CN103399338A - 一种复合式光电阴极x射线探测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合式光电阴极X射线探测装置，包括支撑骨架、反射层光电阴极、MCP输入电极、绝缘垫和至少一个电子倍增单元，依次设置在支撑骨架内的聚合物薄膜，金属膜、透射层光电阴极和阴极电极，阴极电极位于透射层光电阴极和支撑骨架内壁之间；电子倍增单元包括MCP和输出电极，输出电极固定在支撑骨架的底座上，MCP设置在输出电极上，反射层光电阴极在层MCP输入面上，MCP输入电极位于反射层光电阴极与支撑骨架内壁之间且固定在最上层MCP上；阴极电极和MCP输入电极之间的电压U由外部电源提供。本发明解决了探测X射线脉冲需要极长的观测时间、整个系统的探测效率低的技术问题，以提高对极微弱X射线脉冲的探测效率。

Description

一种复合式光电阴极X射线探测装置
技术领域
本发明涉及一种采用基于反射式光电阴极和透射式光电阴极相结合的复合式光电阴极提高X射线探测器探测效率的装置，可用于X射线脉冲星脉冲探测，采用一种基于反射式光电阴极和透射式光电阴极相结合的复合式光电阴极来提高X射线探测器探测效率，是解决深空极微弱X射线脉冲探测、未来脉冲星导航的可持续性发展和工程化研究的重要方法。
背景技术
X射线脉冲星自主导航是采用脉冲星作为导航信标，通过探测深空脉冲星的周期性X射线脉冲，来确定航天器的位置、速度和姿态等的新型自主导航技术，具有广阔的工程应用前景,是美国和欧空局正在大力研究和积极实施的新技术和方法。国内多家单位也开展了相关研究，并提出了我国发展X射线脉冲星自主导航的必要性和可行性。
毫秒脉冲星的辐射主要集中于1～10keV能段，且辐射强度非常微弱，一般在10-5ph/s/cm2的量级，最强的Crab脉冲星辐射强度也只有1.54ph/s/cm2，为了探测这样微弱的光子信号，就要求探测器在1～10keV能段具有足够高的探测灵敏度，且探测器探测效率够高，较高的探测效率可以使系统在有限的观测时间内获得高的信噪比。
现有的X射线探测器大致上可分为三类，即气体正比计数管（气体）、基于半导体的探测器（固体）和基于微通道板（MCP）的探测器（真空）：
气体正比计数器可以做到比较大的面积，但是这种探测器需要充入惰性气体，在空间应用中会受到空间碎片的撞击而漏气，严重制约其使用寿命；基于Si的半导体探测器使用时常常需要大量的制冷剂，增加了航天器的负荷；基于MCP探测器由于具有高灵敏度、高时间分辨的特点且可以在常温下工作而适合于脉冲星导航应用，但是，现有的MCP探测器对低能段复色源探测效率较差，导致整个探测系统的探测效率较低。
为了提高系统的探测效率和观测信噪比，研究高探测效率的MCP探测器具有重要的意义，为脉冲星导航的应用奠定一定的基础。
发明内容
为了解决采用MCP探测器探测X射线脉冲需要极长的观测时间、整个系统的探测效率低的技术问题，本发明的目的是提供一种采用复合式光电阴极探测X射线脉冲的装置，克服现有技术的不足，以提高对极微弱X射线脉冲的探测效率。
本发明的技术解决方案是：
一种复合式光电阴极X射线探测装置，其特殊之处在于：包括支撑骨架12，依次设置在支撑骨架内的聚合物薄膜1，蒸镀在聚合物薄膜上的金属膜3、蒸镀在金属膜3上的透射层光电阴极2和阴极电极4，所述阴极电极4位于透射层光电阴极2和支撑骨架12内壁之间且通过金属膜3固定在聚合物薄膜1上；
还包括反射层光电阴极6、MCP输入电极7、绝缘垫5和至少一个电子倍增单元，
所述电子倍增单元包括MCP8和输出电极9，所述输出电极9固定在支撑骨架12的底座上，所述MCP8设置在输出电极9上，所述反射层光电阴极6蒸镀在最上层MCP8输入面上，所述MCP输入电极7位于反射层光电阴极6与支撑骨架12内壁之间且固定在最上层MCP8上；
所述反射层光电阴极6与透射层光电阴极2相对设置，所述绝缘垫5位于阴极电极4和MCP输入电极7之间，所述阴极电极4和MCP输入电极7之间的电压U由外部电源提供。
上述金属膜的材料为铝、铜或铬Cr。
上述聚合物薄膜的材料为聚酰亚胺膜、聚丙烯树脂或聚碳酸酯。
上述电子倍增单元为两个，两个电子倍增单元依次堆叠。
上述透射层光电阴极2和反射层光电阴极6均为CsI光电阴极。
上述透射层光电阴极2和反射层光电阴极6之间的间距d，d≤U/20。
上述支撑骨架的材料为绝缘材料。
上述MCP8为“人”字型级联；所述MCP8的电子接收阳极是阻抗匹配的微带线阳极或阻抗匹配的锥形阳极。
本发明所具有的有益效果：
1、本发明采用的一种采用复合式光电阴极探测X射线脉冲的装置，提高了Ｘ射线脉冲星导航系统的探测效率，拓宽探测Ｘ射线脉冲的能段。
2、本发明保持了MCP探测器基本单元高时间分辨的特点，提高了X射线探测器在1～4keV能段的探测效率。
3、本发明可以根据实际需求调整两层光电阴极的厚度，随着入射X射线光子能量的增大而厚度增大。
附图说明
图1本发明采用复合式光电阴极探测X射线脉冲的装置的结构示意图；
其中附图标记为：1-聚合物薄膜，2-透射层光电阴极，3-金属膜，4-阴极电极，5-绝缘垫，6-反射层光电阴极，7-MCP输入电极，8-MCP组，9-输出电极，12-支撑骨架。
具体实施方式
如图1所示，一种采用复合式光电阴极探测X射线脉冲的装置，包括支撑骨架12，依次设置在支撑骨架内的聚合物薄膜1，蒸镀在聚合物薄膜上的金属膜3、蒸镀在金属膜3上的透射层光电阴极2和阴极电极4，阴极电极4位于透射层光电阴极2和支撑骨架12内壁之间且通过金属膜3固定在聚合物薄膜1上；
还包括反射层光电阴极6、MCP输入电极7、绝缘垫5和至少一个电子倍增单元，
电子倍增单元包括MCP8和输出电极9，输出电极9固定在支撑骨架12的底座上，MCP8设置在输出电极9上，反射层光电阴极6蒸镀在MCP8输入面上，MCP输入电极7位于反射层光电阴极6与支撑骨架12内壁之间且固定在MCP8上；
反射层光电阴极6与透射层光电阴极2相对设置，绝缘垫5位于阴极电极4和MCP输入电极7之间，阴极电极4和MCP输入电极7之间的电压U有外部电源提供。
为了提高增益值，将电子倍增单元设置为多个，最底层电子倍增单元的输出电极9固定在支撑骨架12的底座上，依次堆叠，反射层光电阴极6蒸镀在最上层电子倍增单元的MCP8上。
为了有效的收集产生的光电子，反射层阴极和透射层阴极间的距离和电势差可以根据实际需要进行变动。
MCP探测器基本单元的电子接收阳极可以是阻抗匹配的微带线阳极，也可以是阻抗匹配的锥形阳极。
根据探测的X波段需要可以改变透射层阴极碘化铯厚度和反射层碘化铯的厚度，提高X射线探测器的探测效率。
透射层阴极和反射层阴极之间保持一定距离d和一定电位差U，d越大，U也越大。满足：d≤U/20
MCP探测器为方形的MCP探测器或圆形的MCP探测器。支撑骨架由绝缘材料制成，且在真空条件下放气量较小。
金属膜：导电、对X射线透过率高的金属薄膜（铝、铜、铬Cr）
聚合物薄膜的材料满足对X射线透过率高（例如聚酰亚胺膜、聚丙烯树脂或聚碳酸酯。
实施例：
本发明针对1-40keV的X射线，采用透射层光电阴极厚度为200nm-反射层光电阴极厚度为1000nm作为探测器的光电阴极，两层阴极之间的距离为5mm，滤光膜上的电势较MCP输入电极的电势低100V。
发明采用500nm厚的聚酰亚胺薄膜作为探测器的输入窗，同时为阻挡空间宇宙射线，在聚酰亚胺薄膜上镀60nm厚的Al膜。为了提高探测器对1-40keV的X射线光子的探测效率在镀铝膜上施加一个阴极电极，有利于光电子的收集；同时有助于反射层阴极逃逸出的光电子进入MCP的通道中，减小了后向发射的光电子数目，从而提高了X射线光子的探测效率。
MCP探测器由复合式光电阴极、MCP组和电子接收阳极组成，其工作原理与文献“用于脉冲星导航的X射线光子计数探测器研究”（物理学报，2012，61(1)胡慧君等）中所描述的相同。
复合式光电阴极安装于支撑骨架上，主体零件为绝缘材料制成，要求材料在真空中放气要小，且材料具有一定的机械强度和韧性。将电子接收阳极放置于主体零件背面上。放置阳极后在主体零件的凹槽内依次放置MCP输出电极、第二层MCP、中间电极、第一层MCP、MCP输入电极、绝缘材料一层和镀有CsI光电阴极的聚酰亚胺滤光膜。

Claims (8)

1.一种复合式光电阴极X射线探测装置，其特征在于：包括支撑骨架（12），依次设置在支撑骨架内的聚合物薄膜（1），蒸镀在聚合物薄膜上的金属膜（3）、蒸镀在金属膜（3）上的透射层光电阴极（2）和阴极电极（4），所述阴极电极（4）位于透射层光电阴极（2）和支撑骨架（12）内壁之间且通过金属膜（3）固定在聚合物薄膜（1）上；
还包括反射层光电阴极（6）、MCP输入电极（7）、绝缘垫（5）和至少一个电子倍增单元，
所述电子倍增单元包括MCP（8）和输出电极（9），所述输出电极（9）固定在支撑骨架（12）的底座上，所述MCP（8）设置在输出电极（9）上，所述反射层光电阴极（6）蒸镀在最上层MCP（8）输入面上，所述MCP输入电极（7）位于反射层光电阴极（6）与支撑骨架（12）内壁之间且固定在最上层MCP（8）上；
所述反射层光电阴极（6）与透射层光电阴极（2）相对设置，所述绝缘垫（5）位于阴极电极（4）和MCP输入电极（7）之间，所述阴极电极（4）和MCP输入电极（7）之间的电压U由外部电源提供。
2.根据权利要求1所述的复合式光电阴极X射线探测装置，其特征在于：所述金属膜的材料为铝、铜或铬Cr。
3.根据权利要求2所述的复合式光电阴极X射线探测装置，其特征在于：所述聚合物薄膜的材料为聚酰亚胺膜、聚丙烯树脂或聚碳酸酯。
4.根据权利要求1或2或3所述的复合式光电阴极X射线探测装置，其特征在于：所述电子倍增单元为两个，两个电子倍增单元依次堆叠。
5.根据权利要求4所述的复合式光电阴极X射线探测装置，其特征在于：所述透射层光电阴极（2）和反射层光电阴极（6）均为CsI光电阴极。
6.根据权利要求5所述的复合式光电阴极X射线探测装置，其特征在于：透射层光电阴极（2）和反射层光电阴极（6）之间的间距d，d≤U/20。
7.根据权利要求6所述的复合式光电阴极X射线探测装置，其特征在于：所述支撑骨架的材料为绝缘材料。
8.根据权利要求6所述的复合式光电阴极X射线探测装置，其特征在于：所述MCP（8）为“人”字型级联；所述MCP（8）的电子接收阳极是阻抗匹配的微带线阳极或阻抗匹配的锥形阳极。
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