双板电极条纹变像管设计.pdf

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1、第24卷第1期强激光与粒子束Vo1．24，NO．12012年1月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJan．，2012文章编号：1001—4322(2O12)O1—0119—04双板电极条纹变像管设计李晋，刘慎业，陈韬，胡昕，肖绍球(1．电子科技大学物理电子学院，成都610054；2．中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳621900)摘要：为满足惯性约束聚变(ICF)实验等离子体诊断中对X射线条纹相机大动态和高时空分辨能力的需求，设计了一款利用板状电极对加电四极透镜聚焦方式的变像管。此款变像管最主要的特点为时空方向聚焦方式

2、不同，在时间方向上采用两对平板电极聚焦电子，而在空间方向上采用电四极透镜对电子进行聚焦，其空间分辨能力在阴极边缘处达到了40Ip／mm，时间分辨能力在1Ops左右，阴极有效长度为20mm。由于变像管采用时空方向分别聚焦方式，相对传统轴对称管型来说，电子不会聚焦成点，空间电荷效应更弱，所以具有大动态能力。关键词：双板电极条纹变像管；电四极透镜；动态范围；时空分辨中图分类号：0434．12文献标志码：Adoi：lO．3788／HPLPB20122401．0119x射线条纹相机具有ps甚至亚ps的时间分辨能力，使得它成为惯性约束聚变(ICF)实验中不可或缺的诊

3、断设备，通过它可以记录聚变所产生等离子体辐射的X射线的时空特性，从而推断出等离子体的温度、密度等重要参数口]。随着ICF研究的深入，对条纹相机的时空分辨能力以及动态范围提出了更高的要求，科研人员也针对不同的需求设计了不同的管型。其中以牛憨笨院士设计的六电极双聚焦管型、日本滨松公司推出的7700以及法国Photonis公司推出的板状电极对加电四极透镜管型最具代表性。这几种管型中又以板状电极对加电四极透镜管型最有特点，这款变像管采用板状电极对在时间方向上聚集，而空问方向采用电四极透镜聚焦，这样时空方向上分别聚焦，可以避免电子束会聚成一个很小的焦斑，可大幅度减

4、弱空间电荷效应，同时电四极透镜的使用可以有效减小像差，从而提高变像管的空间分辨能力。基于这种管型法国Photonis研制的条纹相机P852X具有十分优秀的性能]。由此，本文设计了一款使用板状电极对加电四极透镜聚焦的变像管，对其成像特性进行了分析讨论。该变像管的最终设计参数将为条纹管的实际加工以及相机的测试提供很好的指导。1变像管结构设计及模拟变像管的结构如图1所示，整个变像管由光阴极、栅网电极、时间方向预聚焦电极、电四极透镜、时间方向主聚焦电极、偏转板和荧光屏构成。变像管的模拟设计采用CST设计软件，由于CST中无法直接模拟栅极的网状结构，所以无法使电子

5、直接从阴极发射，而改为从栅极发射。为保证模拟的准确性，作了如下假设：(1)由于阴栅电势差为12kV，所以电子从栅极出射时能量设置为12keV；(2)根据有关文献的数据，条纹相机阴极电流密度一般为10~30A／m，故假设阴极出射电流为2OA／m。；(3)由于X射线条纹管的光阴极的电子为二次电子，其初始能量弥散很小，只有几eV，故假设所有电子到达栅极时能量都为12keV，能量范围为0；(4)光lens(temporalaxis)(a)threedimensionalstructure(b)sectionalviewFig．1Configurationofst

6、reaktube图1变像管结构*收稿日期：201107—04；修订日期：2011一O9一O1作者简介：李晋(1987一)，男，硕士，主要从事条纹相机技术应用研究；jinli1025@gmail．com。强激光与粒子束第24卷电子从阴极出射时服从(0~90。)的余弦分布，但经过栅网加速后，出射角度变得极小，几乎为0，故电子从栅网发射时，假设电子服从初始角为0．3。的随机分布。通过对模型的优化设计，最终确定了变像管的结构参数，同时给出了变像管的放大率、时空分辨力、偏转灵敏度等变像管重要参数。2设计结果及讨论2．1电子轨迹图2是电子在变像管中的运动轨迹。从图中

7、可以看出，时间方向和空间方向上焦点位置是不同的。在时间方向上第一平板电极起预聚焦的作用，主要是将电子束压扁，而避免电子束在时间方向上发散过大，第二平板电极则是使得电子束在时间方向上完全聚焦成像；在空间方向上则是依靠电四极透镜使电子聚焦成像。两个方向的分别聚焦使得电子束不会汇聚成一个很小的焦斑，这样将很大程度上降低电荷密度，从而降低空间电荷效应，提高变像管的动态范围。但两个方向的不同聚焦方式，使得一个方向聚焦的同时，另外一个方向却是发散的，所以必须精确调节两个方向的电极尺寸及聚焦电压，使得成像效果最好，这给变像管的优化设计及加工制造都带来了一定的难度。(a

8、)electrontrajectoryinspatialdirection(b)