用于行星原位分析的微型微焦斑X射线激发源

基于微型X射线闭管的X射线荧光谱仪是深空探测新一代元素就位分析技术,研制了一款微型微焦斑X射线闭管作为X射线荧光分析的激发源。设计了一种新型的单极静电聚焦透镜,仿真模拟了电子聚焦光学结构尺寸对电子束运动轨迹的影响,并对静电聚焦结构的形状和尺寸进行了优化。完成了微型一体化X射线源的加工和装调,搭建了X射线源性能测试装置。微型一体化X射线源工作电压2～50 kV、X射线强度不稳定性为0.3%、高压不稳定性为0.21%。在高压50 kV、电子电流50μA的情况下,微型一体化X射线源的总功耗5 W,焦斑尺寸177μm×451μm,可以满足深空探测行星表面物质成分原位分析需求。     

环形电子束积分图像诊断技术

 采用图像诊断方法对高能环形电子束形状及空间尺寸进行了研究,以高能脉冲环形电子束轰击高Z靶材料产生脉冲X射线,X射线经过X射线增感屏转换为可见光,用单次图像采集系统获取可见光的积分图像。为满足诊断所需的空间分辨和系统灵敏度,通过理论计算确立了靶的材料、厚度及X射线增感屏的型号和厚度等参数。根据测试环境,设计了系统的现场安装结构,系统基本满足测试要求。分析从实验中获取的图像,可知环形电子束的内径为36.5 mm,环厚为1 mm,环形不均匀,水平方向电子束强。     

一种新型微束斑X射线源的研究

采用高效长寿命的LaB6单晶阴极电子枪作为电子束发射系统、轻便的等径双圆筒静电系统作为聚焦系统等技术研究了一种新型台式微束斑X射线源.通过在综合测试仪上的初步实验研究,表明该微束斑X射线源不仅可以连续辐射,而且可以脉冲辐射X射线,输出X射线束斑小、亮度高.此外,该台式X射线源具有体积小、重量轻,使用寿命长、造价低,可灵活移动等优点.     

基于激光尾波加速的涡轮叶片高能X射线CT

发展微焦点高能X射线源技术是实现高精度高能工业CT突破的关键,基于激光尾波加速驱动高能轫致辐射源开展了微焦点高能X射线源产生以及对涡轮叶片高能CT成像研究。利用一台20 TW钛蓝宝石超快超强激光器,通过电离注入的方式获得了（140±44）pC的高能电子束,并使用1.5 mm厚钨靶产生了累积源尺寸为25 μm的高能轫致辐射X射线。利用该微焦点高能X射线源,采用基于压缩感知的CT重建算法,在获取较少角度投影（31个角度）的情况下,获得了对涡轮叶片叶榫结构的CT重建。     

3333lp/mm X射线透射光栅的研制

针对X射线透射光栅摄谱仪中的高线密度光栅,研究了采用电子束曝光和X射线曝光技术结合制作高线密度X射线透射光栅的工艺技术.首先利用电子束曝光和微电镀技术在镂空的薄膜上制备母光栅X射线掩模版,然后利用X射线曝光和微电镀技术小批量复制光栅.在国内首次完成了3333lp/mm X射线透射光栅的研制,栅线宽度为150nm,周期为300nm,金吸收体厚度为500nm.衍射效率标定的结果表明,该光栅的占空比合理、侧壁陡直,具有良好的色散特性,能够满足空间探测、同步辐射和变等离子诊断等多个领域的应用.     

基于空间应用的透射式微型微束调制X射线源

针对空间应用对X射线源的需求, 提出了一种透射式微型微束调制X射线源的设计方案, 建立了调制X射线源的理论模型. 相较传统的X射线源, 增加了栅极电压控制和多个聚焦极微束聚焦功能, 通过改变栅极电压实现X射线的幅度调制和脉冲调制. 利用带电粒子光学仿真软件SIMION, 模拟计算了不同管电压下透射式阳极靶的最佳靶厚, 仿真分析了不同栅极电压对电子束运动轨迹的影响, 最终得到了150 μm的微束焦斑直径. 完成了原理样机的加工镀膜和真空密封, 搭建了调制X射线源的测试装置, 实验报道了阳极钨靶的谱线特性, 分析了栅极电压影响出射X射线强度的原因, 讨论了栅极幅度调制的可能性, 完成了调制X射线源栅极脉冲调制的验证.     

飞秒激光驱动X射线源中超热电子与靶相互作用研究

飞秒激光与靶相互作用产生超热电子,随后超热电子与靶原子碰撞,通过kα、kβ等散射过程,可辐射高亮度、飞秒级X射线,在原子与分子物理、生物及医学等领域均有广泛的应用前景.论文首先对飞秒激光驱动X射线源的发展进行简要叙述,然后对X射线源中的超热电子与靶相互作用进行研究.超热电子的产生由靶材对光脉冲的非碰撞吸收机制决定,X射线的产生由超热电子决定.研究超热电子、靶参数对X射线产额的影响,确定最佳参数值,可指导驱动激光脉冲参数的选择,以获得更大的X射线光子产额.使用蒙特卡洛模拟方法可研究超热电子动能及入射角、靶材(Cu靶)厚度对靶材上、下表面X射线辐射光子产额的影响,分析确定最佳超热电子动能及最佳靶厚.驱动激光强度与超热电子动能的定标关系表明：需要合理选择驱动激光参数,使真空加热机制主导超热电子产生过程,以在合适的激光脉冲强度下获得最大X射线光子产额.     

9MeV,小于0.1mm微焦点X射线源验证实验

密度高、成像分辨率高、成像速度快的X射线数字成像检测需要高能微焦点大剂量X射线源,高品质电子源是实现这一X射线源的关键手段。基于中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光的主加速器,验证了低发射度、低能散度的高亮度电子束实现高能微焦点的可行性,得到电子束半高全宽尺寸小于70μm的9 MeV微焦点,并初步开展成像实验,双丝像质计焦斑清晰分辨9D号丝,丝直径0.13 mm。     

一种铝靶软X射线源的研究

研制了一种铝靶软X射线源,这种X射线源对轻介质、薄样品的成像更清晰、分辨能力更强。利用多层滤片和生物样品对铝靶软X射线源进行了性能检测,实验显示铝靶软X射线源对轻介质和生物成像具有较高的吸收衬度,成像效果优于其他靶材X射线源,并通过改变工作电压可以显著调节谱线中软X射线的比例。这种铝靶X射线源适合作为实验室便携式软X射线光源。     

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。     

一种小尺寸轫致辐射转换靶设计

以减小直线感应加速器X射线光源横向尺寸为目标,开展轫致辐射转换靶的设计。对聚焦打靶过程中电子束运动轨迹进行分析,指出同一个电子束轨迹分布,既可以描述为电子束在某纵向位置处具有一定的横向展宽,也可以描述为电子束保持较小横向尺寸时的轴向分布展宽,由此提出在束腰附近放置多个小靶片实现聚焦电子束有效阻挡的小尺寸多层靶概念设计。采用EGS4程序对X射线产额进行计算,发现靶厚度在一定范围内改变时X射线产额变化较小,基于这一规律完成了小尺寸多层靶的结构设计。进一步考察了一个设计应用实例,当聚焦电子束最小包络直径3 mm、会聚角100 mrad时,对比大尺寸靶,采用小尺寸多层靶可以获得等效直径减小约50%、产额减小约10%的X射线光源。该设计方法有望在相同的电子束品质和聚焦条件下,获得横向尺寸小于电子束最小束包络直径的X射线光源,具有一定的应用价值。     

连续谱X射线在ICT中的能谱硬化修正模型

X射线ICT中,由于连续谱X射线源在穿过物质时,能量较低的射线优先被吸收,也即较高能量的X射线的衰减系数比较低能量的X射线的衰减系数小,射线随透射厚度增大,变得更易穿透,也就是发生了能谱硬化现象。如不加修正,必引起赝像。文中对能谱硬化现象进行实验和理论上的分析,探讨了在均匀物质中, X射线的衰减系数与透射厚度的关系, 提出新的能谱硬化修正方法和严谨精确的能谱硬化修正模型。     

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     

衰减透射法测量高能X射线能谱

研究了基于衰减透射原理的高能X射线能谱测量与重建。利用蒙特卡罗方法对神龙一号直线感应加速器的X射线源穿过不同厚度铝时的衰减透射过程进行模拟实验。解谱方法采用迭代扰动法,对不同的初始能谱估计和测量噪声水平条件下的能谱重建进行计算分析。结果表明:实验测量不包含噪声时,选择合适的初始能谱可以获得比较准确的能谱重建结果;在实验测量数据包含5.0%高斯随机噪声情况下,X射线能谱重建计算结果仍比较稳定,与真实值偏差相对较小。     

X光高分辨探测用CsI(Tl)晶体的蒙特卡罗模拟研究

提出了一种基于CsI(Tl)闪烁晶体和面阵CCD器件、采用光纤和光纤面板进行光耦合及传输、以扇形束线阵扫描方式实现对X光高分辨探测的方案。CsI(Tl)晶体的尺寸大小将直接影响到晶体的发光效率及X光的高分辨探测,据此开展了蒙特卡罗模拟研究。模拟研究了X射线能量、X射线源到探测晶体的距离(源距)、CsI(Tl)晶体的厚度与X射线能量分布、全能峰效率与CsI(Tl)闪烁晶体转换效率之间的关系。结果表明,当X射线能量为120~450 keV,CsI(Tl)晶体尺寸厚度为0~1.5 cm变化时,全能峰效率的变化范围为31.34~96.74%,CsI(Tl)闪烁晶体的转换效率的变化范围为12.8~97.43%。可见,X射线的能量及CsI(Tl)闪烁晶体尺寸的厚度,是决定X光高分辨探测的重要参量,这对优化X光高分辨探测用CsI(Tl)晶体的尺寸设计具有一定的参考价值。     

靶参数测量技术

研制了适用于泡沫材料测量的透射式低能（能量低于3keV）X射线机，由于X射线能量很低，设计采用开放系统，并在较高真空下工作，既避免了铍窗及空气吸收造成X射线强度损失与降低照相背景反差，又可以保证电子束发射系统可正常工作，灯丝不致被氧化减少使用寿命。由于靶膜可以方便更换，因此，也可以使用较高原子序数金属材料靶膜，提高X射线能量，拓展设备使用范围。经过实验研究，使用6mm厚铝膜作靶材，获得了清晰的输运靶泡沫柱X光图像，表明设备可用于神光实验制靶任务常规测量。     

高分辨率电子工业用数字化Ｘ射线检测系统

提出一种高分辨率电子工业用数字化Ｘ射线检测系统的总体设计方案,选择微焦斑X射线源和双近贴式X射线像增强器作为该系统的关键器件,分析了微焦斑X射线源的焦斑尺寸对系统分辨率的影响,并且建立了微焦斑X射线源和双近贴式X射线像增强器自身分辨率及成像的几何放大率对系统最终分辨率影响的数学模型。通过数学模型得出了几何放大率同系统分辨率的关系曲线。设计了光路及图像采集装置,并用VC 6.0完成了实用的X射线图像处理软件,研制了完整的成像系统样机并进行了调试与实验。这种成像系统有效视野可达75 mm,分辨率为160 lp/cm。     

kHz激光与固体靶相互作用产生的X射线源

利用kHz激光与固体靶相互作用产生了平均流强为1.3×10⁷ photons·sr^-1·s^-1的X射线源, 研究了激光的对比度和能量对激光与固体靶相互作用产生的X射线能谱及K_α 产额的影响, 使用刀边成像技术测量了X射线源的源尺寸, 并进行了初步的成像实验. 实验中观察到对于非相对论级别的激光脉冲, 降低激光的对比度有利于提高K_α 产额, 而使用高对比度高强度激光, 更有利于获得高通量高信噪比X射线源. 关键词： kHz激光 固体靶 X射线     

30 MeV电子束轰击旋转钽靶产生轫致辐射分析

提出了一种基于射频直线加速器的多脉冲X光照相系统,有望用于材料动态性能诊断等流体物理动力学研究。基于射频加速器的特点,该套照相系统能够产生时间跨度10 s以上、数个脉冲间隔可调、脉宽为几十至一百ns的脉冲电子束,产生电子束束斑半高宽尺寸小于1 mm。通过蒙特卡罗模拟程序Geant4,分析计算了特定的几何布局以及不同厚度及电子束束斑条件下,电子束打靶后在靶中的能量沉积,靶中的电子束散射对X光焦斑的影响,以及1 m处的照射量,探讨了这套X光照相系统的应用可行性。结果表明,在30 MeV,400 nC电子束轰击厚度为1 mm的靶条件下,1 m处照射量约为9.1 R,靶厚在1~2 mm范围内并未引起X光焦斑的明显增大。较小横向尺寸的电子束会引起靶体局部升温严重,将会制约脉冲数量;采用旋转靶能够提升脉冲数量,通过分析二维旋转靶的应力,分析了靶材升温以及钽/钽合金屈服强度对脉冲间隔的限制作用。     

利用聚束透镜获得高功率密度软X射线源

研制了针对Z-pinch强X射线辐射源的软X射线聚束透镜,利用西北核技术研究所"强光一号"加速器产生的钨丝阵高温等离子体辐射,对在高功率密度软X射线入射条件下的聚束透镜开展了实验.研究表明:由2401根X光导管组成的透镜,在输入软X射线功率密度达1.0×108W/cm2时,透镜的平均传输效率为9.6%,在软X射线传输过程中等离子体溅射被导管内壁吸收,透镜后焦点处能获得洁净的软X射线源,平均功率桁度达到1.15×109W/cm2.