CN104165639A - 一种x射线脉冲探测器测试标定光源的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种X射线脉冲探测器测试标定光源的方法及装置。包括包括X射线脉冲产生系统及标准探测器标定系统；上述X射线脉冲产生系统生成X射线脉冲经标准探测器标定系统测试标定光源。本发明提供了一种造价低廉、设备精巧、科学合理、参数量化、性能稳定的X射线脉冲探测器测试标定光源的方法及装置。
Description
技术领域
本发明属于光学领域，涉及一种X射线脉冲探测器，尤其涉及一种X射线脉冲探测器测试标定光源的方法及装置。
可用于X射线脉冲探测器性能的测试标定,包括X射线光子的探测、光子到达时间的确定、脉冲轮廓的累积、探测器能量响应及灵敏度等指标的标定等。该方法及装置是持续深入开展X射线脉冲星导航关键技术研究及其工程实验的基础，同时未来可扩展至其它空间应用领域研究和工程实验。
背景技术
基于X射线脉冲星的自主导航是一种全新的前沿性技术，需要对其可行性和有效性进行全面验证和评估。在进行X射线脉冲星导航空间搭载试验和未来脉冲星导航系统应用之前，为了研究X射线脉冲星导航的相关关键技术，如X射线空间探测器的标定、脉冲相位的测量、脉冲到达时间的确定、导航算法的验证等，必须在地面构建实验装置，搭建实验系统，将空间试验所要进行的X射线光子的探测、光子到达时间的确定、脉冲轮廓的累积、定位精度的计算以及轨道控制等在地面均进行相关研究和实验。地面模拟实验是卫星导航研究的必要手段，相比于搭载实验，具有周期短、风险低、成本低等优势，可以为脉冲星导航探测器的研究及方案选择、性能比较，导航算法的研究及算法优劣的评估等提供测试分析平台，促进脉冲星导航的理论和实验的整体提升。空间X射线探测器对不同参数脉冲的响应性能是评价探测器的重要指标，脉冲星时间相位模型、导航定位算法对不同脉冲星参数的计算误差，与脉冲星自主导航的授时精度及定轨精度有密切的关系，因而必须首先建立X射线脉冲探测器测试标定光源。
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)，该装置采用光学斩波器的方法产生脉冲X射线。该方法简单易行但存在不足，已在发明专利“一种任意波形X射线发生装置及产生方法”(201210087972.X)中进行了阐述和分析，并提出了高稳定任意波形X射线产生方法，为脉冲星导航地面模拟系统提供模拟光源。但该方法产生的X射线能谱与X射线管采用的阳极靶材和所加载的高压有关，或为该靶材的特征谱，或为连续谱，因而无法实现对X射线探测器能谱响应特性的标定。本发明克服了以上不足，可以产生任意脉冲形状的单能X射线光子流，以进行X射线脉冲探测器性能的测试标定。持续深入开展X射线脉冲星导航关键技术研究及其工程实验，解决现有X射线脉冲探测器测试标定光源的问题，本发明的目的是提供一种X射线脉冲探测器测试标定光源的方法及装置，
发明内容
为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种X射线脉冲探测器测试标定光源实施方法及装置。有效的克服了现有技术的不足，实现X射线脉冲探测器的测试标定。
本发明的技术解决方案是：一种X射线脉冲探测器测试标定光源的装置，其特殊之处在于：包括X射线脉冲产生系统及标准探测器标定系统；上述X射线脉冲产生系统生成X射线脉冲经标准探测器标定系统测试标定光源；
上述X射线脉冲产生系统包括沿脉冲路径上依次设置的柵控电子学系统、栅控X射线管、单能X射线产生腔室；还包括用于提供电源的电源系统；上述X射线脉冲产生系统当栅控电子学系统产生直流电信号时，整个光源系统工作于直流模式；当栅控电子学系统产生脉冲信号时，整个光源系统工作于脉冲模式；上述栅控X射线管与单能X射线产生腔室通过光阑连接；
上述栅控电子学系统包括用于提供高稳定度的时钟信号的时钟模块、用于存储产生的脉冲信号的数据的存储模块和用于产生电脉冲信号的波形产生模块；上述时钟模块分别与存储模块和波形产生模块相连，提供系统时钟；存储模块和波形产生模块相连，为波形产生模块提供波形数据；波形产生模块的输出作为栅控电子学系统的输出，与栅控X射线管相连；
上述电源系统包括为栅控电子学系统供电的栅极电源、为栅控X射线管阴极供电的灯丝电源和为栅控X射线管阳极供电的阳极电源；
上述单能X射线产生腔室内放置多种不同的金属材料以产生不同能量的X射线；
上述栅控X射线管产生的原级X射线脉冲经过光阑后入射至单能X射线产生腔室中，轰击放置的金属材料，从而产生该金属材料的特征X射线谱，通过切换不同的金属材料可以产生不同能量的X射线脉冲；
上述标准探测器标定系统包括X射线脉冲路径上依次设置的标准探测器、前置放大器、ADC、基于FPGA的数字脉冲处理及上位机。
一种X射线脉冲探测器测试标定光源的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：
1】单能X射线产生腔室产生的单能X射线脉冲射入标准探测器从而形成与X射线脉冲能量相关的一定数量的电子空穴对；
2】标准探测器内部阳极收集所产生的电子，并经过前置放大器形成第一级放大；第一级放大后的脉冲信号是一个斜坡脉冲，其上叠加由入射X射线光子所引起的信号，将这一斜坡脉冲进行微分并滤波，就可以将入射光子引起的脉冲信号分离出来；
3】分离后的脉冲信号经过ADC转换，变为数字信号波形；
4】数字信号波形经过平滑滤波和整型处理，上述整形处理包括快整形处理和慢整形处理；
4.1]上述快整形处理对整形后的波形进行阈值甄别，高于一定阈值就认为是一个有效事件，总的光子流量计数统计增加一个；通过长时间累积探测，可以得到该光源的平均光子流量；
4.2]上述慢整形处理对整形后的波形进行峰值检测，以得到脉冲幅值，该幅值与入射光子能量成正比，从而可以对该能量下的计数统计增加一个；
5】通过长时间累积探测，可以得到各个能量下的计数统计，从而得到光源的能谱分布；利用经过总光子流量和能谱分布标定的这一光源，就可以对其他各种X射线探测器的性能进行比对、标定；
上述整形处理的脉冲为高斯脉冲或三角波或梯形脉冲；
上述标准探测器的光子敏感区正对单能X射线产生腔室所产生的单能X射线脉冲。
本发明所具有的有益效果：
1.本发明的X射线光源采用一套桌面装置，可工作于三种工作模式，实现五个实验功能；
2.可工作于直流模式，其X射线辐射能量可调、流量可调，以满足对X射线脉冲星探测器能量响应及灵敏度等指标的测试标定；可以对聚焦型X射线探测器的聚焦光学的透过率、聚焦效率等性能进行测试；
3.可工作于脉冲模式，其辐射脉冲形状、周期可调，可用于探测器时间响应的测试标定及脉冲轮廓的提取还原和导航算法的验证；
4.可工作于对准模式，利用激光二极管进行光源与探测器的对准；
5.本发明的X射线脉冲探测器测试标定光源造价低廉、设备精巧、科学合理、参数量化、性能稳定；利用该光源组成的X射线脉冲星地面模拟系统，可以作为脉冲星导航探测器研究及方案选择、性能比较，导航算法研究及算法优劣评估等的公共测试分析平台。
附图说明
图1本发明的X射线脉冲探测器测试标定光源系统结构示意图；
图2本发明的标准探测器标定方法示意图；
其中，1-栅控电子学系统，2-栅控X射线管，3-电源系统，4-单能X射线产生腔室，5-标准探测器标定系统。
具体实施方式
参见图1-2，一种X射线脉冲探测器测试标定光源的装置，包括X射线脉冲产生系统及标准探测器标定系统5；X射线脉冲产生系统生成X射线脉冲经标准探测器标定系统5测试标定光源；X射线脉冲产生系统包括沿脉冲路径上依次设置的柵控电子学系统1、栅控X射线管2、单能X射线产生腔室4；还包括用于提供电源的电源系统3；X射线脉冲产生系统当栅控电子学系统1产生直流电信号时，整个光源系统工作于直流模式；当栅控电子学系统1产生脉冲信号时，整个光源系统工作于脉冲模式；栅控X射线管与单能X射线产生腔室通过光阑连接；栅控电子学系统1包括用于提供高稳定度的时钟信号的时钟模块、用于存储产生的脉冲信号的数据的存储模块和用于产生电脉冲信号的波形产生模块；上述时钟模块分别与存储模块和波形产生模块相连，提供系统时钟；存储模块和波形产生模块相连，为波形产生模块提供波形数据；波形产生模块的输出作为栅控电子学系统的输出，与栅控X射线管相连；电源系统3包括为栅控电子学系统1供电的栅极电源、为栅控X射线管2阴极供电的灯丝电源和为栅控X射线管2阳极供电的阳极电源；单能X射线产生腔室4内放置多种不同的金属材料以产生不同能量的X射线；栅控X射线管2产生的原级X射线脉冲经过光阑后入射至单能X射线产生腔室4中，轰击放置的金属材料，从而产生该金属材料的特征X射线谱，通过切换不同的金属材料可以产生不同能量的X射线脉冲；标准探测器标定系统5包括X射线脉冲路径上依次设置的标准探测器、前置放大器、ADC、基于FPGA的数字脉冲处理及上位机。
一种X射线脉冲探测器测试标定光源的方法，包括以下步骤：
1】单能X射线产生腔室产生的单能X射线脉冲射入标准探测器从而形成与X射线脉冲能量相关的一定数量的电子空穴对；
2】标准探测器内部阳极收集所产生的电子，并经过前置放大器形成第一级放大；第一级放大后的脉冲信号是一个斜坡脉冲，其上叠加由入射X射线光子所引起的信号，将这一斜坡脉冲进行微分并滤波，就可以将入射光子引起的脉冲信号分离出来；
3】分离后的脉冲信号经过ADC转换，变为数字信号波形；
4】数字信号波形经过平滑滤波和整型处理，上述整形处理包括快整形处理和慢整形处理；
4.1]上述快整形处理对整形后的波形进行阈值甄别，高于一定阈值就认为是一个有效事件，总的光子流量计数统计增加一个；通过长时间累积探测，可以得到该光源的平均光子流量；
4.2]上述慢整形处理对整形后的波形进行峰值检测，以得到脉冲幅值，该幅值与入射光子能量成正比，从而可以对该能量下的计数统计增加一个；
5】通过长时间累积探测，可以得到各个能量下的计数统计，从而得到光源的能谱分布；利用经过总光子流量和能谱分布标定的这一光源，就可以对其他各种X射线探测器的性能进行比对、标定；
上述整形处理的脉冲为高斯脉冲或三角波或梯形脉冲；
上述标准探测器的光子敏感区正对单能X射线产生腔室所产生的单能X射线脉冲。
为了进行X射线探测器的测试标定，需要获得能量已知的X射线，而采用分光晶体方法来获得准单色X射线，技术难度大，成本高，装置体积庞大，本发明采用二次靶荧光射线的方法来获得准单能X射线，以用于探测器标定。X射线标准光源装置结构示意图如图1所示，包含五个组成部分：栅控X射线管、柵控电子学系统、电源系统、单能X射线产生腔室和标准探测器标定系统。
栅控X射线管依据所加载的栅极电脉冲信号而产生相应形状的X射线脉冲，以此作为原级X射线，轰击不同的金属靶材，产生其特征X射线——具有固定的能谱，该特征X射线同时具有单能特性和脉冲特性，因而可以用来对探测器进行测试标定。栅控电子学系统包括时钟系统、存储系统和波形产生系统，时钟系统用来提供高稳定度的时钟信号，存储系统存储要产生的脉冲信号的数据，波形产生系统通过频率合成的方式，依据存储系统中的数据，产生相应的电脉冲信号，该电脉冲信号随即加载至栅控X射线管的栅极，通过对电子流的控制而产生与加载电脉冲信号形状一致的X射线脉冲，称为原级X射线脉冲。栅控X射线管的详细工作机理及过程参见发明专利“一种任意波形X射线发生装置及产生方法”(申请号：201210087972.X)。该X射线脉冲的能谱为X射线管阳极材料的特征谱。当栅控电子学系统产生直流电信号时，整个光源系统工作于直流模式，当栅控电子学系统产生脉冲信号时，整个光源系统工作于脉冲模式。电源系统包括为栅控电子学系统供电的栅极电源、为栅控X射线管阴极供电的灯丝电源和为栅控X射线管阳极供电的阳极电源。为了保证栅控X射线管产生的X射线光子的流量稳定，灯丝电源和阳极电源之间增加反馈，以消除由于长时间使用灯丝发热所引起的光子流量增大的影响。单能X射线产生腔室内放置多种不同的金属材料，由栅控X射线管产生的原级X射线脉冲经过光阑后入射至单能X射线产生腔室中，轰击放置的金属材料，从而产生该金属材料的特征X射线谱，通过切换不同的金属材料可以产生不同能量的X射线脉冲，从而对探测器的能谱响应进行测试。在单能X射线产生腔室中还放置一可见光激光二极管，与金属材料的放置位置一样，其出光口与轰击金属材料产生X射线的轴线相同，通过切换至激光二极管，可以得到激光照射探测器的位置，该位置也就是单能X射线脉冲照射探测器的中心位置，用以实现光源与探测器的对准。标准探测器标定系统包括SDD探测器及其配套电子学。
方法：SDD探测器对单能X射线产生腔室产生的单能X射线脉冲进行探测，其输出的原始信号经过前置放大和信号数字化后分别送入两个不同的通道：快整形通道和慢整形通道。快整形通道其整形时间短，主要用来进行光子信号计数率的测量，以获得所产生的单能X射线脉冲的光子流量的统计；慢整形通道整形时间较长，通过对整形后的高斯脉冲进行峰值检测，可以准确得到脉冲的幅值，该幅值与SDD探测器输出的原始信号成正比，从而与入射光子能量成正比，长时间累积测量即可得到X射线光源的能谱分布。通过标准探测器标定系统即可实现对光源的标定，经过标定的光源可以用来测试其他各种X射线探测器的性能。
Claims (4)
1.一种X射线脉冲探测器测试标定光源的装置，其特征在于：包括X射线脉冲产生系统及标准探测器标定系统；所述X射线脉冲产生系统生成X射线脉冲经标准探测器标定系统测试标定光源；
所述X射线脉冲产生系统包括沿脉冲路径上依次设置的柵控电子学系统、栅控X射线管、单能X射线产生腔室；还包括用于提供电源的电源系统；所述X射线脉冲产生系统当栅控电子学系统产生直流电信号时，整个光源系统工作于直流模式；当栅控电子学系统产生脉冲信号时，整个光源系统工作于脉冲模式；所述栅控X射线管与单能X射线产生腔室通过光阑连接；
所述栅控电子学系统包括用于提供高稳定度的时钟信号的时钟模块、用于存储产生的脉冲信号的数据的存储模块和用于产生电脉冲信号的波形产生模块；所述时钟模块分别与存储模块和波形产生模块相连，提供系统时钟；存储模块和波形产生模块相连，为波形产生模块提供波形数据；波形产生模块的输出作为栅控电子学系统的输出，与栅控X射线管相连；
所述电源系统包括为栅控电子学系统供电的栅极电源、为栅控X射线管阴极供电的灯丝电源和为栅控X射线管阳极供电的阳极电源；
所述单能X射线产生腔室内放置多种不同的金属材料以产生不同能量的X射线；
所述栅控X射线管产生的原级X射线脉冲经过光阑后入射至单能X射线产生腔室中，轰击放置的金属材料，从而产生该金属材料的特征X射线谱，通过切换不同的金属材料可以产生不同能量的X射线脉冲；
所述标准探测器标定系统包括X射线脉冲路径上依次设置的标准探测器、前置放大器、ADC、基于FPGA的数字脉冲处理及上位机。
2.一种X射线脉冲探测器测试标定光源的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1】单能X射线产生腔室产生的单能X射线脉冲射入标准探测器从而形成与X射线脉冲能量相关的一定数量的电子空穴对；
2】标准探测器内部阳极收集所产生的电子，并经过前置放大器形成第一级放大；第一级放大后的脉冲信号是一个斜坡脉冲，其上叠加由入射X射线光子所引起的信号，将这一斜坡脉冲进行微分并滤波，就可以将入射光子引起的脉冲信号分离出来；
3】分离后的脉冲信号经过ADC转换，变为数字信号波形；
4】数字信号波形经过平滑滤波和整型处理，所述整形处理包括快整形处理和慢整形处理；
4.1]所述快整形处理对整形后的波形进行阈值甄别，高于一定阈值就认为是一个有效事件，总的光子流量计数统计增加一个；通过长时间累积探测，可以得到该光源的平均光子流量；
4.2]所述慢整形处理对整形后的波形进行峰值检测，以得到脉冲幅值，该幅值与入射光子能量成正比，从而可以对该能量下的计数统计增加一个；
5】通过长时间累积探测，可以得到各个能量下的计数统计，从而得到光源的能谱分布；利用经过总光子流量和能谱分布标定的这一光源，就可以对其他各种X射线探测器的性能进行比对、标定。
3.根据权利要求2所述的一种X射线脉冲探测器测试标定光源的方法，其特征在于：所述整形处理的脉冲为高斯脉冲或三角波或梯形脉冲。
4.根据权利要求2所述的一种X射线脉冲探测器测试标定光源的方法，其特征在于：所述标准探测器的光子敏感区正对单能X射线产生腔室所产生的单能X射线脉冲。
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