CN108922842A - 基于微通道板的可调制x射线产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微通道板的可调制X射线产生装置及方法，包括光阴极、微通道板、栅网电极、阳极靶、真空***及高压电源；微通道板的前板和背板提供偏转电压；栅网电极为两个，微通道板的背板与其中一个栅网电极形成无场区，栅网电极与另一个栅网电极构成均匀电场；阳极靶用于使经过均匀电场加速的电子轰击后产生X射线；光阴极、微通道板、栅网电极及阳极靶设置在真空***中，高压电源为微通道板、栅网电极及阳极靶供电，通过调节偏转电压、均匀电场及阳极靶的电压实现X射线的调制。本发明能够产生大动态范围、光子流密度均匀的大面阵可调制X射线。

Description

基于微通道板的可调制X射线产生装置及方法

技术领域

本发明涉及精密光机电、航空航天技术领域，具体涉及一种基于微通道板的可调制X射线产生装置。

背景技术

在X射线单光子符合测量技术研究中，通过多路位置敏感X射线单光子探测器对X射线进行高精度时间和位置同时测量。为了测试标定这类X射线单光子探测器的性能指标，要求测试标定设备具备大动态范围、高时间分辨、光子流密度均匀的大面阵X射线辐射的能力。

为在地面实验室中测试和标定多路位置敏感X射线单光子探测器的技术指标，验证多路位置敏感X射线单光子探测器的关键技术，试验验证X射线单光子符合测量技术的可行性，评价X射线光子强度关联方法的合理性，需要在实验室对X射线信号进行模拟，产生大面积的强度调制的X射线信号。

在所有的X射线产生方法中，采用电子打靶方式的X射线产生装置具有结构简单、体积小的特点，并且造价也最低，是常用的X射线产生方法。

传统的X射线产生方法采用热阴极作为电子发射源，将灯丝阴极加热至高温时，电子获得大于表面势垒的动能而逸出，在高压电场的作用下轰击阳极靶产生X射线。为了产生调制的X射线信号，通常可采用机械调制或栅极调制两种X射线强度调制方式。机械调制方式利用调制盘来实现X射线强度的调制，可实现的输出脉冲频率范围及其稳定度有限，并且时间分辨率也很差；栅极调制方式是在传统的阴极、阳极X射线管的基础上，增加调制栅极对轰击金属靶的电子数目进行控制，可实现稳定性较高的脉冲调制X射线，然而其输出功率与调制电压并非线性关系，并且时间分辨率也不够好，X射线辐照面积以及均匀性较差。这两种调制方式都不适用于产生大动态范围、高时间分辨、光子流密度均匀的大面阵X射线辐射。

另外还有一种常用的采用光电阴极作为电子发射源的X射线产生方法，由于光阴极的量子效率较低，产生的X射线强度有限。目前可通过采用多碱光阴极提高量子效率，但是该类光阴极的寿命较短，且需要超高真空封装，不能暴露空气，一般不可更换，也不适用于产生大面阵的X射线辐射。

在多路位置敏感X射线单光子探测器地面测试标定试验中，多路位置敏感X射线单光子探测器的直径为50cm，时间分辨率为40ns，能量探测范围为0.3-1.5keV，并且能够对X射线的位置和时间进行同时测量，基于传统灯丝阴极或光电阴极的X射线产生方法很难产生如此大动态范围、高时间分辨、光子流密度均匀的大面积X射线辐射。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于微通道板的可调制X射线产生装置及方法，能够产生大动态范围、光子流密度均匀的大面阵可调制X射线。

本发明的具体实施方案如下：

基于微通道板的可调制X射线产生装置，所述装置包括光阴极、微通道板、栅网电极、阳极靶、真空***及高压电源；

所述微通道板的前板和背板提供偏转电压，用于使光电阴极产生的电子进行多次倍增；

所述栅网电极为两个，微通道板的背板与其中一个栅网电极形成无场区，所述栅网电极与另一个栅网电极构成均匀电场；

所述阳极靶用于使经过均匀电场加速的电子轰击后产生X射线；

所述光阴极、微通道板、栅网电极及阳极靶设置在真空***中，所述高压电源为微通道板、栅网电极及阳极靶供电，通过调节所述偏转电压、均匀电场及阳极靶的电压实现X射线的调制。

进一步地，所述真空***还包括独立的真空腔体和真空阀，光阴极、微通道板、栅网电极及阳极靶设置在所述真空腔体中，在X射线的出射方向设置真空阀，真空阀将真空腔体和真空***连通。

进一步地，所述高压电源采用电阻分压供电。

进一步地，两个栅网电极为两个平行板。

进一步地，所述光阴极采用多碱光阴极。

基于微通道板的可调制X射线产生方法，所述方法为光阴极受激光照射产生电子，通过调节微通道板的偏转电压来控制电子的倍增系数，进行多次电子倍增输出二次电子，所述二次电子经过无场区后进入加速区，加速的二次电子轰击阳极靶产生X射线。

进一步地，所述加速区的形成方式为：通过在两个栅网电极上施加电压形成压差实现，所述两个栅网电极为两个平行板。

进一步地，所述阳极靶与二次电子的入射方向呈45°。

有益效果：

1、本发明的微通道板是一种大面积的电子倍增器件，它利用二次电子发射特性，可使光电阴极产生的光电子进行多次倍增，最终达到千倍以上的电子束流，再轰击阳极靶面即可产生大动态范围、高时间分辨、光子流密度均匀的大面阵X射线辐射，适于对多路位置敏感X射线单光子探测器进行地面测试标定。采用光电阴极级联微通道板作为电子发射源，光电阴极产生光电子，经微通道板倍增后的电子与微通道板的面积相当，通过控制微通道板两端的高压，实现电子束流强度的大范围变化，通过控制均匀电场来控制X射线能量的大范围变化，实现X射线的可调制。

2、本发明采用开放、独立的真空腔体，通过真空阀的设计使X射线模拟源一直保持在较好的真空环境中，提高光阴极和微通道板的使用寿命，并且便于更换光阴极和微通道板；而且，替代铍窗的设计可使能量低于1keV的X射线也能出射。

3、本发明采用多碱光阴极能够产生调制的光电子，光响应时间在fs量级。

4、本发明采用两个平行板作为栅网电极，使得加速后出射的电子密度更加均匀。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

其中，1-光阴极，2-微通道板，3-栅网电极Ⅰ，4-栅网电极Ⅱ，5-阳极靶，6-真空阀。

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。

本发明提供了一种基于微通道板的可调制X射线产生装置，该产生装置包括光阴极1、微通道板2、栅网电极、阳极靶5、真空***及高压电源，如图1所示。

光阴极1：采用多碱光阴极，用于产生调制的光电子，该材料的量子效率极高，时间响应极快，能够满足可调制X射线模拟源的需求。

微通道板2：一种大面阵的电子倍增器，在微通道板2的每个通道的内壁上都涂有一种能发射次级电子的半导体材料，当给微通道板2加了一定电压后，就会在每个通道中产生一个均匀的电场。这个电场是轴向的，能使进入电场的光子或电子与壁碰撞的时候能产生次级电子，并且在轴向电场的作用下次级电子被加速，这样次级电子碰到壁上又会产生更多的新的次级电子。因此，通过对微通道板2偏压的控制，可实现X射线光子流密度的调节。

栅网电极：采用两个平行板，分别为栅网电极Ⅰ3和栅网电极Ⅱ4，栅网电极Ⅰ3与微通道板2背板等电位，使倍增电子自由漂移，形成均匀的发散的电子束斑，即无场漂移区。采用二次电子发射率较低且通过率高达99％以上的金网作为栅网，既能够形成均匀的电场区，又能有效地屏蔽高压渗透和避免二次粒子的产生。栅网电极Ⅰ3和栅网电极Ⅱ4构成均匀电场区，即加速区，电子被加速至所需的能量后出射。

阳极靶5：选用Mo靶，在高速电子的轰击下产生0～15keV的X射线，阳极靶5与二次电子的入射方向呈45°，使得产生的X射线以最大强度方向出射。

真空***：为X射线模拟源的光阴极1、微通道板2、阳极靶5等提供工作的真空环境，包括独立的真空腔体和真空阀，光阴极、微通道板、栅网电极及阳极靶设置在真空腔体中，在X射线的出射方向设置真空阀6，真空阀6将真空腔体和真空***连通。使用时打开真空阀6，使能量低于1keV的X射线也能出射，使用完毕时关闭真空阀6，存储产生的X射线。

高压电源：为微通道板2背板、栅网电极Ⅱ4及阳极靶5高压供电，并通过电阻分压给微通道板2前板、栅网电极Ⅰ3等进行供电。

可调制X射线产生方法为，打开真空阀6，光阴极1受激光照射产生光电子，并通过接地的电流计监测光阴极1的电流，在微通道板2两端分别加300V和1000V左右的高压，栅网电极Ⅰ3和栅网电极Ⅱ4分别加载1000V和10k V左右的高压，使光电子先加速轰击微通道板2，进行多次电子倍增，微通道板2输出的二次电子经过无场区的漂移后进入栅网电极Ⅰ3和栅网电极Ⅱ4之间的加速区，最后加速的电子轰击阳极靶5产生大面积的X射线。

根据监测的电流计大小，调节激光来控制光电子的产生；通过调节微通道板2的偏转电压来控制光电子的倍增系数；通过微通道板2背板和栅网电极Ⅰ3等电位形成无场区，使倍增电子自由漂移，实现电子束团的均匀大面阵特性；通过调节栅网电极Ⅰ3和栅网电极Ⅱ4的压差来控制X射线的能量。光电子经微通道板2倍增后以较小的能量出射，在等电位的漂移区发散后，形成均匀的面阵电子束流，再经加速电极加速至期望的能量值，最后高能的电子轰击阳极靶5产生调制的面阵X射线，实现X射线的可调制。

使用完毕，关闭真空阀6，存储X射线。

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 (8)

1.基于微通道板的可调制X射线产生装置，其特征在于，所述装置包括光阴极、微通道板、栅网电极、阳极靶、真空***及高压电源；

所述微通道板的前板和背板提供偏转电压，用于使光电阴极产生的电子进行多次倍增；

所述栅网电极为两个，微通道板的背板与其中一个栅网电极形成无场区，所述栅网电极与另一个栅网电极构成均匀电场；

所述阳极靶用于使经过均匀电场加速的电子轰击后产生X射线；

所述光阴极、微通道板、栅网电极及阳极靶设置在真空***中，所述高压电源为微通道板、栅网电极及阳极靶供电，通过调节所述偏转电压、均匀电场及阳极靶的电压实现X射线的调制。

2.如权利要求1所述的基于微通道板的可调制X射线产生装置，其特征在于，所述真空***还包括独立的真空腔体和真空阀，光阴极、微通道板、栅网电极及阳极靶设置在所述真空腔体中，在X射线的出射方向设置真空阀，真空阀将真空腔体和真空***连通。

3.如权利要求1所述的基于微通道板的可调制X射线产生装置，其特征在于，所述高压电源采用电阻分压供电。

4.如权利要求1所述的基于微通道板的可调制X射线产生装置，其特征在于，两个栅网电极为两个平行板。

5.如权利要求1所述的基于微通道板的可调制X射线产生装置，其特征在于，所述光阴极采用多碱光阴极。

6.基于微通道板的可调制X射线产生方法，其特征在于，所述方法为光阴极受激光照射产生电子，通过调节微通道板的偏转电压来控制电子的倍增系数，进行多次电子倍增输出二次电子，所述二次电子经过无场区后进入加速区，加速的二次电子轰击阳极靶产生X射线。

7.如权利要求6所述的基于微通道板的可调制X射线产生方法，其特征在于，所述加速区的形成方式为：通过在两个栅网电极上施加电压形成压差实现，所述两个栅网电极为两个平行板。

8.如权利要求6所述的基于微通道板的可调制X射线产生方法，其特征在于，所述阳极靶与二次电子的入射方向呈45°。