龙虾眼X射线光学器件有效面积模拟仿真及测试

龙虾眼X射线聚焦望远镜是未来X射线空间天文观测的重要设备之一,这种设备将成为在各种太阳风条件下研究地球空间环境的有力工具。针对龙虾眼型X射线微孔光学器件有效面积的设计与仿真工作,研究了结构参数与几何收集面积的关系,并基于菲涅耳公式计算了不同膜层材料和表面粗糙度对X射线反射率的影响。利用X射线束流测试设备并采用单光子采集模式完成了有效面积X射线的性能测试。结果表明,龙虾眼型光学器件的有效面积主要由膜层材料与内壁粗糙度共同决定,同时沉积Ir膜后在能量为1 keV的情况下有效面积能从2.15 cm²增大至2.47 cm²。     

多层嵌套掠入射光学系统研制及在轨性能评价

X射线掠入射光学系统是我国首颗脉冲星导航试验卫星主载荷聚焦型脉冲星探测器的核心部件,在增大探测面积、提高探测器灵敏度方面发挥着重要作用,实现了国内首次在轨验证.针对脉冲星导航探测X射线光子到达时间的特点,开展了基于单次抛物面镜反射的掠入射聚焦光学系统设计,通过理论计算与推导,获得了可制造的光学系统反射镜设计参数,光学系统理论有效面积为15.6 cm~2@1 keV,对设计的光学系统进行了聚焦性能仿真,全视场范围内均满足探测器聚焦要求,开展电铸镍复制工艺研究,完成了芯轴的超精密控形加工,在此基础上制造了4层金属反射镜,利用北京同步辐射4B7B光束线测试了各层反射镜的反射率,基于实测反射率的光学系统有效面积为13.2 cm~2@1 keV.最后基于在轨观测数据,评价得到光学系统的有效面积为4.22 cm~2@1 keV,分析了地面标定有效面积与在轨评价有效面积存在差别的原因,验证了设计、仿真与制造方法的正确性,为大面积掠入射光学系统的研制奠定了基础.     

爱因斯坦探针后随X射线聚焦镜的粒子污染仿真

X射线聚焦镜是一种对粒子污染物颗粒极其敏感的设备,通常依靠控制地面各流程的污染物积累来限制其影响.本文根据粒子污染物的特点,结合Mie散射理论构建了聚焦镜片上的粒子污染颗粒物与入射X射线光子的相互作用模型.在此基础上,结合蒙特卡罗法进行光线追迹工作,构建出爱因斯坦探针后随X射线聚焦镜的粒子污染仿真程序.通过仿真计算得到入射X射线光子与粒子污染物相互作用时的反应截面与散射角分布函数.这两个量与粒子污染物的尺度相关联,本文将聚焦镜片样本上粒子污染颗粒尺度分布的测量结果进行拟合,得到粒子污染尺度分布.根据上述结果进行仿真计算,得到粒子污染物密度与聚焦镜的有效面积和角分辨的关系,并使用防污染监测数据和爱因斯坦探针后随X射线聚焦镜性能测试数据验证了仿真结果的可靠性.对爱因斯坦探针后随X射线聚焦镜粒子污染的仿真实现了对粒子污染物影响的定量分析,明确了粒子污染物对聚焦镜各方面性能的具体影响,为防污染工作提供了理论支持.     

放疗绝对剂量的数学算法模型

本文提出一种通过物理模型计算放疗过程中每一个组织深度处绝对剂量的算法,它可代替蒙特卡罗仿真的部分工作且耗费时间更少.这个算法是基于对照射野内X射线产生电子的能量注量的积分运算,并考虑了射线的能谱及二次散射线,得到了后向散射对表面剂量的贡献比例,同时得到前向散射、后向散射及原射线剂量贡献的关系.比较了二次光子和二次电子的三维能谱,得出该能谱是粒子注量关于粒子能量和粒子运动方向的函数.为了得到每一深度处的光子注量,计算了有连续能谱的X射线的期望质量衰减系数.上述算法计算得到的绝对剂量与蒙特卡罗方式仿真的结果趋势一致,两者的差异在于算法未考虑高于二次的散射线.最后将算法应用到非均匀模体剂量计算,能准确反映其中剂量分布特点且具有较小的误差.     

Angel型龙虾眼X射线光学器件的研制及性能测试

Angel型龙虾眼X射线光学器件是一种新型X射线聚焦成像器件,具有独特的4π立体角聚焦能力和最佳有效面积-重量比,是未来最具有运用前景的X射线成像光学系统之一。依据龙虾眼的结构特性,采用微通道板方孔阵列制作技术成功研制了龙虾眼光学器件。采用Zygo干涉仪、条纹反射面型仪以及X射线束流检测设备对龙虾眼光学器件球面成型精度和聚焦成像特性进行了测试。测试结果表明:微孔光学器件的球面面型精度均方根为0.72μm,峰谷值为2.27μm,曲率半径约为752.3 mm。在电压为2 kV,电流为50μA条件下,横轴和纵轴的焦斑半峰全宽的直径约为0.39 mm和0.42 mm,对应的成像角分辨率分别为3.65 arcmin和3.93 arcmin。     

阳极杆箍缩二极管产生X射线能谱的模拟计算

采用粒子模拟,得到了阳极杆箍缩二极管阳极钨针上电子的空间分布和入射角分布,分析二极管工作状态得到了电子的能量分布.在此基础上建立阳极杆箍缩二极管的蒙特卡罗模型,模拟得到了阳极杆箍缩二极管的辐射能谱和X射线的平均能量,并与实验结果进行了比较.结果表明:09006炮光子平均能量为0.441 MeV,计算该能谱射线经过不同厚度铅衰减片后的剂量衰减情况,与叠片法PIN探测器所测的实验数据基本一致. 关键词： 阳极杆箍缩二极管 粒子模拟 蒙特卡罗方法 X射线能谱     

光电离过程中Fe靶和V靶特征辐射的角相关研究

在发射角120°—170°的范围内,应用硅漂移探测器以10°为间隔对中心能量为13.1 keV的韧致辐射诱发Fe靶和V靶发射的典型K系X射线光谱进行了测量.得到特征X射线Kα和Kβ的特征谱线,考虑探测器对特征X射线的探测效率、靶对入射光子和出射光子吸收的校准及大气对特征X射线的吸收后,结果显示不同探测角度下Kβ与Kα的强度比为一常数.将本次实验探测角度为150°时的Kβ/Kα强度比值的实验值、理论计算值和Ertuğral的实验结果进行对比,发现实验结果与预期相符.对比不同探测角度下的强度比变化趋势推断特征X射线的角度依赖关系,分析认为Kα和Kβ在探测范围内是各向同性发射的.     

超短脉冲强激光与固体靶相互作用中Kα射线的实验研究

在相对论激光强度下,对p偏振30 fs激光与固体Cu靶相互作用中产生的Kα射线进行了实验研究.采用刀边成像技术和单光子计数X射线CCD相结合的探测装置,在单发激光脉冲打靶时同时得到X射线源的尺寸、能谱以及Kα光子的转换效率等多种信息.实验结果与Reich等人的理论计算结果有明显的差异,Kα光子的能量转换效率在激光功率密度为1.6×1018W/cm2的条件下达到最大值7.08×10-6/sr.根据这一结果并结合蒙特卡罗程序,推断出在这一聚焦光强下激光能量转换为前向超热电子的效率约为10%.     

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。     

一种聚焦型X射线探测器在轨性能标定方法

X射线探测器是X射线天文观测及脉冲星导航的核心器件,受发射振动、高能粒子辐射损伤及元器件老化等影响,X射线探测器空间观测性能会逐渐变化,X射线探测器在轨标定有利于观测天体X射线辐射信息的准确获取及精确建模.研究利用了脉冲星辐射能谱标定X射线探测器性能的方法,能较好地消除探测器本底及空间环境噪声的影响,通过处理脉冲星导航试验卫星(XPNAV-1卫星)的Crab脉冲星观测数据,评估了我国首款聚焦型X射线探测器的在轨性能.计算结果表明,XPNAV-1卫星上聚焦型X射线探测器的有效面积在0.6-1.9 keV能段内优于2 cm~2,其中在0.7 keV能量处取得最大值3.06 cm~2,探测效率约10%;有效面积随着探测能量增大而减小,在2—3.5 keV能段内有效面积约为1 cm~2,而大于5 keV能段的有效面积约为0.1 cm~2,且此能段估计精度明显受光子统计误差影响.同时研究了考虑能量响应矩阵的探测器有效面积标定新方法,利用地面性能测试中五个特征能谱处的能量分辨率重构其能量响应矩阵,重新标定了聚焦型X射线探测器有效面积,发现该能量响应矩阵对结果影响较小.最后建议观测某些超新星遗迹监测能量分辨率及能量线性等指标的变化.     

感应读出方式紫外光子计数成像技术的研究

搭建了感应读出方式紫外光子计数成像系统,详细介绍了该系统的组成、工作原理和分辨率性能测试.紫外光经过减光和滤光后入射微通道板,产生的光电子在微通道板内倍增后形成电子云,由呈高阻特性的半导体Ge薄膜收集后,通过电荷耦合感应到Ge膜衬底背面的位敏阳极.阳极输出的信号经过电荷灵敏前置放大器、整形放大器后由计算机进行数据采集和处理,最后得到不同位置的光子计数图像.通过分辨率板,测得了该系统分辨率为150 μm,并通过对比试验和分布式RC网络理论模型分析了Ge膜电阻及其衬底厚度对系统性能的影响.该系统在生物超微 关键词： 光子计数成像 电荷感应 Ge膜 位敏阳极     

Gafchromic® film dosimetry for low energy X radiation

Recent developments have produced low energy X ray systems capable of providing a radiation dose to adequate volumes suitable for sterile inset programmes. To support the adoption of these new systems, the performance of the Gafchromic^® HD-810 dosimetry system previously used for gamma irradiation needed to be better understood at the lower photon energies. For low energy photons, the optical density of the irradiated Gafchromic HD-810 film dosimeters significantly depends on the material surrounding them. For example, if paper, Mylar^® or PVC is used to house the dosimeter during irradiation, the optical density can vary by as much as a factor of three or more for the same dose. This paper is an attempt to elucidate the performance of the Gafchromic HD-810 film dosimeters for such low energy X radiation (∼150 keV). Our data show that this behaviour can be explained by the fact that these materials have significantly different photon mass attenuation coefficient. This conclusion was reinforced with mathematical simulation using Monte Carlo modelling. We also show that with the different structure of another Gafchromic film dosimeter (MD-V2-55) this effect is virtually non-existent. An understanding of the behaviour of thin film dosimeters like Gafchromic HD-810 under radiation is crucial for reliable dosimetry. We hope that this work can also provide guidance in the use of other thin film dosimeters at similar low photon energies.     

基于包络线法的多孔阳极氧化铝薄膜光学常数的计算

采用二步阳极氧化法在草酸溶液中制备了多孔阳极氧化铝(PAA)薄膜。借助于扫描电子显微镜(SEM)分析了多孔阳极氧化铝薄膜的微观形貌。结果发现,在其表面孔径为30~40nm的六边形孔洞分布均匀,且垂直于表面平行生长。依据PAA透射光谱的实验数据,采用极值包络线算法计算出了PAA薄膜的复折射率以及光学能隙等光学常数。通过分析吸收系数与入射光子能量之间的关系发现,PAA薄膜具有直接带隙半导体的电子结构特征,而且由理论计算得到的PAA的带隙能与其光致发光谱的峰位能是一致的。     

超导单光子探测器件直流特性研究

超导单光子探测技术是基于超薄超导薄膜的非平衡态热电子效应的一种新型的单光子探测方法。超导单光子探测器(SNSPD)的计数率可达到GHz,时间抖动小于100ps,因而在未来量子通信系统中有着广阔的应用前景。介绍了NbN超导单光子探测器件的工作原理和器件超导性能测试系统;测试了超导单光子探测器件的电阻-温度、电流-电压等特性。并对测试结果进行了分析和讨论。     

Charge-carrier dynamics in polythiophene films studied by in-situ measurement of flash-photolysis time-resolved microwave conductivity (FP-TRMC) and transient optical spectroscopy (TOS)

An in-situ measurement system for flash-photolysis time-resolved microwave conductivity (FP-TRMC) and transient optical spectroscopy (TOS) has been developed to perform simultaneous measurements of photo-induced changes in conductivity and charge-carrier density in an organic thin film. The electric field in the resonant cavity designed for the present system was analysed by electrostatic simulation. Using the present system and the simulated electric field, the photoconductivity and transient absorption in a regioregular poly(3-hexyl thiophene) film were measured using one particular geometry under photon excitation energies of 6.39, 4.98, 3.48, and 2.34?eV. The dynamics of photogenerated charge carriers is discussed in terms of the excitation energy and incident photon intensity. The transient absorption spectrum induced by 3.48?eV light is presented and compared with the TRMC transient.     

上海软X光胶片响应的相对标定

介绍了在同步辐射源上用透射光栅对“上海”软Ｘ光胶片进行相对标定的方法，初步研究了“上海”胶片的特性，得到了在２７６ｅＶ和９３０ｅＶ两能点的胶片黑密度与相对曝光量的关系曲线；应用标定结果。     

非平衡态辐射场能量状态参数的表征

本文提出了非平衡态辐射体系的热力学框架,以光子的能量、光子的有效能、光子的熵、光子的特征温度为基础,把辐射热力学体系分解为边界和辐射场进行描述,给出了非平衡态辐射场中辐射能状态参数的表征式,提出了表征任意指定照射窗口的照射辐射特征温度概念,结合照射辐射强度、照射辐射能量等效温度,表征了辐射场的能量强度、有效能和熵等热力学参数。     

Plasma resonance absorption in interfacial photoemission from very thin silver films on Cu(111)

Very thin silver films deposited on a Cu(111) substrate were studied with the photoemission-into-electrolyte technique. The optical resonance absorption at the silver bulk plasma frequency was observed for films thicker than two monolayers. The correlation between optical absorption and photoemission intensities depends in a complicated fashion on the photon energy as well as the film thickness.     

Controllable scattering of a single photon inside a one-dimensional resonator waveguide

We analyze the coherent transport of a single photon, which propagates in a one-dimensional coupled-resonator waveguide and is scattered by a controllable two-level system located inside one of the resonators of this waveguide. Our approach, which uses discrete coordinates, unifies low and high energy effective theories for single-photon scattering. We show that the controllable two-level system can behave as a quantum switch for the coherent transport of a single photon. This study may inspire new electro-optical single-photon quantum devices. We also suggest an experimental setup based on superconducting transmission line resonators and qubits.