空间电荷效应对条纹像管分辨率的影响

柳　钰，袁 月，梅策香，高 煜

（1.咸阳师范学院 物理与电子工程学院，陕西 咸阳 712000；2.陆军航空兵学院 飞行器系统与工程系，北京 101100）

空间电荷效应对条纹像管分辨率的影响

柳钰1，袁 月1，梅策香1，高 煜2

（1.咸阳师范学院 物理与电子工程学院，陕西 咸阳 712000；2.陆军航空兵学院 飞行器系统与工程系，北京 101100）

条纹相机是一种重要的超快诊断仪器，在对超快现象进行研究的诸多科研领域里具有重要的应用价值。利用CST软件建立了一种条纹像管模型，通过数值模拟电子在条纹像管中的飞行过程，获得条纹像管的扫描图像，对比不同发射电流下的扫描图像，发现空间电荷效应使得扫描条纹形状发生扭曲，所携带的信息受到了影响。在考虑空间电荷效应的情况下对一种大动态条纹像管模型进行电极参数优化，通过提高发射电压并调整聚焦电极的电压，该条纹像管的边缘放大率与中心放大率的一致性由1.086变为1.064，减小了空间电荷效应对该模型成像质量的影响。实验结果表明优化方向和设计方案是正确的。

条纹相机；条纹像管；空间电荷效应；空间分辨率

在近年的科学研究中，很多生物、物理、化学过程，其发生时间都达到了10-12s甚至10-15s量级。为了研究这样的超快现象，需要有超高时间分辨率的诊断仪器［1］。在各种超快诊断仪器中，条纹相机具有其他类型诊断技术所不具有的优势［2］。条纹相机具有最优秀的时间分辨能力，最高能达到80 as［3］。当要研究发光现象的10-12s至10-15s级信息时，条纹相机是最优的，甚至是唯一的诊断手段［4］。条纹相机作为一种具备很高的时间分辨本领的诊断仪器，能够很好地满足人们对超快现象的研究需要，因此具有重要的研究意义。条纹像管是条纹相机的核心部件，其成像过程中由于空间电荷效应、电子光学系统本身像差等原因，成像受到了影响［5-6］。电荷密度较大时，电荷间的相互作用对条纹管成像会产生明显影响。空间电荷效应会导致转换中的光电子脉冲在运动过程中发生展宽，影响入射光强度的测量，从而影响动态范围。空间电荷效应也会影响条纹管的时间分辨率与空间分辨率，因为空间电荷相互作用力的轴向分量使光电子的分布分散，径向分量使电子向远离对称轴的方向发散，电子束的横截面面积变大，从而影响了光电子所携带的时间和空间信息。这种效应存在于光电子脉冲从阴极飞行至荧光屏的全过程。M M Shakya等［7］将一个狭缝引入条纹像管的偏转系统与阳极之间，将进入偏转系统的电子束的电子断面缩小，使得条纹相机的时间分辨率得到提高，达280 fs。H Niu等［8］提出利用蒙特卡洛分布模拟电子发射，并理论分析了极限时间分辨率。田进寿等［9］在理论上设计了一种利用静电系统聚焦的条纹像管，分辨率达290 fs。

为了提高设计的可靠性和准确性，在进行实物生产之前需要对条纹像管进行数值仿真。这样可以在计算机上对条纹像管各部分进行分析，降低实验成本。本文分析空间电荷效应对条纹像管的扫描图像的影响和空间电荷效应对条纹像管空间分辨率的影响，最后在考虑空间电荷效应时对一种大动态条纹相机的参数进行优化，提高了该条纹相机的成像质量。

1　建立条纹像管的仿真模型

在CST中建立的条纹像管模型，主要为4个部分：阴极发射部分、聚焦部分、扫描偏转部分、接收部分。

1.1搭建条纹像管的几何模型

通过CST粒子工作室中的建立模型功能，搭建如图1所示的模型。其中，光电阴极、聚焦电极、扫描偏转板的材料为理想导电体，加速栅网的材料是电子通过率为100%的理想导电体，接收面设置为真空。

图1　条纹像管模型

1.2设置各电极电压

条纹像管各部分电压设置如下，光电阴极：-12 kV；加速栅网：-4 kV；聚焦电极：-7 kV。扫描偏转电极的设置需利用CST的激励信号，设置激励信号为斜坡信号，扫描电极的电压扫描范围设置为-150～150 V。

2　条纹像管成像分析

2.1扫描图像分析

定义发射区域为光电阴极上半径为3 mm的圆面，发射点为31个。要得到条纹像管的扫描图像，需要使用粒子云网格求解器进行模拟。在数值模拟中，调整电子枪阴极的发射电流，可以得到不同的扫描图像，从而观察空间电荷效应对条纹像管成像的影响。

（1）发射电流为0.1 mA时，观察扫描图像的形状，这里将某些扫描条纹的图像放大，以方便观察。扫描条纹放大后如图2所示。

图2　局部放大图像（发射电流为0.1 mA）

此时各个发射点对应的扫描图像基本是一条线段，方向是竖直的，没有出现倾斜，这与不考虑空间电荷效应时的情况是一致的。因此，在0.1 mA的发射电流下，空间电荷效应的影响可以忽略不计。

图3　局部放大图像（发射电流为6 mA）

（2）发射电流为6 mA时，观察某些扫描条纹的放大图像（图3），扫描条纹变的倾斜，电子随着扫描偏转电压的增大在水平方向的发散变大，这说明空间电荷效应对条纹像管的空间信息造成了明显的影响。

将图2与图3进行对比，发现随着发射电流的增大，也就是电子枪阴极发射电子数目的增多，条纹的长度变长。这表明空间电荷效应对条纹像管成像的时间信息造成了较大影响。

2.2空间分辨率分析

利用粒子追踪求解器能够获得电子在空间上的密度分布，从而得到条纹像管的空间分辨率。由于这里的计算不考虑偏转系统，故整个系统是旋转对称的，可以通过计算x方向的空间分辨率来代表条纹像管的空间分辨率。发射源定义为光电阴极上半径为0.4 mm的圆面。可以对比不考虑空间电荷效应和考虑空间电荷效应下空间分辨率的区别。

2.2.1不考虑空间电荷效应时的空间分辨率

通过在条纹像管荧光屏的位置设置接收面，通过积分方法可以得到电子在x方向的密度分布，即空间点扩展函数，然后进行傅里叶变换，得到空间调制传递函数。此时，不使用电子枪迭代算法，可以得到空间点扩展函数和空间传递调制函数。由该函数可知，当空间调制传递函数下降到10%时，对应的空间分辨率为735.61l p/mm，即条纹像管的空间分辨率为735.61l p/mm。

2.2.2考虑空间电荷效应时的空间分辨率

考虑空间电荷效应时，需要利用电子枪迭代算法进行数值模拟。在外加场的情况下，一方面电子受到电磁场的作用，另一个方面，电子在电磁场作用下的运动又会产生电磁场，算出电子产生的电磁场，然后再把其迭代进去，等这个过程迭代到平衡就可以考察不同情况下电荷效应的影响。

（1）发射电流为6 mA时，由空间点扩展函数和空间传递调制函数可知，当空间调制传递函数下降到10%时，对应的空间分辨率为693.69l p/mm，即条纹像管此时的空间分辨率为693.69l p/mm。

（2）发射电流为20 mA时，由空间点扩展函数和空间传递调制函数可知，当空间调制传递函数下降到10%时，对应的空间分辨率为466.03l p/mm，即条纹像管此时的空间分辨率为466.03l p/mm。

根据以上分析，空间电荷效应使得条纹像管的空间分辨率下降，发射电流越大这种影响越明显。当发射电流为20 mA时，空间分辨率从不考虑空间电荷效应时的735.61l p/mm下降到了466.03l p/mm，严重影响了条纹像管的空间分辨能力。

3　实验模拟

3.1空间电荷效应对模型成像质量的影响

引入一种聚焦系统由4个圆筒电极组成的大动态条纹像管模型，其结构参数如图4所示。

图4　大动态条纹像管结构参数

4个圆筒电极从左至右分别为第一圆筒、第二圆筒、第三圆筒、第四圆筒，系统各电极的电压设置如下，阴极：-16.5 kV；加速栅网：-4.5 kV；第一圆筒：-7.3 kV；第二圆筒：-4.5 kV；第三圆筒：-11.5 kV；第四圆筒：0 kV。发射源定义为在光电阴极上半径为15 mm的圆面。

不考虑空间电荷效应时，通过分析电子发射时和飞行到接收面上时的位置，可以得到条纹像管的边缘放大率为1.314，中心放大率为1.257，一致性为1.045。

考虑空间电荷效应时，令发射电流为20 mA，其它设置不变，此时可以得到条纹像管的边缘放大率为1.261，中心放大率为1.161，一致性为1.086。

可以看到，考虑空间电荷效应时，条纹像管的边缘放大率与空间分辨率一致性变差了，边缘放大率与中心放大率的一致性由不考虑空间电荷效应时的1.045变为考虑空间电荷效应时的1.086，成像质量受到了影响。

3.2对模型的电极参数进行优化

为了减小空间电荷效应的影响，对光电阴极的电压进行调整，提高加速电压。这样可以提升电子的飞行速度，使电子飞行的时间变短，减弱空间电荷效应对条纹像管成像质量的影响。

改变加速电压后，要让电子的聚焦点位置不变，要对其它电极的电压也进行调整。调整后的各电极电压设置如下，阴极：-20 kV；加速栅网：-4.5 kV；第一圆筒：-8 kV；第二圆筒：-4.5 kV；第三圆筒：-14 kV；第四圆筒：0 kV。仍然设置发射电流为20 mA，可以得到条纹像管的中心放大率为1.287，一致性为1.071。可以看到，此时空间电荷效应的影响减小了一些，但仍然存在。

进一步提高发射电压，将各电极电压设置调整如下，阴极：-24 kV；加速栅网：-4.5 kV；第一圆筒：-9 kV；第二圆筒：-4.5 kV；第三圆筒：-16.4 kV；第四圆筒：0 kV。

得到条纹像管的边缘放大率为1.368，中心放大率为1.285，一致性为1.064。此时，空间电荷效应的影响进一步减小。

可以看到，通过提高发射电压并调整聚焦电极的电压，边缘放大率与中心放大率的一致性由1.086变为1.064，减小了空间电荷效应对该大动态条纹像管成像质量的影响。

4　结语

通过设定不同的发射电流得到不同的扫描图像进行对比，得到了空间电荷效应在不同的发射电流下对扫描图像的影响，发现了空间电荷效应对电子条纹的扫描偏转距离的影响。计算了条纹像管在不考虑和考虑空间电荷效应情况下的空间分辨率，得到了空间电荷效应对条纹像管空间分辨率影响的定量结论。

在考虑空间电荷效应的情况下改良了一种大动态条纹相机的电极电压参数，通过施加更高的加速电压并调整聚焦电极电压，边缘放大率与中心放大率的一致性由1.086变为1.064，减小了空间电荷效应对该大动态条纹像管成像的影响。该模拟实验对于其它类型的条纹相机提高成像质量提供了一种切实可行的改进方法。

［1］李昊，田进寿，李岩，等.条纹管行波偏转特性［J］.光子学报，2013，42（7）：792-796.

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Influence of Space Charge Effect on the Resolution of Streak Image Tube

LIU Yu1，YUAN Yue1，MEI Cexiang1，GAO Yu2
（1.School of Physics and Electronic Engineering，Xianyang Normal University，Xianyang 712000，Shaanxi，China；2.Department ofAircraft Systems and Engineering，ArmyAviationAcademy，Beijing 101100，China）

Streak camera is an ultrafast diagnostic instrument，and is of great significance in many scientific researches whose work involves study about ultrafast phenomenon.In this paper，in order to study the influence of the space charge effect on the image quality of the streak image tube，CST is used for modeling and numerical analysis.This paper presents a parameter optimization of a streak camera with a large dynamic range considering the space charge effect by improving the launch of the focusing electrode voltage and voltage regulation，the consistency of the image tube’s edge magnification and center magnification changed from 1.086 to 1.064，which reduced the space charge effect on imaging quality of the model.This indicates the optimization and the program design is correct.

streak camera；streak image tube；space charge effect；spatial resolution

TN102

A

1672-2914（2016）02-0056-04

2015-11-17

陕西省教育厅科研基金项目（15JK1793）；咸阳师范学院科研基金项目（07XSYK285）。

柳 钰（1981—），女，陕西澄城县人，咸阳师范学院物理与电子工程学院讲师，研究方向为物理电子。