勇摘“尖端科学仪器皇冠上的明珠” ——中科院西安光机所研制高性能条纹相机侧记

中科院西安光机所展示该所成功研制的部分高性能条纹相机。 （孙自兵法/东方IC）

■首席记者杨斌鹄

不久前，由中国科学院西安光学与精密机械研究所承担的国家重大科研装备、我国具有自主知识产权的高性能条纹相机在西安研制成功，引起国内外媒体广泛报道和关注。省委常委、市委书记王永康给中科院西安光机所发去贺信，祝贺“高性能条纹相机”研制成功，认为这是大西安的骄傲，更是民族的骄傲、国家的骄傲！

中科院西安光机所如何摘得这颗被称作“尖端科学仪器皇冠上的明珠”？日前记者就此进行了深入采访。

使命担当勇攀科学高峰

高性能条纹相机在中科院西安光机所研制成功，绝不是偶然的。记者了解到，我国的高速摄影研究始于1962年——中科院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，该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。

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。

2012年，西安光机所迎来了条纹相机发展的重大机遇。在国家财政部和中国科学院的支持下，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，中科院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。

理论创新设计更贴近实际

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，中科院西安光机所科研人员进行了多项创新。

首先是理论创新。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。

技术创新创造国际先进水平

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，这需要技术创新。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。

“为了实现高的时间分辨率，在我们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，最终攻破了各个技术难题，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。”西安光机所相关负责人向记者介绍。

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，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。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。为了解决难题，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，科研团队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。

突破一系列关键工艺

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，与日本某公司报道水平持平，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。

在条纹相机的稳定性和一致性方面，科研团队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。

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。

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