基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器及探测方法 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及辐射流探测器及探测方法，具体涉及一种基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器及探测方法。背景技术：2.目前常使用脉冲响应函数为100ps～300ps的光电倍增管(pmt)来测量激光聚变和z箍缩等高能量密度物理实验中辐射信号的性质。常规辐射流探测器由光电阴极、微通道板(以下简称mcp)和阳极组成，其工作过程为辐射信号入射到探测器的光电阴极上，电子从光电阴极再加速入射到mcp上，mcp对电子进行倍增放大后再由阳极接收。该系统一般采用近贴聚焦方式，光电阴极与mcp的间距为1mm左右，mcp与阳极的间距为1mm左右，且光电阴极与mcp之间、mcp的输入面与mcp的输出面之间、mcp的输出面与阳极之间所加电压为直流电压。该系统由于受到mcp渡越时间限制，其最好的时间响应一般只能达到200ps，难以满足超快信号探测的需要。技术实现要素：3.本发明的目的是解决现有的辐射流探测器时间响应慢的技术问题，而提供一种基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器及探测方法。4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：5.一种基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器，其特殊之处在于：包括轴向磁场，以及从轴向磁场入口端至出口端依次设置在轴向磁场内的光电阴极、栅网、微通道板和集电阳极；6.所述光电阴极用于接收从轴向磁场入口端入射的待探测辐射流光子信号，并将其转化为光电子；7.所述光电阴极与栅网之间的区域为阴栅区，阴栅区施加有动态衰减电场，所述动态衰减电场用于加速光电子；所述光电阴极和栅网作为电极，用于承载动态衰减电场；8.所述栅网与微通道板之间的区域为漂移区，所述光电子在漂移区进行运动拉伸，之后入射至所述微通道板，经微通道板倍增放大后，入射至集电阳极；9.所述集电阳极用于收集光电子并将其从轴向磁场出口端输出；10.所述轴向磁场用于克服光电子从光电阴极漂移到集电阳极过程中的空间电荷效应，以保证电子聚焦特性。11.进一步地，还包括非线性高压驱动脉冲发生器，其与光电阴极、栅网配合形成动态衰减电场。12.进一步地，所述非线性高压驱动脉冲发生器为雪崩脉冲发生器；13.所述雪崩脉冲发生器包括触发分路器，n个幅度和延迟独立可控的脉冲发生器以及多路合成器，其中，n≥2；脉冲发生器的幅度通过调整电源电压实现，延迟通过其内部的计数器实现；14.所述触发分路器具有一个输入端和n个输出端，n个输出端分别与n个脉冲发生器的输入端连接；所述触发分路器用于的输入端用于连接接收外部控制信号，并对其进行功率放大和等功率分配；15.所述多路合成器具有n个输入端和一个输出端，n个输入端分别与n个脉冲发生器的输出端连接；所述多路合成器的输入端用于合成n个脉冲发生器产生的驱动脉冲信号，多路合成器的输出端与光电阴极连接。16.进一步地，所述脉冲发生器包括延时调节模块，以及与延时调节模块连接的单元脉冲发生模块；17.n个延时调节模块的输入端分别与触发分路器的n个输出端连接；18.n个单元脉冲发生模块的输出端分别与多路合成器的n个输入端连接。19.进一步地，所述光电阴极设置在靠近轴向磁场入口的位置，集电阳极设置在靠近轴向磁场出口的位置；20.所述光电阴极与轴向磁场入口的距离、集电阳极与轴向磁场出口的距离等于轴向磁场的直径。21.进一步地，所述轴向磁场为电子稀疏约束磁场；22.所述电子稀疏约束磁场为采用双层线圈绕制的线圈磁场，其在入口位置处和出口位置处均采用四层线圈绕制。23.进一步地，所述光电阴极与栅网之间的距离为0.5mm～1.5mm。24.进一步地，所述微通道板与集电阳极之间的距离为0.5mm～1.5mm。25.本发明还提供一种高时间分辨辐射流探测方法，基于上述的基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器，其特殊之处在于，包括以下步骤：26.步骤1、调整辐射流探测器的位置，使待探测辐射流光子信号沿辐射流探测器设置方向入射至光电阴极；27.步骤2、光电阴极接收到入射的待探测辐射流光子信号后，将其转化为光电子并出射；28.步骤3、光电子从光电阴极出射后进入阴栅区，经动态衰减电场加速后通过栅网进入漂移区；29.步骤4、使加速后的光电子以不同的运动速度在漂移区进行一段时间的运动拉伸，之后入射至微通道板，微通道板对光电子进行倍增放大；30.步骤5、倍增放大后的光电子入射至集电阳极，集电阳极收集入射的光电子并将其输出，完成辐射流光子信号的探测。31.进一步地，步骤1前还包括：32.步骤a、调整光电阴极、栅网、微通道板和集电阳极在轴向磁场内的位置，以及动态衰减电场的强度；33.步骤a.1、根据辐射流探测要求的时间分辨率，通过以下公式确定电子拉伸放大倍数：[0034][0035]其中，tmag为辐射流探测要求的时间分辨率，m为电子拉伸放大倍数，tmcp为微通道板的渡越时间；[0036]步骤a.2、根据以下公式选择栅网与微通道板之间的距离，以及动态衰减电场的斜率：[0037][0038]其中，l为栅网与微通道板之间的距离，为动态衰减电场的斜率，vd为光电子运动的平均速度；[0039]步骤a.3、调整光电阴极、集电阳极的位置，使光电阴极与轴向磁场入口的距离、集电阳极与轴向磁场出口的距离等于轴向磁场的直径；[0040]步骤a.4、根据步骤a.2获得的栅网与微通道板之间的距离、动态衰减电场的斜率调整栅网、微通道板在轴向磁场内的位置，以及动态衰减电场的强度。[0041]与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：[0042]1、本发明提供的基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器，通过动态衰减电场对光电子进行加速，并在漂移区进行一段时间的运动拉伸后再入射至微通道板上，利用电子拉伸在有限的时间内将超快光信号转换为较长的时间尺度，提高了系统的时间分辨率；[0043]2、本发明提供的基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器中，雪崩脉冲发生器包括多个幅度和延迟独立可控的脉冲发生器，可输出不同前沿和后沿、不同形状的阴栅驱动脉冲，从而获得不同的拉伸放大倍数m；[0044]3、本发明提供的基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器中，轴向磁场出口位置处的线圈为四层可提高出口位置磁场强度和整个磁场的均匀性；[0045]4、本发明提供的基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器中，光电阴极集电阳极与轴向磁场出口的距离等于轴向磁场的直径，可保证磁场出口相对于磁场中心磁场强度的非均匀性优于10％，从而保证光电阴极的空间分辨率和集电阳极的收集效率。附图说明[0046]图1为本发明提供的基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器的结构原理图；[0047]图2为本发明提供的基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器中雪崩脉冲发生器的结构原理图；[0048]附图标记说明如下：[0049]1-光电阴极，2-栅网，3-微通道板，4-集电阳极，5-轴向磁场；[0050]6-触发分路器，7-延时调节模块，8-单元脉冲发生模块，9-多路合成器，10-脉冲发生器。具体实施方式[0051]为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器及探测方法作进一步详细说明。[0052]如图1所示，一种基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器，包括轴向磁场5，以及在轴向磁场5内从入口端至出口端依次设置的光电阴极1、栅网2、微通道板3和集电阳极4。[0053]光电阴极1用于接收从轴向磁场5入口端入射的待探测辐射流光子信号，并将其转化为光电子。光电阴极1与栅网2之间的区域为阴栅区，阴栅区施加有施加动态衰减电场，动态衰减电场用于加速光电子。光电阴极1和栅网2作为电极，用于承载动态衰减电场，光电阴极1与栅网2之间的距离为0.5mm～1.5mm。栅网2与微通道板3之间的区域为漂移区，光电子加速后在漂移区进行运动拉伸，之后入射至微通道板3，经微通道板3倍增放大后，入射至集电阳极4。集电阳极4用于收集光电子并将其从轴向磁场5的出口端输出，微通道板3与集电阳极4之间的距离为0.5mm～1.5mm。轴向磁场5用于克服光电子从光电阴极漂移到集电阳极过程中的空间电荷效应，以保证电子聚焦特性。[0054]为了使电子拉伸具有线性时间转换特性，在阴栅区对电子速度进行的调制随时间的变化是线性的，这意味着阴栅区的电压变化必须是非线性的。因此，需要针对阴栅驱动设计亚纳秒非线性高压驱动脉冲发生器。本实施例中采用雪崩脉冲发生器，与光电阴极1、栅网2配合形成动态衰减电场。[0055]如图2所示，雪崩脉冲发生器包括触发分路器6，n个幅度和延迟独立可控的脉冲发生器10以及多路合成器9，其中，n≥2。触发分路器6具有一个输入端和n个输出端，触发分路器6的输入端用于接收外部控制信号，并对其进行功率放大和等功率分配；n个输出端分别与n个脉冲发生器10的输入端连接。多路合成器9具有n个输入端和一个输出端，n个输入端分别与n个脉冲发生器10的输出端连接，多路合成器9的输出端与光电阴极1连接。[0056]脉冲发生器10的幅度通过调整电源电压实现，延迟通过其内部的计数器实现。脉冲发生器10包括延时调节模块7，以及与延时调节模块7连接的单元脉冲发生模块8。n个延时调节模块7的输入端为脉冲发生器10的输入端，分别与触发分路器6的n个输出端连接。n个单元脉冲发生模块8的输出端为所述脉冲发生器10的输出端，分别与多路合成器9的n个输入端连接。[0057]当多个不同幅度或不同延迟条件的脉冲被合成在一起时，可输出不同前沿和后沿，以及不同形状的阴栅驱动脉冲，从而获得不同的拉伸放大倍数m。[0058]轴向磁场5为电子稀疏约束磁场，为采用双层线圈绕制而成的线圈磁场，为了对线圈出口位置的衰减磁场进行补偿，两端出口位置处采用四层线圈进行绕制，以提高出口位置的磁场强度和整个磁场的均匀性。同时为了减少杂散磁场、提高系统励磁效率，线圈采用了金属磁屏蔽。[0059]电子稀疏约束磁场用于克服电子空间电荷效应，为长磁均匀磁场，越靠近磁场的出口位置，磁场的强度越低。为保证光电阴极1的空间分辨率和集电阳极4的收集效率，阴极和阳极所处位置相对于磁场中心磁场强度的非均匀性优于10％。[0060]本发明提供的基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器是一种非成像设备，因此其用于克服空间电荷效应所需的磁场强度相比于成像型大大减小，仅需百高斯即可。如果阴极位置选择适当，则可以起到磁场均匀性补偿的作用。本发明中，光电阴极1设置在靠近电子稀疏约束磁场5入口的位置，集电阳极4设置在靠近电子稀疏约束磁场出口的位置，光电阴极1与电子稀疏约束磁场入口的距离、集电阳极4与电子稀疏约束磁场出口的距离等于电子稀疏约束磁场的直径，此时，可保证其磁场非均匀性优于10％。[0061]本发明提供的基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器的工作原理如下：[0062]入射的辐射流光子信号经光电阴极1转化为光电子，光电子经光电阴极1与栅网2之间的动态衰减电场进行加速，由于光电阴极1与栅网2之间的电场为动态衰减电场，因此先通过阴栅区的光电子速度大，后通过阴栅区的光电子速度小，速度色散之后的光电子进入漂移区，进入漂移区的光电子由于速度不同经过一段时间运动拉伸后入射到微通道板3，光电子经微通道板3进行倍增放大后再入射到集电阳极4上并输出。[0063]由系统工作原理可知，系统时间分辨率可表示为：[0064][0065]其中，tmag为基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器的时间分辨率，m为电子拉伸放大倍数，tmcp为mcp渡越时间。[0066]根据上述公式可知，本发明提供的基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器可将系统时间分辨率提升m倍。[0067]假定t0和t1时刻分别有光电子从光电阴极1先后发射出来进入阴栅区，则入射时间相距t1-t0的两个光电子经拉伸后的放大倍数可表示为：[0068][0069]其中，l为栅网2与微通道板3之间的距离，为动态衰减电场的斜率，vd为光电子运动的平均速度。[0070]由上述公式可见，本发明提供的基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器的电子拉伸放大倍数m取决于光电子运动的平均速度、动态衰减电场的斜率和电子拉伸运动的距离。[0071]电子拉伸放大倍数m根据系统所需的时间分辨率确定，动态衰减电场的斜率栅网2与微通道板3之间的距离l则根据已经确定的电子拉伸放大倍数m同时根据应用场景和实现难度进行适应性选择。[0072]本发明提供的基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器可将原系统时间分辨率提升m倍，可在短时间内有效地提高探测器系统带宽，其核心技术即利用电子拉伸在有限的时间内将超快光信号转换为较长的时间尺度。该技术将在激光聚变(icf)实验中发挥巨大的作用，甚至有助于提高整个超快诊断技术的水平。[0073]本发明还提供一种高时间分辨辐射流探测方法，基于上述的基于电子信号拉伸的高时间分辨辐射流探测器，包括以下步骤：[0074]步骤a、调整光电阴极1、栅网2、微通道板3和集电阳极4在轴向磁场5内的位置，以及动态衰减电场的强度；[0075]步骤a.1、根据辐射流探测要求的时间分辨率通过以下公式确定电子拉伸放大倍数：[0076][0077]其中，tmag为辐射流探测要求的时间分辨率，m为电子拉伸放大倍数，tmcp为微通道板3的渡越时间；[0078]步骤a.2、根据以下公式选择栅网2与微通道板3之间的距离、动态衰减电场的斜率：[0079][0080]其中，l为栅网2与微通道板3之间的距离，为动态衰减电场的斜率，vd为光电子运动的平均速度；[0081]步骤a.3、调整光电阴极1、集电阳极4的位置，使光电阴极1与轴向磁场5入口的距离、集电阳极4与轴向磁场5出口的距离等于轴向磁场5的直径；[0082]步骤a.4、根据步骤a.2获得的栅网2与微通道板3之间的距离、动态衰减电场的斜率，调整栅网2、微通道板3在轴向磁场5内的位置，以及动态衰减电场的强度。[0083]步骤1、调整辐射流探测器的位置，使待探测辐射流光子信号沿辐射流探测器设置方向入射至光电阴极1。[0084]步骤2、光电阴极1接收到入射的待探测辐射流光子信号后，将其转化为光电子并出射。[0085]步骤3、光电子从光电阴极1出射后进入阴栅区，经动态衰减电场加速后通过栅网2进入漂移区。[0086]步骤4、使加速后的光电子以不同的运动速度在漂移区进行一段时间的运动拉伸后入射至微通道板3，微通道板3对光电子进行倍增放大。[0087]步骤5、倍增放大后的光电子入射至集电阳极4，集电阳极4收集入射的光电子并将其输出，完成辐射流光子信号的探测。









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