-3.5kv，微通道板仅加载-600v的直流电压时，光纤的静态图像如图6所示，图6为本发明光纤静态图像。当光电阴极电压为-3.5kv，微通道板加载选通脉冲和-400v直流偏置电压时，光纤的动态图像如图7所示，图7为本发明光纤动态图像。将动态图像用静态图像进行归一化处理，然后将归一化后动态像的光强-空间分布转换成光强-时间分布，再对实验数据进行高斯拟合，即可获得动态像的强度-时间分布曲线，该曲线的fwhm为系统的时间分辨率。

参考图8，图8为本发明时间分辨率测量结果图。图8中高斯拟合曲线的fwhm为88ps，即系统的时间分辨率为88ps。系统时间分辨率与微通道板厚度、微通道板选通脉冲密切相关，减小微通道板厚度可以提高时间分辨率。此外，减小选通脉冲fwhm或增大选通脉冲幅值也能提高系统时间分辨率。因而，优化上述参数可以使系统获得更高的时间分辨率。

通过实施本发明，通过微通道板选通技术测量电子飞行时间，提高时间分辨率。

以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。