CN105470077A - 基于cnt场致发射的宽光束准平行单能x射线产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置，采用碳纳米管阴极面阵产生电子流，采用阳极靶阵列产生X射线，采用准直器阵列对X射线进行准直，解决了大型空间X射线探测器标定测试需同时具备宽光束、和准平行X射线光源的技术难题；通过实验以及理论计算，得到需要的X射线能量、阳极靶单元的阳极靶材料、滤光器厚度、滤光器材料以及高压电源的电压的关系，因此，本发明的X射线产生装置可以实现1～10keV范围内X射线光子单能输出；可以满足大型空间X射线探测器能量响应矩阵、探测效率、有效探测面积、探测视场等技术指标的标定测试。

Description

基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置

技术领域

本发明涉及精密光机电技术领域，尤其涉及基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置。

背景技术

X射线脉冲星自主导航技术，是一种基于X射线脉冲星发射的高稳定脉冲信号和脉冲星空间位置，为航天器提供位置参数的导航技术。X射线脉冲星导航探测器作为脉冲星导航系统的核心关键设备，要求具备1m2量级的有效探测面积，这就为探测器的定标测试带来技术困难。

为实现X射线探测器的定标测试，要求具备平行、单能、宽光束(1m量级)的X射线光源。目前，实现X射线准平行的方法就是依赖点X射线源在真空通道内的长距离传输，是原本发散的球面波在足够远处近似为平面波(准平行光束)，例如美国Marshall空间飞行中心X射线定标测试装置(XRCF)，真空管道长518m，加上测试室的扩展长度，可提供538m的源与探测器的距离。该方法虽然实现方式简单，但成本过高，而且不满足1m2量级X射线探测器的定标测试(在X射线发散角1mrad的条件下，其末端X射线光斑直径约为0.54m)。平行和宽光束是该方法中的一对矛盾体，在真空通道距离一定的条件下，平行度提高必然导致光斑尺寸减小，而光斑尺寸增大又必然导致平行度下降。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置，可以解决大型空间X射线探测器定标测试所需X射线源宽光束、准平行及单能的技术难题。

本发明的一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置，包括电源、阴极基板、碳纳米管阴极面阵、阳极靶阵列、滤光器、准直器阵列以及终端接收屏；

所述阴极基板的一个侧面上镀有阴极导电层；

所述阴极导电层接所述电源的正端；

所述阴极导电层上生长N×N个碳纳米管阵列单元，形成所述碳纳米管阴极面阵；N的取值与要产生的X射线的面积成正比；

所述阳极靶阵列位于所述碳纳米管阴极面阵出射电子的前方，所述电源产生的负压加载在每一个阳极靶阵列的阳极靶单元上，所述阳极靶单元与碳纳米管阵列单元一一对应，用于接收所述碳纳米管阵列单元发射的电子，并产生X射线；

所述滤光器位于所述X射线传播光路中，用于滤除能量不符合要求的X射线；

所述准直器阵列由N×N个毛细管X射线透镜以面阵的方式形成，毛细管X射线透镜的位置与阳极靶单元位置一一对应；每个毛细管X射线透镜均由多根X射线光纤紧密排列构成，用于对从滤光器出射的X射线进行准直并透射到所述终端接收屏上；

所述电源的电压由要产生的X射线能量决定。

较佳的，需要的X射线能量、阳极靶单元的阳极靶材料、滤光器厚度、滤光器材料以及电源的电压如下：

较佳的，每个所述毛细管X射线透镜中包含30×10⁴～50×10⁴根X射线光纤。

较佳的，X射线光纤内径为20微米。

较佳的，所述N取5。

进一步的，所述阳极靶阵列单元由采用导电材质制成的阳极基板进行支撑；所述阳极基板上加工与所述阳极靶阵列中N×N个阳极靶单元一一对应的开孔，阳极靶单元固定安装在所述开孔内；所述电源的电压通过所述阳极基板加载在各个阳极靶单元上。

进一步的，还包括空腔结构的绝缘支架，安装在阴极基板与阳极基板之间，将碳纳米管阴极面阵以及产生的电子流封装在其内部。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的X射线产生装置，采用碳纳米管阴极面阵产生电子流，采用阳极靶阵列产生X射线，采用准直器阵列对X射线进行准直，解决了大型空间X射线探测器标定测试需同时具备宽光束、和准平行X射线光源的技术难题。

(2)通过实验以及理论计算，得到需要的X射线能量、阳极靶单元的阳极靶材料、滤光器厚度、滤光器材料以及高压电源的电压的关系，因此，本发明的X射线产生装置可以实现1～10keV范围内X射线光子单能输出。

(3)本发明的X射线产生装置可以满足大型空间X射线探测器能量响应矩阵、探测效率、有效探测面积、探测视场等技术指标的标定测试。

附图说明

图1为基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生原理图；

图2为本发明的装置采用Cr靶通过V滤波后的X射线能谱；

其中，1-阴极基板、2-阴极导电层、3-碳纳米管阴极面阵、4-阳极靶阵列、5-滤光器、6-准直器阵列、7-终端接收屏、8-电源、9-绝缘支架、10-阳极基板。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置，包括电源8、阴极基板1、碳纳米管阴极面阵3、阳极靶阵列4、滤光器5、准直器阵列6以及终端接收屏7；

阴极基板1的一个侧面上镀有阴极导电层2；阴极导电层2接所述电源8的正端。电源8的电压由要产生的X射线能量决定。

所述阴极导电层2上生长N×N个碳纳米管阵列单元，形成碳纳米管阴极面阵3；N的数量根据要产生的X射线的总面积决定，面积越大需要的阵列单元越多。

阳极靶阵列4位于所述碳纳米管阴极面阵3出射电子的前方，电源8产生的负高压加载在每一个阳极靶阵列4的阳极靶单元上，阳极靶单元与碳纳米管阵列单元一一对应，用于接收所述碳纳米管阵列单元发射的电子，并产生X射线。滤光器5位于所述X射线传播光路中，用于滤除能量不符合要求的X射线。

准直器阵列6由N×N个毛细管X射线透镜以面阵的方式形成，毛细管X射线透镜的位置与阳极靶单元位置一一对应；每个毛细管X射线透镜均由多根X射线光纤紧密排列构成，用于对从滤光器5出射的X射线进行准直并透射到所述终端接收屏7上；每个所述毛细管X射线透镜中包含的X光子导管的根数由照射到各毛细管X射线透镜面积大小决定，面积越大，根数越多。

为了便于加工，所述阳极靶阵列4单元由采用导电材质制成的阳极基板10进行支撑；所述阳极基板10上加工与所述阳极靶阵列4中N×N个阳极靶一一对应的开孔，阳极靶单元固定安装在所述开孔内；电源8的电压通过所述阳极基板10加载在各个阳极靶单元上。

本发明的装置还包空腔结构的括绝缘支架9，安装在阴极基板1与阳极基板10之间，将碳纳米管阴极面阵3以及产生的电子流封装在其内部。

由于阳极靶单元上加载电源8的负端，阴极基板1接正端，则阳极靶阵列4与阴极基板1之间形成高压电场，碳纳米管阴极面阵3在高压电场的作用下产生电流，并射向阳极靶阵列4，其中，电子的数目和速度可通过高压电场控制。

场致发射的电流密度由F-N公式描述，如(1)式所示：

其中，A和B为常数，E为材料表面电场强度，Ф为材料逸出功，β为材料的几何增强因子。碳纳米管由于具备特殊的几何结构，大的长径比λ、纳米级的直径，因此几何增强因子较大，具备较强的电子发射能力，其几何增强因子如(2)式所示：

$\mathrm{\β}=\frac{{({\mathrm{\λ}}^2-1)}^{3/2}}{\mathrm{\λ}ln\[\mathrm{\λ}+{({\mathrm{\λ}}^2-1)}^{1/2}\]-{({\mathrm{\λ}}^2-1)}^{1/2}}---\left(2\right)$

由(1)式可知，通过控制碳纳米管的发射电场强度E可以实现电子束流密度的调节，进而实现X射线光子流强的控制。

同时，由于碳纳米管可以制备成面阵形式，因而基于碳纳米管的X射线源是面光源，而不是传统X射线球管的点光源，有利于宽光束X射线光束的实现。

碳纳米管CNT阴极面阵发射的电子束在高压场作用下获得很大动能，轰击透射式阳极靶阵列4，使电子骤然减速损失能量大部分转化为热，一小部分则以光子形式辐射出来，形成X射线能谱。光子的能量决定于轰击电子的能量和阳极靶材料特性。

透射式阳极靶辐射的X射线出射方向上的能量-角分布如式(3)所示：

$\begin{array}{c}\mathrm{\σ}(k,x)dkdx=\frac{4z^2}{137}{\left(\frac{e^2}{{\mathrm{mc}}^2}\right)}^2\frac{dk}{k}xdx\{\frac{16x^{2}E}{{(x^2+1)}^4{E}_0}-\frac{{(E_0+E)}^2}{{(x^2+1)}^2{E}_0^2}\\ +\[\frac{E_0^2+E^2}{{(x^2+1)}^2{E}_0^2}-\frac{4x^{2}E}{{(x^2+1)}^4{E}_0}\]\ln M\left(x\right)\}\end{array}---\left(3\right)$

其中，

$\frac{1}{M\left(x\right)}={\left(\frac{\mathrm{\μ}k}{2E_{0}E}\right)}^2+{\left(\frac{Z^{1/3}}{C(x^2+1)}\right)}^2---\left(4\right)$

$x=\frac{E_0{\mathrm{\θ}}_0}{\mathrm{\μ}}---\left(5\right)$

式中E0为入射电子能量，E为散射电子能量，k＝E₀-E，μ＝mC²为一个电子剩余的能量，C为常数，θ₀表示辐射粒子与入射电子之间的夹角。对于透射式阳极面阵，不会存在足跟效应，出射的X射线基本是以垂直靶心的线为轴成轴对称分布的，X射线强度分布的均匀性有了很大改善。

X射线滤光器5的作用是使设定的能量范围内的X射线光子通过，而其他能量范围内的X射线光子被大幅衰减。通过与阳极靶材和电源8的配合实现X射线光子能量选择，如表1所示。

表1X射线光子能量与施加高压及滤光片对照表

选取了13个能点，基本覆盖了1～10keV的能量范围，满足X射线脉冲星导航探测器的能量特性的测试需求。如Cr的Kα特征谱能量5.415keV，阳极靶材选取金属Cr，阳极高压设置为10000V，然后通过125μm的V箔进行滤光，可以得到准单色的X射线谱，如图2所示，在能量为5.415keV时，其能量分辨率ΔE/E为15％。

准直器阵列6采用毛细管X射线透镜，将发散的X射线准直成近平行光。

毛细管X射线透镜由(30～50)×10⁴根X射线光纤组成。X射线光纤是内表面非常光滑的空心毛细导管。当X射线以小于玻璃材料的外全反射临界角θc掠入射到毛细导管内壁时，将会以很高的反射率经多次反射从导管的入射端传播至出射端，合理设计毛细管的弯曲形状，就可以实现类似普通光学透镜的汇聚或准直效果。根据X光透镜传输的X射线能量及使用者对透镜外形尺寸的要求，X射线光纤内径为20微米。

如图1所示，设碳纳米管CNT阴极面阵单元尺寸为D×D，单元阵列数为n×n,准直器的发散角为γ，阳极面阵到终端接收屏7的距离为L，则终端接收屏7光源光斑面积为：

S＝[n×(D+Ltan(γ))]²(6)

如式(6)所示，在真空束线通道距离L和发散角为γ选定的条件下，通过合理设置碳纳米管CNT阴极面阵单元尺寸D和单元阵列数n，可以实现X射线的宽光束、准平行特性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置，其特征在于，包括电源(8)、阴极基板(1)、碳纳米管阴极面阵(3)、阳极靶阵列(4)、滤光器(5)、准直器阵列(6)以及终端接收屏(7)；

所述阴极基板(1)的一个侧面上镀有阴极导电层(2)；

所述阴极导电层(2)接所述电源(8)的正端；

所述阴极导电层(2)上生长N×N个碳纳米管阵列单元，形成所述碳纳米管阴极面阵(3)；N的取值与要产生的X射线的面积成正比；

所述阳极靶阵列(4)位于所述碳纳米管阴极面阵(3)出射电子的前方，所述电源(8)产生的负压加载在每一个阳极靶阵列(4)的阳极靶单元上，所述阳极靶单元与碳纳米管阵列单元一一对应，用于接收所述碳纳米管阵列单元发射的电子，并产生X射线；

所述滤光器(5)位于所述X射线传播光路中，用于滤除能量不符合要求的X射线；

所述准直器阵列(6)由N×N个毛细管X射线透镜以面阵的方式形成，毛细管X射线透镜的位置与阳极靶单元位置一一对应；每个毛细管X射线透镜均由多根X射线光纤紧密排列构成，用于对从滤光器(5)出射的X射线进行准直并透射到所述终端接收屏(7)上；

所述电源(8)的电压由要产生的X射线能量决定。

2.如权利要求1所述的一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置，其特征在于，需要的X射线能量、阳极靶单元的阳极靶材料、滤光器(5)厚度、滤光器(5)材料以及电源(8)的电压如下：

3.如权利要求1所述的一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置，其特征在于，每个所述毛细管X射线透镜中包含30×10⁴～50×10⁴根X射线光纤。

4.如权利要求1、2或3所述的一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置，其特征在于，X射线光纤内径为20微米。

5.如权利要求1所述的一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置，其特征在于，所述N取5。

6.如权利要求1所述的一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置，其特征在于，所述阳极靶阵列(4)单元由采用导电材质制成的阳极基板(10)进行支撑；所述阳极基板(10)上加工与所述阳极靶阵列(4)中N×N个阳极靶单元一一对应的开孔，阳极靶单元固定安装在所述开孔内；所述电源(8)的电压通过所述阳极基板(10)加载在各个阳极靶单元上。

7.如权利要求6所述的一种基于CNT场致发射的宽光束准平行单能X射线产生装置，其特征在于，还包括空腔结构的绝缘支架(9)，安装在阴极基板(1)与阳极基板(10)之间，将碳纳米管阴极面阵(3)以及产生的电子流封装在其内部。