X射线飞秒条纹变像管设计与性能提高研究

发布时间：2017-05-22 12:14

  本文关键词：X射线飞秒条纹变像管设计与性能提高研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：条纹相机是高时间分辨率的诊断工具,在惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)等超快过程研究中有重要作用。激光快点火ICF研究中需要研究聚变瞬间所释放的X射线辐射的时空信息,受此需求研究X射线飞秒条纹相机。虽然X射线飞秒条纹相机有很多前期研究工作和进展,但是在飞秒时间分辨率下,还存在动态范围太小的缺陷。条纹变像管是条纹相机的核心器件,本文研制了能提供一定动态范围具有实用价值的X射线飞秒条纹变像管。另一方面研究提高X射线条纹相机时空分辨率、动态范围等主要指标,继续改进X射线条纹变像管的设计,研究提高条纹相机性能的途径和方法。本论文在总结国内外条纹相机发展的基础上,进行了X射线飞秒条纹变像管设计和性能提高的研究,完成的主要工作包括以下几个方面:1.研究了X射线条纹变像管实现飞秒时间分辨率的方法。用参数介绍-提高方法-技术分析的逻辑顺序进行阐述和分析时间分辨率。引入了评价条纹变像管时空性能的方法:时间和空间调制传递函数,简介该函数的物理意义、计算方法和使用优点。介绍条纹变像管计算动态范围的两种方法。最后提出了实现X射线飞秒条纹相机的方法和关键技术,使用平面聚焦系统,减小空间电荷效应,提高轴上电位分布,减小聚焦区管长。2.使用Matlab编程设计和模拟平面聚焦X射线飞秒条纹变像管。首先根据系统中的电极分布和电压值使用有限差分法,高斯-赛德尔的超松弛迭代法加快收敛速度,得到管内电场分布。计算管内电子飞行轨迹时,使用Monte Carlo方法抽样电子初始状态:能量、方向角、方位角、发射区域、时间分布;使用四阶龙格-库塔法计算电子轨迹,其中用拉格朗日插值电子落点电场值。电子的发射和飞行全程考虑了空间电荷效应。3.X射线条纹变像管的模拟设计结果。首先对现存阴极附近时间弥散不一样的评价公式,确定了紫外和X射线波段入射光电阴极时,为光电子六种初始能量分布的时间弥散计算了精确值,其中对Henke模型使用了一种较为快速的抽样方法。分析了光电子发射电流密度、加速电场和时间弥散的关系。模拟得到电子脉冲在加速区轴向速度的线性啁啾,以及能量弥散变化和在自由区不相同。模拟得出平面聚焦X射线飞秒条纹变像管的极限时空分辨率为392fs、28.5lp/mm,动态范围为66。4.为提高平板结构X射线飞秒条纹相机性能,设计了一种加速结构。该结构具有加速栅网和加速狭缝通道。考虑实际ICF实验中X射线入射CsI光阴极,光电子能量弥散较大和空间电荷效应作用情况下,用Monte Carlo方法研究了电子在采用该加速结构条纹变像管中的飞行轨迹。结果显示具有该加速结构的飞秒条纹相机空间分辨率为21lp/mm、时间分辨能力497fs,对比传统平板结构条纹相机,分别提高了90%和29%左右。该结构简单,具有一定实用性。5.后加速技术是我们提高X射线条纹相机性能的重要技术,本文做了详细研究。从后加速系统中的电子光学、最小可探测光子密度、栅网莫尔条纹以及电子和栅网的碰撞四个方面研究了后加速技术作用。得出后加速系统的引入既可以保证大的偏转灵敏度又充分利用了荧光屏量子效率,还有利于提高相机动态范围。研究了后加速系统中栅网对等位区电场的扰动,对后加速系统中栅网的选择提供了参考;分析了条纹相机中对空间成像不利的莫尔条纹,并研究了降低莫尔条纹影响的方法。6.实验平台的建立和实验测试。研制出了X射线飞秒条纹变像管;在静态和动态工作模式下,搭建、测试并标定了相机系统;在钛宝石飞秒激光器266nm紫外光激发下,测试条纹相机结果为时间分辨率780fs,极限动态范围96.3,工程动态范围18.2,具有一定实用性。为后加速系统制作了高性能荧光屏和分划板式阴极。测试了使用后加速系统的皮秒轴对称条纹相机,荧光屏中间区域达到了15lp/mm,边缘达到了10lp/mm,工程动态范围2412的性能指标,是以往国内条纹相机最高动态范围的两倍多。在相机条纹图像分析中使用了LLNL实验室使用的峰值取样法,得到条纹相机的空间MTF曲线。本论文研究工作的主要创新点有:1.用Monte Carlo方法研究紫外和X射线入射光电阴极时,给出了光电子六种初能分布下较为精确的时间弥散值,其中对Henke模型提供了一种较为快速抽样方法。2.在研究电子阴栅之间飞行状态时,得到电子在加速区的速度啁啾、能量弥散和在等位区不同,并给出了理论解释。3.对传统平板结构飞秒条纹变像管提出了改进,设计了一种加速结构,计算和模拟显示具有这种结构的X射线条纹相机时空性能有所提高。4.引入了后加速技术提高X射线条纹相机动态范围。从后加速系统中的栅网对电位扰动、最小可探测光子密度、栅网莫尔条纹以及电子和栅网的碰撞四个方面研究和分析了后加速技术。在实验中验证了后加速系统的价值,提高轴对称X射线皮秒条纹相机工程动态范围2412,这是以往国内有报道最高值的两倍多。
【关键词】：超快诊断 条纹相机 Monte Carlo模拟 动态范围 后加速
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O434.1;TB852.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 绪论15-32
• 1.1 高速摄影技术15-16
• 1.2 惯性约束聚变16-23
• 1.2.1 惯性约束聚变概述16-19
• 1.2.2 激光惯性约束聚变发展19-21
• 1.2.3 惯性约束聚变诊断技术21-23
• 1.3 X射线条纹相机工作原理23-24
• 1.4 条纹相机的发展24-28
• 1.4.1 条纹相机的国外发展24-26
• 1.4.2 国内发展26-28
• 1.5 本文研究的提出28-29
• 1.6 本文研究内容和创新点29-32
• 1.6.1 本文的主要研究内容29-30
• 1.6.2 本文主要创新点简介30-32
• 第2章 X射线飞秒条纹相机设计方法与评价32-48
• 2.1 X射线飞秒条纹变像管设计方法32-33
• 2.2 时间特性33-35
• 2.2.1 渡越时间33-34
• 2.2.2 时间畸变34
• 2.2.3 时间弥散34-35
• 2.3 时间分辨率35-36
• 2.4 空间分辨率36-37
• 2.5 调制传递函数37-41
• 2.5.1 调制传递函数的意义37-38
• 2.5.2 调制传递函数与对比传递函数38
• 2.5.3 空间调制传递函数与空间分辨率38-40
• 2.5.4 时间调制传递函数与时间分辨率40-41
• 2.6 偏转特性41-44
• 2.6.1 平板偏转系统42-43
• 2.6.2 行波偏转系统43-44
• 2.7 动态范围44-45
• 2.8 条纹相机其他技术参数45
• 2.9 X射线飞秒条纹相机的总体设计45-48
• 2.9.1 X射线飞秒条纹变像管设计原则45-46
• 2.9.2 X射线飞秒条纹相机关键技术46-48
• 第3章 X射线飞秒条纹相机设计数值方法48-61
• 3.1 阴极发射的光电子模拟48-51
• 3.1.1 光电阴极简介48-49
• 3.1.2 蒙特卡罗方法简介49
• 3.1.3 光电子发射模型49-51
• 3.2 电场的计算51-55
• 3.2.1 有限差分方程的求解51-53
• 3.2.2 超松弛高斯-赛德尔迭代53-55
• 3.3 空间电荷效应55
• 3.4 电子运动轨迹的计算55-59
• 3.5 X射线飞秒条纹变像管模拟流程59-61
• 第4章 模拟结果及分析61-76
• 4.1 光电子初始状态对条纹相机的影响61-65
• 4.1.1 光电子能量和角度分布模型62-63
• 4.1.2 光电子初始能量角度分布引起的时间弥散63-65
• 4.2 空间电荷效应对条纹相机的影响65-69
• 4.2.1 空间电荷效应引起的时间弥散65-67
• 4.2.2 电子初能量角度分布以及空间电荷效应引起的时间弥散67-69
• 4.3 X射线飞秒条纹变像管设计与模拟69-75
• 4.3.1 X射线飞秒条纹变像管优化设计69-70
• 4.3.2 X射线飞秒条纹变像管结构70-72
• 4.3.3 空间特性模拟72-73
• 4.3.4 时间特性模拟73-74
• 4.3.5 动态范围模拟74-75
• 4.4 X射线飞秒条纹相机设计小结75-76
• 第5章 X射线飞秒条纹相机的改进型加速结构76-85
• 5.1 改进型加速结构76-77
• 5.2 X射线飞秒条纹相机时空分辨率的提高77-84
• 5.2.1 电场与电子轨迹77-79
• 5.2.2 狭缝通道拦截电子79-81
• 5.2.3 时空特性81-84
• 5.3 改进型加速结构小结84-85
• 第6章 X射线条纹相机后加速技术研究85-107
• 6.1 后加速栅网对电位的扰动86-90
• 6.1.1 栅网模型86-87
• 6.1.2 等位区电位扰动87-90
• 6.2 最小可探测光子密度90-101
• 6.2.1 条纹相机中的噪声源91-93
• 6.2.2 条纹相机的图像传递信噪比函数93-94
• 6.2.3 条纹相机的探测方程94-96
• 6.2.4 噪声限制的最小可探测阈值96-97
• 6.2.5 记录系统限制的最小可探测阈值97-99
• 6.2.6 相机系统的最小可探测光子密度99-100
• 6.2.7 相机系统动态范围的提高100-101
• 6.3 莫尔条纹101-105
• 6.3.1 莫尔条纹原理101-102
• 6.3.2 莫尔条纹的傅里叶分析102-104
• 6.3.3 二维栅网的莫尔条纹104-105
• 6.4 电子和栅网的碰撞105-107
• 第7章 实验平台建立与实验结果107-130
• 7.1 X射线条纹相机荧光屏和阴极的研制107-110
• 7.1.1 高效荧光屏研制107-108
• 7.1.2 光电阴极研制108-110
• 7.2 X射线飞秒条纹相机建立和实验110-119
• 7.2.1 飞秒条纹变像管制作110-111
• 7.2.2 飞秒条纹相机系统111-112
• 7.2.3 飞秒条纹相机静态性能测试112-114
• 7.2.4 飞秒条纹相机动态性能测试114-118
• 7.2.5 飞秒条纹相机测试小结118-119
• 7.3 后加速X射线皮秒条纹相机建立和实验119-123
• 7.3.1 后加速组件制作119-120
• 7.3.2 后加速皮秒条纹相机静态实验120-121
• 7.3.3 后加速皮秒条纹相机动态实验121-123
• 7.3.4 后加速皮秒条纹相机测试小结123
• 7.4 峰值取样法在条纹图像处理中的应用123-128
• 7.4.1 峰值取样法原理123-124
• 7.4.2 峰值取样法计算图像对比度124-128
• 7.5 本章小结128-130
• 第8章 总结与展望130-133
• 8.1 总结130-131
• 8.2 展望131-133
• 参考文 献133-141
• 致谢141-142
• 攻读博士学位期间的研究成果142-143

  本文关键词：X射线飞秒条纹变像管设计与性能提高研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：385705