CN107703712A - 一种硬x射线条纹相机及其探测硬x射线能段的方法 - Google Patents

一种硬x射线条纹相机及其探测硬x射线能段的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种硬X射线条纹相机，包括条纹变像管、像增强器、记录介质组件、电控系统；电控系统内设有真空金属腔体，条纹变像管设置在该真空金属腔体内，像增强器与条纹变像管连接，记录介质组件设置在电控系统外，并与像增强器连接；条纹变像管包括具有入口狭缝和出口的管体，设置在管体内并由入口狭缝往出口的方向依次分布的探测光阴极、加速电极、聚焦电极和偏转系统；探测光阴极包括阴极基底，以及多个设置在阴极基底上并使阴极基底呈现出蜂窝状的阴极通道；阴极通道与阴极基底法线之间的夹角为0.1°‑15°，并且每个阴极通道内壁上均设有一层用于初级电子电离产生低能二级电子的碱金属镀层。通过上述方案，本发明实现了对10～300keV能段的硬X射线的探测。

Description

一种硬X射线条纹相机及其探测硬X射线能段的方法
技术领域
本发明涉及等离子体物理和核探测领域，具体涉及的是一种硬X射线条纹相机及其探测硬X射线能段的方法。
背景技术
条纹相机是测量超快物理过程的一种有效仪器，在激光惯性约束聚变等领域中不可或缺。
现有的用于探测X射线能段的条纹相机，大多由条纹变像管、像增强器、记录介质组件、用于提供电力和控制运行的电控制系统(包括高压供电模块、远程控制模块、延迟同步模块、扫描控制模块、工控模块、真空金属腔体)组成，其中，条纹变像管是条纹相机的核心部件，它一般由光阴极、加速电极、聚焦电极、偏转系统组成。条纹相机探测X射线能段的主要过程为：X射线脉冲进入条纹变像管后，由其内的光阴极转换为光电子束脉冲，然后出光阴极表面的次级电子束脉冲经过电场加速，由聚焦电极的聚焦在偏转系统的入口小孔处。在偏转系统的作用下，不同时间到达光阴极的脉冲在垂直于入口狭缝的方向上被偏转至空间的不同位置，其位置与原运动方向的垂直距离与电子脉冲到达偏转系统的时间呈一一对应关系，电子束脉冲经过偏转系统后由像增强器进行放大并转化为可见光信号并由记录介质组件记录。这样，光脉冲的时间分布信息就被转换为空间上一维的信息。
虽然可以实现X射线的探测，但是现有的条纹相机，其光阴极由于结构设计不合理，导致相机只能用于探测10keV以下的X射线，对于能段较高(例如10～300keV能段)的硬X射线，则不能进行探测。这就导致了现有的条纹相机难以很好地满足目前人们对X射线能段的探测需求。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种硬X射线条纹相机及其探测硬X射线能段的方法，可以探测10～300keV能段的X射线，满足实际的探测需求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种硬X射线条纹相机，包括条纹变像管、像增强器、记录介质组件、电控系统；所述电控系统内设有真空金属腔体，所述条纹变像管设置在该真空金属腔体内，用于将光脉冲转换为光电子束脉冲，所述像增强器与条纹变像管连接，用于将光电子束脉冲放大并转化为可见光信号，所述记录介质组件设置在电控系统外，并与像增强器连接，用于记录可见光信号；所述条纹变像管包括具有入口狭缝和出口的管体，设置在管体内并由入口狭缝往出口的方向依次分布的探测光阴极、加速电极、聚焦电极和偏转系统；所述探测光阴极包括用于在硬X射线光子照射下与其发生光电效应产生初级电子的阴极基底，以及多个设置在阴极基底上并使阴极基底呈现出蜂窝状的阴极通道；所述阴极通道与阴极基底法线之间的夹角为0.1°-15°，并且每个阴极通道内壁上均设有一层用于初级电子电离产生低能二级电子的碱金属镀层。
作为优选，所述记录介质组件为CCD。
作为优选，所述阴极基底的厚度为0.3-30mm。
作为优选，所述碱金属镀层为金属Na镀层或金属K镀层。
基于上述基础，本发明还提供了该条纹相机探测硬X射线能段的方法，包括以下步骤：
(1)通过外界脉冲高压电源在阴极基底上加载200V-2000V的工作电压；
(2)硬X射线脉冲通过入口狭缝进入至条纹变像管内，并照射阴极基底发生光电效应，产生初级电子；
(3)初级电子进入阴极通道，并电离阴极通道内壁上的碱金属镀层，产生低于50eV的低能二级电子；
(4)在200V-2000V的电压作用下，低能二级电子在阴极通道内产生雪崩放大，形成电子束；
(5)电子束进入加速电极内被加速，然后由聚焦电极聚焦在偏转系统入口处；
(6)偏转系统将聚焦的电子束偏转，然后由像增强器放大并转换为可见光信号；
(7)记录介质组件记录可见光信号，使光脉冲的时间分布信息被转换为空间上的一维信息。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过改变条纹变像管中的光阴极结构，采用阴极基底+蜂窝状阴极通道+内壁碱金属镀层的方式，当能段范围为10-300keV的硬X射线照射至阴极基底时，由于蜂窝状的阴极通道和阴极通道与阴极基底法线之间的夹角设计的关系，硬X射线与阴极基底充分发生光电效应，产生高能初级电子，高能初级电子穿越蜂窝状的相邻阴极通道之间的“墙壁厚度”到达各个阴极通道内，然后电离阴极通道内壁上的碱金属镀层，产生能量小于50eV的二级电子，所产生的二级电子在阴极通道内经过雪崩放大后传出，如此一来，由于二级电子主要在50eV以下，能散极小，且探测光阴极出射的脉冲电子束的脉冲也极小，因而更容易被加速、聚焦和偏转，从而由像增强器放大并转换为可见光信号后，利用记录介质组件记录可见光信号，便可使光脉冲的时间分布信息被转换为空间上的一维信息。如此便可实现对能段范围为10-300keV的硬X射线的探测。
(2)常规的光阴极，为了能将次级电子束有效拉出，光阴极不能做的很厚(通常也就在几十纳米到几百纳米之间)，如此所导致的结果是X射线难以充分发生光电效应，造成不能探测更高能段的X射线。本发明通过实现二级电子的雪崩放大，可以将二级电子束有效射出，其可根据实际需要设计阴极基底的厚度(0.3-30mm)，让二级电子在阴极通道内充分产生雪崩放大，然后射出。如此一来，结合蜂窝状的阴极通道+阴极通道与阴极基底法线之间的夹角的设计，硬X射线便可以与阴极基底充分发生光电效应，并充分产生能量小于50eV的低能二级电子。
(3)本发明中的探测光阴极由于可以实现电子的雪崩放大，因而具备了一定的放大功能，所以本发明的探测灵敏度也比现有的条纹相机探测灵敏度高。
(4)本发明设计合理、使用方便、性能优异，很好地突破了现有技术的限制，实现了创新，因而其适于推广应用。
附图说明
图1为本发明条纹相机的剖视图。
图2为本发明中条纹变像管的剖视图。
图3为本发明中探测光阴极的结构示意图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-电控系统，2-条纹变像管，3-入口狭缝，4-管体，5-探测光阴极，501-阴极基底，502-阴极通道，503-碱金属镀层，6-加速电极，7-聚焦电极，8-偏转系统，9-像增强器，10-记录介质组件。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图1～3所示，本发明提供了一种新型的条纹相机，可实现10～300keV能段的X射线的探测。本发明主要由电控系统1、条纹变像管2、像增强器9、记录介质组件10几大部分组成，其中，与现有技术一样，所述电控系统1内设有真空金属腔体，所述条纹变像管2和像增强器9均设置在该真空金属腔体内，用于将光脉冲转换为光电子束脉冲，所述像增强器9与条纹变像管2连接，用于将光电子束脉冲放大并转化为可见光信号，所述记录介质组件10设置在电控系统1外，并与像增强器9连接，用于记录可见光信号(记录介质组件可采用CCD)。
与现有技术相同，本发明的条纹变像管2包括具有入口狭缝3和出口的管体4，设置在管体4内并由入口狭缝往出口的方向依次分布的探测光阴极5、加速电极6、聚焦电极7和偏转系统8。而本发明的最大创新点在于，采用独立自主设计的探测光阴极，如图3所示。在条纹变像管中，所述的探测光阴极5包括用于在硬X射线光子照射下与其发生光电效应产生初级电子的阴极基底501(厚度0.3-30mm)，以及多个设置在阴极基底501上并使阴极基底呈现出蜂窝状的阴极通道502。每个阴极通道502内壁上均设有一层碱金属镀层503(金属Na镀层或金属K镀层)。
下面详细介绍本发明探测硬X射线能段的具体过程。
首先，通过外界脉冲高压电源在阴极基底上加载200V-2000V的工作电压。然后，硬X射线脉冲通过入口狭缝3进入至条纹变像管的管体4内，并照射阴极基底发生光电效应，产生初级电子。本发明中的阴极基底可以采用现有的常规阴极基底，也可以采用成份由Pb、Si和O元素这三种元素构成的阴极基底(其中铅元素的质量百分比不低于40％)，采用主要由Pb、Si和O元素这三种元素构成的阴极基底能够在接收到硬X射线照射时更好地产生高能初级电子。
产生初级电子后，初级电子进入阴极通道502内，电离阴极通道502内壁上的碱金属镀层503，产生能量小于50eV的低能二级电子，为了防止硬X射线光子没有与阴极基底501作用而直接从阴极通道502内穿出，本发明每个阴极通道与阴极基底501法线之间的夹角均为0.1°-15°，并且该夹角越小，入射的硬X射线的位置与雪崩电子输出的位置越一致。如此一来，当初级电子电离产生低能二级电子后，在200V-2000V的高压作用下产生雪崩放大，形成电子束。
电子束进入加速电极6内被加速，然后由聚焦电极7聚焦在偏转系统8入口处。在偏转系统8的偏转作用下(可以是电偏转，也可以是磁偏转)，不同时间到达光阴极的电子脉冲在垂直于入口狭缝3的方向上被偏转至管体内空间的不同位置，其位置与原运动方向的垂直距离与电子脉冲到达偏转系统8的时间呈一一对应关系，然后由像增强器9放大并转换为可见光信号。最后，由记录介质组件10记录可见光信号，使光脉冲的时间分布信息被转换为空间上的一维信息。
本发明通过合理的结构及流程设计，不仅打破了现有技术的限制，大幅提高了硬X射线的探测能段范围，而且由于电子束的能散小，所以本发明的时间分辨优于同样参数下的现有条纹相机(原因在于，不管采用电偏转还是磁偏转，不同能量的电子被偏转系统偏转的距离总是不同的，而根据条纹相机的原理，偏转的距离是电子到达偏转系统的时间不同造成的，这就使得同一时间到达偏转系统的电子束由于能散不同而影响时间分辨，本发明由于光探测阴极出射的脉冲电子束是经过雪崩放大后的电子束，相比传统光阴极发出的电子束为光电效应产生的光电子束来说，电子束脉冲更大，所以对时间分辨的影响要小得多)。可以说，本发明很好地满足了目前硬X射线探测的需求，符合科技发展的潮流，其相比现有技术来说，具有突出的实质性特点和显著的进步。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种硬X射线条纹相机，包括条纹变像管(2)、像增强器(9)、记录介质组件(10)、电控系统(1)；所述电控系统(1)内设有真空金属腔体，所述条纹变像管(2)设置在该真空金属腔体内，用于将光脉冲转换为光电子束脉冲，所述像增强器(9)与条纹变像管(2)连接，用于将光电子束脉冲放大并转化为可见光信号，所述记录介质组件(10)设置在电控系统(1)外，并与像增强器(9)连接，用于记录可见光信号；其特征在于，所述条纹变像管(2)包括具有入口狭缝(3)和出口的管体(4)，设置在管体(4)内并由入口狭缝往出口的方向依次分布的探测光阴极(5)、加速电极(6)、聚焦电极(7)和偏转系统(8)；所述探测光阴极(5)包括用于在硬X射线光子照射下与其发生光电效应产生初级电子的阴极基底(501)，以及多个设置在阴极基底(501)上并使阴极基底呈现出蜂窝状的阴极通道(502)；所述阴极通道(502)与阴极基底(501)法线之间的夹角为0.1°-15°，并且每个阴极通道(502)内壁上均设有一层用于初级电子电离产生低能二级电子的碱金属镀层(503)。
2.根据权利要求1所述的一种硬X射线条纹相机，其特征在于，所述记录介质组件(10)为CCD。
3.根据权利要求1或2所述的一种硬X射线条纹相机，其特征在于，所述阴极基底(501)的厚度为0.3-30mm。
4.根据权利要求3所述的一种硬X射线条纹相机，其特征在于，所述碱金属镀层(503)为金属Na镀层或金属K镀层。
5.一种硬X射线条纹相机探测硬X射线能段的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过外界脉冲高压电源在阴极基底上加载200V-2000V的工作电压；
(2)硬X射线脉冲通过入口狭缝进入至条纹变像管内，并照射阴极基底发生光电效应，产生初级电子；
(3)初级电子进入阴极通道，并电离阴极通道内壁上的碱金属镀层，产生低于50eV的低能二级电子；
(4)在200V-2000V的电压作用下，低能二级电子在阴极通道内产生雪崩放大，形成电子束；
(5)电子束进入加速电极内被加速，然后由聚焦电极聚焦在偏转系统入口处；
(6)偏转系统将聚焦的电子束偏转，然后由像增强器放大并转换为可见光信号；
(7)记录介质组件记录可见光信号，使光脉冲的时间分布信息被转换为空间上的一维信息。
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