CN113433579B - 一种大灵敏面x射线光谱平响应二极管探测器 - Google Patents

一种大灵敏面x射线光谱平响应二极管探测器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大灵敏面X射线光谱平响应二极管探测器，X射线经复合滤片、阳极网入射光阴极产生光电子，光电子在极间电场作用下向阳极漂移，在输出回路中产生电流，电流信号通过锥形渐变传输线后进入射频同轴电缆座，再经高带宽电缆耦合至示波器记录，实现对X射线辐射功率的探测。与现有技术相比，本发明采用大直径的光阴极，使探测器接受的X射线辐射功率成倍增加，提高了输出信号强度；外壳与输出座设计成一体，减少了真空密封面，降低了环境大气通过密封面进入真空腔室的风险，提高了可靠性；本发明可对纳秒脉冲软X射线功率进行时间分辨的测量，在脉冲X射线探测领域具有良好的应用前景。

Description

一种大灵敏面X射线光谱平响应二极管探测器
技术领域
本发明属于脉冲X射线探测领域，具体为一种大灵敏面X射线光谱平响应二极管探测器。
背景技术
X射线光谱平响应二极管是一种常用的时间分辨X射线辐射功率探测器，广泛用于惯性约束核聚变、Z箍缩和强场物理实验中。在现有技术中，X射线经复合滤片、阳极(栅网)入射金光阴极产生光电子，光电子在光阴极与阳极间电场作用下向阳极漂移，在输出回路中感生出电流，电流信号通过传输线尺寸变换的同轴锥形渐变线后进入同轴电缆座，再经高带宽电缆输入示波器记录。复合滤片是一种双层结构的Au薄膜，该滤片可对X射线光谱进行改造，将这种复合滤片与Au光阴极结合，可使探测对X射线的谱响应变得平坦，最终实现对X射线辐射流定量测量(A novel flat-response x-ray detector in the photonenergy range of 0.1-4keV，Z.Li,X.Jiang,S.Liu,T.Huang,J.Zheng,J.Yang,S.Li,L.Guo,X.Zhao,H.Du,T.Song,R.Yi,Y.Liu,S.Jiang,Y.Ding,Rev Sci Instrum,2010，81(7)，073504.Diagnosing x-ray power and energy of tungsten wire array z-pinchwith a flat spectral response x-ray diode,K.L.Wang,X.D.Ren,X.B.Huang,S.Q.Zhang,S.T.Zhou,J.K.Dan,J.Li,Q.Xu,K.Ouyang,H.C.Cai,B.Wei,C.Ji,S.P.Feng,M.Wang,W.P.Xie,J.J.Deng,Rev Sci Instrum,2015，86(11)113508.)。
还有另外一种技术，采用X射线透射式光阴极，该方案是将复合滤片与光阴极融为一体，这种光阴极是一种经过特殊设计，且采用光刻方法制备的双层Au薄膜结构，这种光阴极对X射线同样具有平响应特性。该技术中，光阴极位于阳极前方，光阴极产生的电子在极间电场的作用下向阳极漂移，在输出回路中产生电流，该电流信号经同轴渐变线和高带宽传输线后输入高速示波器记录，也可对X射线辐射流进行定量测量(一种透射式平响应软X射线辐射流测量装置，中国发明专利，2016，CN 205809318U)。
上述两种技术中，对X射线灵敏的光阴极面较小，一般为10mm，接受的X射线辐射功率较低，当辐射源强度较弱时，探测器输出信号微弱，常常被噪声信号所淹没，无法对X射线辐射流进行正常测量。另外，探测器光阴极座与前端外壳间采用紧固螺钉与密封圈相结合的方式进行真空密封，当操作人员装配不当时，环境中的大气常常会通过该密封面进入真空腔室，降低腔室内的真空度，影响探测器工作的可靠性。第二种技术中将复合滤片与阴极融为一体，阴极吸收紫外光能量产生的二次电子会从后表面溢出，容易受到紫外光的干扰。
发明内容
本发明的目的在于：本发明提供了一种大灵敏面X射线光谱平响应二极管探测器，解决了现有技术中探测器灵敏面小，所接受的X射线功率低，辐射源强度较弱时，探测输出信号微弱的问题。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种大灵敏面X射线光谱平响应二极管探测器，包括外壳，外壳内由前到后依次布置有阳极网和光阴极，光阴极的材质为黄铜，光阴极的前表面为抛光面，抛光面上设有Cr层，Cr层上设有Au层。
进一步的，所述的阳极网的材质为Ni。
进一步的，所述的Cr层为100～200nm厚，Au层为500nm～1μm厚。
进一步的，所述的光阴极为圆片结构，直径为20～25mm，厚度为3～4mm。
进一步的，所述的阳极网的前端设有复合滤片。
进一步的，所述的复合滤片为Au薄膜，Au薄膜采用Au筛网支撑，Au薄膜为60～80nm厚，有效口径为20～25mm，Au筛网为均匀分布的蜂窝状孔结构，为360～400nm厚，筛孔直径为5～10μm，开孔面积比为10～15％。
进一步的，所述的外壳为前柱后锥的外形结构。
进一步的，所述的外壳的前端设有前端安装座，前端安装座上设有安装孔，前端安装座上设有密封槽，密封槽内设有密封圈。
进一步的，所述的前端安装座外形直径为75～80mm，密封槽宽3～4mm、深2～2.5mm。
进一步的，所述的外壳内设有储能电容组件，阳极网和光阴极位于储能电容组件中，高压馈入组件与高压电源连接，高压馈入组件插入外壳中并与储能电容组件连接，光阴极设在射频信号传输组件上，射频信号传输组件与示波器连接。
进一步的，所述的储能电容组件包括内导体和外导体，外导体上设有紧固螺帽，紧固螺帽将隔离环压设在内导体上，内导体和外导体之间设有绝缘介质。
进一步的，所述的绝缘介质为聚四氟乙烯或陶瓷。
进一步的，所述的内导体外径为27～29mm，外导体内径为28～30mm，储能电容组件的储能电容容量为20～80pF。
进一步的，所述的高压馈入组件包括高压插头，高压插头的一端与高压电缆连接，高压插头的另一端与高压插座连接，高压插座与限流电阻连接，限流电阻与高压接线座连接，高压接线座与弹簧片连接。
进一步的，所述的阳极网和光阴极极间电压设置为3～5kV。
进一步的，所述的射频信号传输组件包括渐变锥，渐变锥的前端设有定位支撑架，光阴极设在定位支撑架上，渐变锥的后端设有射频输出座，射频输出座通过高带宽射频电缆与示波器连接。
进一步的，所述的定位支撑架为直径是47～50mm的聚四氟乙烯薄片，其厚度为0.4～0.6mm，其上对称地开有4个直径为5～10mm的通气孔。
进一步的，所述的渐变锥前端直径为20～25mm，末端直径为3～5mm，长度为20～25mm，材质为硬Al。
进一步的，所述的射频输出座为N型或SMA型，传输频带为0.1～11GHz。
本发明的有益效果：将光阴极灵敏面直径增加，同轴锥形渐变线长度增加，保证了传输线传输带宽，在不显著降低探测器时间分辨能力的同时，使得探测器灵敏面所接收到的X射线辐射功率成倍提升，从而大幅度提高了探测器输出信号的强度；同时，对探测器外壳结构和形状进行了改进，对前端外壳和光阴极座进行一体设计，采用前柱和后锥的外形结构，去除多余材料，减轻了探测器重量，减少了密封面，降低了环境大气通过密封面泄露到真空腔室的风险，提高了探测器工作的可靠性。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明外壳结构示意图。
图3为本发明储能电容组件的结构示意图。
图4为本发明高压馈入组件示意图。
图5为本发明射频信号传输组件示意图。
图中：1为滤片架，2为复合滤片，3为密封圈，4为外壳，5为阳极压环，6为阳极网，7为光阴极，8为射频信号传输组件，9为示波器，10为储能电容组件，11为高压馈入组件，12为高压电源，13为密封槽，14为前端安装座，15为储能电容组件安装座，16为高压插座安装孔，17为储能电容组件支撑座，18为射频输出座安装孔，19为内导体，20为隔离环，21为紧固螺帽，22为绝缘介质，23为外导体，24为固定筒，25为高压电缆，26为高压插头，27为高压插座，28为绝缘套，29为限流电阻，30为高压接线座，31为弹簧片，32为定位支撑架，33为渐变锥，34为射频输出座，35为高带宽射频电缆。
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本发明。
实施例1
参考图1～图5所示，一种大灵敏面X射线光谱平响应二极管探测器，包括滤片架1、外壳4、射频信号传输组件8、示波器9、储能电容组件10、高压馈入组件11、高压电源12。外壳4内设有储能电容组件10，阳极网6和光阴极7由前到后依次布置于储能电容组件10中，高压馈入组件11与高压电源12连接，高压馈入组件11插入外壳4中并与储能电容组件10连接，光阴极7设在射频信号传输组件8上，射频信号传输组件8与示波器9连接。
阳极网6的前端设有复合滤片2，复合滤片安装在滤片架1上。复合滤片2为Au薄膜，Au薄膜采用Au筛网支撑，Au薄膜为60～80nm厚，有效口径为20～25mm，Au筛网为均匀分布的蜂窝状孔结构，为360～400nm厚，筛孔直径为5～10μm，开孔面积比为10～15％。
阳极网6的材质为Ni。光阴极7的材质为黄铜，光阴极7的前表面采用金刚石车床进行抛光后得到的抛光面，抛光面上设有Cr层，Cr层上设有Au层，Cr层为100～200nm厚，Au层为500nm～1μm厚，光阴极后端设计有螺杆，其作用是将光阴极固定在渐变锥的前端。光阴极7为圆片结构，直径为20～25mm，厚度为3～4mm。
光阴极与复合滤片组合，使得探测器对0.1～5.0keV能区范围内的X射线光谱响应非平整度小于10％，薄滤片对紫外光有强的吸收，防止紫外光作用于阴极产生光电子形成干扰。
光源辐射的X射线通过前置复合滤片、阳极网，入射到光阴极表面，产生光电子，光电子在极间电场的作用下向阳极Ni网漂移，在回路中产生电流，电流通过射频信号传输组件耦合至示波器，并被记录，实现对X射线辐射功率的探测。
外壳4为前柱后锥的外形结构，该结构去除多余的材料，减轻探测器的重量。外壳4的前端设有前端安装座14，前端安装座14上设有安装孔，螺钉通过安装孔将探测器安装于真空腔室，腔室内有发射X射线的光源。前端安装座14上设有密封槽13，密封槽13内设有密封圈3。前端安装座14外形直径为77mm，密封槽13宽3mm、深2mm。
外壳4上设有储能电容组件安装座15、高压插座安装孔16、储能电容组件支撑座17和射频输出座安装孔18，用于安装固定其它各组件。
储能电容组件10包括内导体19、外导体23和固定筒24，固定筒安装在储能电容组件安装座15上，固定筒内设有外导体，外导体通过储能电容组件支撑座17进行支撑。外导体23上设有紧固螺帽21，紧固螺帽21将隔离环20压设在内导体19上，内导体19和外导体23之间设有绝缘介质22。绝缘介质22为聚四氟乙烯或陶瓷。
内导体19通过高压馈入组件11与高压电源12连接，外导体23通过外壳4与地连接。内导体19外径为27.9mm，外导体23内径为28.9mm，储能电容组件10的储能电容容量为46pF。
高压馈入组件11包括高压插头26，高压插头26的一端与高压电缆25连接，高压电缆25与高压电源12连接。高压插头26的另一端与高压插座27连接，高压插座27与限流电阻29连接，限流电阻29与高压接线座30连接，高压接线座30与弹簧片31连接。阳极网6和光阴极7极间电压设置为3～5kV。
高压电源12通过高压馈入组件11向储能电容组件10中的电容充电，高压电源12输出电极经高压电缆25、高压插头26、高压插座27、限流电阻29、高压接线座30和弹簧片31后与内导体连接，内导体末端与阳极网6连接，极间电压设置为4kV，在光阴极7和阳极网6间建立强的光电子收集电场。
射频信号传输组件8包括渐变锥33，渐变锥33的前端设有定位支撑架32，光阴极7设在定位支撑架32上，确保光阴极7和渐变锥33位于探测器中心轴线上。渐变锥33的后端设有射频输出座34，射频输出座34通过高带宽射频电缆35与示波器9连接。
定位支撑架32为直径是47～50mm的聚四氟乙烯薄片，其厚度为0.4～0.6mm，其上对称地开有4个直径为5～10mm的通气孔。渐变锥前端直径为20～25mm，末端直径为3～5mm，长度为20～25mm，材质为硬Al。射频输出座34为N型，特性阻抗为50Ω，传输频带为0.1～11GHz。采用真空可阀焊接技术将其焊接于外壳锥体的末端
实施例2
本实施例的结构与实施例1结构相同，不同处是，所述射频输出座为SMA型，特性阻抗为50Ω，传输频带为0.1～12GHz，采用真空可阀焊接技术将其焊接于外壳锥体的末端。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种大灵敏面X射线光谱平响应二极管探测器，包括外壳（4），其特征在于：所述的外壳（4）内由前到后依次布置有阳极网（6）和光阴极（7），光阴极（7）的材质为黄铜，光阴极（7）的前表面为抛光面，抛光面上设有Cr层，Cr层上设有Au层；
所述的阳极网（6）的前端设有复合滤片（2）；
所述的复合滤片（2）为Au薄膜，Au薄膜采用Au筛网支撑，Au薄膜为60~80 nm厚，有效口径为20~25 mm，Au筛网为均匀分布的蜂窝状孔结构，为360~400 nm厚，筛孔直径为5~10 μm，开孔面积比为10~15%；
所述的外壳（4）为前柱后锥的外形结构。
2.根据权利要求1所述的大灵敏面X射线光谱平响应二极管探测器，其特征在于：所述的阳极网（6）的材质为Ni。
3.根据权利要求1所述的大灵敏面X射线光谱平响应二极管探测器，其特征在于：所述的Cr层为100~200 nm厚，Au层为500 nm~1μm厚。
4.根据权利要求1或3所述的大灵敏面X射线光谱平响应二极管探测器，其特征在于：所述的光阴极（7）为圆片结构，直径为20~25 mm，厚度为3~4 mm。
5.根据权利要求1所述的大灵敏面X射线光谱平响应二极管探测器，其特征在于：所述的外壳（4）内设有储能电容组件（10），阳极网（6）和光阴极（7）位于储能电容组件（10）中，高压馈入组件（11）与高压电源（12）连接，高压馈入组件（11）插入外壳（4）中并与储能电容组件（10）连接，光阴极（7）设在射频信号传输组件（8）上，射频信号传输组件（8）与示波器（9）连接。
6.根据权利要求5所述的大灵敏面X射线光谱平响应二极管探测器，其特征在于：所述的高压馈入组件（11）包括高压插头（26），高压插头（26）的一端与高压电缆（25）连接，高压插头（26）的另一端与高压插座（27）连接，高压插座（27）与限流电阻（29）连接，限流电阻（29）与高压接线座（30）连接，高压接线座（30）与弹簧片（31）连接。
7.根据权利要求5所述的大灵敏面X射线光谱平响应二极管探测器，其特征在于：所述的射频信号传输组件（8）包括渐变锥（33），渐变锥（33）的前端设有定位支撑架（32），光阴极（7）设在定位支撑架（32）上，渐变锥（33）的后端设有射频输出座（34），射频输出座（34）通过高带宽射频电缆（35）与示波器（9）连接。
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