Two-dimensional photon counting imaging detector based on a Vernier position sensitive anode readout

A two-dimensional photon counting imaging detector based on a Vernier position sensitive anode is reported. The decode principle and design of a two-dimensional Vernier anode are introduced in detail. A photon counting imaging system was built based on a Vernier anode. The image of very weak optical radiation can be reconstructed by image processing in a period of integration time. The resolution is superior to 100 μm according to the resolution test. The detector may realize the imaging of very weak particle flow of high-energy photons, electrons and ions, so it can be used for high-energy physics, deep space exploration, spectral measurement and bio-luminescence detection.     

基于X射线的空间语音通信系统

提出了栅控X射线源作为发射器和基于微通道板的X射线单光子探测器作为接收器的X射线通信方案. 搭建了基于X射线的空间语音通信系统, 详细介绍了信号调制发射器、基于微通道板的X射线单光子探测器及信号接收解调器的设计及工作原理. 报道了基于X射线的空间语音通信系统的初步实验结果, 实现了优于20 kbit/s的基于语音信号调制的X射线通信. 实验分析了在不同X射线强度、信号整形时间和阈值设置下通信性能影响, 得出了X射线发射功率限制X射线通信速率的结论, 提出了下一步提高X射线通信性能的改进方案. 关键词： X射线通信 X射线源 探测器     

X射线偏振探测器中的极化光电过程模拟

采用蒙特卡罗程序Geant4模拟2～10 keV线偏振X射线光子在几种常用工作气体中的极化光电过程,明确了光电子出射位置、方位角分布与入射光子偏振方向、能量之间的响应关系。光电子的出射方向在入射光子偏振方向上的分布概率最高,且出射光电子的方位角分布可近似为余弦平方函数。光子能量增大时,各角度光电子计数不同程度地减少,但都呈现出在方位角为0或π（-π）时有极大值的统计规律。此外,揭示并量化了气体厚度、气体组成、气体体积分数之比和光子能量对探测效率的影响规律。气体厚度越大、平均原子序数越大,则探测效率越高。光子能量增大会导致探测效率降低,而对于由Xe或Ar组成的工作气体,当光子能量大于某壳层电子结合能时,由于相应壳层电子开始被弹射出,探测效率会有一定程度的提高。这些结果可为X射线偏振探测器的结构设计提供理论依据和数据支持。     

多聚焦极栅控电子模拟源的研究

采用电子光学软件设计模拟了一种长焦距多聚焦级的电子枪结构.利用电子透镜原理分析多聚焦极电子枪的电子束斑产生,依据不同栅控电压,分析零场模式、拒斥场模式和肖特基场模式3种阴极电子发射方式下电子聚焦情况.模拟结果表明:拒斥场模式和肖特基场模式对电子束流密度分别有减弱和增强的作用;当聚焦极电压比U1∶U2∶U3∶U4∶U5=5∶8∶15∶70∶100时,能量为30keV的电子束焦斑最小,在10m处焦斑大小为160mm.     

等离子体中X射线透过率分析及潜在通信应用研究

X射线具有波长短、光子能量高等特点,有望在等离子体环境中实现信息的有效传输.本文首先采用基于连续介质中的WKB分层法,研究了黑障条件下, X射线在非均匀等离子体鞘套中的透过率特性,仿真了不同等离子体电子密度和碰撞频率下X射线信号的透过率,理论上证明了X射线可用于黑障区信息传输的可行性.其次通过搭建环形扩散辉光放电等离子体发生器及实验验证系统,进行了国内外首次X射线穿过等离子体鞘套的验证实验.实验结果表明,等离子体对X射线信号的透过率存在一定程度的衰减,透过等离子体前后的X射线信号能谱轮廓相似度优于95.5%,能谱峰值点的偏移量小于1.3%.此外,在原有理论模型的基础上,考虑等离子中的粒子与X射线的碰撞、吸收效应,优化了X射线在等离子体中的透过率模型,与传统的理论方法相比,该模型可对实验现象进行更好的解释.同时计算了X射线在临近空间的透过率,并分析了X射线通信所能达到的潜在指标.这些结果有望为解决黑障区信号传输提供一定的理论与实验依据.     

微通道板型X射线探测器的脉冲信号探测能力实验分析

为了掌握微通道板探测器的X射线脉冲信号观测能力,利用X射线脉冲星地面实验装置,开展了长时间的不同流强和不同背景噪声强度下的微通道板探测器脉冲信号探测实验,并建立了一套X射线探测器脉冲观测能力评估方法,推导出基于光子计时模式下X射线探测器的脉冲信号信噪比、脉冲轮廓相似度、脉冲到达时间精度和最小可探测功率的关系表达式.实验中,利用面积20cm~2的微通道板探测器开展了8组10 000s的实验,采集到有效观测数据,然后搜索最佳脉冲周期,重构观测脉冲轮廓,估计脉冲轮廓特征参数.实验表明,微通道板探测器具备良好的X射线脉冲信号观测与恢复能力,在较弱脉冲信号强度(光子流量密度为0.05ph/cm~2/s)和较强背景噪声(背景噪声强度是脉冲信号的16倍)下获取观测脉冲轮廓的信噪比、相似度、脉冲到达时间观测精度分别为35.73、88.38%、51.53μs和64.89、89.72%、29.24μs,验证了微通道板探测器具备一定的暗弱X射线脉冲星观测能力,且微通道板探测器的脉冲探测能力随着脉冲信号强度增加、背景噪声强度减弱、累积观测时间增加而提升.     

玻璃基底Wolter-1型X射线聚焦镜研制及测试

Wolter-1型X射线聚焦镜可将掠入射的X射线反射至焦平面处,具有较强的成像探测能力,在天文探测等领域中具有重要作用.通过建立几何模型对反射镜面及反射光线方程进行理论计算,推导出了适用于以玻璃为基底材料的聚焦镜设计参数方程,可用于对此类聚焦镜进行理论设计,依据理论设计,采用具有极高表面光洁度的超薄肖特D263T玻璃经热弯成型后作为反射镜基底,在反射镜表面制备金属铱薄膜作为反射膜研制了Wolter-1型反射镜组,并使用激光三维扫描仪对所研制的聚焦镜片面型进行了测试.测试结果显示,实际镜片面型与理想镜片面型公差在10 μm以内的测试点占总测试点的50%.通过搭建可见光条件下的焦斑测试系统,使用图像采集相机采集焦斑的灰度图像,通过图像分析软件分析计算该灰度图像的灰度分布来定量分析焦斑的能量分布情况,从而确定焦斑特性参数.实验结果显示：研制出的聚焦镜片焦距为1.6 m,焦斑的半能量包围直径为0.33 mm,对应角分辨率为0.7角分.     

一种X射线聚焦光学及其在X射线通信中的应用

基于栅控脉冲发射X射线源与单光子探测技术的X射线通信已经实现了实验室语音通信验证,并对通信系统的误码率性能进行了分析,为探索未来X射线深空应用打下了坚实的基础.针对目前X射线通信面临的信号发散角大、通信距离短、难以实现工程化应用的情况,迫切需要对X射线通信天线系统进行深入研究.为了提高信号增益、增大X射线通信的距离,提出了多层嵌套式X射线聚焦光学作为X射线通信的"收发天线",理论分析了X射线聚焦光学用于X射线通信"收发天线"的可行性,分析了X射线聚焦光学的理论基础与结构设计,对"发射天线"发散角、"接收天线"有效面积与焦斑尺寸、信号增益等性能做了探讨.结果表明:在信号发射端,"天线"的发散角为3 mrad左右,发射增益23 d B;在信号接收端,"接收天线"的有效面积5700 mm2@1.5 keV,焦斑直径为4.5 mm,接收增益为25 d B,通信系统总的增益可达48 d B.     

一种飞秒电子衍射系统的设计与分析

设计了飞秒电子衍射系统,详细分析了影响系统时间分辨率的因素,如阴极的材料及厚度、阴极附近场强、聚焦方式、偏转灵敏度及扫描速度等.设计的电子枪采用35 nm厚的Ag阴极,阴栅之间场强为10 kV/mm,磁线圈聚焦,偏转灵敏度为26.3 mm/kV的平折扫描板,5.5 kV/ns的扫描电压斜率,最终获得了1.45×108 m/s的扫描速度.计算出系统总的时间分辨率为500 fs左右.