CN106526649B - 一种软x射线源辐射强度标定系统和标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种软X射线源辐射强度标定系统和标定方法，包括辐射源真空腔、实验真空腔、X射线传输腔、X射线源、软X射线CCD探测器；本发明采用单光子计数技术，标定软X射线辐射强度，尤其是可以标定能量在2keV以下的X射线源的辐射强度，打破了单光子计数X射线CCD的能量限制。

Description

一种软X射线源辐射强度标定系统和标定方法
技术领域
本发明属于X射线领域，具体涉及一种辐射强度标定方法，特别涉及软X射线辐射强度、软X射线探测及单光子计数技术。
背景技术
X射线在空间中广泛存在，特别是在天体物理现象活跃爆发时，X射线会大量产生，在天文观测中常被观测记录。在X射线成像方面，1999年发射升空的美国钱德拉天文台和2000年发射成功的欧洲牛顿天文台是目前世界上性能最好的X射线天文望远镜，十几年的工作已帮助人类记录了大量空间的X射线事件。
除了成像外，还有一类X射线活动是以X射线光子形态存在的，对这类天文现象的记录称为X射线探测。国际已有相关宇航单位开展了空间X射线探测载荷的研制工作，相应的载荷性能测试工作同步开展。载荷性能测试中需要构造符合空间X射线辐射水平的X射线光子源，此时就需要对X射线光源的辐射强度进行标定。
单光子计数技术是对极微弱光的一种探测技术。极微弱光辐射到探测器像面上，达到单光子计数条件，即单位像元面积内获得的光子数小于1；从而通过统计获得信号的像元数目，就可以得到极微弱光源辐射到探测器上的光子的数量，从而计算出光源的辐射强度。
但是目前的单光子计数CCD探测器不能探测能量在2keV以下的软X射线。同时，目前的软X射线源单位时间内的辐射强度都很大，短距离内不能达到单光子计数条件。总之，现有技术无法对软X射线源的辐射强度进行标定。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种软X射线源辐射强度标定系统及标定方法，可以实现对软X射线源、特别是能量在2keV以下的软X射线源辐射强度的标定。
本发明的技术方案是：一种软X射线源辐射强度标定系统，包括辐射源真空腔、实验真空腔、X射线传输腔、X射线源、软X射线CCD探测器；所述辐射源真空腔内产生X射线，经过X射线传输腔内长距离传输后实现CCD单位像元、单位时间内接收到的X射线光子数小于1，作为软X射线源辐射强度标定的X射线源和标定系统。
所述辐射源真空腔为卧式容器，容器上开有电接口法兰、粗抽管路接口法兰、X射线传输腔接口。
所述实验真空腔为卧式容器，内部具有实验平台及去污冷屏，容器上开有软X射线CCD探测器接口法兰、电接口法兰、粗抽管路接口法兰、X射线传输腔接口。
所述X射线传输腔长10m到200m，由主管道及波纹管调节管道连接组成，真空连接管路材料为不锈钢，内壁抛光处理。
所述X射线源为双阳极X射线管，双阳极X射线管装配固定在辐射源真空腔中，通过电源激励电子轰击在金属材料上，使得金属材料内层电子跃迁，产生特定谱段的X射线辐射。
所述X射线源的谱段为Mg～1.25keV；Al～1.49keV，带宽：Mg～0.70eV；Al～0.85eV，每秒输出光子数：109～1012。
所述软X射线CCD探测器具有高灵敏度特点，能够响应能量1eV～10keV的单光子量级的X射线光子。
一种软X射线源辐射强度标定方法，在软X射线源辐射强度标定系统系统内对软X射线源、特别是能量在2keV以下的软X射线源的辐射强度进行标定，包括以下步骤：
(1)根据X射线源参数，估算X射线源辐射强度I；X射线源参数包括软X射线源工作功率、X射线光子能量、辐射立体角范围和X射线源能量转化效率；
(2)根据估算的X射线源辐射强度I和软X射线CCD探测器像元尺寸，估算X射线源到软X射线探测器的距离L，使得单位像元单位时间内接收到的X射线光子数远小于1；
(3)将软X射线CCD探测器固定在距离X射线源距离为L处，且使像面垂直于X射线源与X射线CCD探测器中心连线；
(4)在单位时间t内，使用软X射线CCD探测器采集X射线源辐射的X射线光子；
(5)统计单位时间t内，软X射线CCD探测面积S上获得信号的像元数A，即可得到单位时间和单位面积内X射线源的辐射强度：AL2/tS。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)由于在本发明中X射线源到X射线CCD探测器像面的距离可以做到很长，可以通过增加源到探测器的距离减小单位时间单位面积内X射线光子数，使得探测器平均每个像元接收到的X射线光子数远小于1，从而达到单光子计数条件；
(2)本发明中的软X射线CCD探测器可探测能量2keV以下X射线光子，从而使得本发明可以标定能量2keV以下的X射线源的辐射强度，打破了单光子计数X射线CCD的能量范围限制。
附图说明
图1为本发明标定系统构成图；
图2为本发明标定方法的流程；
图3为本发明为软X射线CCD探测器信号图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的系统做进一步的描述。
如图1所示，本发明的标定系统包括以下五个部分：辐射源真空腔、实验真空腔、X射线传输腔、X射线源、软X射线CCD探测器。辐射源真空腔、实验真空腔、X射线传输腔、X射线源如图1中所示连接成一整套真空系统。软X射线CCD探测器在实验真空腔内，通过法兰接口与真空腔外的电脑相连。辐射源真空腔内产生X射线，经过X射线传输腔内长距离传输后实现CCD单位像元、单位时间内接收到的X射线光子数小于1，作为软X射线源辐射强度标定的X射线源和标定系统。
如图2所示，本发明标定方法步骤如下：
步骤1：估算X射线源辐射强度。
根据X射线源参数：X射线源辐射功率P，X射线光子能量E和X射线源能量转化效率η，估算单位时间X射线源辐射强度I＝ηP/E。
根据估算的单位时间X射线源辐射强度I、X射线源辐射立体角θ，计算单位时间单位立体角内X射线源的辐射强度I＝I/。
步骤2：估算探测器到X射线源的距离。
定义软X射线CCD探测器到X射线源的距离为L，软X射线CCD探测器单位像元面积为D，则软X射线CCD探测器单位像元对X射线源的立体角为D/L2。
根据单位时间单位立体角内X射线源的辐射强度Iθ，计算得到单位时间单位像元接收到的X射线光子数量为IθD/L2＝ID/θL2＝ηPD/EL2。
根据单光子计数条件，ηPD/EL2＜＜1，得到L＞＞(ηPD/E)0.5。
步骤3：装配调整标定系统。
将软X射线CCD探测器固定在实验真空腔内距离X射线源L(＞＞(ηPD/E)0.5)处，且使像面垂直于X射线源与探测器中心连线。
步骤4：采集X射线光子。
在标定系统内，使用软X射线CCD探测器采集X射线源辐射的X射线光子。软X射线CCD探测器采集到的图像如附图3所示，图中白色亮点为采集到X射线光子的CCD像元。
步骤5：计算辐射强度。
统计时间t内、探测面积S上获得信号的像元数A。
计算得出X射线源单位时间单位立体角内的辐射强度：AL2/tS。
如图3所示，白色亮点为采集到X射线光子的CCD像元，黑色部分为没有采集到X射线光子的CCD像元，通过软件可以统计出采集到X射线光子的数目。
总之，本发明采用单光子计数技术，标定软X射线辐射强度，尤其是可以标定能量在2keV以下的X射线源的辐射强度，打破了单光子计数X射线CCD的能量限制。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种软X射线源辐射强度标定系统，其特征在于：包括辐射源真空腔、实验真空腔、X射线传输腔、X射线源、软X射线CCD探测器；所述辐射源真空腔内产生X射线，经过X射线传输腔内长距离传输后实现CCD单位像元、单位时间内接收到的X射线光子数远小于1，作为软X射线源辐射强度标定的X射线源和标定系统；
其中，单位时间和单位面积内X射线源的辐射强度为：
AL2/ts
t表示单位时间内，S表示软X射线CCD探测面积，A表示软X射线CCD探测面积S上获得信号的像元数。
2.根据权利要求1所述的软X射线源辐射强度标定系统，其特征在于：所述辐射源真空腔为卧式容器，容器上开有电接口法兰、粗抽管路接口法兰、X射线传输腔接口。
3.根据权利要求1所述的软X射线源辐射强度标定系统，其特征在于：所述实验真空腔为卧式容器，内部具有实验平台及去污冷屏，容器上开有软X射线CCD探测器接口法兰、电接口法兰、粗抽管路接口法兰、X射线传输腔接口。
4.根据权利要求1所述的软X射线源辐射强度标定系统，其特征在于，所述X射线传输腔长10m到200m，由主管道及波纹管调节管道连接组成，真空连接管路材料为不锈钢，内壁抛光处理。
5.根据权利要求1所述的软X射线源辐射强度标定系统，其特征在于，所述X射线源为双阳极X射线管，双阳极X射线管装配固定在辐射源真空腔中，通过电源激励电子轰击在金属材料上，使得金属材料内层电子跃迁，产生特定谱段的X射线辐射。
6.根据权利要求1或5所述的软X射线源辐射强度标定系统，其特征在于，所述X射线源的谱段为Mg～1.25keV；Al～1.49keV，带宽：Mg～0.70eV；Al～0.85eV，每秒输出光子数：109～1012。
7.根据权利要求1所述的软X射线源辐射强度标定系统，其特征在于，所述软X射线CCD探测器能够响应能量1eV～10keV的单光子量级的X射线光子。
8.一种软X射线源辐射强度标定方法，在软X射线源辐射强度标定系统系统内对软X射线源、能量在2keV以下的软X射线源的辐射强度进行标定，其特征在于包括以下步骤：
(1)根据X射线源参数，估算X射线源辐射强度I；X射线源参数包括软X射线源工作功率、X射线光子能量、辐射立体角范围和X射线源能量转化效率；
(2)根据估算的X射线源辐射强度I和软X射线CCD探测器像元尺寸，估算X射线源到软X射线探测器的距离L，使得单位像元单位时间内接收到的X射线光子数远小于1；
(3)将软X射线CCD探测器固定在距离X射线源距离为L处，且使像面垂直于X射线源与X射线CCD探测器中心连线；
(4)在单位时间t内，使用软X射线CCD探测器采集X射线源辐射的X射线光子；
(5)统计单位时间t内，软X射线CCD探测面积S上获得信号的像元数A，即可得到单位时间和单位面积内X射线源的辐射强度：AL2/ts。
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