HXMT中能X射线望远镜

正1.引言我们通常把波长很短,介于0.01~100埃(能量0.1ke V~1Me V)之间的电磁辐射,称为X射线。在整个X射线波段里,根据探测方法的不同,我们又模糊的分成了低能X射线(能量0.1~10ke V),中能X射线(能量5~70ke V),高能X射线(能量20ke V~1Me V)。三个能段没有明显的界限,彼此相互搭接在一起。探测X射线波段的探测器,即为X射线探测器。根据三个能段的特点,其相应的X射线探测器多采用     

三级GEM气体探测器性能的实验研究

GEM探测器是一种新型微型气体探测器(Micro-Pattern Gas Detector), 在粒子物理实验及低能X射线成像系统中有着较大的应用前景. 文章研制了一种适用于低能X射线成像和带电粒子径迹测量的三级GEM气体探测器. 使用放射源⁵⁵Fe对其气体放大特性、电荷传输效率及能量分辨本领等性能进行了实验研究, 重点研究了传输区电场对气体有效增益和能量分辨本领的影响. 实验结果表明, 三级GEM探测器的暗电流和噪声较小, 有效增益能够达到10⁵以上并稳定地工作, 对5.9keV的X射线能量分辨率可达24%, 传输区电场强度大于3000V/(cm.atm)时, 能量分辨率基本稳定在30%左右.     

空间带电粒子对X射线通信信噪比的影响

针对空间粒子环境对X射线通信系统的影响,分析了空间带电粒子,尤其是高能电子与X射线通信的收发天线——多层嵌套式X射线聚焦光学相互作用产生荧光X射线的过程;使用蒙特卡洛软件MCNP仿真了电子与聚焦光学相互作用,产生荧光X射线光子的量子效率;建立了电子枪与多层嵌套式X射线聚焦光学相互作用的数学模型并搭建相关实验平台,使用具有高能量分辨率的硅漂移探测器实测了荧光X射线的数量和能量分布,计算了荧光X射线光子对X射线通信系统信噪比的影响.实验与计算结果表明:在入射电子流量为1×108 cps/cm2/s量级,能量1~20keV时,X射线通信系统的信噪比优于15.1dB.多层嵌套式X聚焦光学可以有效地滤除空间电子对X射线通信的干扰,提高信号增益.     

X射线脉冲星导航探测器性能研究

为研究用于X射线脉冲星导航的探测系统性能,推导了在光子计数模式下探测系统的信噪比和最小可探测功率的关系表达式,并搭建测量信噪比和最小可探测功率的实验装置.测量了系统的最小可探测功率以及在不同光功率、不同累积时间和不同阈值电压条件下探测系统的信噪比.通过对X射线光子到达时间的测量,构造了X射线脉冲累积轮廓.实验表明:随着光功率和累积时间的增加,累积脉冲轮廓的信噪比提高,累积脉冲轮廓趋于光滑;当阈值电压为-150mV时,信噪比为26.3,累积脉冲轮廓最优;系统的最小可探测功率为3.5×10-16W.     

微通道板型X射线探测器的脉冲信号探测能力实验分析

为了掌握微通道板探测器的X射线脉冲信号观测能力,利用X射线脉冲星地面实验装置,开展了长时间的不同流强和不同背景噪声强度下的微通道板探测器脉冲信号探测实验,并建立了一套X射线探测器脉冲观测能力评估方法,推导出基于光子计时模式下X射线探测器的脉冲信号信噪比、脉冲轮廓相似度、脉冲到达时间精度和最小可探测功率的关系表达式.实验中,利用面积20cm~2的微通道板探测器开展了8组10 000s的实验,采集到有效观测数据,然后搜索最佳脉冲周期,重构观测脉冲轮廓,估计脉冲轮廓特征参数.实验表明,微通道板探测器具备良好的X射线脉冲信号观测与恢复能力,在较弱脉冲信号强度(光子流量密度为0.05ph/cm~2/s)和较强背景噪声(背景噪声强度是脉冲信号的16倍)下获取观测脉冲轮廓的信噪比、相似度、脉冲到达时间观测精度分别为35.73、88.38%、51.53μs和64.89、89.72%、29.24μs,验证了微通道板探测器具备一定的暗弱X射线脉冲星观测能力,且微通道板探测器的脉冲探测能力随着脉冲信号强度增加、背景噪声强度减弱、累积观测时间增加而提升.     

快响应化学气相沉积金刚石软X射线探测器的研制

利用高品质化学气相沉积(CVD)金刚石,采用微带线结构研制了CVD金刚石软X射线探测器。利用脉宽为10 ps的激光器进行了探测器响应时间的测量,获得半宽度为115 ps的信号,经过计算得到CVD金刚石探测器的上升时间为49 ps。在激光原型装置实验中,通过与软X射线能谱仪测量结果的相互比对,证实所研制的CVD金刚石探测器是一种响应时间快、信噪比高、性能可靠的软X射线探测器。     

化学气相沉积金刚石X射线探测器相对标定

利用神光Ⅱ激光装置,开展了化学气相沉积金刚石X射线探测器的相对标定技术研究。实验得到了金刚石X射线探测器与已绝对标定的平响应X射线二极管对X射线辐射的测量结果,计算得到金刚石X射线探测器平均灵敏度为1.19610-5 C/J,不同发次得到的灵敏度与平均值之间的偏差不大于13%。     

标定脉冲星导航探测器的荧光X射线光源

为标定X射线脉冲星导航用探测器, 设计了一种荧光X射线源, 该射线源的工作原理是 用X射线管的出射线轰击特定荧光靶材, 从而获得能量一定的荧光X射线, 并以此作为标定探测器的荧光X射线光源. 采用硅漂移半导体探测器在大气环境下测试了按上述原理搭建的荧光X射线光源的能谱分布和光子流量, 从光子流量入手推算了该荧光X射线光源用于真空系统中对探测器进行标定的可行性. 研制出了荧光X射线光源样机, 并在真空系统中对荧光X射线光源样机光子流量做了测试. 在探测距离D_x=300 cm, X射线管管流I_a=200 μA时, 所测得的荧光X射线光源光子流量可达19.57 ph/s@4.51 keV, 25.22 ph/s@5.41 keV, 33.27 ph/s@8.05 keV, 确认了所提方法的可行性, 获得了标定探测器的荧光X射线光源.     

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.     

面向脉冲星导航的聚焦型X射线探测器测试标定方法研究

通过脉冲星辐射信号特征研究和空间观测需求分析,提出了一种面向导航应用的X射线探测器测试方法.首先推导了X射线光子欠探测概率公式,分析了不同星源流量及不同探测器时间分辨率下对光子探测能力的影响.通过数值模拟方法建立了脉冲到达时间与脉冲轮廓相似度的关系.处理了我国硬X射线调制望远镜的Crab脉冲星观测数据,研究了不同能段脉冲轮廓差异.其次,系统地研究了面向导航应用的X射线探测器测试及处理方法,并利用地面测试系统完成了一款自主研发的聚焦型X射线探测器测试工作.通过数据分析得到,聚焦型探测器本底噪声为3.63×10-5ph/(cm~2·s~(-1)),工作能区为0.2～22.7keV,时间分辨率为4.17μs,空间响应约为5′,能量非线性为0.52%,能量分辨率优于200eV@5.7keV,典型探测效率为39.18%@4.51keV.聚焦型X射线探测器在弱脉冲信号及强背景噪声下,均能还原出Crab脉冲星脉冲轮廓,在2 400s内能够探测到辐射流量弱于背景噪声10倍的脉冲信号.结果表明,该款聚焦型探测器性能优秀,能够满足导航脉冲星(如PSR B1509)的空间观测需求,也验证了测试方法的可行性.     

In-line X-ray lensless imaging with lithium fluoride film detectors

In this work, we present preliminary in-line X-ray lensless projection imaging results at a synchrotron facility by using novel solid-state detectors based on non-destructive readout of photoluminescent colour centres in lithium fluoride thin films. The peculiarities of LiF radiation detectors are high spatial resolution on a large field of view, wide dynamic range, versatility and simplicity of use. These properties offered the opportunity to test a broadband X-ray synchrotron source for lensless projection imaging experiments at the TopoTomo beamline of the ANKA synchrotron facility by using a white beam spectrum (3–40 keV). Edge-enhancement effects were observed for the first time on a test object; they are discussed and compared with simulations, on the basis of the colour centre photoluminescence linear response found in the investigated irradiation conditions.     

波段外激光辐照PC型探测器的反常响应机制

 提出了PC型半导体探测器对波段外激光辐照的热电子光电导响应机制。响应波段外激光辐照PC型半导体探测器时,探测器有响应且输出电压信号迅速增大,与波段内激光辐照时的响应规律截然不同,这是由光激发能带内热电子而引起的光电导现象。当较强功率的激光辐照时还应考虑热效应。依据该机制进行了模拟计算,计算结果表明当PC型HgCdTe探测器被波段外激光辐照时,热电子的产生使得电导率减小,进而导致探测器的电阻增大。     

激光干扰红外成像系统的噪声等效温差及信噪比分析

噪声等效温差(NETD)和信噪比(SNR)是衡量红外成像系统性能的重要指标之一,它与探测器的多种性能参数有关。分析了激光辐照干扰红外探测系统及不同材料类型红外探测器性能参数变化。通过理论定量计算分析,比对YAG激光(波长1.06 μm)干扰前后系统噪声等效温差、信噪比曲线,得到了激光损伤后的NETD比损伤前NETD大2至3个数量级,同时,激光干扰后的信噪比相对激光干扰前信噪比小2个多数量级,进一步推导出激光干扰对红外探测系统的影响。     

高灵敏GaAs探测器及应用

在ICF实验研究中,我们应用新研制的经快中子辐照处理过的GaAs晶体材料做成的光导电探测器首次实验观察到各种结构的内爆靶发射的硬X光时间波形信号以及硬X光的空间角分布。这种探测器对X光有很高的灵敏度(约10~(-18)C/keV),有快的响应(约100ps),具有抗干扰能力强,灵敏度高体积小,用于ICF实验的X光诊断有独特优点。     

Study of photovoltaic effect photovoltaic HgCdTe detector irradiated by spectral unrelated laser

A spectral unrelated laser was induced on the short wave and medium wave photovoltaic HgCdTe infrared detectors respectively, under various power density, the detectors had a serious of output. The results show that the two detectors all had response of spectral unrelated laser, but the response was in the opposite direction. Through the analysis of experimental phenomena, it is found that carrier concentration of detectors before laser irradiation is the reason why the response of detectors was in the opposite direction. It showed valuable clue for future research on photovoltaic HgCdTe irradiated by spectral unrelated laser.     

用于高能X光测量的Si-PIN阵列探测器

设计了用于高能X光测量的小面积PIN硅光电二极管线列探测器,通过理论计算和EGSnrc蒙卡软件模拟分析了Si-PIN的探测灵敏度、线性电流和时间响应。根据理论研究可知,该探测器适用于大注量率、高能轫致辐射光的空间分辨力(3 mm)和时间分辨力(8 ns)的测量。并在理论设计的基础上进行了部分实验,采用小面积PIN硅光电二极管和放大电路,在"神龙一号"直线感应加速器上进行高能X光的测量,初步得到了PIN硅光电单元的响应结果,为线列小面积PIN光电管阵列的实用设计提供优化基础。     

Response of cellulose nitrate track detectors to electron doses

In order to study alternative dose determination methods, the bulk etching velocity and the latent track annealing of LR 115 track detectors was studied during electron irradiation runs from a Pelletron accelerator. For this purpose alpha irradiated and blank detectors were exposed to increasing electron doses from 10.5 to 317.5 kGy. After the irradiation with electrons the detectors were etched under routine conditions, except for the etching time, that was varied for each electron dose in order to reach a fixed residual thickness. The variation of the bulk etching velocity as a function of each one of the electron doses supplied, was interpolated in order to obtain dosimetric response curves. The observed annealing effect on the latent tracks is discussed as a function of the total electron doses supplied and the temperature.     

1 MeV电子辐照对短波Hg1-xCdxTe光伏探测器的影响

 研究了1 MeV电子辐照对短波Hg_1-xCd_xTe光伏探测器的影响。通过测试电子辐照前后光伏探测器的响应光谱、信号、噪声、暗电流等性能参数，分析了电子辐照对Hg_xCdxTe光伏器件的影响机制。实验结果发现：电子辐照后器件响应光谱在短波处有变窄的趋势，但响应峰值波长和截止波长基本无变化；随着辐照剂量的增加，通过p-n结的暗电流有所增加，光伏器件的探测率有减小的趋势。     

The microdosimetric one-hit detector model for calculating the response of solid state detectors

The microdosimetric one-hit detector model has been developed and applied to calculate the dose response, energy response and relative efficiency of thermoluminescent LiF:Mg,Cu,P and CaF₂:Tm detectors, and of the free-radical alanine dosimeter, after their exposure to radiation of different quality. The one-hit detector is described by two model parameters: the target diameter, d and the saturation parameter, α. Combining these parameters with microdosimetric distributions in nanometer-size targets calculated using Monte Carlo track structure codes TRION and MOCA-14, it was possible to describe and predict a great variety of experimental data for photon, X-ray, beta-electron, proton, alpha-particles and heavy ion irradiation. Within the framework of this biophysical model of radiation action, some mechanistic insight into the physics of radiation action in solid state detectors can be obtained.     

ZnO半导体电导型X射线探测器件研究

本文制备了基于ZnO纳米线阵列和ZnO薄膜的Ag-ZnO-Ag电导型X射线探测器件,研究了它们对X射线的响应特性.薄膜器件在100 V偏置时的响应度达到0.12μC/Gy,纳米线阵列器件在50 V偏压下的响应度达到0.17μC/Gy.器件工作机理研究表明,器件的响应过程与表面氧吸附与解吸附效应有关,氧气吸附与解吸附过程使得X射线辐照下的载流子寿命大幅度增加,从而使得器件对X射线具有较高的响应度.本文研究结果表明ZnO薄膜和纳米线阵列器件在X射线剂量测量领域具有应用前景.