多层嵌套式X射线聚焦光学器件

针对X射线脉冲星导航与X射线空间通信的需求,对多层嵌套式X射线聚焦光学器件进行研制与实验标定。根据掠入射原理,对聚焦透镜进行理论设计,确定聚焦透镜的关键参数。讨论聚焦透镜的材料、镀膜等研制工艺。分别在可见光与X射线条件下测试了聚焦透镜的性能参数。结果表明测得可见光焦斑直径为14mm,X射线焦斑直径为20mm,在10m真空管道中测得光子能量为1.5keV时聚焦效率为30.2%,有效面积为2400mm2。     

一种X射线聚焦光学及其在X射线通信中的应用

基于栅控脉冲发射X射线源与单光子探测技术的X射线通信已经实现了实验室语音通信验证,并对通信系统的误码率性能进行了分析,为探索未来X射线深空应用打下了坚实的基础.针对目前X射线通信面临的信号发散角大、通信距离短、难以实现工程化应用的情况,迫切需要对X射线通信天线系统进行深入研究.为了提高信号增益、增大X射线通信的距离,提出了多层嵌套式X射线聚焦光学作为X射线通信的"收发天线",理论分析了X射线聚焦光学用于X射线通信"收发天线"的可行性,分析了X射线聚焦光学的理论基础与结构设计,对"发射天线"发散角、"接收天线"有效面积与焦斑尺寸、信号增益等性能做了探讨.结果表明:在信号发射端,"天线"的发散角为3 mrad左右,发射增益23 d B;在信号接收端,"接收天线"的有效面积5700 mm2@1.5 keV,焦斑直径为4.5 mm,接收增益为25 d B,通信系统总的增益可达48 d B.     

基于X射线光子计数探测技术的材料K-edge特性识别实验研究

X射线光子计数探测器是多能谱CT成像技术的核心,其通过能量阈值可以选择记录不同能量的X射线光子,有助于分析不同材质的物理特性。利用搭建的基于光子计数探测器的多能谱CT系统,开展高纯度金属材料K-edge特性识别实验研究。通过设置探测器的不同能量阈值,在不同能量范围获取金属材料投影图像,利用投影图像灰度信息分析不同能量X射线的衰减特性,以识别金属材料K-edge特性。最终实验结果表明,基于光子计数探测器的X射线能谱CT系统,能够识别金属材料与特定能量X射线光子发生相互作用所表现出的K-edge特性。通过计算K-edge特征峰能量阈值与材料K-edge理论能量值之间的线性对应关系,对光子计数探测器的能量阈值进行了标定。     

X射线聚焦望远镜光学设计

X射线聚焦望远镜是X射线空间观测的重要设备,针对X射线聚焦望远镜光学设计工作,采用掠入射原理对X射线进行聚焦,利用蒙特卡罗算法仿真镜片面型和粗糙度对角分辨率影响,并确定了不同分辨率水平对镜片面型的不同需求;对X射线聚焦望远镜有效面积进行分析,并确定了膜层结构、层数与有效面积的关系,最终完成了焦距5.25 m、嵌套层数45层,有效面积为842和563 cm~2@6 keV的X射线聚焦望远镜设计.     

超强激光与Ar团簇相互作用中X射线的研究

本文主要研究了超强超短激光与Ar团簇相互作用过程中X射线能谱、K壳层光子产额、能量转换效率以及激光对比度对X射线光子产额的影响.实验中得到K壳层的光子产额约为1× 10¹¹/发,能量转换效率约为2.8× 10^-5．同时观测到较强预脉冲离化团簇会导致预电离,产生膨胀等离子体,然而主脉冲与膨胀的等离子体相互作用的强度较未膨胀时降低了,从而导致K壳层光子产额降低,而使用高对比度的激光能增加X射线光子产额.     

光子计数型CCD测量激光等离子体X射线

 介绍了光子计数型电荷耦合器件(CCD)的工作原理，标定了2.0~30 keV的探测效率。在超强超短激光等离子体相互作用中，实验用靶为复合靶，分别用Cu＋Mo和Al+Cu制作。第1层靶是Cu或Al物质作为电子示踪材料，第2层靶是Mo或Cu物质作为荧光材料，利用光子计数型CCD测量了Mo和Cu的X射线能谱, 同时得到CCD的能量分辨率大于37。该CCD可用于激光等离子体低通量高能X射线测量实验。     

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     

空间X射线通信链路建模与功率分析

从空间X射线通信传输理论出发,首先对X射线通信的功率传输过程进行研究,以加性高斯白噪声信道模型与自由空间损耗为基础,分析了深空X射线通信的信道特征及功率传输过程、推导了功率传输方程,建立了通信链路模型;其次,分析了深空X射线通信系统的误差来源,建立了基于单光子探测器的噪声模型,并给出了主要噪声来源的数学表达式,从而确定了通信核心参数通信距离、通信速率、误码率与信号功率之间的关系;最后,对不同阳极高压与不同调制方式下探测器端信号光子数进行实验监测,对功率传输方程及误差模型进行验证.实验结果表明,所给出的功率传输方程与误差模型可以对空间X射线通信过程进行较好地解释.根据此模型,计算了在满足一定的误码率和传输距离要求时对X射线源出射功率的要求,为空间X射线通信研究建立了理论基础,为核心元器件的研究指明了下一步的方向,同时有望对空间X射线通信的工程化提供一定的参考.     

基于单毛细管椭球镜的微束X射线荧光成像

X射线荧光成像是一种可无损获得样品内部元素空间分布信息的实验技术,可分为荧光mapping扫描成像与荧光CT成像,其空间分辨率由X射线聚焦束斑的大小决定。上海光源成像线站已建立X射线荧光成像系统并对用户开放,在多个领域取得较好的研究成果,该系统基于狭缝限束获取微束X射线,束斑为150μm,限制了该方法的广泛应用。椭球聚焦镜是反射面为椭球面的单次反射单毛细管光学元件,基于全反射原理,具有反射效率高、工作距离长、接收角宽、适用X射线能量范围宽、体积小等优点,已应用到X射线聚焦、全场纳米成像等领域。由于对面型精度的要求较高,制备椭球聚焦镜难度较大。为满足广大用户对微束荧光成像的需求,自行设计并成功研制了针对微束荧光成像系统的单毛细管椭球镜,并对其进行了X射线聚焦性能检测,结果显示可获得14μm聚焦光斑,焦点处增益可达255倍。基于自主研制的椭球镜,在上海光源BL13W搭建微束X射线荧光成像系统,并开展了微束荧光mapping成像与微束荧光CT实验研究:(1)对中风鼠脑切片的荧光mapping扫描成像,得到中风鼠脑中微量元素铜、铁、钙与锌的元素分布荧光光谱图;(2)对鼠脑及毛细管中浓度为0.5 mg·L~(-1)的标准砷溶液进行同步辐射微束X射线荧光CT成像,利用OSEM重构算法重构投影数据,获得了鼠脑中铜元素和毛细管中砷元素二维分布的切片图。两组实验表明,基于自行设计与研制的单毛细管椭球镜的微束X射线荧光成像系统,样品处的光通量密度增加,空间分辨率得到提高,单张荧光光谱的获取时间显著减少,同时也提高了系统的元素探测限。     

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%.     

CsI光阴极在10-100 keV X射线能区的响应灵敏度计算

为了满足10-100 keV高能X射线光电探测器研究的需要,对CsI光阴极在该能量范围的响应灵敏度进行了研究.基于高能量X射线光子与材料相互作用的物理过程,分析了康普顿散射等效应对CsI响应灵敏度的影响.推导了CsI的响应灵敏度与二次电子平均逃逸深度和光阴极厚度的关系式和二次电子平均逃逸深度与入射光子能量的关系式,计算了CsI在10-100 keV范围内的响应灵敏度,计算结果与实验测试数据相符,验证了分析与推导的可靠性.根据计算可以获得不同入射X射线能量下CsI光阴极的最佳厚度,从而为高能X射线光电探测器的设计优化提供了理论参考.     

飞秒脉冲在透明材料中的三维光存储及其机理

使用经钛宝石啁啾脉冲放大的脉冲宽度为200fs、波长为800nm、重复频率为1kHz的超短脉冲激光束,紧聚焦到熔融石英中实现了三维逐位式光数据存储,记录下20层三维数据位点,利用CCD和数码相机对数据位进行了观察讨论了飞秒超短脉冲与透明介质的相互作用,以及产生等离子体的雪崩电离和多光子吸收电离的机理实验结果表明:在飞秒超短脉冲与透明光学介质的相互作用中起主要作用的是多光子吸收.     

硬X射线光子筛波导效应研究

基于快速傅里叶变换光束传播法,研究了硬X射线光子筛中高高宽比金属结构的波导效应,确定了硬X射线光子筛的物理边界条件,采用角谱法计算了硬X射线光子筛的点扩展函数,并分析了吸收体厚度对聚焦性能的影响.研究结果表明波导效应一定程度上有利于抑制光子筛高级衍射的产生,提高聚焦性能.在同样的特征尺寸下,硬X射线光子筛的空间分辨率优于菲涅尔波带片,其缺点是衍射效率的下降.吸收体厚度的提高有利于提高光子筛的聚焦性能和衍射效率,但是相应的纳米加工工艺难度会增加. 关键词： 菲涅尔波带片 硬X射线光子筛 光束传播法 角谱法     

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     

X射线与非晶硒作用中的散射光子重吸收研究

本文对光电吸收占优的条件下,X射线与非晶硒作用中产生的散射光子重吸收作了较为详细的研究.结果显示,有相当一部分散射光子被非晶硒重吸收;随着入射光子能量的升高和非晶硒膜层厚度的加大,因散射重吸收而增加的能量吸收与初级作用中能量吸收的比值增大.这表明对于能量较高的入射X射线光子和厚的非晶硒膜层,散射重吸收将对X射线成象过程产生一定的影响.     

激光高能X射线成像中探测器表征与电子影响研究

基于激光尾场加速电子的高能X射线源具有高光子能量与小源尺寸的特点,在高空间分辨无损检测方面发挥着十分重要的作用.在X光机上测量了CsI针状闪烁屏、锗酸铋(BGO)闪烁阵列与DRZ闪烁屏的本征空间分辨率,并模拟了三类探测器对高能X射线的能量沉积响应,其中CsI针状闪烁屏的空间分辨率高达8.7 lp/mm.采用Ta转换靶产生的高能X射线开展透视照相,能够分辨最高面密度33.0 g/cm~2的两层客体结构.开展了X射线照相、X射线与电子混合照相以及电子照相三种情况的比对实验,在X射线产额不足或探测效率不够情况下采用X射线与电子混合透视照相的方案,以牺牲对比度为代价,能较大程度地提高图像信号强度.     

微束斑X射线源及X射线光学元件

高质量的X射线源,尤其高亮度的微纳束斑X射线源是现代X射线光学高清晰成像最为关键的部件之一,在工业无损探伤、生命科学、材料科学等科学研究和实际应用中具有重要的意义。简单介绍了微束斑X射线源的产生方法及发展历史,并对微束X射线光学涉及到的聚焦X射线光学元件（如X射线掠入射反射镜、布拉格法反射镜、多层膜反射镜、多层膜光栅、X射线波带片、毛细管聚焦透镜和复合折射透镜等）的主要特点作了简要的系统介绍。最后展望了微细束X射线在微纳检测与分析等方面的应用前景。     

高分辨X射线晶体谱仪及其在激光等离子体中的应用

对椭圆型聚焦晶体谱仪配X射线CCD相机的X射线谱测量系统进行了优化设计.优化设计后的椭圆型聚焦晶体谱仪系统的工作距离981.56 mm和摄谱范围0.133～0.756nm,并具有很好的谱分辨本领(λ/Δλ≥1000)和信噪比.新设计的椭圆型聚焦晶体谱仪首次在"神光Ⅱ"X光激光靶室上成功地获得了激光等离子体谱线信息并辨认和归类了一些离子的谱线,同时还给出了实验测定的谱仪能量分辨率.其中一些离子谱线诸如类离子共振线、伴线、互组合线和Ly-α线谱可为下一步诊断激光等离子体的电子温度和离子密度的空间分布轮廓打下了坚实基础.     

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.     

keV能量电子致Al,Ti,Zr,W,Au元素厚靶特征X射线产额与截面的研究

本文使用5—27 ke V能量范围的电子轰击纯厚Al (Z=13), Ti (Z=22), Zr (Z=40), W (Z=74)和Au (Z=79)靶,利用硅漂移探测器(SDD)收集产生的X射线,给出了K, L壳层特征X射线产额的测量结果,并将所得实验数据与基于扭曲波玻恩近似理论模型(DWBA)的蒙特卡罗模拟值进行了比较,两者在小于或约为10%的范围内符合.根据测得的特征X射线产额进一步得到了相应的内壳层电离截面或特征X射线产生截面.通过对比电子入射角度为45°和90°的两种情况下解析模型与蒙特卡罗模拟的特征X射线产额,发现在入射角度为90°时两者符合较好.同时,本文还给出了次级电子、轫致辐射光子对特征X射线产额的贡献,该贡献与入射电子能量关系较弱,表现出与原子序数较密切的相关性.