X射线脉冲星导航系统模拟光源的研究

介绍了X射线脉冲星导航地面模拟光源研究的必要性及非伺服的机械调制方法所存在的问题和缺陷, 提出了基于栅控X射线球管的X射线脉冲星辐射脉冲模拟方法, 通过电子光学设计计算, 对栅控X射线管的电极结构进行设计优化, 研制了栅控X射线管和脉冲星模拟光源装置.实验测试了栅控球管的性能, 测试结果与理论计算结果基本相符, 实现了对X射线的调制; 通过基于FPGA的直接数字频率合成方法, 产生脉冲星的任意形状脉冲轮廓电压信号, 加载至球管控制栅极, 并对其出射脉冲轮廓进行测试, 结果表明产生的X射线脉冲轮廓逼真程度在95%以上, 模拟源频率稳定度约为2×10^-11. 关键词： 脉冲星导航 X射线球管 栅极控制     

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     

基于光电阴极的超快X射线源设计及调制性能研究

为解决基于热阴极的传统X射线管灯丝发射结构脆弱、能量效率低以及散热等问题,设计了一种新型光控脉冲X射线管装置。通过光电阴极与光源的参数匹配,选择蓝光波段量子效率高的S20阴极与波长为460 nm的LED光源。模拟计算确定X射线管整体结构设计。最终实现最大2.37 mA的管电流,光电阴极电子发射效率为0.288 mA/lm,出射X射线能量0～25 keV可调。另外,基于光控脉冲X射线管出射X射线强度易调制的特性,进行不同频率加载信号还原实验和任意X射线轮廓还原实验。     

超快X射线自由电子激光研究进展北大核心CSCD

现代光源的发展不断推动着人们从更深层次上理解物质的基本结构和动力学行为。X射线自由电子激光作为最先进的光源,其超高的峰值功率、超短的脉冲长度和优良的相干性,为人们以原子级时空分辨率探测和操控物质中的超快过程提供了可能。目前全世界已有多个X射线自由电子激光装置建成并投入使用,在原子分子物理、化学、生命科学、材料科学等各学科应用中都显示出了重要价值。同时大量的研究工作也集中于继续提高X射线自由电子激光的性能,包括把脉冲持续时间从fs量级进一步缩短至as量级,这将为超快科学的发展带来新突破。以超快脉冲产生为主线,综述了近年来超快X射线自由电子激光产生方案的研究进展,从产生原理、方案特性、最新成果等方面介绍了各类产生方案,总结对比了各方案的优缺点,最后对超快X射线自由电子激光的未来发展方向进行了展望。     

X射线二极管时间特性研究

研究X射线二极管(XRD)时间特性.XRD 是构成软X射线能谱仪的主要部件，它用于激光等离子体发射软X射线谱测量.实验利用激光聚变研究中心的200TW激光器(激光能量～6J，脉冲宽度～30fs)打金箔靶产生的X射线发射谱,用滤片(Al)-XRD探测系统测量，探测信号由高频电缆(SUJ-50-10)传输和宽带示波器(TDS694C和TDS6604B)记录.实验数据进行了线性拟合和比对分析. 关键词： X射线二极管 时间特性 软X射线能谱仪 数据处理     

第三代同步辐射光源X射线相干性测量研究

随着高性能第三代同步辐射光源的建成开放,基于X射线相干特性的实验方法得到了快速发展和广泛应用.作为一个典型的例子,X射线相位衬度成像已经成为常规的X射线实验方法并向用户开放.相干散射、相干衍射成像、光子关联谱等X射线实验方法正日益受到重视,在高空间分辨、时间分辨等研究领域已显示出其独特的优越性.因此,研究和测量第三代同步辐射的空间相干特性对进一步发展这些新的实验方法具有重要意义.基于Talbot自成像原理成功测量了上海光源X射线成像线站发射的X射线的空间相干长度,并进而测得了相应光源的空间尺度.光子能量为33.2 keV时,测得的X射线光束垂直方向空间相干长度为8.84μm,对应的光源尺寸为23μm,测量结果与理论分析相符.     

基于APD单光子探测器的光子到达时间标记精度研究EI北大核心CSCD

为了准确测量X射线脉冲星导航中的光子到达时间,提出了一种X射线探测器光子到达时间精度的测试系统,该系统主要由脉冲X射线发生器、任意波形发生器、雪崩光电二极管探测器和时间标记光子计数器组成。系统测量脉冲X射线发生器的控制脉冲信号与雪崩光电二极管探测器测量的输出信号之间的时间延迟,研究时间延迟的分布情况,该分布的标准差可以反映被测探测器的光子到达时间测量精度。实验结果显示,雪崩光电二极管探测器输出信号相比控制信号的时间延迟约9.03 ns,标准差为2.23 ns,即雪崩光电二极管探测器的光子到达时间精度为2.23 ns,表明其能够实现对X射线单光子的快时间响应与高精度标记。     

基于超环面晶体的X射线成像诊断

设计了可用于X射线成像用的聚焦型超环面晶体谱仪,讨论了基于布拉格几何结构的超环面及球面弯曲晶体聚焦特性,给出了基于超环面晶体X射线2维单能成像的光源、晶体及探测器的最佳位置,在中国工程物理研究院激光聚变研究中心进行了X射线背光成像实验.利用超环面弯曲晶体作为成像器件,其弧矢及子午平面的曲率半径分别为290 mm及190...     

利用单飞秒激光脉冲驱动类氖钛X射线激光的研究

提出了一种利用单飞秒激光脉冲驱动类氖钛X射线激光的物理方案.利用自相似方法研究了不同脉冲前沿的单飞秒激光辐照钛平板靶产生的类氖钛X射线激光等离子体的特性,得到了电子温度、电子密度和定标长度三者的定标律,讨论了给定输入参数下各定标律曲线的特性.研究表明,利用单个飞秒激光能够实现X射线激光的产生,而且脉冲前沿强度随时间增长平缓的飞秒激光有利于驱动X射线激光.本研究为实验上实现单飞秒激光脉冲驱动X射线激光提供了一种新的方案.     

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     

重复频率亚纳秒脉冲硬X射线发生器

 研制了一种重复频率快脉冲硬X射线发生器，该发生器的主要设备包括纳秒脉冲功率源、亚纳秒脉冲发生器、功率负载二极管装置、真空系统和二极管运行监测探测器5部分。对该发生器的工作原理、结构特点进行了介绍，通过建立的发生器运行电参数监测以及辐射场参数测量手段，对源的运行电流、电压参数以及辐射场参数进行了初步监测和分析，并考验了源运行的稳定性。结果表明：该发生器结构以及运行方式灵活、稳定性好，实现了射线的能量上限、能谱、强度、脉宽等多种重要参数在线可调，且射线有一定的强度，可以为快响应探头标定等实验提供合适的纳秒、皮秒脉冲硬X射线辐射场。     

新一代先进光源和新型光阴级材料的特性及应用研究

介绍了从激光光源到同步辐射光源及自由电子激光光源的发展及特性,及所需新型光阴级材料的特性。当代科学研究的前沿之一是研究微观世界的动态特征,这就需要同时具有纳米的空间分辨和飞秒的时间分辨。X射线激光的超快特性和高亮度,结合超快探测器条纹相机的高时间分辨和空间分辨,将十分有助于微观世界的动态特挫研究。报告了对单晶体Cu（1...     

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     

超快X射线衍射

本文简单介绍了X射线静态衍射的基本原理 ,详细论述了超快X射线衍射探测原子动态过程的理论基础。同时介绍了三种X射线脉冲光源的产生及其实验研究的进展状况 ,最后对实验结果进行了详细的理论分析     

用于空间X射线通信的栅极控制脉冲发射源研究

利用X射线作为载波实现空间远距离、高速率的信息传输已引起研究者的关注,这项技术的发展将对拓宽电磁波频谱的使用范围具有积极意义.针对X射线通信地面模拟真空实验系统对信号发射源的需求,设计了一种栅极控制X射线源.该X射线源是在传统X射线管的基础上,增加了电压控制栅极,通过改变栅极电压实现X射线的脉冲发射.利用三维电磁场仿真软件CST粒子工作室设计了实验样管,模拟计算了管内的电位分布、电子运动轨迹、实际焦斑大小和打靶电子数.仿真结果表明,实际焦斑大小约为0.4 mm×4 mm,栅极开启电压和截止电压分别为0和-10 V.实验测试了样管特性,测试结果与仿真结果符合得很好,并且在X射线真空实验系统中实现了数字信号传输.     

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。     

X射线通信系统的误码率分析

基于栅极控制脉冲发射X射线源与单光子探测技术的X射线通信语音方案已经在实验室实现, 为探索未来X射线深空通信应用打下了坚实的基础. 实验室X射线语音通信演示系统实现后, 迫切需要测试X射线通信系统的误码率性能. 在泊松噪声模型下对X射线通信演示系统的理论分析的基础上, 使用基于现场可编程门阵列的误码率测量方法对开关键控调制方式下X 射线通信误码率进行测量. 通过实验测量发现, 要实现语音通信, 系统误码率应该达到10^-4 量级; 分析、测量了现有系统在开关键控调制方式下不同速率对应的误码率, 论证了泊松噪声模型理论分析现有X射线通信系统的合理性; 分析提出了限制现有实验室条件下X 射线通信误码率性能的主要因素.     

产生超快水窗波段X射线的ESASE方案模拟

脉冲宽度在百as（1 as=10?18 s）量级的X射线脉冲在超快科学领域有极为重要的作用。相较于目前世界上大部分运行在自发放大辐射模式的X射线自由电子激光（FEL）,增强型自发放大辐射（ESASE）模式可以显著增加电子束的峰值流强,减小FEL的增益长度,可用来产生百as量级的超快X射线。基于典型的软X射线FEL参数,对ESASE方案的参数进行了模拟优化,得到了百as量级、功率可达1 GW以上、波长可在水窗波段且可调节的X射线脉冲,为后续开展ESASE实验及其实验参数的优化提供参考。     

上海光源X射线成像及其应用研究进展

作为具有国际先进水平的第三代同步辐射光源,上海光源的X射线亮度比普通X光管高12~16个量级,基于它的X射线成像具有高空间分辨、高衬度分辨和快时间分辨的特点,同步辐射X射线可对样品实现原位、无损、高分辨、三维和动态成像,而且可以实现相位衬度成像,从而将X射线成像的应用领域拓展到软组织、聚合物等低Z材料。自2009年正式向用户开放以来,上海光源已在生物医学、材料科学、古生物学、土壤学等领域取得了一大批重要研究成果。为更好地支持用户,上海光源X射线成像组在定量成像、CT成像、快速CT重构等成像方法学领域开展了较为全面、系统的研究,大幅提高了实验效率和对不同样品的适应性。本文简要介绍了上海光源X射线成像方法学发展及相关应用研究进展。     

上海激光康普顿散射伽马源的发展和展望

激光康普顿散射(Laser Campton Scattering, LCS)光源,是一种基于相对论电子束与激光光子相互作用的新型X-ray或Gamma-ray光源。它具有能量高、波长短、脉冲快和峰值亮度高的特性,已成为国际先进光源技术的重要选项之一。本文介绍了激光康普顿散射光源的产生原理、国内外发展现状以及目前国际上运行和在建的激光康普顿散射光源装置,其中重点介绍了上海光源二期正在建设的上海激光电子伽马源(Shanghai Laser Electron Gamma Source, SLEGS)装置,以及在这一光源装置上可以开展的核物理、核天体物理、核废料处理及核医学应用等研究。随着上海软X射线自由电子激光试验装置(Soft X-ray Free Electron Laser, SXFEL)升级为用户装置,以及未来十三五国家重大科技基础设施-硬X射线自由电子装置(Shanghai HIgh repetition rate XFEL aNd Extreme light facility,SHINE)的建设完成,基于直线电子加速器(LINear ACcelator, LINAC)的康普顿散射光源的伽马能量将会达到GeV量级的高能量。超短脉冲、高极化度、高通量的激光康普顿散射光源将迎来新的发展机遇,基于康普顿伽马光源的核物理、天体物理、粒子物理及应用基础研究也必将迈上一个新台阶。