一種x射線脈沖探測器測試標定光源的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種X射線脈沖探測器測試標定光源的方法及裝置。包括包括X射線脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)及標準探測器標定系統(tǒng)；上述X射線脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)生成X射線脈沖經(jīng)標準探測器標定系統(tǒng)測試標定光源。本發(fā)明提供了一種造價低廉、設(shè)備精巧、科學(xué)合理、參數(shù)量化、性能穩(wěn)定的X射線脈沖探測器測試標定光源的方法及裝置。
【專利說明】一種X射線脈沖探測器測試標定光源的方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種X射線脈沖探測器，尤其涉及一種X射線脈沖探測器測試標定光源的方法及裝置。
[0002]可用于X射線脈沖探測器性能的測試標定，包括X射線光子的探測、光子到達時間的確定、脈沖輪廓的累積、探測器能量響應(yīng)及靈敏度等指標的標定等。該方法及裝置是持續(xù)深入開展X射線脈沖星導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究及其工程實驗的基礎(chǔ)，同時未來可擴展至其它空間應(yīng)用領(lǐng)域研究和工程實驗。

【背景技術(shù)】
[0003]基于X射線脈沖星的自主導(dǎo)航是一種全新的前沿性技術(shù)，需要對其可行性和有效性進行全面驗證和評估。在進行X射線脈沖星導(dǎo)航空間搭載試驗和未來脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用之前，為了研究X射線脈沖星導(dǎo)航的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，如X射線空間探測器的標定、脈沖相位的測量、脈沖到達時間的確定、導(dǎo)航算法的驗證等，必須在地面構(gòu)建實驗裝置，搭建實驗系統(tǒng)，將空間試驗所要進行的X射線光子的探測、光子到達時間的確定、脈沖輪廓的累積、定位精度的計算以及軌道控制等在地面均進行相關(guān)研究和實驗。地面模擬實驗是衛(wèi)星導(dǎo)航研究的必要手段，相比于搭載實驗，具有周期短、風(fēng)險低、成本低等優(yōu)勢，可以為脈沖星導(dǎo)航探測器的研究及方案選擇、性能比較，導(dǎo)航算法的研究及算法優(yōu)劣的評估等提供測試分析平臺，促進脈沖星導(dǎo)航的理論和實驗的整體提升?？臻gX射線探測器對不同參數(shù)脈沖的響應(yīng)性能是評價探測器的重要指標，脈沖星時間相位模型、導(dǎo)航定位算法對不同脈沖星參數(shù)的計算誤差，與脈沖星自主導(dǎo)航的授時精度及定軌精度有密切的關(guān)系，因而必須首先建立X射線脈沖探測器測試標定光源。
[0004]中科院西安光機所盛立志等人發(fā)明了 “一種用于X射線脈沖星導(dǎo)航的地面模擬方法及裝置”(ZL201010140837.8)，該裝置采用光學(xué)斬波器的方法產(chǎn)生脈沖X射線。該方法簡單易行但存在不足，已在發(fā)明專利“一種任意波形X射線發(fā)生裝置及產(chǎn)生方法” (201210087972.X)中進行了闡述和分析，并提出了高穩(wěn)定任意波形X射線產(chǎn)生方法，為脈沖星導(dǎo)航地面模擬系統(tǒng)提供模擬光源。但該方法產(chǎn)生的X射線能譜與X射線管采用的陽極靶材和所加載的高壓有關(guān)，或為該靶材的特征譜，或為連續(xù)譜，因而無法實現(xiàn)對X射線探測器能譜響應(yīng)特性的標定。本發(fā)明克服了以上不足，可以產(chǎn)生任意脈沖形狀的單能X射線光子流，以進行X射線脈沖探測器性能的測試標定。持續(xù)深入開展X射線脈沖星導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究及其工程實驗，解決現(xiàn)有X射線脈沖探測器測試標定光源的問題，本發(fā)明的目的是提供一種X射線脈沖探測器測試標定光源的方法及裝置，


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決【背景技術(shù)】中所存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種X射線脈沖探測器測試標定光源實施方法及裝置。有效的克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，實現(xiàn)X射線脈沖探測器的測
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種X射線脈沖探測器測試標定光源的裝置，其特殊之處在于:包括X射線脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)及標準探測器標定系統(tǒng)；上述X射線脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)生成X射線脈沖經(jīng)標準探測器標定系統(tǒng)測試標定光源；
[0007]上述X射線脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)包括沿脈沖路徑上依次設(shè)置的柵控電子學(xué)系統(tǒng)、柵控X射線管、單能X射線產(chǎn)生腔室；還包括用于提供電源的電源系統(tǒng)；上述X射線脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)當柵控電子學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生直流電信號時，整個光源系統(tǒng)工作于直流模式；當柵控電子學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖信號時，整個光源系統(tǒng)工作于脈沖模式；上述柵控X射線管與單能X射線產(chǎn)生腔室通過光闌連接；
[0008]上述柵控電子學(xué)系統(tǒng)包括用于提供高穩(wěn)定度的時鐘信號的時鐘模塊、用于存儲產(chǎn)生的脈沖信號的數(shù)據(jù)的存儲模塊和用于產(chǎn)生電脈沖信號的波形產(chǎn)生模塊；上述時鐘模塊分別與存儲模塊和波形產(chǎn)生模塊相連，提供系統(tǒng)時鐘；存儲模塊和波形產(chǎn)生模塊相連，為波形產(chǎn)生模塊提供波形數(shù)據(jù)；波形產(chǎn)生模塊的輸出作為柵控電子學(xué)系統(tǒng)的輸出，與柵控X射線管相連；
[0009]上述電源系統(tǒng)包括為柵控電子學(xué)系統(tǒng)供電的柵極電源、為柵控X射線管陰極供電的燈絲電源和為柵控X射線管陽極供電的陽極電源；
[0010]上述單能X射線產(chǎn)生腔室內(nèi)放置多種不同的金屬材料以產(chǎn)生不同能量的X射線；[0011 ] 上述柵控X射線管產(chǎn)生的原級X射線脈沖經(jīng)過光闌后入射至單能X射線產(chǎn)生腔室中，轟擊放置的金屬材料，從而產(chǎn)生該金屬材料的特征X射線譜，通過切換不同的金屬材料可以產(chǎn)生不同能量的X射線脈沖；
[0012]上述標準探測器標定系統(tǒng)包括X射線脈沖路徑上依次設(shè)置的標準探測器、前置放大器、ADC、基于FPGA的數(shù)字脈沖處理及上位機。
[0013]一種X射線脈沖探測器測試標定光源的方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:
[0014]I】單能X射線產(chǎn)生腔室產(chǎn)生的單能X射線脈沖射入標準探測器從而形成與X射線脈沖能量相關(guān)的一定數(shù)量的電子空穴對；
[0015]2】標準探測器內(nèi)部陽極收集所產(chǎn)生的電子，并經(jīng)過前置放大器形成第一級放大；第一級放大后的脈沖信號是一個斜坡脈沖，其上疊加由入射X射線光子所引起的信號，將這一斜坡脈沖進行微分并濾波，就可以將入射光子引起的脈沖信號分離出來；
[0016]3】分離后的脈沖信號經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字信號波形；
[0017]4】數(shù)字信號波形經(jīng)過平滑濾波和整型處理，上述整形處理包括快整形處理和慢整形處理；
[0018]4.1]上述快整形處理對整形后的波形進行閾值甄別，高于一定閾值就認為是一個有效事件，總的光子流量計數(shù)統(tǒng)計增加一個；通過長時間累積探測，可以得到該光源的平均光子流量；
[0019]4.2]上述慢整形處理對整形后的波形進行峰值檢測，以得到脈沖幅值，該幅值與入射光子能量成正比，從而可以對該能量下的計數(shù)統(tǒng)計增加一個；
[0020]5】通過長時間累積探測，可以得到各個能量下的計數(shù)統(tǒng)計，從而得到光源的能譜分布；利用經(jīng)過總光子流量和能譜分布標定的這一光源，就可以對其他各種X射線探測器的性能進行比對、標定；
[0021]上述整形處理的脈沖為高斯脈沖或三角波或梯形脈沖；
[0022]上述標準探測器的光子敏感區(qū)正對單能X射線產(chǎn)生腔室所產(chǎn)生的單能X射線脈沖。
[0023]本發(fā)明所具有的有益效果:
[0024]1.本發(fā)明的X射線光源采用一套桌面裝置，可工作于三種工作模式，實現(xiàn)五個實驗功能；
[0025]2.可工作于直流模式，其X射線輻射能量可調(diào)、流量可調(diào)，以滿足對X射線脈沖星探測器能量響應(yīng)及靈敏度等指標的測試標定；可以對聚焦型X射線探測器的聚焦光學(xué)的透過率、聚焦效率等性能進行測試；
[0026]3.可工作于脈沖模式，其輻射脈沖形狀、周期可調(diào)，可用于探測器時間響應(yīng)的測試標定及脈沖輪廓的提取還原和導(dǎo)航算法的驗證；
[0027]4.可工作于對準模式，利用激光二極管進行光源與探測器的對準；
[0028]5.本發(fā)明的X射線脈沖探測器測試標定光源造價低廉、設(shè)備精巧、科學(xué)合理、參數(shù)量化、性能穩(wěn)定；利用該光源組成的X射線脈沖星地面模擬系統(tǒng)，可以作為脈沖星導(dǎo)航探測器研究及方案選擇、性能比較，導(dǎo)航算法研究及算法優(yōu)劣評估等的公共測試分析平臺。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1本發(fā)明的X射線脈沖探測器測試標定光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2本發(fā)明的標準探測器標定方法示意圖；
[0031]其中，1-柵控電子學(xué)系統(tǒng)，2-柵控X射線管，3-電源系統(tǒng)，4-單能X射線產(chǎn)生腔室，5-標準探測器標定系統(tǒng)。

【具體實施方式】
[0032]參見圖1-2，一種X射線脈沖探測器測試標定光源的裝置，包括X射線脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)及標準探測器標定系統(tǒng)5 ；X射線脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)生成X射線脈沖經(jīng)標準探測器標定系統(tǒng)5測試標定光源；X射線脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)包括沿脈沖路徑上依次設(shè)置的柵控電子學(xué)系統(tǒng)1、柵控X射線管2、單能X射線產(chǎn)生腔室4 ;還包括用于提供電源的電源系統(tǒng)3 ；X射線脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)當柵控電子學(xué)系統(tǒng)I產(chǎn)生直流電信號時，整個光源系統(tǒng)工作于直流模式；當柵控電子學(xué)系統(tǒng)I產(chǎn)生脈沖信號時，整個光源系統(tǒng)工作于脈沖模式；柵控X射線管與單能X射線產(chǎn)生腔室通過光闌連接；柵控電子學(xué)系統(tǒng)I包括用于提供高穩(wěn)定度的時鐘信號的時鐘模塊、用于存儲產(chǎn)生的脈沖信號的數(shù)據(jù)的存儲模塊和用于產(chǎn)生電脈沖信號的波形產(chǎn)生模塊；上述時鐘模塊分別與存儲模塊和波形產(chǎn)生模塊相連，提供系統(tǒng)時鐘；存儲模塊和波形產(chǎn)生模塊相連，為波形產(chǎn)生模塊提供波形數(shù)據(jù)；波形產(chǎn)生模塊的輸出作為柵控電子學(xué)系統(tǒng)的輸出，與柵控X射線管相連；電源系統(tǒng)3包括為柵控電子學(xué)系統(tǒng)I供電的柵極電源、為柵控X射線管2陰極供電的燈絲電源和為柵控X射線管2陽極供電的陽極電源；單能X射線產(chǎn)生腔室4內(nèi)放置多種不同的金屬材料以產(chǎn)生不同能量的X射線；柵控X射線管2產(chǎn)生的原級X射線脈沖經(jīng)過光闌后入射至單能X射線產(chǎn)生腔室4中，轟擊放置的金屬材料，從而產(chǎn)生該金屬材料的特征X射線譜，通過切換不同的金屬材料可以產(chǎn)生不同能量的X射線脈沖；標準探測器標定系統(tǒng)5包括X射線脈沖路徑上依次設(shè)置的標準探測器、前置放大器、ADC、基于FPGA的數(shù)字脈沖處理及上位機。
[0033]一種X射線脈沖探測器測試標定光源的方法，包括以下步驟:
[0034]I】單能X射線產(chǎn)生腔室產(chǎn)生的單能X射線脈沖射入標準探測器從而形成與X射線脈沖能量相關(guān)的一定數(shù)量的電子空穴對；
[0035]2】標準探測器內(nèi)部陽極收集所產(chǎn)生的電子，并經(jīng)過前置放大器形成第一級放大；第一級放大后的脈沖信號是一個斜坡脈沖，其上疊加由入射X射線光子所引起的信號，將這一斜坡脈沖進行微分并濾波，就可以將入射光子引起的脈沖信號分離出來；
[0036]3】分離后的脈沖信號經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字信號波形；
[0037]4】數(shù)字信號波形經(jīng)過平滑濾波和整型處理，上述整形處理包括快整形處理和慢整形處理；
[0038]4.1]上述快整形處理對整形后的波形進行閾值甄別，高于一定閾值就認為是一個有效事件，總的光子流量計數(shù)統(tǒng)計增加一個；通過長時間累積探測，可以得到該光源的平均光子流量；
[0039]4.2]上述慢整形處理對整形后的波形進行峰值檢測，以得到脈沖幅值，該幅值與入射光子能量成正比，從而可以對該能量下的計數(shù)統(tǒng)計增加一個；
[0040]5】通過長時間累積探測，可以得到各個能量下的計數(shù)統(tǒng)計，從而得到光源的能譜分布；利用經(jīng)過總光子流量和能譜分布標定的這一光源，就可以對其他各種X射線探測器的性能進行比對、標定；
[0041]上述整形處理的脈沖為高斯脈沖或三角波或梯形脈沖；
[0042]上述標準探測器的光子敏感區(qū)正對單能X射線產(chǎn)生腔室所產(chǎn)生的單能X射線脈沖。
[0043]為了進行X射線探測器的測試標定，需要獲得能量已知的X射線，而采用分光晶體方法來獲得準單色X射線，技術(shù)難度大，成本高，裝置體積龐大，本發(fā)明采用二次靶熒光射線的方法來獲得準單能X射線，以用于探測器標定。X射線標準光源裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包含五個組成部分:柵控X射線管、柵控電子學(xué)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、單能X射線產(chǎn)生腔室和標準探測器標定系統(tǒng)。
[0044]柵控X射線管依據(jù)所加載的柵極電脈沖信號而產(chǎn)生相應(yīng)形狀的X射線脈沖，以此作為原級X射線，轟擊不同的金屬靶材，產(chǎn)生其特征X射線一具有固定的能譜，該特征X射線同時具有單能特性和脈沖特性，因而可以用來對探測器進行測試標定。柵控電子學(xué)系統(tǒng)包括時鐘系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)和波形產(chǎn)生系統(tǒng)，時鐘系統(tǒng)用來提供高穩(wěn)定度的時鐘信號，存儲系統(tǒng)存儲要產(chǎn)生的脈沖信號的數(shù)據(jù)，波形產(chǎn)生系統(tǒng)通過頻率合成的方式，依據(jù)存儲系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，產(chǎn)生相應(yīng)的電脈沖信號，該電脈沖信號隨即加載至柵控X射線管的柵極，通過對電子流的控制而產(chǎn)生與加載電脈沖信號形狀一致的X射線脈沖，稱為原級X射線脈沖。柵控X射線管的詳細工作機理及過程參見發(fā)明專利“一種任意波形X射線發(fā)生裝置及產(chǎn)生方法”(申請?zhí)?201210087972.X)。該X射線脈沖的能譜為X射線管陽極材料的特征譜。當柵控電子學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生直流電信號時，整個光源系統(tǒng)工作于直流模式，當柵控電子學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖信號時，整個光源系統(tǒng)工作于脈沖模式。電源系統(tǒng)包括為柵控電子學(xué)系統(tǒng)供電的柵極電源、為柵控X射線管陰極供電的燈絲電源和為柵控X射線管陽極供電的陽極電源。為了保證柵控X射線管產(chǎn)生的X射線光子的流量穩(wěn)定，燈絲電源和陽極電源之間增加反饋，以消除由于長時間使用燈絲發(fā)熱所引起的光子流量增大的影響。單能X射線產(chǎn)生腔室內(nèi)放置多種不同的金屬材料，由柵控X射線管產(chǎn)生的原級X射線脈沖經(jīng)過光闌后入射至單能X射線產(chǎn)生腔室中，轟擊放置的金屬材料，從而產(chǎn)生該金屬材料的特征X射線譜，通過切換不同的金屬材料可以產(chǎn)生不同能量的X射線脈沖，從而對探測器的能譜響應(yīng)進行測試。在單能X射線產(chǎn)生腔室中還放置一可見光激光二極管，與金屬材料的放置位置一樣，其出光口與轟擊金屬材料產(chǎn)生X射線的軸線相同，通過切換至激光二極管，可以得到激光照射探測器的位置，該位置也就是單能X射線脈沖照射探測器的中心位置，用以實現(xiàn)光源與探測器的對準。標準探測器標定系統(tǒng)包括SDD探測器及其配套電子學(xué)。
[0045]方法:SDD探測器對單能X射線產(chǎn)生腔室產(chǎn)生的單能X射線脈沖進行探測，其輸出的原始信號經(jīng)過前置放大和信號數(shù)字化后分別送入兩個不同的通道:快整形通道和慢整形通道。快整形通道其整形時間短，主要用來進行光子信號計數(shù)率的測量，以獲得所產(chǎn)生的單能X射線脈沖的光子流量的統(tǒng)計；慢整形通道整形時間較長，通過對整形后的高斯脈沖進行峰值檢測，可以準確得到脈沖的幅值，該幅值與SDD探測器輸出的原始信號成正比，從而與入射光子能量成正比，長時間累積測量即可得到X射線光源的能譜分布。通過標準探測器標定系統(tǒng)即可實現(xiàn)對光源的標定，經(jīng)過標定的光源可以用來測試其他各種X射線探測器的性能。
【權(quán)利要求】
1.一種X射線脈沖探測器測試標定光源的裝置，其特征在于:包括X射線脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)及標準探測器標定系統(tǒng)；所述X射線脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)生成X射線脈沖經(jīng)標準探測器標定系統(tǒng)測試標定光源； 所述X射線脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)包括沿脈沖路徑上依次設(shè)置的柵控電子學(xué)系統(tǒng)、柵控X射線管、單能X射線產(chǎn)生腔室；還包括用于提供電源的電源系統(tǒng)；所述X射線脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)當柵控電子學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生直流電信號時，整個光源系統(tǒng)工作于直流模式；當柵控電子學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖信號時，整個光源系統(tǒng)工作于脈沖模式；所述柵控X射線管與單能X射線產(chǎn)生腔室通過光闌連接； 所述柵控電子學(xué)系統(tǒng)包括用于提供高穩(wěn)定度的時鐘信號的時鐘模塊、用于存儲產(chǎn)生的脈沖信號的數(shù)據(jù)的存儲模塊和用于產(chǎn)生電脈沖信號的波形產(chǎn)生模塊；所述時鐘模塊分別與存儲模塊和波形產(chǎn)生模塊相連，提供系統(tǒng)時鐘；存儲模塊和波形產(chǎn)生模塊相連，為波形產(chǎn)生模塊提供波形數(shù)據(jù)；波形產(chǎn)生模塊的輸出作為柵控電子學(xué)系統(tǒng)的輸出，與柵控X射線管相連； 所述電源系統(tǒng)包括為柵控電子學(xué)系統(tǒng)供電的柵極電源、為柵控X射線管陰極供電的燈絲電源和為柵控X射線管陽極供電的陽極電源； 所述單能X射線產(chǎn)生腔室內(nèi)放置多種不同的金屬材料以產(chǎn)生不同能量的X射線； 所述柵控X射線管產(chǎn)生的原級X射線脈沖經(jīng)過光闌后入射至單能X射線產(chǎn)生腔室中，轟擊放置的金屬材料，從而產(chǎn)生該金屬材料的特征X射線譜，通過切換不同的金屬材料可以產(chǎn)生不同能量的X射線脈沖； 所述標準探測器標定系統(tǒng)包括X射線脈沖路徑上依次設(shè)置的標準探測器、前置放大器、ADC、基于FPGA的數(shù)字脈沖處理及上位機。
2.一種X射線脈沖探測器測試標定光源的方法，其特征在于:包括以下步驟: I】單能X射線產(chǎn)生腔室產(chǎn)生的單能X射線脈沖射入標準探測器從而形成與X射線脈沖能量相關(guān)的一定數(shù)量的電子空穴對； 2】標準探測器內(nèi)部陽極收集所產(chǎn)生的電子，并經(jīng)過前置放大器形成第一級放大；第一級放大后的脈沖信號是一個斜坡脈沖，其上疊加由入射X射線光子所引起的信號，將這一斜坡脈沖進行微分并濾波，就可以將入射光子引起的脈沖信號分離出來； 3】分離后的脈沖信號經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字信號波形； 4】數(shù)字信號波形經(jīng)過平滑濾波和整型處理，所述整形處理包括快整形處理和慢整形處理； 4.1]所述快整形處理對整形后的波形進行閾值甄別，高于一定閾值就認為是一個有效事件，總的光子流量計數(shù)統(tǒng)計增加一個；通過長時間累積探測，可以得到該光源的平均光子流量； 4.2]所述慢整形處理對整形后的波形進行峰值檢測，以得到脈沖幅值，該幅值與入射光子能量成正比，從而可以對該能量下的計數(shù)統(tǒng)計增加一個； 5】通過長時間累積探測，可以得到各個能量下的計數(shù)統(tǒng)計，從而得到光源的能譜分布；利用經(jīng)過總光子流量和能譜分布標定的這一光源，就可以對其他各種X射線探測器的性能進行比對、標定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種X射線脈沖探測器測試標定光源的方法，其特征在于:所述整形處理的脈沖為高斯脈沖或三角波或梯形脈沖。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種X射線脈沖探測器測試標定光源的方法，其特征在于:所述標準探測器的光子敏感區(qū)正對單能X射線產(chǎn)生腔室所產(chǎn)生的單能X射線脈沖。
【文檔編號】G01C25/00GK104165639SQ201410387435
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月7日
【發(fā)明者】盛立志, 劉永安, 陳琛, 周雁楠, 趙寶升, 代錦飛, 李林森 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所