一種龍蝦眼空間x射線探測(cè)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于探測(cè)空間X射線的探測(cè)器，具體涉及一種龍蝦眼空間X射線探測(cè)器，適合于大視場(chǎng)X射線的探測(cè)成像。
【背景技術(shù)】
[0002]X射線是一種具有透射能力的電磁波，同時(shí)也是研究很多物理現(xiàn)象的信息載體。目前，X射線被廣泛應(yīng)用于天文物理研究、醫(yī)療檢測(cè)、材料分析、工業(yè)探傷、安檢等諸多領(lǐng)域。
[0003]在宇宙環(huán)境中存在的大量X射線會(huì)對(duì)衛(wèi)星等航天器的導(dǎo)航產(chǎn)生干擾，收集分析X射線，克服X射線對(duì)于導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾對(duì)于航天器的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。目前發(fā)展的一種新型的X射線脈沖星定位系統(tǒng)就是通過(guò)對(duì)脈沖星發(fā)出的微弱X射線進(jìn)行探測(cè)分析，使航天器擺脫對(duì)人工信標(biāo)的依賴，實(shí)現(xiàn)無(wú)源定位，同時(shí)為航天器提供準(zhǔn)確的位姿和速度信息。
[0004]天體物理研究是宇宙研究的重要內(nèi)容，分析X射線等高能射線是研究天體物理的重要手段。但是，宇宙射線的空間來(lái)源廣，小視場(chǎng)的射線收集分析無(wú)法滿足對(duì)大范圍空間內(nèi)射線進(jìn)行同時(shí)探測(cè)分析的要求，現(xiàn)有的X射線探測(cè)設(shè)備的空間視場(chǎng)很小(視場(chǎng)只有幾度)，因此研制具有視場(chǎng)角> 10°的大視場(chǎng)X射線探測(cè)分析能力的探測(cè)成像裝備對(duì)提高空間X射線研究水平具有重要意義。
[0005]基于龍蝦眼光學(xué)結(jié)構(gòu)的射線探測(cè)器是實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)射線探測(cè)的關(guān)鍵部件，其中一體式弧形框架采用的是球殼結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱，所有的通道沒(méi)有特定的光軸，對(duì)各個(gè)方向的光線具有相同的聚焦能力，具有視場(chǎng)大、分辨率高、聚焦能力強(qiáng)的特點(diǎn)?，F(xiàn)有龍蝦眼光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)器采用的是在圓形硅晶片表面精密刻槽，在硅片表面鍍膜，之后將硅片正交拼接構(gòu)成三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)龍蝦眼光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)器，詳細(xì)見(jiàn)美國(guó)物理光學(xué)公司公開(kāi)號(hào)為CN101287985 A以及湖北久之洋紅外系統(tǒng)有限公司公開(kāi)號(hào)為CN 102288627 A的兩個(gè)專利。
[0006]但是這種組裝結(jié)構(gòu)存在著拼接困難、剛度不足的問(wèn)題，對(duì)光線在其中的反射聚焦有較大影響。探測(cè)到的X射線會(huì)被閃爍材料轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光子，而這些光子群在進(jìn)行傳遞時(shí)，現(xiàn)有的裝置是采用固體纖維光錐將光子耦合到CCD，因此存在著漏光的可能，造成傳遞損失，最終降低對(duì)射線的探測(cè)效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供一種龍蝦眼空間X射線探測(cè)器，解決現(xiàn)有基于龍蝦眼光學(xué)原理的X射線探測(cè)器因采用插片式探測(cè)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)剛度不足問(wèn)題以及光在傳導(dǎo)過(guò)程中的漏光問(wèn)題，以提高探測(cè)器的結(jié)構(gòu)剛度，降低光在耦合傳導(dǎo)過(guò)程中的損失。
[0008]本發(fā)明所提供的一種龍蝦眼空間X射線探測(cè)器，包括弧形框架、閃爍晶體、光導(dǎo)材料和光傳感器陣列，其特征在于:
[0009]所述弧形框架為一體式的球殼體，包括上球面和下球面，所述上球面和下球面的球心相同，上球面半徑大于下球面半徑；
[0010]所述弧形框架上具有多個(gè)沿所述上球面呈圓形或矩形陣列均勻分布的徑向的錐形通孔，各錐形通孔形狀、尺寸完全相同，均為倒置的方棱臺(tái)，各錐形通孔之間的隔壁壁厚相等，各錐形通孔的上孔口位于所述上球面上，各錐形通孔的下孔口位于所述下球面上，且各錐形通孔中心軸線的延長(zhǎng)線交于所述上球面和下球面的公共球心；
[0011]所述各錐形通孔內(nèi)均扦插有閃爍晶體，各閃爍晶體形狀、尺寸完全相同，均為倒置的方棱臺(tái)，所述閃爍晶體完全插入錐形通孔后，閃爍晶體的上底面與錐形通孔的上孔口平齊，閃爍晶體的下底面與錐形通孔的下孔口保持一定距離，其中填充有光導(dǎo)材料；
[0012]所述閃爍晶體應(yīng)經(jīng)過(guò)表面拋光處理；
[0013]所述光傳感器陣列由多個(gè)光電檢測(cè)器排布成陣列構(gòu)成，光傳感器陣列與閃爍晶體間經(jīng)光導(dǎo)材料耦合，光傳感器陣列尺寸大于且完全包絡(luò)各錐形通孔下孔口在下球面的邊緣。
[0014]所述的龍蝦眼空間X射線探測(cè)器，其特征在于:
[0015]當(dāng)所述弧形框架上具有多個(gè)沿所述上球面呈圓形陣列均勻分布的徑向的錐形通孔時(shí)，所述弧形框架的視場(chǎng)角Θ。為10°?120° ;視場(chǎng)角Θ。為處于圓形陣列中距離最大的兩個(gè)錐形通孔最外側(cè)側(cè)壁之間夾角；
[0016]當(dāng)所述弧形框架上具有多個(gè)沿所述上球面呈矩形陣列均勻分布的徑向的錐形通孔時(shí)，所述弧形框架的行視場(chǎng)角Q1SKT?120° ;行視場(chǎng)角Θ 處于矩形陣列中距離最大的兩列錐形通孔中位于同一行的兩個(gè)錐形通孔最外側(cè)側(cè)壁之間夾角；所述弧形框架的列視場(chǎng)角02為10°?120° ;列視場(chǎng)角Θ 2為處于矩形陣列中距離最大的兩行錐形通孔中位于同一列的兩個(gè)錐形通孔最外側(cè)側(cè)壁之間夾角；
[0017]各錐形通孔的錐頂角α為0.1°?3°，錐頂角為錐形通孔的相對(duì)側(cè)面之間夾角；
[0018]所述各錐形通孔深徑比為10?100，所述錐形通孔深徑比為錐形通孔中心軸線的長(zhǎng)度與錐形通孔的上孔口孔徑之比，所述錐形通孔中心軸線長(zhǎng)度為所述弧形框架的上球面和下球面半徑之差；
[0019]各錐形通孔之間的隔壁壁厚為0.1mm?1.5mm。
[0020]所述的龍蝦眼空間X射線探測(cè)器，其特征在于:
[0021]所述閃爍晶體與錐形通孔的形狀相適應(yīng)，所述閃爍晶體的四個(gè)側(cè)面分別經(jīng)過(guò)拋光后鍍有或貼有反射膜，所述反射膜由金屬或有機(jī)高分子材料制備，對(duì)經(jīng)所述閃爍晶體轉(zhuǎn)換成的可見(jiàn)光子具有高反射率；完全插入錐形通孔后，閃爍晶體各側(cè)面與所述錐形通孔內(nèi)壁緊密貼合；所述閃爍晶體的材料為碘化銫、鍺酸鉍、硅酸镥或硅酸釔镥等閃爍材料；
[0022]所述光導(dǎo)材料為液體光導(dǎo)材料或固體光導(dǎo)材料；
[0023]液體光導(dǎo)材料常溫下，應(yīng)具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)毒、光衰減低、低粘度、高光導(dǎo)率(1.5左右)等基本性質(zhì)。
[0024]所述的龍蝦眼空間X射線探測(cè)器，其特征在于:
[0025]所述光傳感器陣列由多個(gè)光電檢測(cè)器排布成多層嵌套的圓形陣列構(gòu)成，包括位于內(nèi)層的第一層光電檢測(cè)器和包圍所述第一層光電檢測(cè)器的多層外層光電檢測(cè)器。
[0026]所述的龍蝦眼空間X射線探測(cè)器，其特征在于:
[0027]所述光傳感器陣列由多個(gè)光電檢測(cè)器排布成NXM矩形陣列構(gòu)成，2 SNS 20，2 ^ 20, N、M均為整數(shù)，各光電檢測(cè)器尺寸規(guī)格相同。
[0028]所述的龍蝦眼空間X射線探測(cè)器，其特征在于:
[0029]所述光電檢測(cè)器為光電倍增管(Photomutiplier Tube，PMT)、硅光電倍增管(Silicon Photomultiplier, SiPM)或雪崩二極管(Avalanche Photo D1de，APD)；
[0030]本發(fā)明對(duì)X射線的探測(cè)過(guò)程可簡(jiǎn)述為:X射線被弧形框架內(nèi)閃爍晶體轉(zhuǎn)換至可見(jiàn)光波段，可見(jiàn)光子經(jīng)反射后由光導(dǎo)材料傳遞至光傳感器陣列，可見(jiàn)光子進(jìn)入光電檢測(cè)器，輸出放大的光電流，完成光信號(hào)至電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。產(chǎn)生的電信號(hào)數(shù)據(jù)可以再經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)送至相連的圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，完成分析成像，輸出X射線分布及強(qiáng)度圖像。
[0031]本發(fā)明的制備包括下述步驟:
[0032]—、弧形框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件和光學(xué)反射等設(shè)計(jì)要求確定弧形框架上球面的半徑R，弧形框架的錐形通孔的上孔口孔徑t，錐形通孔中心軸線長(zhǎng)度L與t的比值(深徑比L/t)，確定弧形框架的下球面半徑r = R-L;確定錐形通孔之間的隔壁壁厚a，確定弧形框架的視場(chǎng)角Θ。，或者弧形框架的行視場(chǎng)角G1、列視場(chǎng)角θ2，錐形通孔的錐頂角α ；
[0033]由Θ。計(jì)算出圓形陣列中距離最大的行或列中的錐形通孔數(shù)目η。= θ Q/a，n。取整數(shù)；
[0034]由Θ i計(jì)算出矩形陣列中行錐形通孔數(shù)目η 1= θ ，ηι取整數(shù)；
[0035]由θ2計(jì)算出矩形陣列中列錐形通孔數(shù)目n 2= Θ整數(shù)；
[0036]二、制作弧形框架坯件:選擇輕質(zhì)高強(qiáng)材料(如鈦合金，高強(qiáng)度工程塑料等)，采用增材制造(3D打印)直接成型制作弧形框架外形；
[0037]或者采用坯料切割出弧形框架整體外形，然后采用激光放電打孔或鉆孔方法，加工出每個(gè)錐形通孔的初始孔道，接著采用激光加工/線切割方法去除單個(gè)錐形通孔的多余材料，直至達(dá)到錐形通孔的尺寸精度；
[0038]三、錐形通孔拋光:采用流體方法對(duì)弧形框架的多個(gè)錐形通孔的內(nèi)壁拋光；
[0039]四、裝配閃爍晶體:將鍍有高反射膜或貼有高反射膜的閃爍晶體與經(jīng)過(guò)拋光的錐形通孔進(jìn)行扦插配合，使得閃爍晶體側(cè)面與錐形通孔內(nèi)壁表面緊密接觸；
[0040]五、填充光導(dǎo)材料:在錐形通孔內(nèi)填充光導(dǎo)材料，使閃爍晶體與傳感器間經(jīng)光導(dǎo)材料相連；將弧形框架連同光電傳感器采用殼體進(jìn)行固定密封。
[0041]本發(fā)明的弧形框架能顯著提高現(xiàn)有的探測(cè)頭框架的剛度，解決拼接困難的問(wèn)題，減小因結(jié)構(gòu)變形對(duì)光線反射的影響，實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)射線探測(cè)。并且，本發(fā)明提出的采用光導(dǎo)材料代替纖維光錐或由其他固體材料制成的光導(dǎo)層，有利于提高檢測(cè)器與光電檢測(cè)器的耦合效率，減小光線的傳播損失，提高探測(cè)器聚焦能力，顯著提高探測(cè)器的性能。同時(shí)，本發(fā)明給出的框架結(jié)構(gòu)的加工制作方法也為其他類似薄壁、深孔、大深