ICF用MCP选通软X射线皮秒分幅相机动态时空特性及新型多时间分辨诊断技术研究

【摘要】： 微通道板行波选通软X射线分幅相机(MCP-XFC)是一种新型超快诊断工具,它可以获取超快现象的高时间/空间分辨的两维图像,是集快速光电子、光学、真空技术与计算处理技术于一体的超快精密测量设备,是我国开展高能量密度物理学、惯性约束核聚变(ICF)、材料科学、光物理、光化学、超快光谱学与等离子物理学等方面研究的重要技术支撑,其测量数据是分析超快过程的重要依据。 本论文在总结国内外MCP-XFC技术发展的基础上,进行了MCP—XFC皮秒选通状态下的时空特性的理论和实验研究并为扩大其应用范围和发展而开展了新型多时间分辨的软X射线分幅摄影技术研究。 本文首先在MCP像管的静态电子渡越时间和电子倍增的理论模型的基础上建立了MCP像管皮秒脉冲选通状态下的动态工作理论模型,在此基础上,开展了微通道板行波皮秒选通软X射线分幅相机(MCP-XPFC)的动态时空特性研究。 在时间分辨特性研究方面,引入了均匀设计方法,建立了MCP-XPFC选通脉冲参数与时间分辨率之间的快速预估模型,在一定的实验参数范围内,此预估模型能够代替相机理论模型快速指导实验。 在空间分辨特性研究方面,本文研究了MCP-XPFC的动态空间分辨能力与屏压、近贴距离、皮秒选通脉冲的幅值与宽度等参数的关系;计算了常用参数下的MCP—XPFC的系统动态空间分辨率,讨论了提高相机动态空间分辨率的措施,提出了优化相机结构参数的方法。 为研究包括惯性约束、Z—Pinch和磁约束在内的反应快慢不相同的核聚变反应的动态过程,有必要发展一种时间分辨范围很宽的新型分幅相机。为此,本文设计并研制了一种新型开放式阴极微带正交式双MCP结构分幅相机原型,该机对于皮秒至微秒级的选通脉冲,均可获得目标的16幅高增益(G～10~8)两维图像。与单MCP—XPFC相比,双MCP既提高了增益又减少了X射线直穿光造成的背景噪声,提高了图像质量。我们从理论和实验两方面研究了通过控制级联选通脉冲的脉宽和时间间隔获得多时间分辨能力的方法。 在新型原理样机的理论和实验研究的基础上,探讨了双MCP双皮秒窄脉冲选通方式对系统时间分辨率的影响,从理论和实验两方面证明了当选通脉冲宽度和单MCP中电子平均渡越时间相当或更小时,通过改变正负两个选通脉冲间的时间间隔,在当前高压窄电脉冲产生技术的限制下,仍可以提高相机的时间分辨至45ps。 在单块薄的,小长/径比的MCP分幅相机上用窄脉冲选通,可以获得40ps时间分辨,通过在此单片MCP之后增加一块用于倍增的MCP,可以改善由于MCP薄而带来的直穿光严重、增益低、信噪比差的缺点。 总之,本文简要地从理论和实验两方面证明了,通过施加脉宽与薄MCP电子平均渡越时间相当的选通脉冲,可以将分幅相机60ps时间分辨缩短至45ps以内。 在本论文进行过程中,我们自行建立了一套超快诊断综合测试及强激光物理实验平台,包含多波长3TW飞秒钛宝石激光源、多功能高真空靶室、高速的图像信息获取设备以及红外、可见光、紫外、X射线变像管扫描相机和分幅相机等超快诊断设备,它不仅是一个可用于超快诊断设备静动态测试的飞秒级、高强度、涵盖红外至深紫外波段的超短光源,同时可以开展强激光和物质相互作用方面的研究工作。