无增益微通道板选通X射线皮秒分幅技术的研究

The temporal resolution of the traditional x-ray framing camera is short to be 35 ps. The temporal resolution is limited by the electron transit time spread (TTS) in the microchannel plate (MCP). In order to improve the temporal resolution, the TTS must be reduced. A new method is presented in the first, which is using a non-gain MCP instead of the gain MCP to develop the framing camera. The theoretical results show that the transit time spreads are 3.9 ps and 42.3 ps in the non-gain and gain MCP respectively, while the MCP is applied with 1 kV direct current voltage. The preferable temporal resolution of the x-ray framing camera will be obtained by using the non-gain MCP. The non-gain MCP gated x-ray framing camera is made up of four basic components, the pinhole array, the non-gain MCP imager, the gating pulse generator, and the CCD camera system. The non-gain MCP imager and the gating pulse genetator will be researched in this project. The proximity focused non-gain MCP imager is consisted of tapered transmission line, microstrip line cathode, non-gain MCP and phosphor screen. The gating pulse genetator is consisted of avalanche transistor circuit and avalanche diode pulse-forming circuit.

传统的X射线分幅相机的时间分辨率已达35 ps，由于微通道板（microchannel plate, MCP）中电子的渡越时间弥散较大，限制了分幅相机时间分辨率的进一步提高，因此，要提高时间分辨率，就必须减小电子的渡越时间弥散。申请者首次提出采用无增益MCP代替有增益MCP来制作分幅相机。理论分析表明，当MCP两端面间的电压为1 kV时，无增益MCP中电子的渡越时间弥散为3.9 ps，而有增益MCP中电子的渡越时间弥散为42.3 ps，因而采用无增益MCP来研制X射线分幅相机能够获得较好的时间分辨率。无增益MCP选通X射线分幅相机由针孔阵列、无增益MCP变像管、选通脉冲发生器及CCD构成。本项目将对无增益MCP变像管和选通脉冲发生器进行研究。无增益MCP变像管采用近贴聚焦方式，由阻抗渐变线、微带阴极、无增益MCP和荧光屏组成。选通脉冲发生器由雪崩三极管线路和雪崩二极管脉冲成形电路组成。

传统的微通道板（microchannel plate, MCP）选通X射线分幅相机的时间分辨率已达35 ps，由于MCP中电子的渡越时间弥散较大，限制了分幅相机时间分辨率的进一步提高。为了减小电子的渡越时间弥散，本项目提出采用无增益MCP代替有增益MCP来研制分幅相机，并对无增益MCP选通X射线皮秒分幅技术进行了理论和实验研究。利用Monte Carlo方法建立了MCP变像管的理论模型，并对MCP变像管的时间分辨特性、空间分辨特性进行了理论研究。模拟结果表明，有增益MCP中电子渡越时间弥散的理论值为42.3 ps，而电子在无增益MCP中渡越时间弥散的理论值为3.9 ps。此外，有增益MCP空间分辨率的理论值为35 μm，而无增益MCP空间分辨率的理论值为14 μm。由此可得，无增益MCP的渡越时间弥散（时间分辨率极限）和空间分辨率的理论值均要优于有增益MCP。利用晶体管的雪崩倍增效应研制了选通脉冲发生器，获得了幅值为-2.7 kV，宽度为135 ps的选通脉冲。建立了无增益MCP选通X射线皮秒分幅相机系统实验装置，采用光纤束法测量了无增益MCP变像管的时间分辨率，当无增益MCP加载选通脉冲和-200 V的直流偏置时，获得其时间分辨率为39 ps。研究了无增益MCP的时间分辨率与MCP偏置电压的关系，实验验证了所加负的直流偏置电压越小，时间分辨率越好，但输出信号强度越低的结论。对有增益MCP变像管的时间分辨率进行了测量，获得其时间分辨率为69 ps。理论分析和实验结果表明，无增益MCP可以获得更好的时间分辨率。