CN110504147A - 一种用于空间x射线通信基于能量负载信号的x射线源 - Google Patents

Abstract

一种用于空间X射线通信基于能量负载信号的X射线源，其阴极组件包括电子发射源、供电杆、供电杆绝缘陶瓷、阴极盖、阴极筒，聚焦极组件包括聚焦极膜片和聚焦极筒，阳极组件包括阳极膜片和阳极筒，并通过阳极筒与多靶材透射窗组件连接，电场调制组件包括多瓣电极和电极支架，多靶材透射窗组件包括金属靶材、透射窗、靶焊接环。本发明利用快速响应的高频脉冲调制电场调制组件，产生调制电场，改变电子运动轨迹，轰击多靶材透射窗组件上的不同金属靶材，产生不同能量的特征X射线。以多种能量的特征X射线为码元，从而实现基于能量负载信号的快速X射线空间通信。本发明调制速度快、可加载码元多、信噪比高、误码率低、通信速度快。

Description

一种用于空间X射线通信基于能量负载信号的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射线通信基于能量负载信号的X射线源。

背景技术

X射线空间通信是一种以X射线光子作为载波信号实现信息传输的通信方式。在大气压强小于10^-4Pa的真空环境下，X射线透过率几乎为100％。且X射线具有频率高、能量高、波长短的特点。利用X射线的这些性质，将它应用于空间通信，能为未来的空间通信系统提供丰富的信道资源，能在复杂环境如强电磁屏蔽环境下进行通信，能有效缩小通信设备装置尺寸降低飞行器载荷。在目前提出的X射线通信方案中，美国天文物理学家KeithGendreau博士首次提出利用X射线实现空间卫星和飞行器之间的通讯，他将信号加载在紫外LED上，产生的调制紫外光照射光阴极，产生光电子，光电子经过光电倍增管后轰击阳极靶材产生X射线信号。接收端将调制的的X射线转换为调制的电信号，实现信息的传递。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出射，从而控制有无X射线产生。

上述方案中，都是通过X射线信号的有/无来实现数字信号“0”“1”的传输，在信号接收端，探测器能量响应范围内的所有X射线都将被认为是有效信号，这在真实的空间环境中易受宇宙射线及背景X射线的影响，导致信噪比降低，通信性能下。而且在工作中会有较多电子打在栅极上，这将导致在栅极产生热量，增加对散热方面进行设计难度。专利（申请号201810193985.2）提出了一种用于空间X射线通信的磁场调制X射线源，使用磁场控制X射线源产生不同特征X射线出射，而在该方案中，要使电子束产生较大偏转，需要较大的磁场以及较大电流来产生磁场，方案中采用了铁氧体磁芯，在高频情况下感抗增大会影响偏转性能，无法实现快速调制。

综上，需要克服以上不足，设计一种高信噪比、快调制速度、多码元、低功耗的X射线源，为X射线空间通信的实际应用有十分重要的意义。

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射线通信基于能量负载信号的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射线通信基于能量负载信号的X射线源，其特征在于，包括：阴极组件、聚焦极组件、阳极组件、电场调制组件和多靶材透射窗组件；所述阴极组件用于发射电子束，发射的电子束经过聚焦极组件聚焦后进入阳极组件，所述阳极组件中安装有电场调制组件，阳极组件后端安装有多靶材透射窗组件，所述电场调制组件产生调制电场，用于改变电子束的运动轨迹，使电子束轰击多靶材透射窗组件中不同的金属靶材，从而产生不同能量的特征X射线，多种能量的特征X射线作为码元出射，实现基于能量负载信号的X射线空间通信。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述阴极组件包括供电杆、供电杆绝缘陶瓷、阴极盖、电子发射源和阴极筒；所述阴极筒安装在第一真空陶瓷筒中，所述阴极盖同轴焊接在阴极筒前端，所述供电杆垂直穿过阴极盖，用于给位于其端部的电子发射源供电，供电杆外包裹有供电杆绝缘陶瓷，所述电子发射源电位悬浮在阴极筒上，电子发射源产生的电子束经过阴极筒前端开设的通孔后进入聚焦极组件。

进一步地，所述聚焦极组件安装在阴极组件后端，聚焦极组件包括聚焦极膜片和聚焦极筒；所述聚焦极筒安装在第二真空陶瓷筒中，所述聚焦极膜片同轴焊接在聚焦极筒前端，电子束经过聚焦极膜片中开设的通孔后进入阳极组件。

进一步地，所述阳极组件包括阳极膜片、第一阳极筒和第二阳极筒；所述阳极膜片焊接在第一阳极筒前端，所述第一阳极筒中安装有电场调制组件，所述第二阳极筒安装在第一阳极筒后端，第二阳极筒后端安装有多靶材透射窗组件，电子束经过阳极膜片中开设的通孔后依次进入第一阳极筒和第二阳极筒。

进一步地，所述电场调制组件包括前陶瓷垫、电极支架、多瓣电极、电极绝缘陶瓷、电极杆和后陶瓷垫；所述电极支架安装在第一阳极筒中，电极支架的前后两端分别同轴设置有前陶瓷垫和后陶瓷垫，所述前陶瓷垫、电极支架和后陶瓷垫的中部均开设有供电子束穿过的圆形通孔，电极支架的通孔内壁沿圆周均匀设置有多条前后向的槽；所述多瓣电极由多个条状的偏转电极组成，多个偏转电极均匀安装在各槽中且彼此通过真空或者绝缘材料隔离，所述偏转电极的前后两端均设有弯折，前端的弯折卡接在电极支架的前端面上，后端的弯折通过螺丝固定在电极支架的后端面上；围绕着多瓣电极设置有多根电极杆，各电极杆与各偏转电极一一对应，用于将脉冲调制电平输入到对应的偏转电极，所述电极杆外包裹有电极绝缘陶瓷。

进一步地，所述多瓣电极中，各偏转电极的内壁均呈圆弧形，圆弧的圆心位于电极支架通孔的中心轴上，使得当某个偏转电极输入高频电压方波脉冲而其他偏转电极保持在零电位时，电子束在偏转控制区域轴向聚焦径向偏转。

进一步地，所述多靶材透射窗组件包括束流挡板、多靶材透射窗和焊接环；所述束流挡板、多靶材透射窗和焊接环依次同轴焊接在第二阳极筒后端，多靶材透射窗的前端面围绕轴心分为多个区，每个区设有一种金属靶材，束流挡板围绕轴心开设有多个空洞，各空洞与各金属靶材一一对应，所述焊接环与多靶材透射窗密封焊接，用于出射金属靶材产生的特征X射线。

进一步地，所述偏转电极与金属靶材数量相同且一一对应，电子束沿着施加电压脉冲的偏转电极所产生的偏转方向去轰击对应的金属靶材，每种金属靶材产生的特征X射线对应于一种码元。

进一步地，所述多靶材透射窗中各金属靶材根据偏转电极的数量和电子焦斑大小选用多个靶材，材料包括铜、铑、铬、钨、银、钛、铁、钼、镍、金、铅等。

进一步地，所述阴极筒、聚焦极筒、第一阳极筒和第二阳极筒的内径均为30～50mm，阴极筒前端开设的通孔孔径为5～10mm，用于第一次聚焦电子束以及引出电子束，聚焦极膜片中开设的通孔孔径为5～15mm，用于第二次聚焦电子束，阳极膜片中开设的通孔孔径为1～5mm，用于最后一次聚焦、输运电子束和隔离阳极膜片两边电场，电极支架中开设的通孔孔径为3～30mm，用于电子束偏转和轴向聚焦。

本发明的有益效果是：

1、通信速度快。本发明利用高频易调制、低功率的电场控制电子在X射线管中的运动轨迹，轰击不同的金属靶材。电场调制速度快于磁场调制等方式，而且根据金属靶材的数量进行编码，增大码元数量，不限于0和1两种编码，增加通信速度；

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，受背景噪声影响小，通信误码率低。

附图说明

图1是本发明X射线源内部的整体结构示意图。

图2是本发明X射线源外部整体结构示意图。

图3是本发明电场调制组件的结构示意图。

图4是本发明电场调制组件中截面电场示意图。

图5a、5b是本发明X射线源中电子在偏转电场作用下轨迹示意图。

图6是本发明电子打靶焦点图。

图7是本发明多靶材透射窗结构的结构示意图。

图8是本发明X射线源电场调制组件分解图。

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用于空间X射线通信基于能量负载信号的X射线源，包括：阴极组件（供电杆1、供电杆绝缘陶瓷2、阴极盖3、电子发射源4、阴极筒5），聚焦极组件（聚焦极膜片7、聚焦极筒8），阳极组件（阳极膜片10、第一阳极筒11和第二阳极筒18）、电场调制组件（前陶瓷垫12、电极支架13、多瓣电极14、电极绝缘陶瓷15、电极杆16、后陶瓷垫17），多靶材透射窗组件（束流挡板19、多靶材透射窗20、焊接环21），第一真空陶瓷筒6和第二真空陶瓷筒9。电子发射源4安装在供电杆1一端，阴极盖3、阴极筒5轴对称焊接，聚焦极膜片7、聚焦极筒8轴对称焊接，阳极膜片10、阳极筒11轴对称焊接，束流挡板19、透射窗20、靶焊接环21轴对称焊接，阴极组件、聚焦极组件、阳极组件、多靶材透射窗组件通过真空陶瓷筒和阳极筒轴对称焊接。多瓣电极14包括多个偏转电极23，每个偏转电极23通过一个螺丝安装在电极支架13的槽内，并且与前陶瓷垫12、后陶瓷垫17一起挤压安装在第一阳极筒11内。

阴极筒5、聚焦极筒8、第一阳极筒11和第二阳极筒18内径为30～50mm，阴极筒5前端孔径为5～10mm，用于第一次聚焦电子束以及引出电子束，聚焦极膜片7孔直径为5～15mm，用于第二次聚焦电子束，阳极膜片10孔直径为1～5mm，用于最后一次聚焦、输运电子束和隔离阳极膜片10两边电场，电场调制组件内直径3～30mm，便于电子束偏转和横向聚焦，多靶材透射窗20与靶焊接环21密封焊接，用于出射X射线。

如图2所示，本实施例中X射线源整体形状近似为圆柱体形，长约25cm，直径约5cm。

如图3所示，电场调制组件包括前陶瓷垫12、电极支架13、多瓣电极14、电极绝缘陶瓷15、电极杆16、后陶瓷垫17以及高频电源调制模块，通过电极杆16将脉冲调制电平输入到各电极。电极支架13材料使用绝缘体或表面使用绝缘材料，多瓣电极14固定在电极支架13内壁，多瓣电极14采用4块偏转电极23，均匀分布在内壁并且彼此通过真空或一定的绝缘材料隔离，各自之间呈90°布置。多瓣电极14中偏转电极23数量小于等于金属靶材24数量，该实施例中是相等的数量。

如图4所示，多瓣电极14内壁为圆弧形，某一个偏转电极23输入电压脉冲后，在电场调制组件中产生的横向电场对电子的作用力指向中心，径向电场对电子的作用力沿径向方向，从而使电子束轴向聚焦径向偏转。

如图5a、5b所示，多瓣电极中14的某一个偏转电极23输入电压脉冲后，在电场调制组件中产生径向电场，电子将沿着电极的径向方向对电子产生库伦引力。于是，电子束将沿着所加电压脉冲的电极方向偏转，并且在垂直于库伦引力方向聚焦。电子偏转距离随着偏转电极上加载的电压的增高、电极长度的增大、电极与电子束的距离减小而增大。其中，阴极组件（不包括电子发射源）、聚焦极组件、阳极组件、多靶材透射窗组件电位分别为-20～-50kV、-10～-49kV、0V、0V。

如图5，6所示，电子在偏转电场作用下，轰击多靶材透射窗20上的金属靶材24，根据图5可知，电子在相应靶材位置上发生了一定程度的偏转，在靶上得到焦点如图6所示，由此设计对应的靶材分布，如图7所示，金属靶材24外是Be窗25。

如图8为电场调制组件安装示意图，其中前陶瓷垫12、电极支架13、多瓣电极14、电极绝缘陶瓷15、电极杆16、后陶瓷垫17按顺序装入第一阳极筒11中，每个偏转电极23使用一个螺丝安装在电极支架13上。第一阳极筒11安装后，将电场调制组件中各个组件挤压固定在第一阳极筒11内。

多靶材透射窗20靶面根据电场调制组件的电极数和电子焦斑大小选用4种靶材，材料为铜、铑、铬、钼，根据需要厚度为0.1～20um，固定在透射窗朝向X光管内部一侧。透射窗材料为铍、铝等。透射窗面分多个区，每个区存在一种材料。电子轰击某一个透射窗区域产生不同能量的X射线。将其用于空间X射线通信基于能量负载信号的通信方式，使用220V调制电源模块，将所需传输的信息根据靶材数目（当前实施例为4种靶材）以4进制方式编码，数字码元分别为“0”、“1”、“2”、“3”，分别由4种金属靶材对应的特征X射线负载，从而实现信息的编码调制。

相比于当前X射线通信系统大多采用强度调制方式，通过控制有/无X射线产生，仅加载“0”，“1”两种码元，选用4靶材时能加载“0”、“1”、“2”、“3”这4种码元，且不易受背景噪声的干扰，从而提升了通信速率，降低了通信误码率。控制电子偏转方式旋转采用高频电压脉冲，调制速度远优于磁场调制方式。

需要注意的是，对于多靶透射窗结构不限于举例中的镀靶方案。根据电场调制偏转装置中电极结构、电极加载电压大小，可以在透射窗上增加靶材数量，如8种、16种等，同时调整相应的偏转电极数量。具体根据X射线源实际靶材数目N，将传输信息编码为N进制数字码元，分别为“0”，“1”，……“N-1”，电子束沿着所加电压脉冲的电极方向偏转轰击对应的金属靶材，利用其特征X射线光子作为载波信号实现快速、多码元信息传输。并且，对于金属靶材在透射窗上的固定不限于PVD、CVD等方法，其他方法将靶材固定在透射窗上，采用本方法的多靶透射窗结构以及采用本思路的X射线管结构，仍视为本发明的保护范围。

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 (10)

1.一种用于空间X射线通信基于能量负载信号的X射线源，其特征在于，包括：阴极组件、聚焦极组件、阳极组件、电场调制组件和多靶材透射窗组件；所述阴极组件用于发射电子束，发射的电子束经过聚焦极组件聚焦后进入阳极组件，所述阳极组件中安装有电场调制组件，阳极组件后端安装有多靶材透射窗组件，所述电场调制组件产生调制电场，用于改变电子束的运动轨迹，使电子束轰击多靶材透射窗组件中不同的金属靶材，从而产生不同能量的特征X射线，多种能量的特征X射线作为码元出射，实现基于能量负载信号的X射线空间通信。

2.如权利要求1所述的一种用于空间X射线通信基于能量负载信号的X射线源，其特征在于：所述阴极组件包括供电杆（1）、供电杆绝缘陶瓷（2）、阴极盖（3）、电子发射源（4）和阴极筒（5）；所述阴极筒（5）安装在第一真空陶瓷筒（6）中，所述阴极盖（3）同轴焊接在阴极筒（5）前端，所述供电杆（1）垂直穿过阴极盖（3），用于给位于其端部的电子发射源（4）供电，供电杆（1）外包裹有供电杆绝缘陶瓷（2），所述电子发射源（4）电位悬浮在阴极筒（5）上，电子发射源（4）产生的电子束经过阴极筒（5）前端开设的通孔后进入聚焦极组件。

3.如权利要求2所述的一种用于空间X射线通信基于能量负载信号的X射线源，其特征在于：所述聚焦极组件安装在阴极组件后端，聚焦极组件包括聚焦极膜片（7）和聚焦极筒（8）；所述聚焦极筒（8）安装在第二真空陶瓷筒（9）中，所述聚焦极膜片（7）同轴焊接在聚焦极筒（8）前端，电子束经过聚焦极膜片（7）中开设的通孔后进入阳极组件。

4.如权利要求3所述的一种用于空间X射线通信基于能量负载信号的X射线源，其特征在于：所述阳极组件包括阳极膜片（10）、第一阳极筒（11）和第二阳极筒（18）；所述阳极膜片（10）焊接在第一阳极筒（11）前端，所述第一阳极筒（11）中安装有电场调制组件，所述第二阳极筒（18）安装在第一阳极筒（11）后端，第二阳极筒（18）后端安装有多靶材透射窗组件，电子束经过阳极膜片（10）中开设的通孔后依次进入第一阳极筒（11）和第二阳极筒（18）。

5.如权利要求4所述的一种用于空间X射线通信基于能量负载信号的X射线源，其特征在于：所述电场调制组件包括前陶瓷垫（12）、电极支架（13）、多瓣电极（14）、电极绝缘陶瓷（15）、电极杆（16）和后陶瓷垫（17）；所述电极支架（13）安装在第一阳极筒（11）中，电极支架（13）的前后两端分别同轴设置有前陶瓷垫（12）和后陶瓷垫（17），所述前陶瓷垫（12）、电极支架（13）和后陶瓷垫（17）的中部均开设有供电子束穿过的圆形通孔，电极支架（13）的通孔内壁沿圆周均匀设置有多条前后向的槽（22）；所述多瓣电极（14）由多个条状的偏转电极（23）组成，多个偏转电极（23）均匀安装在各槽（22）中且彼此通过真空或者绝缘材料隔离，所述偏转电极（23）的前后两端均设有弯折，前端的弯折卡接在电极支架（13）的前端面上，后端的弯折通过螺丝固定在电极支架（13）的后端面上；围绕着多瓣电极（14）设置有多根电极杆（16），各电极杆（16）与各偏转电极（23）一一对应，用于将脉冲调制电平输入到对应的偏转电极（23），所述电极杆（16）外包裹有电极绝缘陶瓷（15）。

6.如权利要求5所述的一种用于空间X射线通信基于能量负载信号的X射线源，其特征在于：所述多瓣电极（14）中，各偏转电极（23）的内壁均呈圆弧形，圆弧的圆心位于电极支架（13）通孔的中心轴上，使得当某个偏转电极（23）输入高频电压方波脉冲而其他偏转电极（23）保持在零电位时，电子束在偏转控制区域轴向聚焦径向偏转。

7.如权利要求5所述的一种用于空间X射线通信基于能量负载信号的X射线源，其特征在于：所述多靶材透射窗组件包括束流挡板（19）、多靶材透射窗（20）和焊接环（21）；所述束流挡板（19）、多靶材透射窗（20）和焊接环（21）依次同轴焊接在第二阳极筒（18）后端，多靶材透射窗（20）的前端面围绕轴心分为多个区，每个区设有一种金属靶材（24），束流挡板（19）围绕轴心开设有多个空洞，各空洞与各金属靶材（24）一一对应，所述焊接环（21）与多靶材透射窗（20）密封焊接，用于出射金属靶材（24）产生的特征X射线。

8.如权利要求7所述的一种用于空间X射线通信基于能量负载信号的X射线源，其特征在于：所述偏转电极（23）与金属靶材（24）数量相同且一一对应，电子束沿着施加电压脉冲的偏转电极（23）所产生的偏转方向去轰击对应的金属靶材（24），每种金属靶材（24）产生的特征X射线对应于一种码元。

9.如权利要求8所述的一种用于空间X射线通信基于能量负载信号的X射线源，其特征在于：所述多靶材透射窗（20）中各金属靶材（24）根据偏转电极（23）的数量和电子焦斑大小选用多个靶材，材料包括铜、铑、铬、钨、银、钛、铁、钼、镍、金、铅。

10.如权利要求5所述的一种用于空间X射线通信基于能量负载信号的X射线源，其特征在于：所述阴极筒（5）、聚焦极筒（8）、第一阳极筒（11）和第二阳极筒（18）的内径均为30～50mm，阴极筒（5）前端开设的通孔孔径为5～10mm，用于第一次聚焦电子束以及引出电子束，聚焦极膜片（7）中开设的通孔孔径为5～15mm，用于第二次聚焦电子束，阳极膜片（10）中开设的通孔孔径为1～5mm，用于最后一次聚焦、输运电子束和隔离阳极膜片（10）两边电场，电极支架（13）中开设的通孔孔径为3～30mm，用于电子束偏转和轴向聚焦。