CN102592927B

CN102592927B - 一种任意波形x射线发生装置及产生方法

Info

Publication number: CN102592927B
Application number: CN201210087972.XA
Authority: CN
Inventors: 盛立志; 赵宝升; 周峰; 刘永安; 鄢秋荣; 赛小锋; 韦永林
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: CN102592927A

Abstract

本发明涉及一种任意波形X射线发生装置及产生方法，其中任意波形X射线发生装置，包括用于高稳定度任意波形产生的任意信号发生器、用于提供栅控X射线球管灯丝电流、栅极控制信号、阳极高压的工作电源的栅控X射线球管电源系统以及栅控X射线球管，栅控X射线球管是使用任意信号发生器产生的电信号对X射线球管中灯丝发射到阳极的电子束进行控制，以实现任意波形的X射线的产生；本发明解决了现有技术只能产生单一波形X射线的技术问题，本发明提供一种高稳定任意波形X射线发生装置，以实现高稳定度任意波形X射线的产生，为脉冲星导航地面模拟系统提供模拟X射线源的实验装置。

Description

一种任意波形X射线发生装置及产生方法

技术领域

本发明涉及一种X射线发生装置，特别是一种高稳定任意波形X射线发生装置及产生方法，是适用于X射线脉冲星导航的X射线探测器性能测试以及导航算法验证的重要实验装置，同样是适用于X射线脉冲星导航有效载荷及其导航算法闭环测试的重要测试装置。

背景技术

为了开展X射线脉冲星导航技术研究，必须在实验室模拟X射线脉冲星的物理参数(脉冲轮廓、稳定度、能谱等)。以现有的候选脉冲星数据库为依据，进行全实物仿真模拟，主要模拟脉冲星的相对空间坐标、X射线能谱范围、脉冲轮廓分布、脉冲轮廓稳定性等指标，通过探测器探测到的脉冲到达时间TOA，验证导航系统算法。

中科院西安光机所盛立志等人发明了“一种用于X射线脉冲星导航的地面模拟方法及装置”(ZL201010140837.8)。该装置利用传统的直流X射线管发射出连续的X射线，通过一个光学斩波器，光学斩波器是一个直流电机带有一个金属叶片实现脉冲X射线的调制输出。这种方案简单易行，但是存在以下三个不足：其一是由于直流电机的转速稳定性仅有10^-4，输出脉冲的稳定性很差；其二是很难实现任意脉冲的模拟输出；其三是操作十分麻烦，要改变脉冲的周期和形状，必须每次更换金属叶片。基于以上的限制，难以做到X射线脉冲星的实物仿真。同时，现有的关于脉冲星信号源的模拟发生系统，如中国专利“基于半导体激光器的X射线脉冲星导航嵌入式模拟系统”(200910023357.0)，“一种脉冲星信号模拟器”(200910023383.3)，“多脉冲星信号模拟器”(200910023707.3)等，并没有实现能谱在1～20keV范围内脉冲星X射线模拟信号。本发明克服了以上的不足，可以实现导航用X射线脉冲星信号实物仿真。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有研究的不足，提供一种高稳定任意波形X射线发生装置，以实现高稳定度任意波形X射线的产生，为脉冲星导航地面模拟系统提供模拟X射线源的实验装置。

为实现以上目的，本发明采用技术方案：

一种任意波形X射线发生装置，其特殊之处在于：包括任意信号发生器、栅控X射线球管电源系统以及栅控X射线球管，

所述栅控X射线球管电源系统包括灯丝电源、栅极电源以及阳极高压电源；

所述任意信号发生器包括时钟系统、存储系统以及控制系统，所述时钟系统、存储系统均与控制系统的输入端连接，所述控制系统的输出端与栅控X射线球管电源系统连接；

所述存储系统包括用于存储包含X脉冲星周期漂移、宇宙X射线噪声、相对论效应和多普勒效应的任意不规则的X射线脉冲星脉冲数据库的存储单元和用于对存储单元中的X射线脉冲星脉冲数据库中数据进行数字化的处理单元；

所述控制系统包括用于读取存储系统中进行数字化后的数据的读写单元和用于对读写单元读取的数据进行转换的转换单元，

所述读写单元的输出端分别与灯丝电源和阳极高压电源的输入端连接，所述转换单元的输出端与栅极电源的输入端连接；

栅控X射线球管包括X射线管壳32以及设置在X射线管壳32内的依次排列的灯丝31、热阴极33、调制栅极34、电子束聚焦极35、金属靶阳极36以及设置在X射线管壳上的出射窗37，所述热阴极33设置在灯丝的外侧且热阴极33的出射孔正对灯丝31，所述调制栅极34为带有小孔的电极板，所述调制栅极34的小孔正对热阴极33的出射孔，所述电子束聚焦极35设置在栅极小孔的两侧且形成的聚焦通道正对小孔，电子束经电子束聚焦极聚焦后发射到阳极金属靶36上，所述阳极金属靶36的发射面对着聚焦通道的出口，所述出射窗37设置在阳极金属靶的电子束反射路上；

所述灯丝电源的输出端与灯丝连接；所述栅极电源的输出端与调制栅极连接，所述阳极高压电源的输出端与阳极金属靶36连接。

上述转换单元为D/A转换电路或编码电路。

上述时钟系统为恒温OCXO晶振或原子钟。

一种基于上述X射线发生装置的任意波形X射线产生方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1]产生任意波形的电信号：

1.1]在存储系统中的存储单元中存储X射线脉冲星脉冲数据库；所述X射线脉冲星脉冲数据库包括多组任意不规则的X脉冲星周期漂移数据单元、多组任意不规则的宇宙X射线噪声数据单元、多组任意不规则的相对论效应数据单元以及多组任意不规则的多普勒效应数据单元；所述多组数据单元均包括X射线脉冲星脉冲轮廓数据、对应的X射线能量数据以及X射线强度数据；

1.2]处理单元对存储单元中的X射线脉冲星脉冲数据库数据进行数字化处理；

1.3]控制系统中的读写单元读取经过数字化处理的数据，X射线强度数据控制灯丝电源的电压，X射线能量数据控制阳极高压电源的电压，同时转换单元对读写单元中读取的X射线脉冲星脉冲轮廓数据进行D/A转换或编码处理控制栅极电源电压用于产生任意波形的电信号；

2]产生任意波形X射线；

灯丝电源给灯丝供电；栅极电源给栅极供电，阳极高压电源给阳极供电，栅控X射线球管的出射窗37产生任意波形X射线。

本发明所具有的有益效果：

1、本发明能够产生任意波形的X射线：本发明采用任意信号发生器配合栅控X射线球管。

2、本发明的X射线发生装置具有高稳定度：本发明采用高稳定度的时钟系统控制控制系统。

3、本发明存储系统存储能量数据和强度数据，并通过灯丝电源和阳极高压电源实现能谱范围在1～20keV之间，能流密度在1～10^-5ph/cm²/s的X射线。

4、本发明的高稳定任意波形的X射线可以是包含X脉冲星周期漂移、宇宙X射线噪声、相对论效应和多普勒效应等的任意不规则的X射线脉冲星脉冲轮廓。

5、本发明中任意信号发生器的远程控制能很方便调用所需X射线波形的所有数据，使操作变得简便快捷，并且还可以减少X射线对实验人员的辐射。

6、本发明为脉冲星导航地面模拟系统提供模拟X射线源的实验装置。

附图说明

图1本发明的高稳定任意波形X射线发生装置示意图；

图2本发明任意信号发生器所要产生的任意波形与X射线脉冲探测装置实际探测到的波形对比图；

图3本发明栅控X射线球管的结构示意图；

其中附图标记为：1-任意信号发生器，11-时钟系统，12-存储系统，13-控制系统，2-栅控X射线球管电源系统，21-灯丝电源，22-栅极电源，23-阳极高压电源，3-栅控X射线球管，31-灯丝，32-X射线管壳，33-热阴极，34-调制栅极，35-电子束聚焦极，36-金属靶阳极，37-出射窗。

具体实施方式

如图1所示，一种高稳定任意波形X射线发生装置，包括用于高稳定度任意波形产生的任意信号发生器1、用于提供栅控X射线球管灯丝电流、栅极控制信号、阳极高压的工作电源的栅控X射线球管电源系统2以及栅控X射线球管3，

其中栅控X射线球管是使用任意信号发生器产生的电信号对X射线球管中灯丝发射到阳极的电子束进行控制，以实现任意波形的X射线的产生；

栅控X射线球管电源系统包括灯丝电源21、栅极电源22以及阳极高压电源23；

任意信号发生器包括时钟系统、存储系统以及控制系统，时钟系统、存储系统均与控制系统的输入端连接，控制系统的输出端与栅控X射线球管电源系统连接；存储系统包括用于存储包含X脉冲星周期漂移、宇宙X射线噪声、相对论效应和多普勒效应的任意不规则的X射线脉冲星脉冲数据库的存储单元和用于对存储单元中的X射线脉冲星脉冲数据库中数据进行数字化的处理单元；

时钟系统11由高稳定度恒温OCXO晶振组成，稳定度为10^-15/day，还可以是高稳定度原子钟组成。转换单元为D/A转换电路或编码电路。

控制系统包括用于读取存储系统中进行数字化后的数据的读写单元和用于对读写单元读取的数据进行转换的转换单元，

读写单元的输出端分别与灯丝电源和阳极高压电源的输入端连接，所述转换单元的输出端与栅极电源的输入端连接；

如图3所示，栅控X射线球管包括X射线管壳32以及设置在X射线管壳32内的依次排列的灯丝31、热阴极33、调制栅极34、电子束聚焦极35、金属靶阳极36以及设置在X射线管壳上的出射窗37，所述热阴极33设置在灯丝的外侧且热阴极33的出射孔正对灯丝31，所述调制栅极34为带有小孔的电极板，所述调制栅极34的小孔正对热阴极33的出射孔，所述电子束聚焦极35设置在栅极小孔的两侧且形成的聚焦通道正对小孔，电子束经电子束聚焦极聚焦后发射到阳极金属靶36上，所述阳极金属靶36的发射面对着聚焦通道的出口，所述出射窗37设置在阳极金属靶的电子束反射路上；

灯丝电源的输出端与灯丝连接；栅极电源的输出端与调制栅极连接，所述阳极高压电源的输出端与阳极金属靶36另一面连接。

任意波形X射线产生方法，包括以下步骤：

1]产生任意波形的电信号：

1.2]对存储单元中的X射线脉冲星脉冲数据库数据进行数字化处理；

1.3]控制系统中的读写单元读取经过数字化处理的数据，X射线强度数据控制灯丝电源，X射线能量数据控制阳极高压电源，同时转换单元对读写单元中读取的X射线脉冲星脉冲轮廓数据进行D/A转换或编码处理控制栅极电源产生任意波形的电信号；

2]产生任意波形X射线；

灯丝电源给灯丝供电；栅极电源给调制栅极供电，阳极高压电源给阳极供电，从栅控X射线球管的出射窗37产生任意波形X射线。

本发明的工作过程：

在X射线脉冲星导航中用的X射线任意波形发生装置的存储系统中存储单元存储的是包含X脉冲星周期漂移、宇宙X射线噪声、相对论效应和多普勒效应的任意不规则的X射线脉冲星脉冲数据库，特别是选定的8颗导航用X射线脉冲星脉冲数据库，存储系统12中存储的数据信息既可以是所需X射线波形经过数字化处理的数据信息，还可以是所需X射线波形数字化处理后再经过编码算法的数据信息。

控制系统13通过对栅控X射线球管栅极的控制，从存储系统中调出的是所需一个、两个或者多个任意波形的X射线信号的轮廓数据库，以模拟信号或数字信号的形式输出；根据所需任意波形X射线的能量来控制栅控X射线球管阳极高压，X射线能量范围为1～20keV；根据所需任意波形X射线的强度来控制栅控X射线球管灯丝电流，X射线能流密度在1～10^-5ph/cm²/s范围。控制系统的栅控X射线球管栅极信号控制、栅控X射线球管阳极高压控制、栅控X射线球管灯丝电流控制三者可以根据所需X射线波形的指标进行相关控制，并可以与后续X射线脉冲探测装置的控制系统进行相关集成。

本发明用于X射线脉冲星导航的地面模拟系统的X射线脉冲星源的产生。将包含X脉冲星周期漂移、宇宙X射线噪声、相对论效应和多普勒效应的选定导航用的8颗X射线脉冲星数据库存储在任意信号发生器1的存储系统12中，根据地面模拟实验需要，通过控制系统13调用实验用的脉冲星脉冲轮廓数据，该数据在高稳定时钟系统11下将数据通过D/A转换器或编码电路经栅控X射线球管电源系统2输送给栅控X射线球管的调制栅极，与此同时控制系统也将通过栅控X射线球管电源系统2提供相应的灯丝电流和阳极高压。这样栅控X射线球管产生的X射线即为实验所需高稳定任意波形的X射线。

实验效果如图2所示，图中实线为任意信号发生器所要产生的任意波形脉冲星轮廓图，图中虚线为所要产生的轮廓数据经数字编码后加载在栅控X射线球管栅极，并由X射线脉冲探测装置接收解码得到的实验轮廓图。

Claims

1.一种任意波形X射线发生装置，其特征在于：包括任意信号发生器、栅控X射线球管电源系统以及栅控X射线球管，

栅控X射线球管包括X射线管壳(32)以及设置在X射线管壳(32)内的依次排列的灯丝(31)、热阴极(33)、调制栅极(34)、电子束聚焦极(35)、金属靶阳极(36)以及设置在X射线管壳上的出射窗(37)，所述热阴极(33)设置在灯丝的外侧且热阴极(33)的出射孔正对灯丝(31)，所述调制栅极(34)为带有小孔的电极板，所述调制栅极(34)的小孔正对热阴极(33)的出射孔，所述电子束聚焦极(35)设置在栅极小孔的两侧且形成的聚焦通道正对小孔，电子束经电子束聚焦极聚焦后发射到阳极金属靶(36)上，所述阳极金属靶(36)的发射面对着聚焦通道的出口，所述出射窗(37)设置在阳极金属靶的电子束反射路上；

所述灯丝电源的输出端与灯丝连接；所述栅极电源的输出端与调制栅极连接，所述阳极高压电源的输出端与阳极金属靶(36)连接。

2.根据权利要求1所述任意波形X射线发生装置，其特征在于：所述转换单元为D/A转换电路或编码电路。

3.根据权利要求1或2所述任意波形X射线发生装置，其特征在于：所述时钟系统为恒温OCXO晶振或原子钟。

4.一种基于权利要求1所述X射线发生装置的任意波形X射线产生方法，其特征在于：包括以下步骤：

1]产生任意波形的电信号：

2]产生任意波形X射线；

灯丝电源给灯丝供电；栅极电源给栅极供电，阳极高压电源给阳极供电，栅控X射线球管的出射窗(37)产生任意波形X射线。