基于超快激光调制的纳秒脉冲X射线发射源

面向基础科学与空间应用研究领域对小型化超快脉冲X射线发射源的需求,设计并研制了基于激光调制光源与光电阴极X射线管的超快脉冲X射线发生器,解决了传统X射线调制发射装置重复频率低、时间稳定性差、脉冲特性差等应用难题.本文主要开展了脉冲X射线发生器的超快调制控制模块研究,并利用基于预调制的激光控制光源实现了高时间精度、高时间稳定度的超快时变光子信号以及纳秒脉冲X射线产生.理论方面,建立了脉冲X射线发生器时间响应模型,分析了出射脉冲X射线的时域时间特性.实验方面,搭建了基于超快闪烁体探测器的脉冲X射线时间特性实验测试系统,测试了激光控制光源及脉冲X射线发射源的时间特性参数.实验结果表明脉冲X射线发生器可同时实现高重频(12.5 MHz)、超快脉冲(4 ns)、高时间稳定度(400 ps)特性,且与所建立的理论模型高度符合.相比于传统X射线调制方案,脉冲时间参数指标得到了大幅提升、应用场景获得了极大拓展,本项研究有望为实现超高时间稳定性、超快脉冲X射线发射源提供新思路.     

高时间稳定性的雪崩光电二极管单光子探测器

雪崩光电二极管单光子探测器是一种具有超高灵敏度的光电探测器件,在远距离激光测距、激光成像和量子通信等领域有非常重要的应用.然而,由于雪崩光电二极管单光子探测器的雪崩点对工作温度高度敏感,因此在外场环境下工作时容易出现增益波动,继而导致单光子探测器输出信号的延时发生漂移,严重降低了探测器的时间稳定性.本文发展了一种稳定输出延时的方法,采用嵌入式系统控制雪崩光电二极管,使其处于恒定温度,并实时补偿由环境温度引起的延时漂移,实现了雪崩光电二极管单光子探测器的高时间稳定性探测.实验中,环境温度从16 ℃变化到36 ℃,雪崩光电二极管的工作温度稳定在15 ℃,经过延时补偿,雪崩光电二极管单光子探测器输出延时漂移小于±1 ps,时间稳定度达到0.15 ps@100 s.这项工作有望为全天候野外条件和空间极端条件下的高精度单光子探测应用提供有效的解决方法.     

X射线脉冲星导航系统导航精度的研究

为提高X射线脉冲星导航系统的导航精度,提出了一种基于低通滤波器的恒比定时方法,以提高X射线脉冲星导航系统中X射线脉冲到达时间的测量精度.通过设计测量方案,对原有的峰值定时方法和改进后的恒比定时系统的定时精度和死时间进行测量.测量结果表明,峰值定时系统的定时精度和死时间分别为18和4750 ns,恒比定时系统的定时精度和死时间分别为0.78和105 ns,与原有的峰值定时系统相比,采用恒比定时系统的定时精度和死时间均得到明显的提高.在X射线脉冲星导航系统中,通过利用这两种不同定时系统来测量X射线光子的到达时间以构造累积脉冲轮廓.实验结果表明,与峰值定时系统相比,采用改进的恒比定时系统获得的累积脉冲轮廓的信噪比得到明显改善,因此,采用恒比定时系统的导航精度可得到提高.     

基于X射线脉冲星导航的地面模拟系统研究

为进行X射线脉冲星导航的关键技术研究,搭建了基于X射线脉冲星导航的地面模拟系统.地面模拟系统由模拟X射线脉冲源、基于微通道板的高灵敏X射线光子探测器、电荷灵敏前放和主放电路、时间测量单元、X射线脉冲轮廓构造及X射线脉冲到达时间测量系统组成.该模拟系统可在地面模拟X射线脉冲星导航的星源的强度、周期及脉冲轮廓,实现对X射线脉冲星单光子到达时间的记录,构造X射线脉冲星脉冲轮廓,计算X射线脉冲到达时间.描述了基于X射线脉冲星导航的地面模拟系统的组成和工作原理,报道了基于X射线脉冲星导航的地面模拟系统的初步结果. 关键词： X射线脉冲星导航 微通道板光子探测器 脉冲轮廓     

量子通信中单光子探测器的实验研究

为了提高单光子探测系统的灵敏度,实验采用InGaAs/InP雪崩光电二极管作为量子通信中的单光子探测器件,以门控脉冲模式实现了更高精度的单光子探测器的偏压生成电路、单光子信号放大电路、单光子信号检测电路和温度控制模块,并通过选用高精度前置放大器OP37和精密比较器AD8561,将量子效率提高到18.3%,暗计数控制小于4.1%×10~(-6)/ns.     

硅雪崩光电二极管单光子探测器

将硅雪崩光电二极管应用于盖革模式下,制作出高量子效率、低噪音、短死时间的单光子探测器.设计并制作了雪崩抑制电路,获得探测器特性参量为无源抑制方式下死时间1μs,有源抑制下60～80ns,输出脉冲宽度15～20ns.并详细检测了探测器直到液氮温度下的特性.观察到一些新现象.     

神龙二号多脉冲X射线剂量测量

神龙二号加速器可以产生三个脉冲宽度约80 ns(FWHM)、脉冲间隔约500 ns的X射线,为了获得每个脉冲X射线剂量,采用康普顿探测器和热释光剂量计相结合的方法进行测量。针对神龙二号加速器X射线能谱分布,采用MCNP程序优化设计康普顿探测器,测量多脉冲X射线信号,获得每个脉冲的剂量比例,应用热释光剂量计测量多脉冲X射线总剂量,由总剂量和剂量比例准确得到每个脉冲X射线剂量,实现神龙二号加速器多脉冲X射线剂量测量。     

高稳定度X射线脉冲星信号模拟

X射线脉冲星导航是一种完全自主的导航方式, 在深空乃至行星际空间具有潜在的工程应用价值.由于空间飞行试验系统复杂, 成本巨大, 在实验室环境下高精度地模拟X射线脉冲星信号对数据处理方法和导航方案的验证具有重要意义. 针对当前机械转盘式模拟系统中时间稳定度和轮廓精度的不足, 提出了一种通过产生的轮廓电压信号直接控制可见光光源, 再利用衰减获得光子流, 最后经单光子探测和处理电路输出光子到达时间序列的模拟新方法.该方法实现成本低, 支持任意X射线脉冲星信号的模拟, 且具有高时间稳定度和轮廓精度. 详细地讨论了该方法的原理和涉及的关键技术, 搭建了X射线脉冲星信号模拟系统, 并进行了实验. 实验结果表明: 该系统大幅提高了X射线脉冲星信号的模拟效果, 将模拟脉冲星自转周期的稳定度从现有的10^-4提高到10^-9; 当探测器面积为1 m², 探测能谱范围为2–10 keV, 积分时间为1200 s时, 模拟的PSR B1509-58 观测脉冲轮廓与标准脉冲轮廓的相关系数达到了0.993. 关键词： X 射线光子信号 时间稳定度 观测脉冲轮廓 导航算法     

用于脉冲星导航的X射线光子计数探测器研究

研制了用于脉冲星导航的X射线光子计数探测器原理样机, 该探测器主要由对X射线灵敏度较高的CsI光电阴极、微通道板电子倍增器和收集阳极组成. 对X射线光子计数探测器灵敏度、时间分辨率和整个系统的死时间进行了测试, 实验结果表明该探测器的灵敏度在5 keV时可达5.2× 10³ A/W, 时间分辨率可达到1.1 ns, 系统整体的死时间为100 ns. 关键词： 脉冲星导航 光子计数探测器 灵敏度 时间分辨率     

相关光子定标的符合测量精度分析

采用355nm连续激光泵浦BBO晶体产生参量下转换效应,搭建了相关光子辐射定标实验装置,使用时间数字转换和时间幅度转换两种符合测量方法进行比对测量,定标了不同光子速率下雪崩光电二极管在737nm波段的探测效率,分析了在高光子计数率下死时间和后脉冲等因素对符合测量选取符合门宽和意外符合的影响,比较了不同光子计数速率的测量结果并分析符合测量的修正因素,修正后两种测量结果的相对偏差优于0.25%.采用时间间隔技术测量了不同光子计数率的后脉冲概率,为提高单光子探测器的计数精度和相关光子定标的精度提供依据.     

高能脉冲X射线能谱测量

给出了高能脉冲X射线能谱测量的基本原理及实验结果.采用Monte-Carlo程序计算了高能光子在能谱仪中每个灵敏单元内的能量沉积,利用能谱仪测量了"强光Ⅰ号"加速器产生的高能脉冲X射线不同衰减程度下的强度,求解得到了具有时间分辨的高能脉冲X射线能谱,时间跨度57ns,时间步长5ns,光子的最高能量3.0MeV,平均能量1.04MeV,能量在0.2—0.9MeV之间的光子数目最多,占46.5%.也利用二极管的电压电流波形理论计算了光子的能谱,并与利用能谱仪测得的能谱进行了比较,两种方法所得结果基本一致.     

基于相关光子的单光子探测器量子效率测量系统

为准确测量近红外波段单光子探测器量子效率,搭建了基于自发参量下转换效应的测量系统.系统利用中心波长为518nm的脉冲激光泵浦周期极化磷酸氧钛钾晶体,通过自发参量下转换过程产生相关光子对,分别测量了Si和InGaAs雪崩光电二极管单光子探测器在778nm和1 550nm波长点的量子效率,并对测量不确定度进行了分析.实验表明,该装置可以测量近红外单光子探测器量子效率参量,测量不确定度均优于1%.     

北京同步辐射装置软X光束线通量谱的绝对测量与计算

在北京同步辐射装置(BSRF)上用全吸收平行板充氙电离室作一级标准探测器,对硅光电二极管(AXUV—100)的效率在光子能量5—6.5keV进行了标定,建立了二级标准探测器;AXUV—100硅光电二极管在50eV-6keV有很好的线性响应,将其在硬X射线波段已标定的效率曲线外推到软X射线波段,并对BSRF3B1A和4B9B光束线在软X射线波段光子通量谱进行了初步地测量,测量结果与理论计算结果较为符合.在3B1A软X光学实验站,利用二级标准探测器对用于惯性约束聚变(ICF)的软X光探测器的灵敏度进行了标定,并取得了满意的结果.     

X射线脉冲星导航半物理仿真实验系统研究

由于费用巨大,X射线脉冲星导航初步研究阶段不可能进行空间搭载实验.为此,文章设计了一种X射线脉冲星导航半物理仿真实验系统.该系统由脉冲星信号模拟部分和导航参数解算部分组成.模拟部分采用非齐次泊松过程对光子到达太阳系质心的时间建模,时间转换后,模拟X射线探测器观测脉冲星时输出的脉冲信号.导航参数解算部分利用Delta-Correction方法解算模拟信号中蕴含的导航信息.该系统可同时模拟4颗脉冲星信号,成本低,精度高,可对脉冲星导航的信号处理和参数解算过程进行光子级仿真研究,并为后续空间搭载实验中原理样机的设计提供一定的参考. 关键词： X射线脉冲星 导航 仿真实验系统 非齐次泊松过程     

门控下InGaAs/InP单光子探测器用于符合测量的时域滤波特性研究

基于砷化镓/磷化铟雪崩光电二极管(InGaAs/InP APD)的半导体单光子探测器因工作在通信波段,且具有体积小、成本低、操作方便等优势,在实用化量子通信技术中发挥了重要作用.为尽可能避免暗计数和后脉冲对单光子探测的影响,InGaAs/InP单光子探测器广泛采用门控技术来快速触发和淬灭雪崩效应,有效门宽通常在纳秒量级.本文研究揭示了门控下单光子探测器可测量的最大符合时间宽度受限于门控脉冲的宽度,理论分析与实验结果良好拟合.该研究表明,门控下InGaAs/InP单光子探测器用于双光子符合测量具有显著的时域滤波特性,限制了其在基于双光子时间关联测量的量子信息技术中的应用.     

一种激光驱动的超短X射线光源

 介绍一种可产生超短脉冲的新型X射线光源。它由多碱光电阴极、金靶及铍输出窗组成。当该X射线管的阴极受到强光照射时,产生光电子发射,并经电场加速后轰击金靶,产生连续谱的X射线轫致辐射,经铍窗输出。用超短的可见光脉冲驱动该光源,并借助X射线扫描相机测量了该管的X射线输出,获得了5ps的X射线脉冲。这种光源可方便地用来标定X射线扫描相机的时间分辨率,此种产生超短电子脉冲的方法也可在其他方面获得应用。     

15～600 keV脉冲硬X射线能谱测量

介绍了基于吸收法的脉冲硬X射线能谱测量的基本原理及设计思路,完成了探测器及吸收片的选型,设计了射线准直系统,研究了散射对测量的影响,以12路PIN探测器阵列及铜、铝吸收片为测量核心部件研制了脉冲硬X射线能谱测量系统。实验测量了真空环境下"闪光二号"加速器串级二极管产生的脉冲硬X射线强度,获得了不同衰减程度的实验波形,通过解谱获得了脉冲硬X射线的能谱,光子最高能量约600 keV,平均能量约89.1 keV,与理论计算的结果比较符合。     

“闪光二号”加速器适应性改造北大核心CSCD

针对系统电磁脉冲效应研究需求,项目组对"闪光二号"加速器进行了适应性改造,以便于产生脉冲硬X射线。主要采用二次成形的水线结构,重点进行了水开关设计,并完成了实验调试。装置输出电压650kV^1.3 MV稳定可调,脉冲宽度60ns,前沿由改造前的80ns缩短至改造后的30ns,在国内首次成功驱动串级二极管,产生前沿29ns、射线宽度约53ns的脉冲硬X射线。     

基于X射线的空间语音通信系统

提出了栅控X射线源作为发射器和基于微通道板的X射线单光子探测器作为接收器的X射线通信方案. 搭建了基于X射线的空间语音通信系统, 详细介绍了信号调制发射器、基于微通道板的X射线单光子探测器及信号接收解调器的设计及工作原理. 报道了基于X射线的空间语音通信系统的初步实验结果, 实现了优于20 kbit/s的基于语音信号调制的X射线通信. 实验分析了在不同X射线强度、信号整形时间和阈值设置下通信性能影响, 得出了X射线发射功率限制X射线通信速率的结论, 提出了下一步提高X射线通信性能的改进方案. 关键词： X射线通信 X射线源 探测器     

基于X射线脉冲星导航的模拟调制仿真源研究

为实现X射线脉冲星导航系统在地面的演示验证, 提出并设计了一种高精度X射线脉冲星仿真源. 该仿真源由模拟调制信号发生器和栅控X射线球管组成. 模拟调制信号发生器根据脉冲星标准脉冲轮廓数据和栅控球管特性曲线, 利用直接数字频率合成技术产生模拟调制信号, 加载在X射线球管控制栅极, 从而控制轰击阳极靶的高速电子数目来实现X射线的调制, 产生与脉冲星标准脉冲轮廓高吻合度的X射线光子统计分布. 在X射线脉冲星地面仿真系统中对Crab脉冲星仿真源的性能进行测试, 测试结果为: 采集脉冲轮廓与标准脉冲轮廓时域相关度和频率相关度分别达到0.9774和0.9853, 辐射流量为1. 90 ph·cm^-2·s^-1, 脉冲辐射流量与总辐射流量之比为76.15%, 脉冲半宽度为1.879 ms. 结果表明: 该仿真源具有符合度高, 成本低, 操作简单灵活, 对X 射线脉冲星导航关键技术的攻关具有重要的意义. 关键词： X射线脉冲星导航 仿真源 栅控X射线球管 直接数字频率合成