門控分幅相機(jī)的能譜響應(yīng)特性研究.pdf

1、門控分幅相機(jī)現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)ICF實(shí)驗(yàn)的重要診斷設(shè)備,在黑腔物理、X光輻射輸運(yùn)、輻射燒蝕不透明度等研究領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色。而目前使用的門控分幅相機(jī)仍然存在量子效率不明確、能譜響應(yīng)度曲線未知,響應(yīng)影響因素不明等問(wèn)題,導(dǎo)致ICF實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)法精確量化。因此,研究門控分幅相機(jī)的能譜響應(yīng)問(wèn)題對(duì)于高能高密度等離子體發(fā)射的寬頻帶X射線成像是非常重要的。在深入研究了門控分幅相機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和主要參數(shù)指標(biāo)后,基于美國(guó)利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室和圣地亞國(guó)家

2、實(shí)驗(yàn)室等的研究成果,建立了分幅相機(jī)的核心元件——金陰極MCP的能譜響應(yīng)二維簡(jiǎn)化理論模型,推導(dǎo)得出了能譜響應(yīng)的計(jì)算公式,并模擬得到了理論響應(yīng)曲線。該理論研究主要從陰極光電產(chǎn)額、多通道效應(yīng)、微孔內(nèi)壁鉛層的光電效應(yīng)、單個(gè)微通道的增益幾方面來(lái)開(kāi)展。在陰極材料和入射光子能量一定時(shí),陰極光電產(chǎn)額與陰極的質(zhì)量光致電離截面、陰極質(zhì)量密度和入射光子能量成正比,而X射線衰減長(zhǎng)度、二次電子在陰極材料中的平均逃逸深度等也是影響陰極光電子產(chǎn)額的重要參數(shù);當(dāng)入射的

3、X光子能量較大時(shí),X射線可能穿透MCP微通道壁而進(jìn)入相鄰?fù)ǖ纼?nèi),從而在該通道內(nèi)發(fā)生光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生光電子,即多通道效應(yīng),研究此效應(yīng)對(duì)金陰極MCP能譜響應(yīng)的影響,其關(guān)鍵在于MCP材料對(duì)X射線的吸收系數(shù)和光電子產(chǎn)生的位置;X射線穿透微通道后可能會(huì)轟擊相鄰?fù)ǖ辣诘你U層,從而因鉛的光電轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的光電子也會(huì)在通道內(nèi)碰撞得到倍增,因而計(jì)算時(shí)需要考慮鉛的光電子產(chǎn)額和由此引起的電子增益;MCP對(duì)光電子的倍增作用可由MCP單個(gè)微通道的增益來(lái)計(jì)算,將微通道視

4、作離散的打拿極,光電子產(chǎn)生的位置不同,其倍增級(jí)數(shù)則不同,綜合來(lái)看增益主要由MCP長(zhǎng)徑比和光電子產(chǎn)生處距電子出射面的距離決定。從理論模擬結(jié)果可得出結(jié)論:金陰極MCP的能譜響應(yīng)與金和鉛的密度、費(fèi)米波矢、質(zhì)量光致電離截面、二次電子逃逸深度、X射線衰減長(zhǎng)度、MCP通道材料對(duì)X射線的線性吸收系數(shù)等有關(guān)。為了解金陰極MCP在紫外波段的能譜響應(yīng)特性,探索金陰極MCP能響標(biāo)定的實(shí)驗(yàn)條件,設(shè)計(jì)了金陰極MCP探測(cè)器在紫外波段能譜響應(yīng)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5、得出結(jié)論:當(dāng)電子收集極與MCP輸出面之間距離為0.5mm時(shí),只需要9V收集電壓就可將二次電子完全收集;MCP的暗電流在皮安量級(jí),且在25pA附近隨機(jī)波動(dòng);金陰極MCP探測(cè)器在入射光子能量低于4.9eV(金的逸出功)大于4eV時(shí)仍有一定響應(yīng);金陰極的光譜響應(yīng)曲線在5.72eV處存在一個(gè)響應(yīng)峰值,該峰值是金的選擇性光電效應(yīng)峰值。在紫外能譜響應(yīng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用北京同步輻射裝置3B3實(shí)驗(yàn)站的單色X射線進(jìn)行了三種金陰極MCP探測(cè)器在X射線段(2

6、.1～6keV)的能譜響應(yīng)的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。標(biāo)定結(jié)果表明:①如理論所預(yù)言,金陰極MCP的能譜響應(yīng)總體上是隨入射光子能量增大而衰減的。但其中會(huì)因?yàn)槟承┰氐奈者叾嬖谝恍┒盖偷男》?。②入射角越?則增益值越小,能譜響應(yīng)也越低。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)X射線正入射到MCP板表面,因此X射線的入射角等于MCP的斜切角,斜切角小的MCP探測(cè)器的能譜響應(yīng)度好。③當(dāng)金陰極膜深入到微通道內(nèi)壁上的深度太深時(shí),勢(shì)必會(huì)影響到鉛層對(duì)二次電子的倍增作用,同時(shí)也會(huì)使金對(duì)X射線的吸