电子光学条纹管的物理特性分析

陈景霞

(淮南师范学院，安徽 淮南 232038)

0 引言

现代科技加速了相机产业的发展，条纹相机不断普及到人们的生活中，条纹管做为条纹相机的核心组件，具有极高的空间分辨率和时间分辨率，同时能够将时间轴转化为空间轴，在微观探测和超快现象探测中发挥着重要作用。各个领域对条纹管的要求不同，因此，研究人员研究出来的条纹管性能也是不同的，例如，短磁聚焦条纹管用来检测时间分辨率，异性聚焦条纹管侦测大动态范围内存在的异常情况[1]。不同的条纹管具有不同的物理特性，本文重点分析了电子光学条纹管的物理特性，判断了条纹管的探测面积、管像差和分辨率，通过条纹管的结构分析其稳定性和可靠性[2]。

1 电子光学条纹管的物理特性分析模型

本文设计的电子光学条纹管物理特性分析模型通过三维软件观察条纹管内部电子的运行情况，对运行轨迹进行追踪，根据追踪到的运行轨迹判断电子光学条纹管的物理特性。电子光学条纹管中的电磁分布有很大的不同，因此要通过不同的方式记录电磁场分部数值，本文选用离散方程计算，该计算方法稳定性较高，迭代很好。离散方程的主要计算内容为电磁的能量和电荷的守恒，计算精准度强，效率高，通过统计法分析电场分布情况[3]。电子光学条纹管结构如图1所示。

图1 电子光学条纹管结构

电子光学条纹管的主要结构包括阴极、阳极、聚焦点、偏转版和显示屏，由于光学条纹管占地面积很小，只有500 mm2，所以各个结构联系得都十分紧密，分析计算较为困难，通常先建立离散空间，再根据六面体网格计算，分析电场分布网格，网格越紧密，得到的结果越准确[4]。网格的密集程度对计算效率有很大的影响，太密或太疏松都会降低计算效率，因此，在建立六面体网格时，要逐步加大网格间距，同时计算阳极和阴极的电磁场，若结果基本相同，则证明得到的计算结果较为准确[5]。电场分布图如图2所示。

图2 电场分布图

在得到电场分布图之后，计算电子运动轨迹，计算过程如下：

E(mv)=r(t)+B(t)，

(1)

式中：m代表运行电子的质量；v代表运行电子的速度；E代表电场运行轨迹；r代表电子束运行距离；t代表电子束运行时间；B代表电子束内部磁场。

2 电子光学条纹管的物理特性研究

为了提高对电子光学条纹管物理特性研究的准确率，本文从4个方面进行分析，主要分析内容包括电子光学条纹管的灵敏度、空间分辨率、偏转距离、偏转电压、时间分辨率、畸变时间[6]。

2.1 电子光学条纹管的灵敏度和静态空间分辨率

电子光学条纹管的灵敏度和静态空间分辨率都是根据条纹管阳极孔大小决定的，因此，要放在一起进行研究。条纹管具有多个阳极孔，对分辨率会产生一定的影响，通过记录电压偏转荧光板的偏转量，判断空间分辨率[7]。偏转板在承受500 V电压时，阴极中心发射的电子为5 000个，以仰角的方式均匀分布。当偏转板与阳极孔的距离不同时，电子在荧光屏产生的偏转量不同，偏转的灵敏度也有所不同，从弧线方向和子午方向计算分辨率，计算结果见表1。

表1 分辨率计算结果

系统在统计粒子束的分布时，只能统计到二维平面的分布情况，所以在静态情况下统计效果更好，统计结果在平面荧光屏显示。由表1可知，当偏转板之间的距离增加时，条纹管的灵敏度会有所下降，灵敏度计算公式如下：

(2)

式中：v代表电子光学条纹管的供电电压；u代表电子束偏离电压；f(x，y)代表电子束的运行轨迹，c(v)代表光学条纹管的供电电容；c(u)代表电子束偏离电压。

分析式(2)可知，漂移区长度减小导致灵敏度降低，阳极孔之间的距离也会随之加大[8]。条纹管的空间灵敏度发生改变后，分辨率也会随之改变。从阴极中心发出的电子束运动轨迹是难以确定的，由于电子发射时具备的最初能量和角度不同，所以会产生一定的弥散，电子束往往会先发散后聚拢。为了配合电子束的运动特点，条纹管的入口会被设定得很小，直径距离减小，使偏转散焦随之减小，直径越小，散焦程度越小，空间分辨率也会降低。

虽然阳极孔距离增大后，电子光学条纹管的分辨率会增高，但是灵敏度会降低，因此不能为了提高分辨率而一味地加大阳极孔距离，通常最佳的阳极孔距离为6 mm[9]。

2.2 电子光学条纹管的偏转距离和偏转电压

电子光束在通过偏转板后，在荧光屏上有所显示，通过分析偏转距离和偏转电压之间的关系，判断电子光学条纹管的物理特征。偏转距离和偏转电压之间的关系在正常情况下如图3所示。

观察图3可知，在正常情况下，电子光学条纹管偏转距离和偏转电压呈现线性关系，随着偏转距离的增加，偏转电压也在不断加大，一旦不符合这种关系，电子图像就有可能出现失真的现象。例如，当电子光学条纹管偏转距离增加，但偏转电压没有发生改变时，则证明条纹管电压连接装置出现问题；当电子光学条纹管偏转距离不变，但偏转电压发生改变时，则证明光束没有按照预定的轨迹前行。光学条纹管出现问题后，不能按照传统的方式分析物理特性，要立刻采取有效的解决措施[10]。

图3 偏转距离和偏转电压之间的关系

2.3 电子光学条纹管的时间分辨率

时间分辨率是电子光学条纹管一个较难分析的物理特性，时间分辨率要根据两束光的最小时间间隔判断。阴极表面发射的电子脉冲序列具备一定的时间间隔，通常脉冲间隔为30～50 ps。为了提高时间分辨率的分析精度，扫描工作点通常要选择5～10个，将扫描到的电压记录成线性形式。电子光束在电子光学条纹管内部运行的时候，偏转散焦和像差会对成像效果造成影响，因此，系统要提前加入电压，使电子光束的运行轨迹能够顺利在荧光板上显示[11]。

相邻光束在荧光板上显示的轨迹会有一定的重合，所以，可以通过分析最高脉冲点和最低脉冲点，判断电子光束的运行轨迹[12]。本文研究的电子束都是从电子光学条纹管阴极中心发出来的，所以得到的时间分辨率是极限时间分辨率。电子束运行时间是动态的，分辨率也是不同的，寻找不同的扫描速度，判断时间分辨率。

2.4 电子光学条纹管的动态空间分辨率

上文分析了电子光学条纹管的静态空间分辨率，接下来对电子光学条纹管的动态空间分辨率进行分析。在动态情况下，电子光学条纹管会产生弥散，分析其空间分辨率时要从弧面和子午两个方向研究。弧面方向的空间分辨率只反映电子光学条纹管的空间弥散程度，而子午方向的空间分辨率不仅反映电子光学条纹管的空间弥散程度，同时也反映电子光学条纹管的时间弥散程度[13]。电子束在荧光屏上显示时会有一定的偏转量，偏转量越大，电子束的空间分辨率越差，模拟结果表明，当电子束在荧光屏上的偏转距离增大超过10 mm后，空间分辨率会大大下降。考察电子光学条纹管动态空间分辨率时，要设定对应的考察点，记录发射的电子束，每个考察点允许的偏转距离最大不能超过8 mm。追踪电子光束得到的轨迹空间分布方式如图4所示。

图4 电子光学条纹管内部电子束动态空间分布方式

2.5 电子光学条纹管畸变时间和畸变程度

从阴极发射的光电子会产生一定的畸变，由于初始高度不同，畸变时间也有所不同，因此，在分析电子光学条纹管物理特性时，要对畸变时间进行分析[14]。目前，电子光学的畸变时间分为正时间畸变和负时间畸变两种，条纹管以条纹轴将电子光束分为轴内光电子和轴外光电子，如果轴外光电子从发出到显示在荧光屏上的时间大于轴内光电子从发出到显示在荧光屏上的时间，则被称为正时间畸变；如果轴外光电子从发出到显示在荧光屏上的时间小于轴内光电子从发出到显示在荧光屏上的时间，则被称为负时间畸变。大量调查结果显示，平面阴极使系统产生的畸变通常为正时间畸变，而曲面阴极使系统产生的畸变通常为负时间畸变，阴极弯曲程度越大，负时间畸变程度越大。

电子光学条纹管除了受阴极弯曲程度的影响外，还受电子初始高度、探测面积等因素影响，通常电子初始高度越高，探测面积越大，畸变程度越大，电子束越快产生畸变。距离光学轴越远的电子运行时间越长，荧光屏显示的畸变结果越明显，因此要将平面阴极和曲面阴极连到一起，降低畸变程度[15]。

3 实验研究

3.1 实验目的

为了检测本文研究的电子光学条纹管物理特性分析方法的准确性，与传统方法进行对比，对不同电子光学条纹管物理特性进行了实验分析。由于实验次数有限，所以本文仅针对电子光学条纹管的空间分辨率这一物理特性进行实验探讨。

3.2 实验参数设置

设置实验参数见表2。

表2 实验参数

设置性能参数见表3。

表3 性能参数

3.3 实验结果与分析

根据表2～3的参数进行实验，选用传统的分析方法和本文的分析方法对电子光学条纹管的空间分辨率进行分析，得到的实验图结果如图5所示。

图5 准确性对比结果

观察上述对比结果图，可以发现本文研究的分析方法在分析电子光学条纹管的空间分辨率时与实际的电子光学条纹管的空间分辨率一直较为吻合。在分析时间为1 min时，传统分析方法分析的空间分辨率为47 lp/mm，本文的分析方法分析的空间分辨率为28 lp/mm，实际的空间分辨率为29 lp/mm；在分析时间为3 min时，传统的分析方法分析的空间分辨率为32 lp/mm，本文的分析方法分析的空间分辨率为14 lp/mm，实际的空间分辨率为15 lp/mm；在分析时间为5 min时，传统的分析方法分析的空间分辨率为33 lp/mm，本文的分析方法分析的空间分辨率为8 lp/mm，实际的空间分辨率为8 lp/mm。

3.4 实验结论

根据上述实验结果与分析，得到如下实验结论：本文的分析方法通过正交实验法分析电子光学条纹管的物理特性，大大提高了分析效率，工作人员不需要盲目实验就可以分析出电子光学条纹管的每种物理特性。

电子光学条纹管占地面积较小，结构与结构之间联系紧密，分析其物理特性比较困难，传统的分析方法扫描档位很低，实验过于盲目，分析结果准确性难以保障。本文研究的分析方法在性能参数上进行了优化，在分析球面光电阴极和荧光屏时，探测距离都有所加大，同时也提高了电压的放大倍率。在分析偏离电压时，本文选用了狭缝分析法，而不是电极分析法，使分析结果可靠性大大加强。在分析空间分辨率时，本文设定了12个档位，每个档位都与无限卫星有着密切的联系，可以快速准确地确定电子光学条纹管的空间分辨率。

综上所述，本文提出的物理特性分析法在分析效果和耗时上都要好于传统的分析方法，更加值得推广使用。

4 结语

电子光学条纹管是条纹相机的重要组成部分，对其物理特性进行分析对于发展条纹相机有着关键性的意义，传统的分析方式过于单一化，需要多次实验才能得到准确的结果，操作起来较为盲目。本文引入了多个操作点分析电子光学条纹管的物理特性，该分析方法耗时短，效果明显，只需要几次实验就能精准地分析出电子光学条纹管的空间分辨率、时间分辨率和偏转电压，具有很大的发展前景。