脉冲展宽分幅相机时空分辨性能提升的关键技术研究

The framing camera is an ultra-fast diagnosis tool, which has picosecond of temporal resolution and micrometer of 2D spatial resolution. It has used to measure time of duration and achieve 2D spatial distribution of Implosion dynamic image in Inertial Confinement Fusion (ICF). Although the framing camera achieves 10ps of temporal resolution using pulse-dilation technology, the development of large area pulse-dilation framing camera is restricted in ICF by the decline in spatial resolution and homogeneity of temporal resolution. To promote application feasibility of camera, the pulse-dilation framing camera using short magnetic lens is designed in this project. Base on the working principle of camera, the principle of pulse-dilation and characteristics of magnetic lens, the temporal and spatial performance are promoted by study on key technique with the dilation pulse and imaging system. The research includes as following: the theoretical research of the pulse-dilation framing camera, the nonlinear dilation pulse with dramatic amplitude and slope, the design and optimizing of the structure parameter of magnetic lens, and the experimental research of the camera. The project feasibility analysis and the result of previous study are shows that the implementation of this project is not only an important theoretical significance to design a large area pulse-dilation framing camera, but an important scientific value to study deeply ICF, and specially, it is positive significance and profound influence of promote development of ICF and ultra-fast diagnosis technology in the western areas of China.

分幅相机是具备皮秒级时间分辨和微米级二维空间分辨的超快诊断设备，在惯性约束聚变(ICF)研究中可测量聚变燃烧阶段持续时间和获取内爆压缩动态图像二维空间分布。采用脉冲展宽技术的分幅相机已具备10ps时间分辨，但空间分辨和时间分辨均匀性下降，制约了大探测面相机在ICF中的应用。为提升相机应用可行性，本项目采用短磁透镜设计脉冲展宽分幅相机，根据相机工作方式、脉冲展宽原理和磁透镜特性，通过对展宽脉冲和成像系统等关键技术的研究提升其时空分辨性能，研究内容主要包括：相机理论研究，具有动态幅值和斜率的非线性展宽脉冲研究，磁透镜成像系统结构参数设计及优化研究，相机时空分辨性能实验研究。项目可行性分析和前期研究表明，项目的实施不仅对大探测面脉冲展宽分幅相机的研制具有重要的理论指导意义，而且对ICF的深入研究有重要科学价值，还对推广和促进ICF研究及超快诊断技术在西部地区的发展，具有积极的意义和深远的影响。

分幅相机是具备皮秒级时间分辨和微米级二维空间分辨的超快诊断设备，在惯性约束聚变(ICF)研究中可测量聚变燃烧阶段持续时间和获取内爆压缩动态图像二维空间分布。采用脉冲展宽技术的分幅相机已具备10ps时间分辨，但空间分辨和时间均匀性下降，制约了大探测面相机在ICF中的应用。为提升相机应用可行性，本项目采用短磁透镜设计脉冲展宽分幅相机，根据相机工作方式、脉冲展宽原理和磁透镜特性，通过对皮秒高压脉冲和成像系统等关键技术的研究，提升其时空分辨性能，研究内容包括相机时空分辨性能和拓展应用，在时间分辨方面，采用雪崩晶体管和高通滤波器设计皮秒高压脉冲发生器，将相机时间分辨率提升至5ps；根据展宽脉冲沿阴极传输的特性，分析影响时间不均匀性的因素，探讨改善方法；此外，通过分析加速结构、磁聚焦系统和漂移区对时间分辨的影响，探讨飞秒分幅相机的可行性；在空间分辨方面，分析空间分辨性能与磁透镜孔径、缝隙和个数之间的关系，通过优化磁聚焦系统结构参数和磁场分布，使相机在Φ90mm成像区域内的平均空间分辨率接近200μm，并基于长漂移区和组合透镜成像系统，分析飞秒分幅相机的空间分辨性能；此外，分析和测试影响相机空间分辨性能的磁聚焦系统球差和慧差；在拓展应用方面，通过设计具有分辨率板的加速结构，采用脉冲展宽分幅相机观测电子束莫尔条纹；通过分析展宽脉冲不同位置对时间分辨率的影响，采用脉冲展宽分幅相机实现对皮秒展宽脉冲幅值、时间和形状的测量；通过分析时间分辨率的测量误差，采用脉冲展宽分幅相机测试获得选通脉冲和展宽脉冲的晃动时间。项目的成功实施不仅对高时空性能脉冲展宽分幅相机的研制具有重要的指导意义，而且对分幅相机拓展到其他领域的应用具有重要价值。在未来工作中，将从飞秒时间分辨、提升成像分幅数目、提升空间分辨性能和应用于可见光等方面展开应用研究，并促进ICF研究和超快诊断技术在本地区的发展。