CN106768874A

CN106768874A - 一种x射线聚焦光学聚焦性能测量装置

Info

Publication number: CN106768874A
Application number: CN201611028484.6A
Authority: CN
Inventors: 刘永安; 李林森; 盛立志; 强鹏飞; 刘舵; 赵宝升; 田进寿; 刘哲
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2017-05-31

Abstract

本发明的目的是解决X射线聚焦光学性能精确测量问题，从而提出一种真空环境下测试X射线聚焦光学性能的装置。该装置包括沿光轴依次设置的X射线源、待测X射线聚焦光学、X射线成像探测器以及后端的数据处理系统和用于定位调节所述待测X射线聚焦光学的多维调节机构，还包括可见光波段的激光器和相应的半导体探测器；所述X射线源、待测X射线聚焦光学、X射线成像探测器和半导体探测器均位于真空管道内，其中，X射线源和激光器位于真空管道的一端，且激光器能够取代X射线源位置用于定位光轴，X射线成像探测器和半导体探测器位于真空管道的另一端。

Description

一种X射线聚焦光学聚焦性能测量装置

技术领域

本发明属于X射线探测成像领域，涉及一种X射线聚焦光学聚焦性能测量装置。

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，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量级，最强的Crab脉冲星辐射强度也只有1.54ph/s/cm²。为了探测微弱的光子信号，通常采用的方法为准直型探测器，即增大X射线探测器的面积(如专利申请201110449030.7、201310283151.8等方案)，但探测面积的增加会导致背景噪声随之增大，信噪比降低。另外一种措施就是采用X射线聚焦光学，将收集到的X射线光子汇聚到探测器接收面，即聚焦型X射线探测器。这样不仅降低读出电子学的压力，更重要的是探测器的面积能够大大减小，从而有效降低背景噪声，提高信噪比。

在采用X射线聚焦光学的探测器系统中，X射线聚焦光学的性能至关重要，影响了整个探测器系统的性能。国内外常用的X射线聚焦光学主要有毛细管透镜、Wolter透镜、复合折射透镜、以及波带片等。而基于掠入射原理研制的多层嵌套式X射线聚焦光学系统是近年来国内外空间X射线探测经常采用的X射线聚焦技术，它具有聚焦效率高，实施方便等优点。评价X射线聚焦光学性能的指标主要包括聚焦效率、焦距、聚焦光斑大小及分布等，如何有效对X射线聚焦光学的相关参数进行精确测量是亟待解决的重要问题。同时，由于1～10KeV的X射线在大气下衰减严重，建立一种真空环境下X射线聚焦光学性能测试系统至关重要。

发明内容

为了解决X射线聚焦光学性能精确测量问题，本发明提出一种真空环境下测试X射线聚焦光学性能的装置，从而为研制高性能X射线聚焦光学提供测试平台。

本发明的技术解决方案：

该X射线聚焦光学聚焦性能测量装置，包括沿光轴依次设置的X射线源、待测X射线聚焦光学、X射线成像探测器以及后端的数据处理系统和用于定位调节所述待测X射线聚焦光学的多维调节机构，有别于现有技术的是：还包括可见光波段的激光器和相应的半导体探测器；所述X射线源、待测X射线聚焦光学、X射线成像探测器和半导体探测器均位于真空管道内，其中，X射线源和激光器位于真空管道的一端，且激光器能够取代X射线源位置用于定位光轴，X射线成像探测器和半导体探测器位于真空管道的另一端，通过探测器切换机构选择X射线成像探测器和半导体探测器之一定位于光轴上，以实现利用激光器校正和多维调节机构来保证X射线源、待测X射线聚焦光学和X射线成像探测器的同轴性。

基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：

上述探测器切换机构也位于真空管道内，所述半导体探测器与X射线成像探测器共同固定安装于探测器切换机构的前端面上，半导体探测器和X射线成像探测器输入面共面，且与待测X射线聚焦光学的焦平面重合，通过旋转来选择探测器；半导体探测器和X射线成像探测器的中心分别与探测器切换机构的旋转中心等距。实际上“探测器切换机构”还可以采用其他具体形式，只要能够“选择X射线成像探测器和半导体探测器之一定位于光轴上”即可。

进一步的，探测器切换机构的后端面中部设置有转轴，可以采用电动方式驱动，也可以手动操作来驱动。

进一步的，探测器切换机构上还可以设置光轴对准标记，该光轴对准标记与探测器中心的距离和与探测器切换机构中心的距离相等。

上述真空管道的中心轴即作为光轴，相当于设计真空管道的布置结构保证探测器中心、聚焦光学光轴与真空管道中心重合。

上述X射线源可以采用X射线管、激光等离子体光源等。

上述X射线成像探测器优选基于MCP的探测器，包括微通道板(MCP)、荧光屏、光学成像系统以及CCD或CMOS相机；荧光屏位于微通道板的输出端，距离微通道板输出端0.5～2mm，采用近贴聚焦方式；微通道板通过单块或者是多块级联方式实现对X射线光子的探测和倍增，所述多块级联采取两块“V”形级联或三块“Z”性级联结构。

上述X射线成像探测器中的光学成像系统采用广角镜头或者标准镜头，或者采用光锥将荧光屏图像直接与CCD或CMOS进行耦合。

上述X射线成像探测器中微通道板施加有工作电压；荧光屏和微通道板输出端之间也施加有电压，用于对微通道板输出电子云团的加速，轰击荧光屏发光。

上述半导体探测器采用高时间分辨和高能量分辨探测器，例如：硅漂移探测器(SDD)、硅PIN探测器(Si-PIN)等。

本发明所具有的有益效果：

1.同时利用半导体探测器和X射线成像探测器对X射线聚焦光学的聚焦性能进行测量，测量精度高；

2.在真空管道中对X射线聚焦光学进行测试，有效避免了低能段部分(1～10keV)X射线的衰减，可用于低能、低流量的X射线束流测量；

3.本发明为高性能X射线聚焦光学的研制提供了精确的测试平台。

附图说明

图1为本发明X射线聚焦光学测试装置示意图；

其中附图标记：1-高压电源，2-X射线源，3-激光器，4-真空管道，5-待测X射线聚焦光学，6-X射线成像探测器，7-半导体探测器，8-探测器切换机构，9-探测器电源，10-计算机，11-多维调节机构，12-真空泵机组。

图2探测器切换机构示意图；

其中附图标记：81-光轴对准标记。

图3 X射线成像仪组成框图；

其中附图标记：61-MCP组件，62-荧光屏，63-光学成像系统，64-CCD/CMOS，65-计算机及处理软件。

图4 X射线焦斑测试结果；

图5 SDD探测器测试结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1到图3为本发明示意图，用于X射线聚焦光学聚焦性能测量的装置包括高压电源1，X射线源2，激光器3，真空管道4，待测X射线聚焦光学5，X射线成像探测器6，半导体探测器7，探测器切换机构8，探测器电源9，计算机10，多维调节机构11和真空泵机组12。

X射线源2和激光器3位于真空管道4的一端，并且X射线源2和激光器3可以互换。激光器3出射光为可见光波段，主要用于对聚焦光学和探测器的中心定位，出射X射线源位于真空管道的中心轴线上。真空管道4的另一端为探测器，探测器包括X射线成像探测器6和半导体探测器7，两个探测器位于探测器切换机构8上，可以通过探测器切换机构8进行切换选择。探测器输入面同时又为X射线聚焦光学的焦平面。待测X射线聚焦光学5位于X射线源和探测器之间，探测器中心、聚焦光学光轴、X射线源中心及真空管道中心重合。系统工作时，真空管道4中为真空状态，真空泵机组12用于维持真空管道4中的真空，探测器输出信号经过同轴电缆由计算机10采集并处理。

真空管道为X射线传输和X射线成像探测器工作提供真空环境，真空管道真空度一般要优于10^-4Pa。为保证入射到X射线聚焦光学的X射线近于平行入射，真空管道的长度尽可能长。具体要求：若X射线聚焦光学输入有效口径为D，X射线源距聚焦光学入射端为L，则X射线源对聚焦光学的张角为2arctg(D/2L)，从而可以根据X射线聚焦光学的有效口径和聚焦光学中X射线的掠入射角要求来确定所需真空管道的最小长度L。

X射线源2为X射线管，高压电源1为X射线管提供工作电压。

如图2所示，X射线成像探测器6和半导体探测器7对称分布在探测器切换机构8上，两探测器中心与切换机构中心距相等。切换机构8可以通过旋转来选择探测器。

X射线成像探测器6和半导体探测器7输入面共面，且两探测器输入面与X射线聚焦光学5的焦平面重合，同时需保证探测器中心和聚焦光学光轴及真空管道中心重合。

探测器切换机构8有光轴对准标记，可利用激光器3校正来保证X射线源、聚焦光学和探测器的同轴性。

测试中首先利用激光器3将探测器中心和真空管道4中心校准。使切换机构上的探测器中心和真空管道中心重合。

随后将激光器3换为X射线源2，利用真空泵机组12将真空管道4内的真空度抽到优于10^-4Pa。开启高压电源1，利用SDD探测器7测试未加X射线聚焦光学5时的X射线光子流量。测试完毕，通过探测器切换机构8换为X射线成像探测器6，测试未加X射线聚焦光学5时的X射线光子的束流空间分布。

然后装上待测X射线聚焦光学5，利用激光器3并通过多维调节机构11使得X射线聚焦光学5的光轴、真空管道的中心轴和探测器的中心重合。同时探测器输入面为待测X射线聚焦光学5的焦平面。将激光器3换回X射线源2，待真空管道4真空度达到测试状态时，开启高压电源1，探测器选择SDD探测器7得到X射线聚焦光学聚焦后的X射线光子流量。

将探测器切换为X射线成像探测器6，利用X射线成像探测器6对待测X射线聚焦光学5的聚焦光斑进行测量。

X射线成像探测器6为基于MCP的探测器，如图3所示，包括MCP组件61，荧光屏62，光学成像系统63，CCD或CMOS器件64，计算机及处理软件65及探测器电源9。

MCP组件61对入射X射线光子进行光电转换和电子倍增，可以采用单块MCP或多块MCP级联。多块MCP级联包括2块MCP“V”形级联、3块MCP“Z”性堆叠以及其他类似的级联方式。

荧光屏62采用玻璃或光纤面板作为衬底，通过沉淀、电泳、刷涂、蒸发或晶体生长等手段，在衬底上沉积一层荧光粉层，粉层上有一定厚度的铝膜。粉的粒度一般≦10μm，可以采用P20，P43或其他类型的荧光粉。荧光屏距离微通道板距离一般为0.5～2mm。光学成像系统63可以采用光学镜头，也可以用光锥耦合方式将荧光屏像耦合到CCD或CMOS器件64上。

探测器电源9对MCP组件61和荧光屏62提供直流工作电压。

计算机10包括SDD探测器7采集处理软件和X射线成像探测器6采集处理软件。SDD采集处理软件可以得到SDD探测器探测到的X射线光子数，得到X射线聚焦光学的聚焦效率。X射线成像探测器采集处理软件可以对采集得到的图像进行去噪、增强或灰度提取等一系列处理，得到X射线焦斑截面分布的形状、尺寸及截面光子流量分布，从而得到X射线束流在焦斑内的分布性能。

Claims

1.一种X射线聚焦光学聚焦性能测量装置，包括沿光轴依次设置的X射线源、待测X射线聚焦光学、X射线成像探测器以及后端的数据处理系统和用于定位调节所述待测X射线聚焦光学的多维调节机构，其特征在于：

还包括可见光波段的激光器和相应的半导体探测器；所述X射线源、待测X射线聚焦光学、X射线成像探测器和半导体探测器均位于真空管道内，其中，X射线源和激光器位于真空管道的一端，且激光器能够取代X射线源位置用于定位光轴，X射线成像探测器和半导体探测器位于真空管道的另一端，通过探测器切换机构选择X射线成像探测器和半导体探测器之一定位于光轴上，以实现利用激光器校正和多维调节机构来保证X射线源、待测X射线聚焦光学和X射线成像探测器的同轴性。

2.根据权利要求1所述的X射线聚焦光学聚焦性能测量装置，其特征在于：所述探测器切换机构也位于真空管道内，所述半导体探测器与X射线成像探测器共同固定安装于探测器切换机构的前端面上，半导体探测器和X射线成像探测器输入面共面，且与待测X射线聚焦光学的焦平面重合，通过旋转来选择探测器；半导体探测器和X射线成像探测器的中心分别与探测器切换机构的旋转中心等距。

3.根据权利要求2所述的X射线聚焦光学聚焦性能测量装置，其特征在于：所述探测器切换机构的后端面中部设置有转轴，驱动方式为电动或手动方式。

4.根据权利要求2所述的X射线聚焦光学聚焦性能测量装置，其特征在于：所述探测器切换机构设置有光轴对准标记，该光轴对准标记与探测器中心的距离和与探测器切换机构中心的距离相等。

5.根据权利要求1所述的X射线聚焦光学聚焦性能测量装置，其特征在于：所述真空管道的中心轴即作为光轴。

6.根据权利要求1所述的X射线聚焦光学聚焦性能测量装置，其特征在于：所述X射线源采用X射线管或激光等离子体光源。

7.根据权利要求1所述的X射线聚焦光学聚焦性能测量装置，其特征在于：所述X射线成像探测器为基于MCP的探测器，包括微通道板、荧光屏、光学成像系统以及CCD或CMOS相机；荧光屏位于微通道板的输出端，距离微通道板输出端0.5～2mm，采用近贴聚焦方式；微通道板通过单块或者是多块级联方式实现对X射线光子的探测和倍增，所述多块级联采取两块“V”形级联或三块“Z”性级联结构。

8.根据权利要求7所述的X射线聚焦光学聚焦性能测量装置，其特征在于：所述X射线成像探测器中的光学成像系统采用广角镜头或者标准镜头，或者采用光锥将荧光屏图像直接与CCD或CMOS进行耦合。

9.根据权利要求7所述的X射线聚焦光学聚焦性能测量装置，其特征在于：所述X射线成像探测器中微通道板施加有工作电压；荧光屏和微通道板输出端之间也施加有电压，用于对微通道板输出电子云团的加速，轰击荧光屏发光。

10.根据权利要求1所述的X射线聚焦光学聚焦性能测量装置，其特征在于：所述半导体探测器采用高时间分辨和高能量分辨探测器，具体为硅漂移探测器或者硅PIN探测器。