PDF《基于空间应用的透射式微型微束调制 X 射线源 牟欢 李保权 曹阳》

基于空间应用的透射式微型微束调制X射线源 牟欢 李保权 曹阳 Transmission-type miniature micro-beam modulated X-ray source based on space application Mou Huan Li Bao-Quan Cao Yang 引用信息 Citation: Acta Physica Sinica, 65,

140703 (2016) DOI: 10.

7498/aps.65.140703 在线阅读View online: http://dx.doi.org/10.7498/aps.65.140703 当期内容View table of contents: http://wulixb.iphy.ac.cn/CN/Y2016/V65/I14 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in X射线通信系统的误码率分析 Bit error rate analysis of X-ray communication system 物理学报.2015, 64(12):

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060705 http://dx.doi.org/10.7498/aps.62.060705 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No.

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140703 基于空间应用的透射式微型微束调制X射线源? 牟欢1)2)? 李保权1)2) 曹阳1)2) 1)(中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190) 2)(中国科学院大学, 北京 100049) (

2016 年4月12 日收到;

2016 年5月4日收到修改稿 ) 针对空间应用对 X 射线源的需求, 提出了一种透射式微型微束调制 X 射线源的设计方案, 建立了调制 X 射线源的理论模型. 相较传统的 X 射线源, 增加了栅极电压控制和多个聚焦极微束聚焦功能, 通过改变栅极 电压实现 X 射线的幅度调制和脉冲调制. 利用带电粒子光学仿真软件 SIMION, 模拟计算了不同管电压下透 射式阳极靶的最佳靶厚, 仿真分析了不同栅极电压对电子束运动轨迹的影响, 最终得到了

150 ?m 的微束焦斑 直径. 完成了原理样机的加工镀膜和真空密封, 搭建了调制 X 射线源的测试装置, 实验报道了阳极钨靶的谱 线特性, 分析了栅极电压影响出射 X 射线强度的原因, 讨论了栅极幅度调制的可能性, 完成了调制 X 射线源 栅极脉冲调制的验证. 关键词: 微型微束, 透射式, 调制X射线源 PACS: 07.85.Fv, 52.38.Ph, 42.79.Sz, 41.50.+h DOI: 10.7498/aps.65.140703

1 引言自1895年德国物理学家伦琴发现X射线, X射 线不仅广泛应用于医学诊断和无损检测, 而且在空 间中的应用也越来越多, 如黑障通信、 星间 X 射线 通信、 脉冲星导航、 能谱标定、 响应时间标定、 在轨 标定等. 阴极作为产生 X射线的关键部件, 主要包括金 属热阴极和碳纳米管 (carbon nanotube, CNT) 阴极. 目前, CNT 阴极因其高电子发射率而被广泛应 用于 X 射线管 [1] . 这些 X 射线管大多采用半真空 密封工艺, 即在实际应用中需添加真空泵等真空设 备, 较难实现X射线源的小型化. 这是因为CNT阴 极在真空度10?5 Pa以上的环境中才能稳定地发射 电子 [2?4] , 现阶段真空密封工艺较难实现 [5,6] . 而 传统的热阴极发射可工作在低于10?3 Pa的真空度 条件, 大大降低了真空密封难度. 为实现调制 X 射 线源的微型化, 本设计采用金属热阴极作为阴极. 另外采用热阴极还与所设计的调制 X 射线源的原 理、 尺寸结构、 调制频率及功耗等因素有关. 同时, X 射线源的焦斑尺寸直接关系到能谱标 定、 响应时间标定的精度和黑障通信、 星间 X 射线 通信的距离. 不管是美国NASA戈达德空间飞行中 心(Goddard Space Flight Center) 的Jablonski [7] 通过调制发光二极管的方法间接调制 X 射线信号, 还是文献 [8―10] 利用控制栅极控制 X 射线信号, 均未实现调制 X 射线管的真空密封和很好的微束 聚焦. 为提高标定精度和通信距离, 满足空间应用 的多功能需求, 本文详细介绍了一种透射式微型微 束调制 X 射线源的结构和工作原理, 对各个电极的 结构尺寸、 电压幅值及其间距进行了仿真模拟, 实 验验证了栅极幅度调制和栅极脉冲调制的可行性.

2 结构建模与仿真 2.1 理论模型 图1为透射式微型微束调制 X 射线源的结构 示意图, 主要由热阴极、 调制栅极、 聚焦极

1、 聚焦极 ? 中国科学院空间科学战略性先导科技专项 空间科学背景型号项目 (批准号: XDA04060900) 资助的课题. ? 通信作者. E-mail: [email protected] ?

2016 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 140703-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No.

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2、 聚焦极

3 和透射式阳极靶组成. 热阴极产生电子 的效率及稳定性将直接影响调制 X 射线源产生 X 射线的强度和稳定性, 需选取高稳定性、 高效能的 阴极丝. 栅极作为调制 X 射线源的关键部件, 不仅 可以充当 开关键 控制热阴极产生的电子束通断, 还可以控制流过栅极的电子束强度, 实现对 X射线 的调制. 三个聚焦极的主要功能是实现对电子的微 束聚焦, 在阳极靶上形成微米级焦斑. 透射式阳极 靶用于产生 X 射线, 其靶材厚度直接影响得到的 X 射线强度, 故阳极靶厚至关重要. 图1调制 X 射线源的结构示意图 Fig. 1. The structure diagram of the modulated X-ray source. 调制 X 射线源的工作原理如下: 当栅极电压 Vg 恒定时, 金属阴极丝在 Vc 电压下加热到一定温 度后发射电子, 产生的电子束在栅极电压和阳极高 压电场作用下加速运动到阳极, 轰击阳极靶发生轫 致辐射和特征标识辐射产生恒定强度的X射线. 此 过程中, 三个聚焦极电压产生的静电场将经过的电 子束聚焦. 当栅极电压 Vg 变化时, 通过栅极的电子 束强度和产生的X射线强度相应改变, 实现X射线 的幅度调制. 当栅极作为 开关键 时, 通过控制栅 极电压 Vg 来调制 X 射线的通断, 实现 X 射线的脉 冲调制: 栅极电压 Vg 为高电平时, 阴极丝产生的电 子束经过三个聚焦极聚焦和阳极电场加速后轰击 阳极靶产生 X 射线;

栅极电压 Vg 为低电平时, 电子 束在栅极被截止, 无X射线产生. 2.2 透射式阳极靶厚计算 透射式调制 X 射线源的阳极由阳极靶材和基 底材料构成. 基底材料通常采用对 X 射线吸收率 低的金属铍 (beryllium), 阳极靶材则被镀膜于铍窗 上. 选择合适的靶材厚度至关重要, 它直接影响出 射的 X 射线强度. 因为靶材太薄, 只有部分入射电 子发生轫致辐射或特征标识辐射, 产生 X射线效率 降低;

靶材太厚, 尽管产生的X射线增多, 但由于靶 材对 X 射线的吸收导致透射出阳极靶材的 X 射线 强度变弱. 当靶材很薄时, 可利用维丁顿公式计算电子在 靶材中运行的厚度x [11,12] . 电子穿过靶厚x时, 有v4 x = v4

0 ? bx, (1) 式中, vx 为电子在靶厚 x 处的速度;

v0 为电子的初 始速度;

b为常数, 由下式获得 b = 1.2 *

1043 Z A ρ, 其中, Z 为原子序数;

A为原子量;

ρ为材料密度. 表1不同靶材在不同阳极电压下的最佳靶厚 (单位为 ?m) Table 1. Optimum target thickness of electron beam for di?ere........