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高性能条纹相机——尖端科学仪器皇冠上的明珠

文章来源:西安光学精密机械研究所    发布时间:2018-05-30  【字号:      】

  人类获取信息的主要途径是通过眼睛、耳朵等感觉器官,其中90%以上的信息是通过眼睛获取的。受眼睛分辨力的限制,人眼只能识别时间间隔大于1/24秒的现象,以及1米处大于0.291毫米的物体。然而,在我们身边还存在许多快速变化的瞬间,例如水滴落地、拳头击打水面、气泡破裂等,由于变化过程极快,超出了人眼的分辨极限,无法直接观察。

图1.快速变化的现象(图片来自百度)

  观测这些快速变化过程需要借助于先进的科学仪器,这就是高速摄影技术。对于一个人眼无法跟踪的高速流逝过程,高速摄影提供了一种耦合的时空信息序列,其中空间信息用图像来表达,时间信息用拍摄频率表达。2004年在美国召开的第26届“国际高速摄影和光子学会议”将高速摄影定义为速度大于128帧/秒(时间间隔相当于小于1/128秒),可连续获得3帧以上的摄影。高速摄影技术也是一种时间放大技术,可以在短时间内对高速运动物体或者现象进行采集,采集完的片段以较慢的速度放映,最终将快速变化的运动过程放慢到人眼视觉的时间分辨程度,使人能够得以观察。目前,市场上常规的CCD或者CMOS相机的成像速度可达到上百帧/秒,专业的工业相机最高成像速度已达到几十万帧/秒。但帧频越高,它的像素数越低,因此工业相机成像速度的提高是以牺牲空间分辨率为前提的。同时,受芯片存储和数据读出速度的限制,进一步提高现有相机的成像速度变得非常困难。

  在自然界或科学技术研究领域也存在许多持续时间小于百万分之一秒的现象(称为超快现象),例如:人们熟知的植物光合作用过程、食盐在水中的溶解过程、生物材料荧光发射的时间尺度、半导体材料载流子寿命、化学反应的分子动力学过程等,常规的探测和记录仪器是来不及记录下整个过程的。这种超快现象测量技术称之为超快诊断技术,主要的诊断手段为对目标进行瞬时成像,所以也有人称之为超高速摄影技术。当前唯一可实现高时空分辨率的超快现象线性诊断的工具是条纹相机,其时间分辨率可以达到飞秒量级(10-15秒),对于前面提到的一些高速运动的现象,如果采用条纹相机来观测,如同时间静止一样,可以很清晰地观察整个运动过程。

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相机一样,条纹相机的前端也有光学镜头,用于对目标图像的聚焦和成像,条纹相机的后端有图像采集芯片用于对光学图像信息的数字采集。但是在条纹相机的中间部分有一个核心组件,叫条纹变像管,主要由光电阴极、扫描偏转板和荧光屏组成。目标的光学图像经过光学镜头上的狭缝以后变为一维的狭缝像,一维狭缝图像在与条纹管的光电阴极作用后将光学信号,通过光电转换变为容易被调控的电子信号。电子信号在传输过程中会受到扫描偏转板内线性电场的作用,将不同时间到达的电子信号在空间上展开,这些电子轰击荧光屏后再产生光学信号,最终采用图像采集芯片将光学信号记录。也就是说,条纹相机在整个记录过程中将入射光的时间信息转换为了空间信息,根据事先设定的扫描速度及空间位置信息可计算出入射的时间间隔。而条纹相机前面的狭缝像也导致了记录到的信息为一条一条的条纹,因此这种超快成像仪器被称为条纹相机。由于条纹相机的先进性和尖端性,我们可以称其为尖端科学仪器皇冠上的明珠。

图3.条纹相机工作原理

  一、深厚的历史积淀

  我国的高速摄影研究始于1962年,也就是千亿国际|官网西安光学精密机械研究所(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,这一时期,我国的条纹相机技术主要应用在某些特殊领域,因此条纹相机仍然是实验室单台套产品,在标准化、可靠性、一致性、稳定性方面还与国外差距明显,条纹相机的高性能指标也急需继续提升。作为十分敏感的尖端技术,条纹相机的国际学术研究成果及器件设备的共享性很低,国外相关的技术对我国实行严格的封锁,对条纹相机也实行严格的出口管制。

  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。在财政部和中科院的支持下,以西安光机所所长赵卫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。

  条纹相机作为当前最高端科学仪器的代表,所涉及的理论和技术均已接近物理极限。高性能条纹相机的研究涵盖光学、光电子、超快电子学、微电子学、精密机械和计算机等多门学科,研制起点高,技术复杂,研制难度极大。为了在时间分辨率、动态范围和同步扫描频率上取得突破,西安光机所科研人员作了多项创新。

  理论创新。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。

  技术创新。有了理论还不够,高性能条纹相机的研制在技术上还有很多棘手的难题。衡量条纹相机最主要的指标就是时间分辨率,这个指标决定了条纹相机能够探测的时间极限,是纳秒、皮秒,飞秒,甚至是阿秒?为了实现高的时间分辨率,要具备以下三个主要条件:第一,电子具有足够高的初速度保证电子到达荧光屏的时间足够短;第二,电子在传输过程中的速度与扫描电脉冲的速度精确匹配,尽可能降低由于速度适配造成的时空弥散;第三,具有极低的触发晃动。在西安光机所科研人员的彻夜奋战下,经过无数次的理论计算、结构设计和协调测试,最击破了各个技术难题,实现了在阴极和栅极之间小于1mm的超短间距下获得超过10000V/mm加速场强的苛刻条件,并保证了在如此高的场强下的稳定工作。而为获得电子束与扫描电脉冲之间的精密时间同步,科研人员创新性地在电子光学设计上提出了采用行波偏的扫描结构,即采用行波偏转板将电子束脉冲的”速度放慢”,以达到电子群速度与扫描脉冲相速度的匹配,减小了速度适配造成的时间弥散,同时行波偏转结构还增大了电子束与扫描脉冲作用的时间,使电子束获得的径向动能足够大,提高了系统的偏转灵敏度,进一步提高了时间分辨率。另一方面,为保证飞秒时间分辨,要求条纹相机系统的触发晃动足够小,这样才能尽可能地提高整个系统在重复扫描时的时间分辨率。在这种情况下,传统的电触发方式已经不能满足要求。选择半导体光触发技术,通过改进光开关的制作工艺以及优化工作状态,西安光机所研究人员实现了上升时间小于100ps的光开关的研制,将系统的触发晃动减小到150fs以下,保证了条纹相机在6000次以上重复扫描下的飞秒时间分辨率。低触发晃动的指标也达到了国际先进水平。

  条纹相机的另一个重要指标是动态范围,在保证时间分辨率足够高的前提下,很多科学研究中还同时要求条纹相机具有大的动态范围,这本身就是一个非常高的技术难题。动态范围指的是探测信号最大值与最小值的比值。比如在激光聚变实验中,聚变初期的辐射信号强度是极弱的,但到聚变完成时,辐射信号的强度达到了极大值,极大值与极小值之间的比值超过10000。因此,也就对条纹相机的动态范围提出了非常高的要求。条纹相机动态范围的主要受限因素就是前面提到的空间电荷效应,它是客观存在的,无法避免,但可以最大程度地抑制。对此,科研人员摒弃了目前普遍采用的旋转对称型电子光学结构,采用各向异性聚焦电子光学系统,将聚焦区域由单点聚焦变为面积扩大的线聚焦,有效降低了电荷密度,极大地抑制了空间电荷效应。结合团队提出并设计的小丝径大输出电流HOT-MCP技术减小增益饱和效应,将条纹相机的动态范围提高到12800:1,达到了国际报道的最高水平。

  除此之外,还攻克了自稳频锁相技术、谐振腔电磁屏蔽技术等难题,在同步扫描条纹相机中实现了小于2ps的触发抖动指标,突破了300MHz的同步扫描技术,而国际上报道的最高值为250MHz,为极微弱光信号的探测奠定了基础。

  工艺突破。高性能条纹相机的研制过程涉及上百种工艺,关键工艺瓶颈的攻克也是不可避免的。为此,团队经过五年的技术研究和刻苦攻关,在一系列关键工艺中取得突破,如采用超高真空转移阴极制作和热铟封技术突破了高量子效率可见光阴极工艺,同等测试条件下阴极灵敏度指标高于欧洲某公司水平,与日本某公司报道持平,最近更实现了灵敏度达到278μA/lm的多碱光阴极条纹管的研制。此外,采用转移阴极工艺也将阴极的非均匀性由之前的50%提高到15%以下,使高性能条纹相机的“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)

  在条纹相机的稳定性和一致性方面,采用光阴极实时多信息在线监控对阴极的生长过程进行监控和控制提高了阴极的一致性;根据对条纹相机组件的应力、受热和变形分析设计合理公差的装配胎具,解决的高精度装配的难题,保证了条纹相机的成像质量;采用先进的刷涂工艺实现了高均匀性、高致密性、高亮度增益和短余晖荧光屏的制作,从而在保证条纹相机各组件高性能基础上提高了条纹相机系统的性能,并为条纹相机的标准化生产提供了保障。

  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:[email protected],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300MHz,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

  项目的研制成功对我国超快诊断技术的发展起到了的非常重要的支撑作用。在该项目的研制过程中,西安光机所建成了四大科研平台,包括国内最完善的电子光学设计平台、最先进的电真空器件研制平台、领先的超快电子学研制平台和最完备的超快诊断综合测试与分析平台,保证了条纹相机从设计、器件研制、电路制作和系统测试整个过程的先进性和完备性,为精密科学仪器的研制和小批量生产奠定了基础。同时,实现了核心设备如条纹管转移阴极制作系统、可见光增强器制作系统以及MCP预处理台等多种大型设备的自主研制,打破了国内外封锁,为条纹相机关键器件的研制提供了重要保障。

  在高性能条纹相机的研制过程中,不仅实现了关键核心器件的突破,也带动了多类其他超快光电器件的发展,包括20寸大面积光电倍增管、3寸紧凑型光电倍增管、像增强器、电子轰击CMOS型器件、多阳极光电倍增管、半导体超快成像芯片等,使的西安光机所成为了国际上少数几家掌握这些器件关键技术的研发单位。

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、迈向产业化,走向国际化

  高性能条纹相机的研制成功标志着我国光电领域尖端科学仪器已达到国际领先水平,中国对此拥有完全自主知识产权,一举打破了国际垄断与限制。西安光机所目前具备每月4台条相机、每月8只条纹管和每天200块荧光屏的小批量生产能力。小批量生产的能力已经初步满足了国内在国防高技术和基础前沿科学领域的迫切需求。目前高性能条纹相机已经在国家重大科技专项和基础前沿领域发挥了作用。比如,在高超发动机燃烧诊断中对燃烧物荧光寿命的精确测量、在激光三维测绘系统中对远距离目标的高分辨三维成像等。

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产业化,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。




(责任编辑:侯茜)

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