CN104748766A - 一种x射线脉冲星能谱分布模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X射线脉冲星能谱分布模拟系统，该系统采用能量随机数发生器以脉冲星的能谱分布函数作为能量概率分布函数，再基于反函数法产生X射线能量随机数E，则通过该能量随机数E计算双平晶单色仪的衍射角θ；驱动与控制电路产生与θ成正比的电压信号V，该电压信号V输出至音圈电机；脉冲X射线源产生X射线束，该X射线束进入X射线准直镜；X射线准直镜将所述X射线束平行化，投射入所述双平晶单色仪中；音圈电机根据电压信号V的驱动控制双平晶单色仪产生衍射角θ；使得双平晶单色仪接收投射来的平行的X射线束后，输出能量等于E的单色X射线。使用该系统在地面试验中即可达到模拟X射线脉冲星的能谱分布的目的。

Description

一种X射线脉冲星能谱分布模拟系统

技术领域

本发明涉及一种X射线脉冲星能谱分布模拟系统方案，属于精密光机电产品实用技术领域。

背景技术

X射线脉冲星自主导航技术，是一种基于X射线脉冲星发射的高稳定脉冲信号和脉冲星空间位置，为航天器提供位置参数的导航技术。X电磁波频段是脉冲星发射的高能X射线，其辐射能量集中，易于被小型化设备探测与处理。

对于X射线脉冲星导航来说，感兴趣的X射线能谱范围为2～10keV。由于能谱范围较宽，每个能点的X射线光子在经历宇宙星际介质后所造成的延迟效应各不一样，因此会造成各个能点的脉冲轮廓的相位甚至波形存在差异。脉冲星导航系统需要研究并消除这种差异，因此需要在地面试验系统中模拟脉冲星能谱分布，为研究提供条件。同时，探测器的探测效率是能谱的函数，探测器的灵敏度与能谱分布密切相关，为了在地面试验系统中评价探测器的灵敏度，也需要模拟脉冲星的能谱分布。

然而，目前为止，尚无模拟脉冲星能谱分布的研究报道。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种X射线脉冲星的能谱分布模拟系统，使用该系统在地面试验中即可达到模拟X射线脉冲星的能谱分布的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：该系统包括能量随机数发生器、驱动与控制电路、脉冲X射线源、X射线准直镜、双平晶单色仪和音圈电机。

能量随机数发生器以脉冲星的能谱分布函数作为能量概率分布函数，再基于反函数法产生X射线能量随机数E，则通过该能量随机数E计算双平晶单色仪的衍射角θ，其中d为双平晶单色仪中晶体的晶格常数。

驱动与控制电路产生与θ成正比的电压信号V，该电压信号V输出至音圈电机。

脉冲X射线源为X射线发生器，用于产生X射线束，该X射线束进入X射线准直镜。

X射线准直镜将X射线束平行化，投射入双平晶单色仪中。

音圈电机根据电压信号V的驱动控制双平晶单色仪产生衍射角θ；使得双平晶单色仪接收投射来的平行的X射线束后，输出能量等于E的单色X射线。

进一步地，以脉冲星的能谱分布函数F(E)作为一个概率分布函数，则能量随机数E满足该概率分布函数F(E)，在[0，1]区间上产生均匀分布的随机数U，则能量随机数E＝F^-1(U)。

进一步地，脉冲X射线源包括半导体激光器和激光驱动X射线发生器，采用激光调制方式实现；激光驱动X射线发生器由光电阴极、光电子加速电场、阳极靶和输出窗组成；首先将脉冲电压信号加载到半导体激光器上面产生脉冲激光信号，该脉冲激光信号照射至光电阴极，光电阴极经激光照射，产生光电子并经光电子加速电场加速后轰击阳极靶,产生X射线辐射,最后经窗口输出。

进一步地，X射线准直镜采用毛细管X射线透镜.

进一步地，X射线束的脉冲宽度为50ps级的。

进一步地，音圈电机的响应频率在10kHz以上。

有益效果：

本系统在地面试验的情况下，即可实现对X射线脉冲星能谱分布和探测器探测效率的验证。本系统采用反函数随机数生成法，可实现脉冲星光子能量数据序列的生成；利用能量随机数发生器周而复始的产生随机数E，双晶单色仪按照此能量E对复色光进行挑选，最终可以实现X射线脉冲星能谱分布的模拟。

附图说明

图1—X射线能谱分布模拟原理图；

图2—随机数法脉冲星能谱分布模拟结果；

图3—Crab脉冲星累积脉冲轮廓；

图4—Crab脉冲星光子到达时间间隔统计。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例以Crab脉冲星的能谱模拟为例进行论述。

如图1所示，本系统包括能量随机数发生器、驱动与控制电路、脉冲X射线源、X射线准直镜、双平晶单色仪和音圈电机；

(1)能量随机数发生器

Crab脉冲星的能谱分布函数为：

N(E)＝10E^-2.5exp(-0.7E^-2.47)[ph/s/cm²/keV]      (1)

定义归一化能谱分布函数为：

$\mathrm{NPDF}\left(E\right)=\frac{N\left(E\right)}{{\∫}_2^{10}N\left(E\right)\·\mathrm{dE}}---\left(2\right)$

则NPDF(E)函数具有概率密度的含义，其表示X射线源发射一个光子能量为E的概率。这样就可以定义一个概率分布函数：

$F\left(E\right)={\∫}_2^E\mathrm{NPDF}\left(E^{\′}\right)d{E}^{\′}---\left(3\right)$

根据基于反函数法产生随机数的理论：已知U为[0,1]区间上的均匀分布的随机数，随机数E满足概率分布函数F(E)，则随机数E可以通过下式产生：

E＝F^-1(U)          (4)

因此，可以通过随机数抽取X射线光子能量，其结果如图2所示，然后通过X射线单色器从复色光中选取该能量光子，当随机数抽取到下一个X射线光子能量时，X射线单色器进行调整选取下一个能量的X射线光子，依次类推完成全谱段X射线光子的抽取。通过计算模拟对该方法进行了验证，如图4所示

(2)脉冲X射线源

脉冲X射线源采用激光调制方式。激光调制方式通过半导体激光器和激光驱动X射线发生器实现。将脉冲电压信号加载到半导体激光器上面产生脉冲激光信号。脉冲激光信号再通过激光驱动X射线发生器产生脉冲X射线源。激光驱动X射线发生器由光电阴极、阳极靶和输出窗组成。当X射线发生器的阴极受到激光照射时，产生光电子并经高压电场加速后轰击阳极靶,产生X射线辐射,最后经窗口输出。注意这里采用轫致辐射输出的连续的X射线源，靶材的特征X射线应该加以屏蔽。

(3)X射线准直镜

X射线准直镜采用毛细管X射线透镜，将发散的X射线准直成近平行光。毛细管X射线透镜由(30～50)×10⁴根X光子导管组成。光子导管是内表面非常光滑的空心毛细导管。当X射线以小于玻璃材料的外全反射临界角θ_c掠入射到毛细导管内壁时，将会以很高的反射率经多次反射从导管的入射端传播至出射端，合理设计毛细管的弯曲形状，就可以实现类似普通光学透镜的汇聚或准直效果。根据X光透镜传输的X射线能量及使用者对透镜外形尺寸的要求，X光子导管内径在几微米至十几微米范围。

(4)双平晶单色仪

脉冲X射线源产生脉冲宽度为50ps级的X射线束，经X射线准直镜以平行光束投射的双平晶单色仪，其输出为与角度θ相关的单色X射线光子，其关系如下：

λ＝2dsinθ                (5)

其中，d为晶体的晶格常数。能量随机数发生器根据脉冲星能谱分布函数生成能量随机数E，其与X射线光子波长的关系为：

$\mathrm{\λ}=\frac{1.24}{E}\left[\mathrm{nm}\right]---\left(6\right)$

由以上两式可知，衍射角θ与能量E的关系为：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{0.24}{2\mathrm{dE}}\right)---\left(7\right)$

驱动与控制电路产生与θ成正比的电压信号U，驱动音圈电机使得双晶单色仪的衍射角为θ，确保能量为E的单色X射线输出。能量随机数发生器周而复始的产生随机数E，双晶单色仪按照此能量E对复色光进行挑选，最终实现能谱分布的模拟。

(5)音圈电机

在X射线能谱分布模拟中，驱动电机的响应频率能否满足X射线光子最小时间间隔的要求，是决定该模拟成功与否的关键。因此，以辐射流强最强的Crab脉冲星为例进行说明，探测面积设为100cm²，如图3所示，Crab脉冲星在观测时间为4.23×10⁴s的条件下，获取的累积脉冲轮廓，在同样的条件对入射的相邻X射线光子时间间隔进行了统计，如图4所示，在图中从10ms处分成了两段，0～10ms时间段为背景信号的光子时间间隔谱图，其满足弱光时间间隔的负指数分布，10ms以上部分为脉冲信号的时间间隔统计谱图。由此可知，音圈电机的响应频率大于100Hz即可。目前，用于激光跟瞄系统的快速反射镜(FSM)所使用的音圈电机的响应频率可达10kHz以上，满足能谱模拟需求。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种X射线脉冲星能谱分布模拟系统，其特征在于，该系统包括能量随机数发生器、驱动与控制电路、脉冲X射线源、X射线准直镜、双平晶单色仪和音圈电机；

所述能量随机数发生器以脉冲星的能谱分布函数作为能量概率分布函数，再基于反函数法产生X射线能量随机数E，则通过该能量随机数E计算双平晶单色仪的衍射角θ，其中d为所述双平晶单色仪中晶体的晶格常数；

所述驱动与控制电路产生与θ成正比的电压信号V，该电压信号V输出至音圈电机；

所述脉冲X射线源为X射线发生器，用于产生X射线束，该X射线束进入X射线准直镜；

所述X射线准直镜将所述X射线束平行化，投射入所述双平晶单色仪中；

所述音圈电机根据电压信号V的驱动控制双平晶单色仪产生衍射角θ；使得双平晶单色仪接收投射来的平行的X射线束后，输出能量等于E的单色X射线。

2.如权利要求1所述的一种X射线脉冲星能谱分布模拟系统，其特征在于，以所述脉冲星的能谱分布函数F(E)作为一个概率分布函数，则能量随机数E满足该概率分布函数F(E)，在[0，1]区间上产生均匀分布的随机数U，则能量随机数

3.如权利要求1所述的一种X射线脉冲星能谱分布模拟系统，其特征在于，所述脉冲X射线源包括半导体激光器和激光驱动X射线发生器，采用激光调制方式实现；

所述激光驱动X射线发生器由光电阴极、光电子加速电场、阳极靶和输出窗组成；

首先将脉冲电压信号加载到半导体激光器上面产生脉冲激光信号，该脉冲激光信号照射至所述光电阴极，所述光电阴极经激光照射，产生光电子并经光电子加速电场加速后轰击阳极靶,产生X射线辐射,最后经窗口输出。

4.如权利要求1所述的一种X射线脉冲星能谱分布模拟系统，其特征在于，所述X射线准直镜采用毛细管X射线透镜.

5.如权利要求1所述的一种，其特征在于，所述X射线束的脉冲宽度为50ps级的。

6.如权利要求1所述的一种，其特征在于，所述音圈电机的响应频率在10kHz以上。