CN111157108B - 一种空间x射线光度计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空间X射线光度计，其中入光口光阑位于锥形X射线掠入射光学系统的入射侧；重金属中心遮挡板位于入光口光阑的中心，且入光口光阑上设有入光口薄膜滤光片；滤光轮位于锥形X射线掠入射光学系统的出射侧，且滤光轮上设有若干个不同工作波段的出射薄膜滤光片；光电二极管探测器接收经过出射薄膜滤光片滤光后的X射线辐射，并对X射线辐射进行光电转化后输出电信号至电信号采集系统。本发明利用锥形X射线掠入射光学系统滤掉高能部分X射线辐射，同时利用薄膜滤光片滤掉低能部分X射线辐射，实现了对X射线波段辐射绝对辐射亮度的高精度测量，并且本发明的空间X射线光度计具有体积小、重量轻、可靠性高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及X射线光学技术领域，特别是涉及一种空间X射线光度计。
背景技术
在X射线光学领域，尤其是在空间X射线监测时，需要对X射线源产生绝对辐射强度做准确的定量化探测。通常在空间环境中，没有大气、臭氧层的存在，各种波段的光辐射和不同能量的粒子辐射均可以照射到光学系统中。由于X射线具有能量大、波长短、容易穿透物质等特点，使得在X射线波段没有可用的带通高抑制比的滤光片，无法实现对特定波段范围内X射线辐射强度的高精度定量测量。为此，需要设计一种适合空间应用的小型、高可靠性X射线光度计。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术中缺少适合空间应用的小型、高可靠性X射线光度计，无法实现对特定波段范围内X射线辐射强度的高精度定量测量的问题，提供一种空间X射线光度计。
为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：
一种空间X射线光度计，包括入光口光阑、重金属中心遮挡板、锥形X射线掠入射光学系统、滤光轮和光电二极管探测器，所述光电二极管探测器与电信号采集系统连接；
所述入光口光阑位于所述锥形X射线掠入射光学系统的入射侧，且所述入光口光阑的中心与所述锥形X射线掠入射光学系统的光轴重合；所述锥形X射线掠入射光学系统(3)包括四片超光滑平板玻璃(6)，所述超光滑平板玻璃(6)采用火抛光工艺制备而成，其表面粗糙度优于1nm；
所述重金属中心遮挡板位于所述入光口光阑的中心，且所述入光口光阑上设有入光口薄膜滤光片；
所述滤光轮位于所述锥形X射线掠入射光学系统的出射侧，且所述滤光轮上设有若干个不同工作波段的出射薄膜滤光片；所述滤光轮上第一个通道的出射薄膜滤光片由Ti、Al和Polyi三层薄膜组成，其中Ti薄膜的厚度为100nm，Al薄膜的厚度为100nm，Polyi薄膜的厚度为250nm；所述滤光轮上第二个通道的出射薄膜滤光片由Ti、Al和Polyi三层薄膜组成，其中Ti薄膜的厚度为100nm，Al薄膜的厚度为160nm，Polyi薄膜的厚度为450nm；所述滤光轮上第三个通道的出射薄膜滤光片由Ti、Al和Polyi三层薄膜组成，其中Ti薄膜的厚度为120nm，Al薄膜的厚度为280nm，Polyi薄膜的厚度为800nm；所述滤光轮上第四个通道至第六个通道的出射薄膜滤光片分别为12.5μm的Be薄膜、厚度为12.5μm的Al薄膜和厚度为80μm的Be薄膜；
所述光电二极管探测器的表面镀制有探测器薄膜滤光片，且所述光电二极管探测器接收经过所述出射薄膜滤光片滤光后的X射线辐射，并对所述X射线辐射进行光电转化后输出电信号至所述电信号采集系统，所述电信号采集系统根据所述电信号输出待测X射线目标的绝对辐射亮度值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用锥形X射线掠入射光学系统滤掉高能部分X射线辐射，同时利用薄膜滤光片(入光口薄膜滤光片、出射薄膜滤光片和探测器薄膜滤光片)滤掉低能部分辐射(如长波方向的X射线、极紫外、紫外和可见红外部分辐射)，两者配合实现对特定能量范围的X射线辐射分光，再利用高精度光电二极管探测器测量X射线光电信号，实现对空间待测X射线目标的辐射亮度的高响应测量。本发明有效的解决了在空间无法实现在X射线特定能量范围的带通滤光片的技术难题，弥补了现有技术在空间X射线波段无高带通抑制比的光度计的空白，实现了对X射线波段辐射绝对辐射亮度的高精度测量，并且本发明的空间X射线光度计具有体积小、重量轻、可靠性高的特点，可用于空间X射线目标的高精度定量探测，也可广泛应用到空间X射线载荷的在轨定标。
附图说明
图1为本发明一种空间X射线光度计的结构示意图；
图2为锥形X射线掠入射光学系统的反射率分布图；
图3为不同材料和厚度的薄膜滤光片的透过率分布图；
图4为图3所示不同材料和厚度的薄膜滤光片对应的空间X射线光度计通道的响应分布图。
具体实施方式
本发明所提出的空间X射线光度计利用X射线掠入射光学系统滤掉高能辐射，同时利用薄膜滤光片滤掉低能部分辐射，从而获得特定能量范围的X射线辐射。下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
在其中一个实施例中，如图1-2所示，本发明公开一种空间X射线光度计，该光度计包括入光口光阑1、重金属中心遮挡板2、锥形X射线掠入射光学系统3、滤光轮4和光电二极管探测器5，其中光电二极管探测器5与电信号采集系统连接。本实施例中的锥形X射线掠入射光学系统3用于滤掉来自目标或者宇宙背景的高能X射线部分辐射，优选地，锥形X射线掠入射光学系统3包括四片超光滑平板玻璃6，四片超光滑平板玻璃6采用工业领域使用的火抛光工艺制备而成，其表面粗糙度优于1nm。本领域技术人员可以基于实际工作波段和探测信噪比要求，确定高能截止波长和聚光面积，从而设计并确定锥形X射线掠入射光学系统3的X射线掠入射反射镜的几何尺寸、掠入射角度及集成方式等。图2所示为锥形X射线掠入射光学系统3的反射率分布图，图中横坐标为波长(nm)，纵坐标为反射率。
具体地，入光口光阑1作为光度计的入光口位于锥形X射线掠入射光学系统3的入射侧，并且入光口光阑1的中心与锥形X射线掠入射光学系统3的光轴重合，待测X射线目标通过入光口光阑1和重金属中心遮挡板2入射进入锥形X射线掠入射光学系统3。
重金属中心遮挡板2位于入光口光阑1的中心，并且入光口光阑1上设有入光口薄膜滤光片，入光口薄膜滤光片能够初步滤除工作波段外的光信号，同时起到降低系统内部温度的温控作用。本领域技术人员基于整个空间X射线光度计工作波段对长波方向的截止要求，可以选择适当的材料和厚度组合成入光口薄膜滤光片。
重金属中心遮挡板2采用高原子序数的高密度的重金属材料，例如乌铜合金(90W10Cu)等，能够滤除不经过锥形X射线掠入射光学系统3反射的直射高能辐射。重金属中心遮挡板2应具有合适的厚度，优选地，重金属中心遮挡板2的厚度大于3mm，以保证阻挡绝大部分的高能粒子辐射。
滤光轮4位于锥形X射线掠入射光学系统3的出射侧，并且滤光轮4上设有若干个不同工作波段的出射薄膜滤光片。多个不同工作波段的出射薄膜滤光片安装在滤光轮4上，通过切换出射薄膜滤光片可实现不同波长范围的待测X射线目标的光辐射测量。本领域技术人员可以基于空间X射线光度计各个通道工作波段长波方向的截止要求，设计不同材料和厚度的出射薄膜滤光片，这些出射薄膜滤光片均安装于滤光轮4上。
经过入光口薄膜滤光片、锥形X射线掠入射光学系统3以及出射薄膜滤光片后的特定波长范围的X射线辐射照射到高灵敏度、高稳定性的光电二极管探测器5上，探测器响应并输出电信号，并由后续电信号采集系统采集，亦即光电二极管探测器5接收经过出射薄膜滤光片滤光后的X射线辐射，并对X射线辐射进行光电转化后输出电信号至电信号采集系统，电信号采集系统根据电信号输出待测X射线目标的绝对辐射亮度值。光电二极管探测器5的表面设有探测器薄膜滤光片，探测器薄膜滤光片在光电二极管探测器5的表面镀制而成，一方面，探测器薄膜滤光片可以进一步滤除目标波段外的极紫外、远紫外、紫外、可见光及红外辐射，另一方面，探测器薄膜滤光片也可起到前面入光口薄膜滤光片和出射薄膜滤光片的备份作用，即便前面的入光口薄膜滤光片和出射薄膜滤光片漏光，光度计也仍能正常工作。为保证空间X射线光度计的测量精度，本实施例中的光电二极管探测器5选用在要求的工作波段具有较高的灵敏度的光电二极管。
待测X射线目标经过入光口薄膜滤光片、重金属中心遮挡板2、锥形X射线掠入射光学系统3、出射薄膜滤光片后，只有特定能量范围的X射线辐射到达光电二极管探测器5上，光电二极管探测器5对特定能量范围的X射线辐射进行光电转化获得具有特定比例关系的光电流，通过后续电信号采集系统采集，可以测量出待测X射线目标的光辐射量。在地面使用同步辐射光源或者标准传递探测器标定该X射线光度计的绝对辐射亮度响应后，即可采用该光度计测量待测X射线目标的绝对辐射亮度，实现目标绝对辐射的高精度定量测量。
本实施例所提出的空间X射线光度计利用锥形X射线掠入射光学系统滤掉高能部分X射线辐射，同时利用薄膜滤光片(入光口薄膜滤光片、出射薄膜滤光片和探测器薄膜滤光片)滤掉低能部分辐射(如长波方向的X射线、极紫外、紫外和可见红外部分辐射)，两者配合实现对特定能量范围的X射线辐射分光，再利用高精度光电二极管探测器测量X射线光电信号，实现对空间待测X射线目标的辐射亮度的高响应测量。本实施例所提出的空间X射线光度计有效的解决了在空间无法实现在X射线特定能量范围的带通滤光片的技术难题，弥补了现有技术在空间X射线波段无高带通抑制比的光度计的空白，实现了对X射线波段辐射绝对辐射亮度的高精度测量，并且该空间X射线光度计具有体积小、重量轻、可靠性高的特点，可用于空间X射线目标的高精度定量探测，也可广泛应用到空间X射线载荷的在轨定标。
作为一种具体的实施方式，入光口薄膜滤光片、出射薄膜滤光片和探测器薄膜滤光片均由一层或多层不同厚度的、不同材质的薄膜组成，薄膜的材质可以选用Al、Ti、C或者Be中的任意一种或者任意几种的组合。
进一步地，滤光轮4上第一个通道的出射薄膜滤光片由Ti、Al和Polyi三层薄膜组成，其中Ti薄膜的厚度为100nm，Al薄膜的厚度为100nm，Polyi薄膜的厚度为250nm。
滤光轮4上第二个通道的出射薄膜滤光片由Ti、Al和Polyi三层薄膜组成，其中Ti薄膜的厚度为100nm，Al薄膜的厚度为160nm，Polyi薄膜的厚度为450nm。
滤光轮4上第三个通道的出射薄膜滤光片由Ti、Al和Polyi三层薄膜组成，其中Ti薄膜的厚度为120nm，Al薄膜的厚度为280nm，Polyi薄膜的厚度为800nm。
滤光轮4上第四个通道的出射薄膜滤光片为厚度为12.5μm的Be薄膜。
滤光轮4上第五个通道的出射薄膜滤光片为厚度为12.5μm的Al薄膜。
滤光轮4上第六个通道的出射薄膜滤光片为厚度为80μm的Be薄膜。
图3为不同材料和厚度的薄膜滤光片的透过率分布图，横坐标为波长(nm)，纵坐标为透过率(％)，图中：曲线1代表Ti/Al/Polyi薄膜滤光片的透过率曲线，其中Ti薄膜的厚度为100nm，Al薄膜的厚度为100nm，Polyi薄膜的厚度为250nm；曲线2代表Ti/Al/Polyi薄膜滤光片的透过率曲线，其中Ti薄膜的厚度为100nm，Al薄膜的厚度为160nm，Polyi薄膜的厚度为450nm；曲线3代表Ti/Al/Polyi薄膜滤光片的透过率曲线，其中Ti薄膜的厚度为120nm，Al薄膜的厚度为280nm，Polyi薄膜的厚度为800nm；曲线4代表Be薄膜滤光片的透过率曲线，其厚度为12.5μm；曲线5代表Al薄膜滤光片的透过率曲线，其厚度为12.5μm；曲线6代表Be薄膜滤光片的透过率曲线，其厚度为80μm。
图4为图3所示不同材料和厚度的薄膜滤光片对应的空间X射线光度计通道的响应分布图，由图3和图4对比分析可知，入光口薄膜滤光片、出射薄膜滤光片和探测器薄膜滤光片通过选用不同材料和厚度的薄膜组合，可以使得空间X射线光度计能够以窄带带通的形式工作于不同的特定波长范围，表明本发明所提出的空间X射线光度计具有较好的适应性，同时具有较强的实用性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种空间X射线光度计，其特征在于，包括入光口光阑(1)、重金属中心遮挡板(2)、锥形X射线掠入射光学系统(3)、滤光轮(4)和光电二极管探测器(5)，所述光电二极管探测器(5)与电信号采集系统连接；
所述入光口光阑(1)位于所述锥形X射线掠入射光学系统(3)的入射侧，且所述入光口光阑(1)的中心与所述锥形X射线掠入射光学系统(3)的光轴重合；所述锥形X射线掠入射光学系统(3)包括四片超光滑平板玻璃(6)，所述超光滑平板玻璃(6)采用火抛光工艺制备而成，其表面粗糙度优于1nm；
所述重金属中心遮挡板(2)位于所述入光口光阑(1)的中心，且所述入光口光阑(1)上设有入光口薄膜滤光片；
所述滤光轮(4)位于所述锥形X射线掠入射光学系统(3)的出射侧，且所述滤光轮(4)上设有若干个不同工作波段的出射薄膜滤光片；所述滤光轮(4)上第一个通道的出射薄膜滤光片由Ti、Al和Polyi三层薄膜组成，其中Ti薄膜的厚度为100nm，Al薄膜的厚度为100nm，Polyi薄膜的厚度为250nm；所述滤光轮(4)上第二个通道的出射薄膜滤光片由Ti、Al和Polyi三层薄膜组成，其中Ti薄膜的厚度为100nm，Al薄膜的厚度为160nm，Polyi薄膜的厚度为450nm；所述滤光轮(4)上第三个通道的出射薄膜滤光片由Ti、Al和Polyi三层薄膜组成，其中Ti薄膜的厚度为120nm，Al薄膜的厚度为280nm，Polyi薄膜的厚度为800nm；所述滤光轮(4)上第四个通道至第六个通道的出射薄膜滤光片分别为12.5μm的Be薄膜、厚度为12.5μm的Al薄膜和厚度为80μm的Be薄膜；
所述光电二极管探测器(5)的表面镀制有探测器薄膜滤光片，且所述光电二极管探测器(5)接收经过所述出射薄膜滤光片滤光后的X射线辐射，并对所述X射线辐射进行光电转化后输出电信号至所述电信号采集系统，所述电信号采集系统根据所述电信号输出待测X射线目标的绝对辐射亮度值。
2.根据权利要求1所述的空间X射线光度计，其特征在于，
所述重金属中心遮挡板(2)的厚度大于3mm。
3.根据权利要求1或2所述的空间X射线光度计，其特征在于，
所述重金属中心遮挡板(2)的材质为乌铜合金。
4.根据权利要求1或2所述的空间X射线光度计，其特征在于，
所述入光口薄膜滤光片、所述出射薄膜滤光片和所述探测器薄膜滤光片的材质为Al、Ti、C或者Be中的任意一种或者任意几种的组合。
5.根据权利要求1或2所述的空间X射线光度计，其特征在于，
所述入光口薄膜滤光片、所述出射薄膜滤光片和所述探测器薄膜滤光片均由一层或者多层薄膜组成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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