CN105470077A - 基于cnt场致发射的宽光束准平行单能x射线产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置,采用碳纳米管阴极面阵产生电子流,采用阳极靶阵列产生X射线,采用准直器阵列对X射线进行准直,解决了大型空间X射线探测器标定测试需同时具备宽光束、和准平行X射线光源的技术难题;通过实验以及理论计算,得到需要的X射线能量、阳极靶单元的阳极靶材料、滤光器厚度、滤光器材料以及高压电源的电压的关系,因此,本发明的X射线产生装置可以实现1~10keV范围内X射线光子单能输出;可以满足大型空间X射线探测器能量响应矩阵、探测效率、有效探测面积、探测视场等技术指标的标定测试。
Description
技术领域
本发明涉及精密光机电技术领域,尤其涉及基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置。
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射线脉冲星导航探测器作为脉冲星导航系统的核心关键设备,要求具备1m2量级的有效探测面积,这就为探测器的定标测试带来技术困难。
为实现X射线探测器的定标测试,要求具备平行、单能、宽光束(1m量级)的X射线光源。目前,实现X射线准平行的方法就是依赖点X射线源在真空通道内的长距离传输,是原本发散的球面波在足够远处近似为平面波(准平行光束),例如美国Marshall空间飞行中心X射线定标测试装置(XRCF),真空管道长518m,加上测试室的扩展长度,可提供538m的源与探测器的距离。该方法虽然实现方式简单,但成本过高,而且不满足1m2量级X射线探测器的定标测试(在X射线发散角1mrad的条件下,其末端X射线光斑直径约为0.54m)。平行和宽光束是该方法中的一对矛盾体,在真空通道距离一定的条件下,平行度提高必然导致光斑尺寸减小,而光斑尺寸增大又必然导致平行度下降。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置,可以解决大型空间X射线探测器定标测试所需X射线源宽光束、准平行及单能的技术难题。
本发明的一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置,包括电源、阴极基板、碳纳米管阴极面阵、阳极靶阵列、滤光器、准直器阵列以及终端接收屏;
所述阴极基板的一个侧面上镀有阴极导电层;
所述阴极导电层接所述电源的正端;
所述阴极导电层上生长N×N个碳纳米管阵列单元,形成所述碳纳米管阴极面阵;N的取值与要产生的X射线的面积成正比;
所述阳极靶阵列位于所述碳纳米管阴极面阵出射电子的前方,所述电源产生的负压加载在每一个阳极靶阵列的阳极靶单元上,所述阳极靶单元与碳纳米管阵列单元一一对应,用于接收所述碳纳米管阵列单元发射的电子,并产生X射线;
所述滤光器位于所述X射线传播光路中,用于滤除能量不符合要求的X射线;
所述准直器阵列由N×N个毛细管X射线透镜以面阵的方式形成,毛细管X射线透镜的位置与阳极靶单元位置一一对应;每个毛细管X射线透镜均由多根X射线光纤紧密排列构成,用于对从滤光器出射的X射线进行准直并透射到所述终端接收屏上;
所述电源的电压由要产生的X射线能量决定。
较佳的,需要的X射线能量、阳极靶单元的阳极靶材料、滤光器厚度、滤光器材料以及电源的电压如下:
较佳的,每个所述毛细管X射线透镜中包含30×104~50×104根X射线光纤。
较佳的,X射线光纤内径为20微米。
较佳的,所述N取5。
进一步的,所述阳极靶阵列单元由采用导电材质制成的阳极基板进行支撑;所述阳极基板上加工与所述阳极靶阵列中N×N个阳极靶单元一一对应的开孔,阳极靶单元固定安装在所述开孔内;所述电源的电压通过所述阳极基板加载在各个阳极靶单元上。
进一步的,还包括空腔结构的绝缘支架,安装在阴极基板与阳极基板之间,将碳纳米管阴极面阵以及产生的电子流封装在其内部。
本发明具有如下有益效果:
(1)本发明的X射线产生装置,采用碳纳米管阴极面阵产生电子流,采用阳极靶阵列产生X射线,采用准直器阵列对X射线进行准直,解决了大型空间X射线探测器标定测试需同时具备宽光束、和准平行X射线光源的技术难题。
(2)通过实验以及理论计算,得到需要的X射线能量、阳极靶单元的阳极靶材料、滤光器厚度、滤光器材料以及高压电源的电压的关系,因此,本发明的X射线产生装置可以实现1~10keV范围内X射线光子单能输出。
(3)本发明的X射线产生装置可以满足大型空间X射线探测器能量响应矩阵、探测效率、有效探测面积、探测视场等技术指标的标定测试。
附图说明
图1为基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生原理图;
图2为本发明的装置采用Cr靶通过V滤波后的X射线能谱;
其中,1-阴极基板、2-阴极导电层、3-碳纳米管阴极面阵、4-阳极靶阵列、5-滤光器、6-准直器阵列、7-终端接收屏、8-电源、9-绝缘支架、10-阳极基板。
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。
本发明的一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置,包括电源8、阴极基板1、碳纳米管阴极面阵3、阳极靶阵列4、滤光器5、准直器阵列6以及终端接收屏7;
阴极基板1的一个侧面上镀有阴极导电层2;阴极导电层2接所述电源8的正端。电源8的电压由要产生的X射线能量决定。
所述阴极导电层2上生长N×N个碳纳米管阵列单元,形成碳纳米管阴极面阵3;N的数量根据要产生的X射线的总面积决定,面积越大需要的阵列单元越多。
阳极靶阵列4位于所述碳纳米管阴极面阵3出射电子的前方,电源8产生的负高压加载在每一个阳极靶阵列4的阳极靶单元上,阳极靶单元与碳纳米管阵列单元一一对应,用于接收所述碳纳米管阵列单元发射的电子,并产生X射线。滤光器5位于所述X射线传播光路中,用于滤除能量不符合要求的X射线。
准直器阵列6由N×N个毛细管X射线透镜以面阵的方式形成,毛细管X射线透镜的位置与阳极靶单元位置一一对应;每个毛细管X射线透镜均由多根X射线光纤紧密排列构成,用于对从滤光器5出射的X射线进行准直并透射到所述终端接收屏7上;每个所述毛细管X射线透镜中包含的X光子导管的根数由照射到各毛细管X射线透镜面积大小决定,面积越大,根数越多。
为了便于加工,所述阳极靶阵列4单元由采用导电材质制成的阳极基板10进行支撑;所述阳极基板10上加工与所述阳极靶阵列4中N×N个阳极靶一一对应的开孔,阳极靶单元固定安装在所述开孔内;电源8的电压通过所述阳极基板10加载在各个阳极靶单元上。
本发明的装置还包空腔结构的括绝缘支架9,安装在阴极基板1与阳极基板10之间,将碳纳米管阴极面阵3以及产生的电子流封装在其内部。
由于阳极靶单元上加载电源8的负端,阴极基板1接正端,则阳极靶阵列4与阴极基板1之间形成高压电场,碳纳米管阴极面阵3在高压电场的作用下产生电流,并射向阳极靶阵列4,其中,电子的数目和速度可通过高压电场控制。
场致发射的电流密度由F-N公式描述,如(1)式所示:
其中,A和B为常数,E为材料表面电场强度,Ф为材料逸出功,β为材料的几何增强因子。碳纳米管由于具备特殊的几何结构,大的长径比λ、纳米级的直径,因此几何增强因子较大,具备较强的电子发射能力,其几何增强因子如(2)式所示:
由(1)式可知,通过控制碳纳米管的发射电场强度E可以实现电子束流密度的调节,进而实现X射线光子流强的控制。
同时,由于碳纳米管可以制备成面阵形式,因而基于碳纳米管的X射线源是面光源,而不是传统X射线球管的点光源,有利于宽光束X射线光束的实现。
碳纳米管CNT阴极面阵发射的电子束在高压场作用下获得很大动能,轰击透射式阳极靶阵列4,使电子骤然减速损失能量大部分转化为热,一小部分则以光子形式辐射出来,形成X射线能谱。光子的能量决定于轰击电子的能量和阳极靶材料特性。
透射式阳极靶辐射的X射线出射方向上的能量-角分布如式(3)所示:
其中,
式中E0为入射电子能量,E为散射电子能量,k=E0-E,μ=mC2为一个电子剩余的能量,C为常数,θ0表示辐射粒子与入射电子之间的夹角。对于透射式阳极面阵,不会存在足跟效应,出射的X射线基本是以垂直靶心的线为轴成轴对称分布的,X射线强度分布的均匀性有了很大改善。
X射线滤光器5的作用是使设定的能量范围内的X射线光子通过,而其他能量范围内的X射线光子被大幅衰减。通过与阳极靶材和电源8的配合实现X射线光子能量选择,如表1所示。
表1X射线光子能量与施加高压及滤光片对照表
选取了13个能点,基本覆盖了1~10keV的能量范围,满足X射线脉冲星导航探测器的能量特性的测试需求。如Cr的Kα特征谱能量5.415keV,阳极靶材选取金属Cr,阳极高压设置为10000V,然后通过125μm的V箔进行滤光,可以得到准单色的X射线谱,如图2所示,在能量为5.415keV时,其能量分辨率ΔE/E为15%。
准直器阵列6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射线光纤组成。X射线光纤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θc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射线光纤内径为20微米。
如图1所示,设碳纳米管CNT阴极面阵单元尺寸为D×D,单元阵列数为n×n,准直器的发散角为γ,阳极面阵到终端接收屏7的距离为L,则终端接收屏7光源光斑面积为:
S=[n×(D+Ltan(γ))]2(6)
如式(6)所示,在真空束线通道距离L和发散角为γ选定的条件下,通过合理设置碳纳米管CNT阴极面阵单元尺寸D和单元阵列数n,可以实现X射线的宽光束、准平行特性。
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 (7)
1.一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置,其特征在于,包括电源(8)、阴极基板(1)、碳纳米管阴极面阵(3)、阳极靶阵列(4)、滤光器(5)、准直器阵列(6)以及终端接收屏(7);
所述阴极基板(1)的一个侧面上镀有阴极导电层(2);
所述阴极导电层(2)接所述电源(8)的正端;
所述阴极导电层(2)上生长N×N个碳纳米管阵列单元,形成所述碳纳米管阴极面阵(3);N的取值与要产生的X射线的面积成正比;
所述阳极靶阵列(4)位于所述碳纳米管阴极面阵(3)出射电子的前方,所述电源(8)产生的负压加载在每一个阳极靶阵列(4)的阳极靶单元上,所述阳极靶单元与碳纳米管阵列单元一一对应,用于接收所述碳纳米管阵列单元发射的电子,并产生X射线;
所述滤光器(5)位于所述X射线传播光路中,用于滤除能量不符合要求的X射线;
所述准直器阵列(6)由N×N个毛细管X射线透镜以面阵的方式形成,毛细管X射线透镜的位置与阳极靶单元位置一一对应;每个毛细管X射线透镜均由多根X射线光纤紧密排列构成,用于对从滤光器(5)出射的X射线进行准直并透射到所述终端接收屏(7)上;
所述电源(8)的电压由要产生的X射线能量决定。
2.如权利要求1所述的一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置,其特征在于,需要的X射线能量、阳极靶单元的阳极靶材料、滤光器(5)厚度、滤光器(5)材料以及电源(8)的电压如下:
3.如权利要求1所述的一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置,其特征在于,每个所述毛细管X射线透镜中包含30×104~50×104根X射线光纤。
4.如权利要求1、2或3所述的一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置,其特征在于,X射线光纤内径为20微米。
5.如权利要求1所述的一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置,其特征在于,所述N取5。
6.如权利要求1所述的一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置,其特征在于,所述阳极靶阵列(4)单元由采用导电材质制成的阳极基板(10)进行支撑;所述阳极基板(10)上加工与所述阳极靶阵列(4)中N×N个阳极靶单元一一对应的开孔,阳极靶单元固定安装在所述开孔内;所述电源(8)的电压通过所述阳极基板(10)加载在各个阳极靶单元上。
7.如权利要求6所述的一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置,其特征在于,还包括空腔结构的绝缘支架(9),安装在阴极基板(1)与阳极基板(10)之间,将碳纳米管阴极面阵(3)以及产生的电子流封装在其内部。
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