CN108470668A - 一种用于空间x射线通信的磁场调制多靶材x射线源 - Google Patents

一种用于空间x射线通信的磁场调制多靶材x射线源 Download PDF

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Abstract

一种用于空间X射线通信的磁场调制多靶材X射线源，包括阴极结构、聚焦槽、电子发射源、玻璃外壳、可伐合金环、聚焦电极、调制电磁装置、多靶材金属阳极、透射窗。阴极端接负高压，电子发射源设置在聚焦槽中，玻璃外壳与聚焦电极通过可伐合金环密封连接，调制电磁装置设置在靠近多靶材金属阳极处，多靶材金属阳极接地，一侧正对聚焦通道，另一侧镀在透射窗口层上。本发明利用快速响应的高频调制磁场，改变电子运动轨迹轰击多靶材金属阳极，激发不同能量的特征X射线，以不同能量的特征X射线作为信号传输载体，解决了现有的强度调制X射线源技术加载码元信号少、通信速率低的问题，本发明具有加载码元种类多、通信速率大的优点。

Description

一种用于空间X射线通信的磁场调制多靶材X射线源
技术领域
本发明属于空间通信技术领域，具体涉及一种用于空间X射线通信的磁场调制多靶材X射线源。
背景技术
X射线通信是一种以X射线光子作为载波信号传输信息的通信方式，X射线光子能量大于10 keV (λ<0.1nm)，大气压强低于Pa时，X射线的透过率为100％，是一种理想的传输方式。它肇起于美国Keith Gendreau博士，他将通信信号加载在紫外LED上，产生的调制紫外光去打击一个光电阴极，通过光电效应产生电子，发射电子再经过一个电子倍增器放大后轰击阳极靶材产生X射线信号。接收端使用一个Si-PIN光电二极管将调制的的X射线转换为调制的电信号，再经滤波和解调获得信息实现信息的传输。他的这一方案已经在美国航空航天局的一个600米真空传输管道中得到了初步的通信验证，成为这一领域的一个范式。此外，中国科学院西安光学精密机械研究所赵宝升团队提出一种栅控X射线源，对栅极电压进行调制控制电子运动状态，从而控制有无X射线产生。
综上，可以看出以上所述调制X射线源都是利用产生/不产生X射线作为数字信号载波方式，加载码元数量限于“0”，“1”，很大程度上受限于X射线源功率。那么当X射线源功率一定时，设计一种能增大载波信号码元类别的X射线源就具有十分重要的意义。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种用于空间X射线通信的磁场调制多靶材X射线源。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于空间X射线通信的磁场调制多靶材X射线源，其特征在于，包括：玻璃外壳、阴极结构、聚焦槽、电子发射源、可伐合金环、聚焦电极、调制电磁装置、多靶材金属阳极和透射窗；所述玻璃外壳通过可伐合金环与聚焦电极的前端密封连接，所述阴极结构安装在玻璃外壳中，阴极结构与聚焦槽紧密连接，所述电子发射源安装在聚焦槽中；所述多靶材金属阳极安装在聚焦电极中，所述透射窗安装在聚焦电极的后端，多靶材金属阳极的前侧入射面正对着电子发射源，多靶材金属阳极的后侧出射面镀在透射窗上；所述调制电磁装置围绕设置在聚焦电极的外部，用于改变轰击多靶材金属阳极的高速运动电子的运动轨迹。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
所述阴极结构与聚焦槽接-20～-50kV负高压，玻璃壳体内径为30～32mm，外径34～36mm，聚焦电极表面接地，靠近阴极的前端的孔直径3～6mm，用于对电子束进行聚焦，靠近多靶材金属阳极的后端的内径为13～18mm，外径30～35mm。
所述调制电磁装置包括环形铁氧体磁芯和紫铜漆包线，所述环形铁氧体磁芯围绕聚焦电极设置，环形铁氧体磁芯在径向上均匀分布有多个分支，所述紫铜漆包线缠绕在分支上形成线圈。
所述调制电磁装置在输入高频调制电压时，在靠近多靶材金属阳极区域产生磁感应强度大小为0～10mT的正向或反向电磁场，高速运动电子在磁场区域受到洛伦兹力作用运动轨迹发生改变，轰击多靶材金属阳极。
所述多靶材金属阳极的靶面材料选择钛、铬、铁、铜、铑、银中的3～4种，多靶材金属阳极的靶面区域被划分为多个区域，每个区域只存在一种靶材，靶材厚度为2～6μm，透射窗采用0.1～0.5mm厚的铍Be窗口。
高速运动电子依调制信号轰击靶材相应区域产生X射线，以不同特征X射线作为数字信号码元载体出射。
本发明的有益效果是：
1、通信信息量大。本发明利用高频调制磁场控制电子在X射线光管中的运动轨迹，以轰击不同种类的金属阳极靶材，根据使用靶材的数量进行信号编码，不局限于“0”，“1”两种信号加载方式，增大了通信信息量；
2、通信误码率低。本发明以不同特征X射线做为信息载体，相比于对应能量的背景噪声，信号强度高，探测信噪比高，通信误码率低。
附图说明
图1是本发明X射线源的整体结构示意图。
图2是本发明产生不同特征X射线的原理示意图。
图3是本发明X射线电子偏转的示意图。
图4是本发明电磁调整装置的结构示意图。
图5是本发明多靶材金属阳极的结构示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示的用于空间X射线通信的磁场调制的X射线源，包括：玻璃外壳1、阴极结构2、聚焦槽3、电子发射源4、可伐合金环5、聚焦电极6、调制电磁装置7、多靶材金属阳极8、透射窗9。阴极结构2与聚焦槽3紧密连接，玻璃外壳1通过可伐合金环5与聚焦电极6密封连接，调制电磁装置7设置在聚焦电极6外部，并靠近多靶材金属阳极8，多靶材金属阳极8与聚焦电极6相连，正对电子发射源4，另一侧镀在透射窗9上。
其中，阴极结构2与聚焦槽3接-20～-50kV负高压，玻璃外壳1与聚焦电极6通过可伐合金环5密封连接，玻璃壳体1内径为30～32mm，外径34～36mm。聚焦电极6表面接地，靠近阴极一侧孔直径3～6mm，能对电子束进行聚焦，靠近多靶材金属阳极8一侧的内径为13～18mm，外径30～35mm，调制电磁装置7设置在聚焦电极6外部。
如图2所示，X射线源结构中，热阴极产生的电子经阴极与阳极高压电场加速，经聚焦槽及聚焦电极聚焦后向阳极金属靶运动，数字信号码元产生高频控制电平，使电磁装置产生相应磁感应强度的磁场，电子经过磁场区域受到洛伦兹力作用而发生偏转，轰击金属阳极靶相应位置，产生随高频信号而发生相应变化的特征X射线，以特征X射线作为码元加载信号经准直后出射。
如图3和图4所示，调制电磁装置7具有快速响应性能，在输入高频调制电压时在靠近多靶材金属阳极8区域产生磁感应强度大小为0～10mT的正向或反向电磁场，高速运动电子在磁场区域受到洛伦兹力作用运动轨迹发生改变，轰击多靶材金属阳极8。
如图5所示，多靶材金属阳极8靶面材料选择钛Ti、铬Cr、铁Fe、铜Cu、铑Rh、银Ag中的3种，对靶面区域进行合适划分，每个区域只存在一种靶材，厚度为2～6μm，出射面一侧镀在0.1～0.5mm厚的铍Be窗口层上。高速运动电子依调制信号轰击靶材相应区域产生X射线，以不同特征X射线作为数字信号码元载体出射。
相比于当前X射线通信系统大多采用强度调制方式，仅加载“0”，“1”两种码元，选用3种靶材时能加载“0”、“1”、“2”三种码元，从而提升了通信速率。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于空间X射线通信的磁场调制多靶材X射线源，其特征在于，包括：玻璃外壳（1）、阴极结构（2）、聚焦槽（3）、电子发射源（4）、可伐合金环（5）、聚焦电极（6）、调制电磁装置（7）、多靶材金属阳极（8）和透射窗（9）；所述玻璃外壳（1）通过可伐合金环（5）与聚焦电极（6）的前端密封连接，所述阴极结构（2）安装在玻璃外壳（1）中，阴极结构（2）与聚焦槽（3）紧密连接，所述电子发射源（4）安装在聚焦槽（3）中；所述多靶材金属阳极（8）安装在聚焦电极（6）中，所述透射窗（9）安装在聚焦电极（6）的后端，多靶材金属阳极（8）的前侧入射面正对着电子发射源（4），多靶材金属阳极（8）的后侧出射面镀在透射窗（9）上；所述调制电磁装置（7）围绕设置在聚焦电极（6）的外部，用于改变轰击多靶材金属阳极（8）的高速运动电子的运动轨迹。
2.如权利要求1所述的一种用于空间X射线通信的磁场调制多靶材X射线源，其特征在于：所述阴极结构（2）与聚焦槽（3）接-20～-50kV负高压，玻璃壳体（1）内径为30～32mm，外径34～36mm，聚焦电极（6）外表面接地，靠近阴极的前端的孔直径3～6mm，用于对电子束进行聚焦，靠近多靶材金属阳极（8）的后端的内径为13～18mm，外径30～35mm。
3.如权利要求1所述的一种用于空间X射线通信的磁场调制多靶材X射线源，其特征在于：所述调制电磁装置（7）包括环形铁氧体磁芯（10）和紫铜漆包线（11），所述环形铁氧体磁芯（10）围绕聚焦电极（6）设置，环形铁氧体磁芯（10）在径向上均匀分布有多个分支（12），所述紫铜漆包线（11）缠绕在分支（12）上形成线圈。
4.如权利要求3所述的一种用于空间X射线通信的磁场调制多靶材X射线源，其特征在于：所述调制电磁装置（7）在输入高频调制电压时，在靠近多靶材金属阳极（8）区域产生磁感应强度大小为0～10mT的正向或反向电磁场，高速运动电子在磁场区域受到洛伦兹力作用运动轨迹发生改变，轰击多靶材金属阳极（8）。
5.如权利要求4所述的一种用于空间X射线通信的磁场调制多靶材X射线源，其特征在于：所述多靶材金属阳极（8）的靶面材料选择钛、铬、铁、铜、铑、银中的3～4种，多靶材金属阳极（8）的靶面区域被划分为多个区域，每个区域只存在一种靶材，靶材厚度为2～6μm，透射窗（9）采用0.1～0.5mm厚的铍Be窗口。
6.如权利要求5所述的一种用于空间X射线通信的磁场调制多靶材X射线源，其特征在于：高速运动电子依调制信号轰击靶材相应区域产生X射线，以不同特征X射线作为数字信号码元载体出射。
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