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脉冲展宽分幅相机的最优空间分辨能力分析

激光与光电子学进展 2024年第8期61卷 158-164页

作者：陈欢白雁力李姮高海英桂林电子科技大学电子工程与自动化学院广西桂林541004 桂林电子科技大学信息与通信学院广西桂林541004

短磁聚焦脉冲展宽分幅相机是一种具有长漂移区的二维超快诊断设备。通常采用轴上和离轴的点空间分辨率对其近轴空间分辨能力和工作面积进行评估,但由于像场弯曲会引起高斯像面的空间分辨不均匀,因此难以评价相机的整体空间分辨能力,所... 详细信息

短磁聚焦脉冲展宽分幅相机是一种具有长漂移区的二维超快诊断设备。通常采用轴上和离轴的点空间分辨率对其近轴空间分辨能力和工作面积进行评估,但由于像场弯曲会引起高斯像面的空间分辨不均匀,因此难以评价相机的整体空间分辨能力,所以研究一种能量化空间分辨能力的方法具有重要意义。为探讨新方法,采用COMSOL软件建立模型,基于场曲特性重建三维成像曲面,采用标准差分析成像曲面与高斯像面之间的偏离程度,通过融合点空间分辨率和整体调制度构建高斯像面空间分辨率,并运用相对误差量化高斯像面空间分辨均匀性。研究结果显示,在组合磁透镜的孔距为200 mm、漏磁缝隙为10 mm、轴向宽度为100 mm、漂移区长度为400 mm、成像半径为21 mm、阴极为-3.75 kV的情况下,随着成像磁场变化,成像曲面与高斯像面之间的偏离程度,以及高斯像面空间分辨率均呈开口向上的抛物线形状,并在成像磁场为41.97 Gs(1 Gs=10^(-4)T)时,两像面偏离程度标准差达到最小,为2.82 mm,高斯像面空间分辨率提升至最优,为292.80μm,表征空间均匀性的调制度差值降低至最小,为330%。本文研究为评估短磁聚焦脉冲展宽分幅相机的最优空间分辨性能提供了一种可量化的参考方法。

关键词：超快诊断技术脉冲展宽分幅相机短磁聚焦高斯像面空间分辨能力

脉冲叠加技术提升脉冲展宽分幅相机时间均匀性

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光学学报 2023年第5期43卷 253-258页

作者：伍思其白雁力高海英姚荣彬刘达见桂林电子科技大学电子工程与自动化学院广西桂林541004 桂林电子科技大学信息与通信学院广西桂林541004

脉冲展宽分幅相机是时间分辨率优于10 ps的二维超快诊断设备,但展宽脉冲沿阴极传输会引起阴极不同位置的电压分布出现差异,这会导致相机时间不均匀现象的产生,从而限制了大探测面相机的实现。采用雪崩三极管、雪崩二极管和高通滤波器设... 详细信息

脉冲展宽分幅相机是时间分辨率优于10 ps的二维超快诊断设备,但展宽脉冲沿阴极传输会引起阴极不同位置的电压分布出现差异,这会导致相机时间不均匀现象的产生,从而限制了大探测面相机的实现。采用雪崩三极管、雪崩二极管和高通滤波器设计了一种快斜率皮秒选通脉冲,基于电脉冲叠加原理,探讨了选通脉冲下降沿对时间不均匀性的提升效果。研究结果显示:当阴极电压为-2 kV、电子束初始时间宽度为5 ps和展宽斜率为11.9 V/ps时,随着展宽脉冲沿阴极起点传输到终点,阴极上的电子束展宽倍率由11.74增至39.04,基于相对误差原理,两者相差232.5%;当将选通脉冲下降沿和展宽脉冲同时加载至阴极时,电子束展宽倍率由11.28变化至14.23,两者相差下降至40.21%,此时脉冲展宽分幅相机的时间分辨均匀性得到了有效提升。

关键词：超快光学超快诊断技术脉冲展宽分幅相机脉冲叠加技术时间均匀性

基于滤波技术和GAN的脉冲展宽分幅相机空间分辨性能提升

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光学学报 2024年第11期44卷 315-323页

作者：徐付涛白雁力钟思宋明诚桂林电子科技大学电子工程与自动化学院广西桂林541004 桂林电子科技大学机电工程学院广西桂林541004

为改善硬件提升的局限,将滤波技术和生成对抗网络(GAN)应用于脉冲展宽分幅相机空间分辨性能提升,并采用图像梯度和成像调制度量化提升效果。研究结果显示,高斯-拉普拉斯算子、同态滤波和GAN均能不同程度提升脉冲展宽分幅相机的空间分辨... 详细信息

为改善硬件提升的局限,将滤波技术和生成对抗网络(GAN)应用于脉冲展宽分幅相机空间分辨性能提升,并采用图像梯度和成像调制度量化提升效果。研究结果显示,高斯-拉普拉斯算子、同态滤波和GAN均能不同程度提升脉冲展宽分幅相机的空间分辨性能,而将同态滤波的图像增强和GAN的去模糊相结合,能更显著地提升分辨效果,并将图像整体平均梯度由初始的1.456提高到3.399;近轴5 lp/mm区域的局部平均梯度由7.638提高至23.901,平均调制度由7.84%提高至24.32%;远轴5 lp/mm区域的局部平均梯度由3.869提高至11.349,平均调制度由6.07%提高至19.60%。研究结论不仅为脉冲展宽分幅相机空间分辨性能的提升提供了参考方法,而且为滤波和去模糊技术融入超快诊断领域提供了新思路。

关键词：超快光学诊断技术脉冲展宽分幅相机生成对抗网络滤波技术空间分辨率性能

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磁场对脉冲展宽分幅相机空间电荷效应的影响

光学学报 2024年第5期44卷 281-287页

作者：白雁力宋明诚朱望纯桂林电子科技大学电子工程与自动化学院广西桂林541004

基于磁聚焦成像的脉冲展宽分幅相机是具有超快时间分辨的诊断设备,空间电荷效应是制约其时空性能向更高量级提升的主要因素。为研究脉冲展宽分幅相机中的空间电荷效应,基于电子脉冲电势分布和电场力方程建立研究模型,将电子脉冲动态特... 详细信息

基于磁聚焦成像的脉冲展宽分幅相机是具有超快时间分辨的诊断设备,空间电荷效应是制约其时空性能向更高量级提升的主要因素。为研究脉冲展宽分幅相机中的空间电荷效应,基于电子脉冲电势分布和电场力方程建立研究模型,将电子脉冲动态特性融入模型分析。研究结果显示,由成像磁场引起的电子脉冲动态半径对空间电荷效应时空弥散影响显著,当轴上磁场强度为4.585×10^(-3)T时,随着离轴位置增加至15 mm,磁场强度提高到4.763×10^(-3)T;由于离轴电子脉冲散焦使动态半径较大,因此在降低电子密度的同时,使空间电荷效应的时间弥散由2.94 ps减小至483 fs,空间弥散由668μm减小至22μm;当轴上磁场强度由4.585×10^(-3)T降低至3.359×10^(-3)T时,与最优空间分辨性能相似,空间电荷效应时空弥散在磁场3.4×10^(-3)~3.5×10^(-3)T区域内达到最小,此时离轴15 mm内的时间弥散范围为256~392 fs,空间弥散范围为3.1~15.4μm。研究结论为分析磁场对脉冲展宽分幅相机空间电荷效应的影响提供一定的理论参考。

关键词：超快光学超快诊断技术脉冲展宽分幅相机空间电荷效应成像磁场时空弥散

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脉冲展宽分幅相机空间分辨性能研究

脉冲展宽分幅相机空间分辨性能研究

作者：陈欢桂林电子科技大学

学位级别：硕士

脉冲展宽分幅相机是一种将脉冲展宽技术与微通道板（Micro Channel Plate,MCP）分幅相机相结合的二维超快诊断设备,因其具有皮秒级时间分辨能力和微米级空间分辨能力,被广泛应用于惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion,ICF）诊断... 详细信息

脉冲展宽分幅相机是一种将脉冲展宽技术与微通道板（Micro Channel Plate,MCP）分幅相机相结合的二维超快诊断设备,因其具有皮秒级时间分辨能力和微米级空间分辨能力,被广泛应用于惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion,ICF）诊断实验,其获取的诊断数据是研究ICF燃烧稳定性和提升ICF能量增益的关键依据。随着近年来ICF研究的不断突破,为实现对持续时间约为100 ps的聚变燃烧阶段探测,不仅要求分幅相机具有优于30 ps甚至更快的时间分辨率,而且还需要具备大探测面积和高空间分辨性能。因此,为满足ICF诊断实验的需求,文章以脉冲展宽分幅相机为对象,在保证时间分辨率优于10 ps的前提下,设计磁聚焦成像系统,分析成像系统物理参数对空间分辨性能的影响,通过对物理参数的优化,研究提升脉冲展宽分幅相机探测面积和高斯像面整体空间分辨性能的方法。文章的主要工作包括:（1）基于脉冲展宽原理和分幅相机工作原理,建立脉冲展宽分幅相机的时间分辨率研究模型,通过分析影响时间分辨率的相关因素,构建10 ps脉冲展宽分幅相机的最优物理和技术参数;采用基于雪崩三极管的Marx电路和脉冲陡化电路设计皮秒脉冲发生器,获得上升斜率为5.54 V/ps的展宽脉冲,以及幅值为-2.7 k V和半高宽为198 ps的选通脉冲。当脉冲展宽分幅相机的漂移距离为400 mm和阴极电压为-3.75 k V时,实现8.6 ps的时间分辨率;（2）基于有限差分法、磁标位法、蒙特卡洛光电子发射理论和轴对称磁场成像理论,采用物理场建模软件COMSOL建立可视化的磁聚焦脉冲展宽分幅相机空间分辨研究模型,通过分析高斯像面离轴物点的空间调制传递函数变化关系,构建高斯像面整体空间分辨率及其均匀性的评估方法;通过分析磁聚焦成像系统的场曲特性,采用标准差量化理想成像曲面与高斯像面的偏离程度,基于动态成像磁场,研究获得相机最优整体空间分辨能力的方法;（3）以高斯像面空间分辨率及其均匀性,成像系统的球差、场曲和畸变等性能指标为评价基准,通过分析磁透镜数量、位置、缝隙和孔径等参量对脉冲展宽分幅相机空间分辨性能的影响,在漂移距离为400 mm和阴极电压为-3.75 k V的情况下,当采用轴向宽度为100 mm、孔径为220 mm和缝隙为30 mm的三个磁透镜设计成像系统时,10 ps脉冲展宽分幅相机的探测区域能达Φ70 mm（即半径35 mm）,高斯像面整体空间分辨率及其均匀性分别优于3 lp/mm和167%,成像系统球差为47.40μm,成像畸变率为2.27%,像场弯曲的最大曲率为0.015 mm。文章的主要创新点包括:（1）建立脉冲展宽分幅相机时间分辨率模型,采用雪崩三极管Marx电路和脉冲陡化电路设计皮秒高压脉冲电路,分析阴极电压、漂移区长度、展宽脉冲斜率和MCP分幅相机时间分辨率对脉冲展宽分幅相机时间分辨率的影响,构建短漂移区脉冲展宽分幅相机最优物理和技术参数,为短漂移区10 ps脉冲展宽分幅相机的研制提供理论依据;（2）分析离轴物点空间调制传递函数曲线之间的关系,研究高斯像面整体空间分辨率的标定方法,并基于最大相对误差的物理意义,通过分析各离轴物点之间的调制度差异,实现高斯像面空间分辨率均匀性的量化;采用标准差量化理想成像曲面与高斯像面之间的整体偏离程度,通过动态成像磁场,研究获取脉冲展宽分幅相机最优空间分辨能力和最优成像磁场的方法;（3）采用大孔径宽缝隙的短磁透镜设计10 ps脉冲展宽分幅相机成像系统,基于高斯像面空间分辨率及其均匀性,成像系统球差、场曲和畸变等性能指标,通过分析成像系统参量对空间分辨性能的影响,实现脉冲展宽分幅相机的大探测区域,为大探测区域脉冲展宽分幅相机的研究提供新思路。

关键词：惯性约束聚变超快诊断技术脉冲展宽分幅相机磁聚焦成像系统整体空间分辨性能

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脉冲展宽分幅相机时间性能研究

脉冲展宽分幅相机时间性能研究

作者：伍思其桂林电子科技大学

学位级别：硕士

分幅相机是一种具有皮秒级时间分辨率能力的二维超快诊断设备,在惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)诊断实验中,广泛应用于对内爆聚变阶段等离子体时空演化过程的获取。目前,脉冲展宽分幅相机的时间分辨率可达到10 ps,但随... 详细信息

分幅相机是一种具有皮秒级时间分辨率能力的二维超快诊断设备,在惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)诊断实验中,广泛应用于对内爆聚变阶段等离子体时空演化过程的获取。目前,脉冲展宽分幅相机的时间分辨率可达到10 ps,但随着近年来ICF实验的突破和对更短持续过程的探测需求,具有更快时间分辨性能的诊断设备逐渐成为研究热点。为此,文章通过建立多通道控制系统、皮秒高压脉冲发生器和脉冲展宽分幅相机时间分辨性能之间的联系,分析影响时间分辨性能的相关因素,对相机的超快时间分辨率展开研究。本论文主要研究内容如下:(1)基于有限差分、光电子发射、四阶龙格-库塔(RK4)和磁场成像理论,采用蒙特卡洛法,建立脉冲展宽分幅相机模型,通过分析皮秒高压脉冲、阴极电压和漂移距离对相机物理和技术时间分辨率的影响,探讨优于2 ps脉冲展宽分幅相机模型最优物理和技术参数。当阴极电压为-2 k V、漂移区长度为700 mm、阴栅间距为1 mm和展宽脉冲斜率为14.8 V/ps时,脉冲展宽分幅相机的时间分辨率获得进一步的突破,可达到1.96 ps。(2)采用单片机技术设计多通道控制系统,采用雪崩三极管的Marx电路和三阶LC高通滤波器的脉冲整形电路设计皮秒脉冲发生器,通过建立两者之间的联系,将控制系统输出的皮秒高压脉冲应用于脉冲展宽分幅相机时间分辨率的研究,并分析多通道控制的皮秒高压脉冲对脉冲展宽分幅相机技术时间分辨率和空间电荷效应时间弥散的影响。当多通道控制的皮秒高压脉冲上升沿斜率(展宽脉冲斜率)的范围为6V/ps～14.8 V/ps时,在阴极电压为-2 k V、漂移距离为500 mm和MCP分幅相机时间分辨率为93.8 ps的情况下,脉冲展宽分幅相机的技术时间分辨率变化范围为7.64 ps～2.32 ps,漂移区中空间电荷时间弥散的变化范围为89.7 fs～100 fs。(3)通过分析脉冲展宽技术和磁聚焦特性对电子脉冲轴向和径向展宽的影响,探讨传输成像过程中电子脉冲时间宽度和半径等动态特性的变化规律,采用平均场理论建立空间电荷效应模型,通过CST STUDIO SUITE软件建立不同磁透镜个数的磁聚焦脉冲展宽分幅相机模型,研究磁聚焦系统对空间电荷效应的时间弥散影响。当阴极电压为-2 k V、漂移距离为500 mm和展宽脉冲斜率为14.8 V/ps时,单透镜和三透镜成像系统的空间电荷效应时间弥散分别为89.7 fs和720.4 fs。(4)基于电脉冲沿阴极的传输特性,分析脉冲展宽分幅相机时间不均匀性产生原因,推导展宽脉冲沿阴极传输过程的相机展宽倍率计算方法,并采用脉冲叠加技术,研究脉冲展宽分幅相机时间均匀性提升可行性。在阴极长度为60 mm、阴极电压为-2k V、漂移区长度为500 mm和展宽脉冲斜率为11.9 V/ps时,阴极两端的电子束展宽倍率分别为11.74倍和39.04倍,两者相对误差为232.5%;而当同向同时加载选通脉冲下降沿(斜率为12.7 V/ps)时,阴极两端的电子束展宽倍率分别为11.28倍和14.23倍,两者相对误差为40.21%,实现了时间均匀性的有效提升。通过对上述内容的研究,文章不仅为优于2 ps的超快时间分辨分幅相机研制提供理论基础;而且也为控制技术、高压脉冲技术和超快诊断技术的融合应用,提供新的方向;同时通过分析磁聚焦系统对空间电荷效应的时间弥散影响,为脉冲展宽分幅相机中的空间电荷效应研究拓展新思路;此外,通过脉冲叠加技术实现时间均匀性的大幅度提升,为大面积脉冲展宽分幅相机在时间均匀性的改善提供新方法。

关键词：超快诊断技术脉冲展宽分幅相机多通道控制系统皮秒高压脉冲时间分辨性能

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静电聚焦提升脉冲展宽分幅相机空间均匀性

深圳大学学报（理工版） 2024年第5期41卷 548-555页

作者：朱云斐白雁力钟思桂林电子科技大学电子工程与自动化学院广西桂林541004 桂林电子科技大学光电工程学院广西桂林541004 桂林电子科技大学机电工程学院广西桂林541004

为提升脉冲展宽分幅相机的空间分辨均匀性,利用静电聚焦等位面均匀和像面漂移小的特性,采用静电透镜设计成像系统,构建脉冲展宽分幅相机电场分布和成像特性的关系,利用空间调制传递函数评估空间分辨率,并通过将空间分辨率的数值波动转... 详细信息

为提升脉冲展宽分幅相机的空间分辨均匀性,利用静电聚焦等位面均匀和像面漂移小的特性,采用静电透镜设计成像系统,构建脉冲展宽分幅相机电场分布和成像特性的关系,利用空间调制传递函数评估空间分辨率,并通过将空间分辨率的数值波动转换为梯度变化百分比的形式,对区域内的空间分辨率不均匀度进行定量描述.研究结果表明,等径双静电透镜成像系统能够增大探测区域,并降低空间分辨率不均匀度,满足脉冲展宽分幅相机向大面积探测的发展需求.在漂移区长度为400 mm,透镜孔径、轴向宽度和间距分别为200 mm、60 mm和210 mm的情况下,为避免电极电压过高引起的等位面均匀性变差和电子能量弥散增加,当第1和第2透镜电极分别加载-4.5 kV和10.0 kV电压时,脉冲展宽分幅相机的有效探测区域半径可达21 mm,离轴空间分辨率的波动范围为321.4~340.3μm,探测区域内的空间分辨率不均匀度为(1.11×10^(-4))%,均优于3磁透镜成像系统40.08~482.29μm的波动范围和0.027%的不均匀度.研究结论可为静电聚焦成像系统在脉冲展宽分幅相机中的应用提供理论基础,有助于量化并提升空间分辨率的均匀性.

关键词：惯性约束聚变超快诊断技术脉冲展宽分幅相机静电聚焦技术空间分辨均匀性空间调制传递函数

基于滤波和GAN技术的脉冲展宽分幅相机空间分辨性能提升研究

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光学学报 2024年

作者：徐付涛白雁力钟思宋明诚桂林电子科技大学电子工程与自动化学院桂林电子科技大学机电工程学院

脉冲展宽分幅相机是一种采用长漂移区和磁聚焦设计的二维超快诊断设备，但空间分辨能力的不足，难以在实验中获取清晰度更高的图像。虽然通过改变磁透镜的类型和数量等硬件方式能有效提升性能，但强磁场、大体积和无重复利用等因素，对... 详细信息

脉冲展宽分幅相机是一种采用长漂移区和磁聚焦设计的二维超快诊断设备，但空间分辨能力的不足，难以在实验中获取清晰度更高的图像。虽然通过改变磁透镜的类型和数量等硬件方式能有效提升性能，但强磁场、大体积和无重复利用等因素，对系统磁屏蔽、便携性和研制成本提出更高要求。为改善硬件提升的局限，将滤波技术和生成对抗网络（Generative Adversarial Networks,GAN）应用于脉冲展宽分幅相机空间分辨性能提升，并采用图像梯度和成像调制度量化提升效果。研究结果显示，高斯-拉普拉斯算子、同态滤波和GAN均能不同程度提升脉冲展宽分幅相机的空间分辨性能，而将同态滤波的图像增强和GAN的去模糊相结合，则能更突显提升效果，并将图像整体平均梯度由初始的1.456提高到3.399，近轴5 lp/mm区域的局部平均梯度由7.638提高至23.901，平均调制度由7.84%提高至24.32%，远轴的局部平均梯度由3.869提高至11.349，平均调制度由6.07%提高至19.60%。研究结论不仅为脉冲展宽分幅相机空间分辨性能的提升，提供一种可行的参考方法，而且为滤波和去模糊技术融入超快诊断领域提供一种新思路。

关键词：超快诊断技术脉冲展宽分幅相机生成对抗网络滤波技术空间分辨率性能

静电聚焦脉冲展宽分幅相机中的空间电荷效应研究

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光学学报 2024年

作者：白雁力黄国纯秦兴国桂林电子科技大学电子工程与自动化学院桂林电子科技大学计算机与信息安全学院

静电聚焦脉冲展宽分幅相机是具长漂移区、电子光学成像系统和超快时间分辨率的二维超快诊断设备，而空间电荷效应引起的时空弥散，则是影响其性能提升的重要因素。为研究静电聚焦中的空间电荷效应，采用双静电透镜设计成像系统，分析成... 详细信息

静电聚焦脉冲展宽分幅相机是具长漂移区、电子光学成像系统和超快时间分辨率的二维超快诊断设备，而空间电荷效应引起的时空弥散，则是影响其性能提升的重要因素。为研究静电聚焦中的空间电荷效应，采用双静电透镜设计成像系统，分析成像电场中的电子脉冲动态特性；基于电子脉冲电势分布、电场力方程和平均场理论，推导动态空间电荷效应计算方法，分析不同成像电场分布对空间电荷效应时空弥散的影响，并采用与最大值的相对误差平均值MRE进行量化评价。研究结果显示，由不同间距透镜构成的成像电场分布，不仅引起漂移过程中的电子脉冲发散和聚焦最佳位置变化，而且也对空间电荷效应时空弥散及其均匀性影响显著。随着透镜间距由70 mm增加至370 mm，成像电场分布的均匀度逐渐提升，并对电子脉冲的发散和聚焦能力逐渐均衡，使得电子脉冲的动态半径变化逐渐平缓。当透镜间距为370 mm时，离轴25 mm区域内的时空弥散在数值上最优，其范围分别为0.28～0.45 ps(MRE为22.13%)和2.09～6.34μm(MRE为43.17%)；而当间距为310 mm时，时空弥散的均匀性则到达最优，范围分别为0.33～0.44ps(MRE为10.99%)和4.11～8.78μm(MRE为22.94%)。研究结论为分析静电聚焦脉冲展宽分幅相机中的空间电荷效应时空弥散及其均匀性，提供一定的理论参考。

关键词：超快光学超快诊断技术脉冲展宽分幅相机静电聚焦成像系统空间电荷效应