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X射线扫描相机仿真与实验表征

作　者: 王丽伟
导　师: 肖沙里；刘慎业
学　校: 重庆大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 条纹相机变像管电子光学系统数值计算空间分辨率
分类号: TB852.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 67次
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内容摘要

X射线高速扫描相机也叫条纹相机,它是一种高灵敏度、高时空分辨率的诊断设备。在很多超快诊断领域都有广泛应用,如动态光谱学、光通讯、化学生物等,尤其是激光聚变研究(ICF)。目前条纹相机仍面临更高时空分辨的挑战,及光谱响应范围的拓展,动态范围的扩大,扫描非线性的校正,成像时空畸变等问题的困扰。而作为条纹相机的使用者,最关心的是其内部电子光学系统的作用过程。论文研究了条纹相机的工作原理,分析了历代条纹相机核心部件扫描变像管的结构变迁,并对其内部工作过程进行仿真及实验研究,尝试在明确相机工作原理的基础上,数值再现其内部电子光学系统对电子的作用过程,并基于此深入讨论影响相机成像性能的各种可能因素。同时实验验证仿真的准确性与可靠性。仿真采用ANSYS模拟软件进行,模拟了GSM-03管的动静两种工作状态。在对模型进行参数化建模的基础上,改变其各个电极设计指标,得出性能参数的变化,以得到各电极对像管的成像规律的影响。模拟还对像面位置,像放大倍率和偏转灵敏度进行了计算分析。计算结果表明:像管的电极结构尺寸和形状对电子成像影响较小,而电极上所加的电压对成像影响较大;各电极间相对位置的变化也对成像效果有影响。实验验证部分利用几大关键的部件,包括可更换光阴极式变像管、高压电源、电位器、真空系统等搭建了一个简易的条纹相机实验平台,并在该平台上对像管成像的基本性能参数进行测试。包括空间分辨率、像放大倍率、偏转灵敏度等。实验结果表明:该测试平台的实验条件有待进一步改善,实验结果的精度仍有待提高。对模拟和实验结果的分析表明:模拟得出的扫描像管成像规律具有一定的科学性,对实验起到了指导作用;但是成像位置,像放大倍率和偏转灵敏度的理论计算结果和实验结果的差异较大,而造成这种差异的原因有数值分析的离散性和实验条件的不理想性等因素。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
1 绪论  9-14
  1.1 课题背景  9-12
  1.2 论文研究目的及意义  12-13
  1.3 论文研究主要内容  13-14
2 X 射线扫描相机  14-22
  2.1 XSC 结构及工作原理  14-15
  2.2 XSC 性能指标  15-17
  2.3 XSC 及扫描变像管发展概况与研究现状  17-20
    2.3.1 XSC 发展现状  17-19
    2.3.2 扫描变象管发展现状  19-20
  2.4 XSC 在ICF 中的应用  20-22
3 扫描变像管的成像理论研究与计算模拟  22-42
  3.1 数值模拟的理论基础  22-31
    3.1.1 电子光学成像理论  22-23
    3.1.2 静电场与电子轨迹的求解  23-27
    3.1.3 有限元求解方法及模拟软件介绍  27-30
    3.1.4 光电阴极发射理论模型  30-31
  3.2 建模计算  31-35
    3.2.1 定义物理环境  31-32
    3.2.2 几何模型的选取  32-33
    3.2.3 施加边界条件和载荷  33-34
    3.2.4 求解和后处理  34-35
  3.3 计算结果与讨论  35-40
    3.3.1 各电极电压负载的影响  35-37
    3.3.2 聚焦极设计参数的影响  37-39
    3.3.3 GSM-03 管的计算模型与结果  39-40
  3.4 小结  40-42
4 扫描变像管的实验设计与表征  42-58
  4.1 实验条件  42-52
    4.1.1 光源的选取与测试  42-43
    4.1.2 实验真空环境准备与测试  43-44
    4.1.3 高压电源的选取与分压器的设计制作  44-45
    4.1.4 记录系统的选取  45-46
    4.1.5 阴极分划板的设计与制作  46-52
  4.2 实验安排  52-54
    4.2.1 实验考虑  52-53
    4.2.2 实验方案  53-54
  4.3 实验结果与分析  54-57
    4.3.1 GSM-03 静态空间分辨率  54-55
    4.3.2 GSM-03 像放大倍率  55-56
    4.3.3 GSM-03 偏转灵敏度  56-57
  4.4 小结  57-58
5 总结与展望  58-61
  5.1 论文总结  58-60
  5.2 研究展望  60-61
致谢  61-62
参考文献  62-65
附录  65-70
  A 拉普拉斯方程与变分问题的联系  65-66
  B 单元分析中相关推导  66-68
  C ANSYS 命令流  68-70
  D 作者在攻读学位期间发表的论文目录  70

X射线扫描相机仿真与实验表征

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