像增強(qiáng)器的光學(xué)選通特性分析與測(cè)試方法研究.pdf

1、作為探索超快過(guò)程的有利工具，高時(shí)間分辨率的高速拍攝器材正受到越來(lái)越多的關(guān)注。尤其是選通技術(shù)的發(fā)展，選通工作模式下的像增強(qiáng)器（Image Intensifier）因?yàn)榭梢跃邆涓哌_(dá)10?10 s的時(shí)間分辨率，而作為可行的高速拍攝方案被廣泛研究。目前已經(jīng)有許多文獻(xiàn)報(bào)道了采用選通型像增強(qiáng)器觀察生物、化學(xué)或物理過(guò)程中的超快現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)了新的特性。選通型像增強(qiáng)器的工作原理主要是通過(guò)對(duì)像增強(qiáng)器的某些電極加載選通電脈沖，達(dá)到控制像增強(qiáng)器工作的目的。因此

2、，選通型像增強(qiáng)器的核心技術(shù)即是選通電脈沖與像增強(qiáng)器之間的相互作用，主要包括：選通脈沖控制像增強(qiáng)器工作的物理原理、高速高壓選通脈沖的生成、選通脈沖與像增強(qiáng)器電極的耦合以及選通脈沖對(duì)像增強(qiáng)器輸出增益的寬度和延遲的影響等。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)像增強(qiáng)器選通特性的研究主要集中在對(duì)像增強(qiáng)器的微通道板（Microchannel Plate，MCP）電極進(jìn)行選通，而對(duì)像增強(qiáng)器的光陰極（Photo Cathode）選通模式的研究很少。本文主要圍繞像增強(qiáng)器光陰極

3、選通的基本物理過(guò)程和選通特性測(cè)試等方面，通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)，研究了像增強(qiáng)器工作在光陰極選通模式下的輸出光增益特性。所做的主要工作與特色如下： 理論上，詳細(xì)分析了當(dāng)選通脈沖加載在像增強(qiáng)器光陰極上時(shí)，光電子在像增強(qiáng)器內(nèi)的3個(gè)運(yùn)動(dòng)子過(guò)程：光陰極變加速子過(guò)程，MCP電子倍增子過(guò)程和陽(yáng)極勻加速子過(guò)程，并對(duì)每一個(gè)子過(guò)程都分別進(jìn)行了理論建模和仿真計(jì)算。綜合分析了光電子在像增強(qiáng)器中整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，并建立時(shí)間軸上的映射關(guān)系，得到了光增益與輸入選通電脈沖

4、波形之間的關(guān)系，同時(shí)還從理論上預(yù)測(cè)了增益曲線相對(duì)于選通脈沖發(fā)生的傾斜和展寬。 實(shí)驗(yàn)上，參考典型的互相關(guān)測(cè)量方案，結(jié)合像增強(qiáng)器的固有特性，提出了基于飛秒超短光脈沖的光電互相關(guān)的測(cè)量方案，并將整個(gè)像增強(qiáng)器光陰極選通特性測(cè)試系統(tǒng)分成光學(xué)和電學(xué)兩個(gè)子系統(tǒng)，對(duì)每一子系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，詳細(xì)給出了每個(gè)模塊的原理、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。然后利用所實(shí)現(xiàn)的光陰極選通特性測(cè)試平臺(tái)，對(duì)像增強(qiáng)器的光陰極選通特性進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，并且對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，提出了改

5、進(jìn)意見(jiàn)。通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)研究表明，在光陰極選通模式下，像增強(qiáng)器輸出光增益隨著選通脈沖有一定差異，當(dāng)輸入光陰極的選通脈沖波形對(duì)稱即前后沿時(shí)間大致相等時(shí)，像增強(qiáng)器輸出的光增益發(fā)生了傾斜，即增益曲線的后沿要大于前沿；而且與MCP選通的情況相反，相對(duì)于6ns 脈寬的輸入脈沖，測(cè)量得到的像增強(qiáng)器輸出光增益展寬到了6.4ns，與理論預(yù)測(cè)的結(jié)果一致。 與傳統(tǒng)的基于電測(cè)量的選通特性分析方法相比，本論文中提出的基于光電互相關(guān)的新型選通特性測(cè)試方法，

6、充分考慮了像增強(qiáng)器的光學(xué)特性，采用飛秒脈沖激發(fā)像增強(qiáng)器的光陰極，產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間很短的光電子“脈沖”，直接與像增強(qiáng)器內(nèi)部的選通脈沖作用，避免了傳統(tǒng)方法中的系統(tǒng)誤差與不確定性，故能夠更真實(shí)的反應(yīng)系統(tǒng)的增益特性。不但如此，理論上，這種基于光電互相關(guān)的新型選通特性測(cè)試方法不僅適用于光陰極選通，還適用于MCP選通。利用這種測(cè)試方法可以更準(zhǔn)確地研究選通模式下，像增強(qiáng)器的輸出光增益特性，可以更深入了解利用選通型像增強(qiáng)器拍攝超短過(guò)程時(shí)，拍攝系統(tǒng)本身對(duì)圖像