門控分幅相機的能譜響應特性研究.pdf

1、門控分幅相機現(xiàn)已成為國內ICF實驗的重要診斷設備,在黑腔物理、X光輻射輸運、輻射燒蝕不透明度等研究領域中扮演著至關重要的角色。而目前使用的門控分幅相機仍然存在量子效率不明確、能譜響應度曲線未知,響應影響因素不明等問題,導致ICF實驗結果無法精確量化。因此,研究門控分幅相機的能譜響應問題對于高能高密度等離子體發(fā)射的寬頻帶X射線成像是非常重要的。在深入研究了門控分幅相機的基本結構、工作原理和主要參數(shù)指標后,基于美國利弗莫爾實驗室和圣地亞國家

2、實驗室等的研究成果,建立了分幅相機的核心元件——金陰極MCP的能譜響應二維簡化理論模型,推導得出了能譜響應的計算公式,并模擬得到了理論響應曲線。該理論研究主要從陰極光電產額、多通道效應、微孔內壁鉛層的光電效應、單個微通道的增益幾方面來開展。在陰極材料和入射光子能量一定時,陰極光電產額與陰極的質量光致電離截面、陰極質量密度和入射光子能量成正比,而X射線衰減長度、二次電子在陰極材料中的平均逃逸深度等也是影響陰極光電子產額的重要參數(shù);當入射的

3、X光子能量較大時,X射線可能穿透MCP微通道壁而進入相鄰通道內,從而在該通道內發(fā)生光電轉換產生光電子,即多通道效應,研究此效應對金陰極MCP能譜響應的影響,其關鍵在于MCP材料對X射線的吸收系數(shù)和光電子產生的位置;X射線穿透微通道后可能會轟擊相鄰通道壁的鉛層,從而因鉛的光電轉換而產生的光電子也會在通道內碰撞得到倍增,因而計算時需要考慮鉛的光電子產額和由此引起的電子增益;MCP對光電子的倍增作用可由MCP單個微通道的增益來計算,將微通道視

4、作離散的打拿極,光電子產生的位置不同,其倍增級數(shù)則不同,綜合來看增益主要由MCP長徑比和光電子產生處距電子出射面的距離決定。從理論模擬結果可得出結論:金陰極MCP的能譜響應與金和鉛的密度、費米波矢、質量光致電離截面、二次電子逃逸深度、X射線衰減長度、MCP通道材料對X射線的線性吸收系數(shù)等有關。為了解金陰極MCP在紫外波段的能譜響應特性,探索金陰極MCP能響標定的實驗條件,設計了金陰極MCP探測器在紫外波段能譜響應的測定實驗。分析實驗結果

5、得出結論:當電子收集極與MCP輸出面之間距離為0.5mm時,只需要9V收集電壓就可將二次電子完全收集;MCP的暗電流在皮安量級,且在25pA附近隨機波動;金陰極MCP探測器在入射光子能量低于4.9eV(金的逸出功)大于4eV時仍有一定響應;金陰極的光譜響應曲線在5.72eV處存在一個響應峰值,該峰值是金的選擇性光電效應峰值。在紫外能譜響應實驗的基礎上,利用北京同步輻射裝置3B3實驗站的單色X射線進行了三種金陰極MCP探測器在X射線段(2

6、.1～6keV)的能譜響應的標定實驗。標定結果表明:①如理論所預言,金陰極MCP的能譜響應總體上是隨入射光子能量增大而衰減的。但其中會因為某些元素的吸收邊而存在一些陡峭的小峰。②入射角越大,則增益值越小,能譜響應也越低。由于實驗時X射線正入射到MCP板表面,因此X射線的入射角等于MCP的斜切角,斜切角小的MCP探測器的能譜響應度好。③當金陰極膜深入到微通道內壁上的深度太深時,勢必會影響到鉛層對二次電子的倍增作用,同時也會使金對X射線的吸