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高性能條紋相機——尖端科學儀器皇冠上的明珠

時間:2018-05-29  來源:文本大小:【 |  | 】  【打印

  人類獲取信息的主要途徑是通過眼睛、耳朵等感覺器官,其中90%以上的信息是通過眼睛獲取的。受眼睛分辨力的限制,人眼只能識別時間間隔大于1/24秒的現象,以及1米處大于0.291毫米的物體。然而,在我們身邊還存在許多快速變化的瞬間,例如水滴落地、拳頭擊打水面、氣泡破裂等,由于變化過程極快,超出了人眼的分辨極限,無法直接觀察。

  

图1 快速变化的现象(图片来自百度)

  觀測這些快速變化過程需要借助于先進的科學儀器,這就是高速攝影技術。對于一個人眼無法跟蹤的高速流逝過程,高速攝影提供了一種耦合的時空信息序列,其中空間信息用圖像來表達,時間信息用拍攝頻率表達。2004年在美國召開的第26屆“國際高速攝影和光子學會議”將高速攝影定義爲速度大于128幀/秒(時間間隔相當于小于1/128秒),可連續獲得3幀以上的攝影。高速攝影技術也是一種時間放大技術,可以在短時間內對高速運動物體或者現象進行采集,采集完的片段以較慢的速度放映,最終將快速變化的運動過程放慢到人眼視覺的時間分辨程度,使人能夠得以觀察。目前,市場上常規的CCD或者CMOS相機的成像速度可達到上百幀/秒,專業的工業相機最高成像速度已達到幾十萬幀/秒。但幀頻越高,它的像素數越低,因此工業相機成像速度的提高是以犧牲空間分辨率爲前提的。同時,受芯片存儲和數據讀出速度的限制,進一步提高現有相機的成像速度變得非常困難。

  在自然界或科學技術研究領域也存在許多持續時間小于百萬分之一秒的現象(稱爲超快現象),例如:人們熟知的植物光合作用過程、食鹽在水中的溶解過程、生物材料熒光發射的時間尺度、半導體材料載流子壽命、化學反應的分子動力學過程等,常規的探測和記錄儀器是來不及記錄下整個過程的。這種超快現象測量技術稱之爲超快診斷技術,主要的診斷手段爲對目標進行瞬時成像,所以也有人稱之爲超高速攝影技術。當前唯一可實現高時空分辨率的超快現象線性診斷的工具是條紋相機,其時間分辨率可以達到飛秒量級(10-15秒),對于前面提到的一些高速運動的現象,如果采用條紋相機來觀測,如同時間靜止一樣,可以很清晰地觀察整個運動過程。

图2 两个生物大分子化学反应中原子的运动变化过程
(A. H. Zewail, 4D electron microscopy: imaging in space and time)
1ns=1×〖10〗^(-9) s(十亿分之一秒)
1ps=1×〖10〗^(-12) s(一万亿分之一秒)
1fs=1×〖10〗^(-15) s(一千万亿分之一秒)

  如同普通CCD相機一樣,條紋相機的前端也有光學鏡頭,用于對目標圖像的聚焦和成像,條紋相機的後端有圖像采集芯片用于對光學圖像信息的數字采集。但是在條紋相機的中間部分有一個核心組件,叫條紋變像管,主要由光電陰極、掃描偏轉板和熒光屏組成。目標的光學圖像經過光學鏡頭上的狹縫以後變爲一維的狹縫像,一維狹縫圖像在與條紋管的光電陰極作用後將光學信號,通過光電轉換變爲容易被調控的電子信號。電子信號在傳輸過程中會受到掃描偏轉板內線性電場的作用,將不同時間到達的電子信號在空間上展開,這些電子轟擊熒光屏後再産生光學信號,最終采用圖像采集芯片將光學信號記錄。也就是說,條紋相機在整個記錄過程中將入射光的時間信息轉換爲了空間信息,根據事先設定的掃描速度及空間位置信息可計算出入射的時間間隔。而條紋相機前面的狹縫像也導致了記錄到的信息爲一條一條的條紋,因此這種超快成像儀器被稱爲條紋相機。由于條紋相機的先進性和尖端性,我們可以稱其爲尖端科學儀器皇冠上的明珠。

圖3條紋相機工作原理


一  深厚的历史积淀
  我国的高速摄影研究始于1962年,也就是中國科學院西安光學精密機械研究所(以下简称“西安光机所”)成立之初。高速摄影是西安光机所的建所之本,也是在时代背景下国家赋予研究所的光荣使命,西安光机所高速摄影研究的水平代表了我国在该领域的最高水平。1966年,第一个用于高速摄影的变像管在西安光机所研制成功,开启了我国光子学的新阶段。到2000年左右,在以龚祖同院士、侯洵院士、牛憨笨院士等为代表的著名专家的带领下,我国高速摄影技术得到了全面的发展,不仅提出了大量开创性理论,还开展了许多卓有成效的实验研究,设计并研制出了不同类型的条纹相机。

图4 西安光机所条纹管相机实物图(2000年前)

  然而,這一時期,我國的條紋相機技術主要應用在某些特殊領域,因此條紋相機仍然是實驗室單台套産品,在標准化、可靠性、一致性、穩定性方面還與國外差距明顯,條紋相機的高性能指標也急需繼續提升。作爲尖端技術,條紋相機的國際學術研究成果及器件設備的共享性很低,國外相關的技術對我國實行嚴格的封鎖,對條紋相機也實行嚴格的出口管制。

二  开拓创新,取得系列重大突破
  2012年,西安光机所迎来了条纹相机发展的重大机遇。在国家财政部和中國科學院的支持下,以赵卫所长为项目负责人的国家重大科研装备研制项目“高性能条纹相机的研制”正式启动。项目旨在进一步提高条纹相机的综合功能和性能指标,发展具有自主知识产权的高性能、高可靠性、实用化条纹相机系统,并形成一定的批量生产能力,满足国家大科学工程和国家重大基础前沿研究对高性能指标和不断增长的数量需求。经过五年的艰苦攻关和技术创新,西安光机所在条纹相机的性能提升、种类发展、生产标准等方面都取得了重要进展。

  條紋相機作爲當前最高端科學儀器的代表,所涉及的理論和技術均已接近物理極限。高性能條紋相機的研究涵蓋光學、光電子、超快電子學、微電子學、精密機械和計算機等多門學科,研制起點高,技術複雜,研制難度極大。爲了在時間分辨率、動態範圍和同步掃描頻率上取得突破,西安光機所科研人員作了多項創新。

  理論創新。当入射光子经过光电阴极发射出光电子后,要继续运行到达荧光屏。在这个过程中,大量电子之间会发生相互排斥作用,产生严重的空间电荷效应。这种空间电荷效应会使电子向前传输过程中发生横向和纵向的展宽,严重影响条纹相机的主要技术指标,如导致时间分辨率和动态范围的降低。为了在理论上分析空间电荷效应对条纹相机关键指标的影响,国际上提出了各种物理模型,如采用”层流模型”对连续电子束轨迹的追踪,采用多“多体相互作用模型”对大量电子脉冲运动规律的描述等。针对条纹相机中电子的数量巨大、且一般为脉冲电子束团的特点,西安光机所科研人员创新性地提出了空间电荷效应的“圆盘理论模型”, 将电子脉冲中成千上万个电子之间的相互作用等效为若干个“电荷圆盘”之间的库伦斥力,精确描述了条纹相机中大量脉冲电子束之间的空间电荷效应,巧妙地实现了对电子束团行进过程中相互作用的精密化描述,具有理论模型简单、粒子轨迹追踪精确的特点,成为了高性能条纹相机研制的重要理论基础。不仅如此,研究人员还建立了光电子初始状态的蒙特卡洛抽样理论模型,并在国际上首次将“正交试验法”引入条纹相机的设计中,使条纹相机的理论设计更贴近实际。

  技術創新。有了理論還不夠,高性能條紋相機的研制在技術上還有很多棘手的難題。衡量條紋相機最主要的指標就是時間分辨率,這個指標決定了條紋相機能夠探測的時間極限,是納秒、皮秒,飛秒,甚至是阿秒?爲了實現高的時間分辨率,要具備以下三個主要條件:第一,電子具有足夠高的初速度保證電子到達熒光屏的時間足夠短;第二,電子在傳輸過程中的速度與掃描電脈沖的速度精確匹配,盡可能降低由于速度適配造成的時空彌散;第三,具有極低的觸發晃動。在西安光機所科研人員的徹夜奮戰下,經過無數次的理論計算、結構設計和協調測試,最擊破了各個技術難題,實現了在陰極和柵極之間小于1mm的超短間距下獲得超過10000V/mm加速場強的苛刻條件,並保證了在如此高的場強下的穩定工作。而爲獲得電子束與掃描電脈沖之間的精密時間同步,科研人員創新性地在電子光學設計上提出了采用行波偏的掃描結構,即采用行波偏轉板將電子束脈沖的”速度放慢”,以達到電子群速度與掃描脈沖相速度的匹配,減小了速度適配造成的時間彌散,同時行波偏轉結構還增大了電子束與掃描脈沖作用的時間,使電子束獲得的徑向動能足夠大,提高了系統的偏轉靈敏度,進一步提高了時間分辨率。另一方面,爲保證飛秒時間分辨,要求條紋相機系統的觸發晃動足夠小,這樣才能盡可能地提高整個系統在重複掃描時的時間分辨率。在這種情況下,傳統的電觸發方式已經不能滿足要求。選擇半導體光觸發技術,通過改進光開關的制作工藝以及優化工作狀態,西安光機所研究人員實現了上升時間小于100ps的光開關的研制,將系統的觸發晃動減小到150fs以下,保證了條紋相機在6000次以上重複掃描下的飛秒時間分辨率。低觸發晃動的指標也達到了國際先進水平。

  條紋相機的另一個重要指標是動態範圍,在保證時間分辨率足夠高的前提下,很多科學研究中還同時要求條紋相機具有大的動態範圍,這本身就是一個非常高的技術難題。動態範圍指的是探測信號最大值與最小值的比值。比如在激光聚變實驗中,聚變初期的輻射信號強度是極弱的,但到聚變完成時,輻射信號的強度達到了極大值,極大值與極小值之間的比值超過10000。因此,也就對條紋相機的動態範圍提出了非常高的要求。條紋相機動態範圍的主要受限因素就是前面提到的空間電荷效應,它是客觀存在的,無法避免,但可以最大程度地抑制。對此,科研人員摒棄了目前普遍采用的旋轉對稱型電子光學結構,采用各向異性聚焦電子光學系統,將聚焦區域由單點聚焦變爲面積擴大的線聚焦,有效降低了電荷密度,極大地抑制了空間電荷效應。結合團隊提出並設計的小絲徑大輸出電流HOT-MCP技術減小增益飽和效應,將條紋相機的動態範圍提高到12800:1,達到了國際報道的最高水平。

  除此之外,還攻克了自穩頻鎖相技術、諧振腔電磁屏蔽技術等難題,在同步掃描條紋相機中實現了小于2ps的觸發抖動指標,突破了300MHz的同步掃描技術,而國際上報道的最高值爲250MHz,爲極微弱光信號的探測奠定了基礎。

  工藝突破。高性能條紋相機的研制過程涉及上百種工藝,關鍵工藝瓶頸的攻克也是不可避免的。爲此,團隊經過五年的技術研究和刻苦攻關,在一系列關鍵工藝中取得突破,如采用超高真空轉移陰極制作和熱铟封技術突破了高量子效率可見光陰極工藝,同等測試條件下陰極靈敏度指標高于歐洲某公司水平,與日本某公司報道持平,最近更實現了靈敏度達到278μA/lm的多堿光陰極條紋管的研制。此外,采用轉移陰極工藝也將陰極的非均勻性由之前的50%提高到15%以下,使高性能條紋相機的“眼睛”更加明亮。

  
 

  图5 转移阴极制作的阴极灵敏度(上表)及非转移与转移阴极制作的均匀性对比(下图)

  在條紋相機的穩定性和一致性方面,采用光陰極實時多信息在線監控對陰極的生長過程進行監控和控制提高了陰極的一致性;根據對條紋相機組件的應力、受熱和變形分析設計合理公差的裝配胎具,解決的高精度裝配的難題,保證了條紋相機的成像質量;采用先進的刷塗工藝實現了高均勻性、高致密性、高亮度增益和短余晖熒光屏的制作,從而在保證條紋相機各組件高性能基礎上提高了條紋相機系統的性能,並爲條紋相機的標准化生産提供了保障。

三 性能指标国际先进
  在理论、术和工艺取得系列重大突破的基础上,西安光机所研究人员成功研制了系列化条纹相机,核心性能指标都已达到国际先进水平,部分指标达到了国际最高水平。其中,飞秒条纹相机的时间分辨率达到450fs,属于国际先进,主要用于飞秒化学反应的动力学过程、飞秒激光特性等的测量;大动态范围条纹相机的动态范围达到12800:1@100 ps,是目前国际报道的最高水平,主要满足对物理量跨度范围极大信号的探测,如等离子体的发射过程、内爆过程等;同步扫描条纹相机的同步频率达到300 MHz,属于国际最高水平,主要用于对极微弱光信号的多次重复扫描测量,如荧光光谱、荧光寿命等。

四 建成国内领先的超快诊断技术研究平台
  項目的研制成功對我國超快診斷技術的發展起到了的非常重要的支撐作用。在該項目的研制過程中,西安光機所建成了四大科研平台,包括國內最完善的電子光學設計平台、最先進的電真空器件研制平台、領先的超快電子學研制平台和最完備的超快診斷綜合測試與分析平台,保證了條紋相機從設計、器件研制、電路制作和系統測試整個過程的先進性和完備性,爲精密科學儀器的研制和小批量生産奠定了基礎。同時,還實現了核心設備如條紋管轉移陰極制作系統、可見光增強器制作系統以及MCP預處理台等多種大型設備的自主研制,打破了國內外封鎖,爲條紋相機關鍵器件的研制提供了重要保障。

  在高性能條紋相機的研制過程中,不僅實現了關鍵核心器件的突破,也帶動了多類其他超快光電器件的發展,包括20寸大面積光電倍增管、3寸緊湊型光電倍增管、像增強器、電子轟擊CMOS型器件、多陽極光電倍增管、半導體超快成像芯片等,使的西安光機所成爲了國際上少數幾家掌握這些器件關鍵技術的研發單位。

图6 高性能条纹相机小批量生产能力

图7 核心超快光电器件


五  迈向産業化,走向国际化
  高性能條紋相機的研制成功標志著我國光電領域尖端科學儀器已達到國際領先水平,中國對此擁有完全自主知識産權,一舉打破了國際壟斷與限制。西安光機所目前具備每月4台條相機、每月8只條紋管和每天200塊熒光屏的小批量生産能力。小批量生産的能力已經初步滿足了國內在國防高技術和基礎前沿科學領域的迫切需求。目前高性能條紋相機已經在國家重大科技專項和基礎前沿領域發揮了作用。比如,在高超發動機燃燒診斷中對燃燒物熒光壽命的精確測量、在激光三維測繪系統中對遠距離目標的高分辨三維成像等。

图8 条纹相机在激光三维成像雷达中的应用。原始目标(左),强度图像(中),距离图像(右)。

  西安光机所正凭借在高新技术产学研方面创新发展的特色优势将高性能条纹相机産業化,使条纹相机能更好地服务于国家重大科技和先进制造行业。不仅如此,西安光机所的科研人员也努力将高性能条纹相机推向国际市场,力争使国产重大科研仪器走出国门,走向世界。

图9 高性能系列条纹相机在第7届全国高能量密度会议上展示

图10 在第三届极端条件下物质与辐射国际会议上介绍条纹相机


  高性能条纹相机的研制成功,对我国精密测量仪器水平的提高以及打破国际封锁、替代进口、实现超快诊断相关技术与仪器的自主研制生产、满足国家重大工程、国家战略高技术及前沿科学领域的需求具有极其重要的战略性推动作用,解决了我国条纹相机这一高端科学仪器受制于人的窘境。期待着这颗“明珠”助力我国重大前沿科学创新和国防高技术突破再创辉煌。(条纹相机工程中心 供稿)