基于空间应用的透射式微型微束调制x射线源-牟欢.pdf

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1、物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 14 (2016) 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)y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

2、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.65.1407031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

3、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

4、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Jablonski7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810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

5、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: 2016中国物理学会Chinese Physical Society http:/140703-1物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 14 (2016) 1407032、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

6、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.e1e2e3lF,TX1310-3 Pa0_i20 kVVg Vf1 Vf2 Vf3WVaVcL图1调制X射线源的结构示意图Fig. 1. The structure diagram of the modulated X-raysource.调制X射线源的工作原

7、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

8、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x11;12.电子穿过靶厚x时,有v4x = v40 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 10

9、43ZA ;其中, Z为原子序数; A为原子量; 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 dierent voltages & target materials (in m).元素名电压/k V10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Cr 0.30 1.13 2.30 3.54 4.83 6.52 8.15 10.19 12.22 13.78Ni 0.25 0.83 1.70 2.75 3.99 5.08 6.54 8.00 9.18 11.

10、01Cu 0.26 0.82 1.71 2.74 4.16 5.46 6.80 8.20 9.31 11.13Mo 0.28 0.67 1.32 1.98 2.95 4.20 5.57 6.88 7.89 9.08Rh 0.21 0.53 0.99 1.63 2.51 3.32 4.02 5.14 6.40 7.57Pd 0.21 0.60 1.11 1.70 2.41 3.30 4.37 5.31 6.42 7.72Ag 0.24 0.67 1.23 1.94 2.80 3.70 4.70 6.00 7.20 8.48Cd 0.30 0.75 1.50 2.37 3.60 4.73 5.80

11、 7.30 8.51 10.39W 0.15 0.42 0.70 0.99 1.60 2.00 2.52 3.00 3.55 4.31Au 0.14 0.36 0.72 1.01 1.59 2.00 2.40 2.99 3.64 4.28140703-2物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 14 (2016) 140703电子速度相应的电势差为U = 12 me v2,因此可得U2x = U20 b4(me)2x; (2)其中电子的初始势能U0由调制X射线源所加高压Va决定.则势能U0的电子在靶材中的最深厚度xm由高压和阳极靶材材料共同决定.根据计算可求出不同靶材、

12、不同高压下的电子能达到的最深厚度xm.由于阳极靶材对产生的X射线有吸收作用,故xm并非阳极靶材的最佳靶厚.采用Monto Carlo(MC)方法模拟仿真得到不同靶材、不同高压下的最佳靶厚,如表1所示.表1有如下规律: 1)同一靶材,最佳靶厚随调制X射线源的阳极电压的增大而增大; 2)低密度、低原子序数靶材的最佳靶厚随阳极电压增大的幅度比高密度、高原子序数的靶材增大的幅度大;3)密度对最佳靶厚的影响比原子序数对靶厚的影响大.2.3微束焦斑仿真为了达到更好的聚焦效果,采用了三个不同尺寸、不同静电电场的聚焦极,利用带电粒子光学仿真软件SIMION对设计的调制X射线源进行了光学仿真.图2(a)为所设计

13、的调制X射线源的仿真示意图.在金属阴极形状尺寸确定的条件下,微束焦斑直径与栅极电压Vg、聚焦极电压Vf1, Vf2, Vf3(a)(b)(c)(d)(e)(f)图2微束焦斑仿真结果(a)调制X射线源仿真结构图;(b)(f)不同栅极电压下,电子束的运动轨迹Fig. 2. The simulation result of micro-beam focusingspot: (a) The optical photograph of simulation dia-gram; (b)(f) electron beam trajectories in dierentgrid electrode volta

14、ges.和阳极电压Va 13,栅极、聚焦极、阳极结构尺寸及其间距都有密切关系.经过不断的仿真优化,最终确定了聚焦极、阳极的电压、结构尺寸及其之间的间距.在此基础上,研究了栅极电压对焦斑尺寸的影响,图2(b)图2(f)分别给出了栅极电压为1, 3,5, 7和9 V时电子束运动的轨迹图,可观测到栅极的电压变化导致电子束运动轨迹的改变,其微束焦斑尺寸参见图3(a).图3(a)中曲线为不同栅极电压下的焦斑尺寸图, 4条曲线分别表示焦斑尺寸内电子数占总打靶电子数70%, 80%, 90%, 100%的焦斑尺寸.0 5 10 15 200500100015002000Focusing spotdiamet

15、er/mmGrid electrode voltage/V70%80%90%100%-300 -200 -100 0 100 200 300-150-100-50050100150Y/mmX/mm(a)(b)图3焦斑尺寸仿真结果(a)栅极电压与焦斑尺寸的关系图; (b)实际焦斑二维位置坐标Fig.3. Thesimulationresultoffocusingspot: (a)Gridelectrode voltage versus focusing spot diameter of themodulated X-ray source; (b) the two-dimensional co-o

16、rdinate of focusing spot.从图2(b)图2(f)和图3(a)可得如下结论:1)栅极电压对电子束的运动轨迹和焦斑尺寸有显著影响; 2)焦斑尺寸随栅极电压的增大而增大;3)焦斑尺寸的增大幅度随着栅极电压的增大而减小.图3(b)为电子打靶实际焦斑的二维位置坐标图.栅极电压1 V下的仿真结果,焦斑直径小于150 m,较文献810中0.4 mm 4 mm的焦斑尺寸指标有显著改善.140703-3物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 14 (2016) 1407033实验装置与结果讨论3.1实验装置搭建根据仿真优化得到的阴极丝、栅极、聚焦极、阳极靶的结构

17、尺寸参数,加工完成调制X射线源,尺寸为 20 mm 75 mm,如图4(a)所示.阴极选用高性能钨丝, 50 m,阳极靶选用钨膜,膜厚0.3 m,阴极电极、栅极、聚焦极、阳极罩选用kovar钢、连同五个不同尺寸的Al2O3陶瓷一起在真空炉中烘烤10 h后,采用一次封排工艺完成调制X射线源的真空密封.为测试所研制调制X射线源的性能,搭建了测试平台,包括: SDD(silicon drift detector) X射线探测器、调制X射线管、三个聚焦极高压电源、阳极可调高压电源和高聚合物保护罩,如图4(b)所示.(a)(b)图4调制X射线源及其测试平台(a)调制X射线源照片; (b)测试平台照片Fi

18、g. 4. Photographs of the modulated X-ray sourceand the test platform: (a) Photograph of the modu-lated X-ray source; (b) photograph of the test plat-form.3.2钨靶谱线测试实验中各电极的参数如下:钨丝电流为200 mA,聚焦极电压依次为48, 200和1000 V,阳极电压为15 kV.此时栅极电压为1 V,调制X射线源相当于具有微束焦斑的便携式X射线源,利用SDD X射线探测器对其出射X谱线进行监测,结果如图5所示.能量谱由轫致辐射产生的连

19、续谱和特征标识辐射产生的特征谱叠加而成.轫致辐射产生X射线的最大能量由阳极电压决定,为15 keV.而特征谱线由阳极靶的材料决定,图5为钨的特征谱,依次是L , L 1, L 2, L 1, L 2和L 1.因其良好的谱线特性和微束焦斑可提高能谱标定等空间应用的精度.0 5 10 15 2005000100001500020000X-ray photoncountsX-ray energy/keVL1L2L1L1L2L图5钨靶特征谱Fig. 5. The characteristic spectrum of tungsten target.3.3栅极幅值调制钨丝功耗、栅极电压、阳极电压直接影响

20、调制X射线源产生X射线的强度.保持阳极电压不变,钨丝功耗越大,出射的电子数越多;栅极电压越高,经过栅极的电子数越多.被阳极电场加速打靶的电子数就越多,故产生的X射线强度就越强.图6(a)为栅极电压一定时,钨丝功耗与出射X射线强度的关系图,图中X射线强度与钨丝功耗为指数关系,不同的栅极电压只影响乘积系数,并不改变指数关系.图6(b)则表示钨丝功耗一定时,栅极电压与出射X射线强度的关系图.可观测到X射线强度与栅极电压近似成线性关系,不同的钨丝功耗只影响线性系数,使得调制X射线源的栅极幅度调制成为可能,可应用于目前国际上新兴的星间X射线通信中.3.4栅极脉冲调制为测试调制X射线源栅极脉冲调制的可行性

21、,在栅极加载调制信号,正电压代表逻辑“1”,负电压表示逻辑“0”,结果如图7所示.图中黄色波形信号a为加载到栅极的调制信号,紫色波形b为SDD140703-4物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 14 (2016) 140703探测器的输出波形.其中每个紫色尖峰代表一个X光子,尖峰电压的大小由X光子的能量决定.由图7可知:当栅极加载逻辑“1”时,有X射线产生;当栅极加载逻辑“0”时,无X射线产生,此时栅极阻断了电子通过栅极.实验验证了栅极脉冲调制的可行性,未来可广泛应用于黑障通信, X射线通信和脉冲星模拟等领域.(a)(b)100 120 140 160 180 2

22、00 220 240050000100000150000200000250000300000Photoncounts per secondPhotoncounts per secondTungsten filament power/mW5 V9 V10 V20 V0 5 10 15 20 25 30 35050000100000150000Grid electrode voltage/V110 mW140 mW170 mW图6验证栅极幅度调制的可行性(a) X射线强度与钨丝功耗的关系图; (b) X射线强度与栅极电压的关系图Fig. 6. Feasibility of grid amplitu

23、de modulation:(a) Photon counts versus cathode power consumptioncharacteristicsofthemodulatedX-raysource; (b)pho-ton counts versus grid voltage characteristics of themodulated X-ray source.ab图7 (网刊彩色)栅极脉冲调制的输入输出Fig. 7. (color online) The pulsed width modulation ofx-ray is controlled by modulating th

24、e grid electrode.4结论研制了多功能的透射式微型微束调制X射线源,搭建了基于调制X射线源的测试装置,分析了阳极钨靶的谱线特性,验证了栅极幅度调制和栅极脉冲调制的可行性.所研制的调制X射线源集多功能于一体,既能产生 m级焦斑的稳定X射线,同时还能实现X射线的幅度调制和脉冲调制,可广泛应用于能谱标定、黑障通信、星间X射线通信、脉冲星模拟.参考文献1 Liu Z, Yang G, Lee Y Z, Bordelon D, Lu J, Zhou O 2006Appl. Phys. Lett. 89 1031112 Haga A, Senda S, Sakai Y, Mizuta Y,

25、Kita S, OkuyamaaF 2004 Appl. Phys. Lett. 84 22083 Senda S, Sakai Y, Mizuta Y, Kita S, Okuyamaa F 2004Appl. Phys. Lett. 85 56794 Sugie H, Tanemura M, Filip V, Iwata K, Takahashi K,Okuyamab F 2001 Appl. Phys. Lett. 78 25785 Song Y H, Kin J W, Jeong J W, et al. 2012 IEEE 25thInternational Vacuum Nanoel

26、ectronics Conference Jeju,Korea 2012 p1026 Jeong J W, Kin J W, Kang J T, Choi S, Ahn S, Song YH 2013 Nanotechnology 24 0852017 Jablonski D G 2009 22nd International Meeting of theSatellite Di-vision of The Institute of Navigation Savan-nah, the United States, September 2225, 2009 p14588 Deng N Q, Zh

27、ao B S, Sheng L Z, Yan Q R, Yang H,Liu D 2013 Acta Phys. Sin. 62 060705 (in Chinese) 邓宁勤,赵宝升,盛立志,鄢秋荣,杨颢,刘舵2013物理学报62 0607059 Ma X F, Zhao B S, Sheng L Z, Liu Y A, Liu D, Deng NQ 2014 Acta Phys. Sin. 63 106701 (in Chinese) 马晓飞,赵宝升,盛立志,刘永安,刘舵,邓宁勤2014物理学报6310670110 Sheng L Z, Zhao B S, Liu Y A 2015 Pro

28、c. SPIE 920792071611 Yang Q, Ge L Q, Gu Y, Hua Y T, Luo Y Y 2013 Spec-troscopy and Spectral Analysis 33 1130 (in Chinese) 杨强,葛良全,谷懿,花永涛,罗耀耀2013光谱学与光谱分析33 113012 Piniese(translated by He L) 1963 Fine-Focus X-RayTube and Its Application in Structural Analysis (Bei-jing: Science Press) pp3032 (in Chine

29、se) 皮涅斯著(何荦译) 1963细聚焦X射线管及其在结构分析中的应用(北京:科学出版社)第3032页13 Liu Z J, Zhang J, Yang G, Cheng Y, Zhou O, Lu J P2006 Rev. Sci. Instrum. 77 054302140703-5物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 14 (2016) 140703Transmission-type miniature micro-beam modulatedX-ray source based on space application Mou Huan1)2)y Li B

30、ao-Quan1)2) Cao Yang1)2)1)(National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)2)(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)( Received 12 April 2016; revised manuscript received 4 May 2016 )AbstractX-ray sources have been extensively penetrated in

31、to all aspects in daily life, such as pharmaceutical analysis, X-ray diagnostics, and radioactive static elimination. Along with the burgeoning eld of deep exploration, all kinds ofX-ray sources are fabricated to meet the needs of space applications. Therefore a design proposal of a transmission-typ

32、eminiature micro-beam modulated X-ray source, in allusion to the space application of X-ray sources, is proposed andits theoretical model is constructed. In contrast with the traditional X-ray sources, a grid electrode is added and threefocusing electrodes are chosen and used. Amplitude modulation a

33、nd pulse modulation of X-rays, by controlling thevoltage value of the grid electrode, are realized. Electrons are restrained to pass when the grid electrode is loaded witha negative voltage and no X-ray photons are produced. When loaded with a positive voltage, the grid electrode letselectrons get t

34、hrough and nally reaches up to the anode electrode. Three focusing electrodes, meanwhile, are used tomake the electron beam converge and nally focus on the anode target. The thickness of the transmission-type targetmaterial is considerable, considering it to be a key parameter inuencing the conversi

35、on eciency of X-rays. If the targetthickness is too thin, only a part of electrons can convert into X-ray. On the contrary, when the target thickness is toothick, the produced X-ray intensity is low too. That is because some X-ray photons are absorbed by the anode targetmaterial even though all of t

36、he electrons convert into X-ray. And the optimum target thickness, in dierent anode voltagevalues and dierent target materials, is simulated using charged particle optical simulation software, and the results arepresented in a table. In addition, the inuence of grid voltage value on electron beam tr

37、ajectory is also taken intoaccount and nally a 150- m-diameter focusing spot is obtained. The prototype model is fabricated via coating lm onthe anode and the single-step brazing process in a vacuum furnace. After the test platform is set up, the spectrum featureof tungsten target is attained. And i

38、t is analyzed that the X-ray intensity is related to the grid electrode voltage value.The feasibility of grid amplitude modulation and grid pulse modulation are veried in the end. As a multifunctionalmodulated X-ray source, it will have more important scientic signicance and space application prospe

39、cts, and be usedin inter-satellite X-ray communication, ionization blackout area communication, planetary science, pulsar simulation andsingle event eect simulation of space radiation environment.Keywords: miniature micro-beam, transmission-type, modulated X-ray sourcePACS: 07.85.Fv, 52.38.Ph, 42.79.Sz, 41.50.+h DOI: 10.7498/aps.65.140703* Project supported by the Strategic Pilot Projects in Space Science of Chinese Academy of Sciences (Grant No.XDA04060900). Corresponding author. E-mail: 140703-6