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.

50~120kV脉冲X射线参考辐射场建立及剂量率测量

为满足国内医疗、安检等脉冲辐射场所对剂量监测仪表准确溯源的需求,基于栅控技术建立满足规范和标准要求的50~120 kV毫秒级脉冲X射线参考辐射场,其脉冲宽度在1~6 300 ms范围内可调。通过对该辐射场的管电压稳定性、剂量线性、重复性、脉冲波形等关键参数进行研究测试,建立脉冲X射线参考波形,并使用30 cm3的圆柱电离室开展脉冲剂量率测量研究。结果表明,管电压预设60 kV时,介入法、非介入法测量管电压的相对偏差均不超过±1.5%;可输出参考波形脉冲的最小脉冲宽度为20 ms,在1 m处95%均匀辐射野直径约为5.5 cm;且N系列、RQR系列辐射质条件下的剂量率范围可分别扩展至0.002~10 mGy/s和0.03~250 mGy/s,可用于防护仪表的量值溯源。

分段平滑的贝叶斯迭代法重建脉冲X射线能谱

吸收法测量脉冲X射线能谱时,测量数据的微小扰动会引起重建能谱的较大波动,甚至出现不符合物理规律的负值。针对测量数据的噪声对脉冲X射线重建能谱影响较大的问题,构建了重建能谱准确性的评估方法,分析了贝叶斯迭代法对包含不同程度噪声干扰的测量数据重建能谱的准确性。通过在贝叶斯迭代法中加入平滑约束条件的方式,降低了噪声对重建能谱的影响。根据预估待测能谱的特征,提出了以能谱峰值为界分段平滑的方法,比较了整体平滑和分段平滑方法的能谱重建效果。多次求解表明,分段平滑贝叶斯迭代法的重建能谱对噪声的敏感度显著下降。设计了基于吸收法的能谱测量系统,分别利用平滑前后的贝叶斯迭代法依据实验测量数据重建能谱,结果表明,分段平滑的贝叶斯迭代法的重建能谱更接近理论能谱,重建效果更好。

一种快速X射线脉冲星光子到达时间转换的简化模型

高精度X射线光子到达时间转换模型对脉冲星导航的精度至关重要,针对目前完整模型复杂而简化模型精度有限的问题,本文提出了一种精度不低于已有简化模型的快速简化模型.通过对现有完整模型的推导,从理论上分析了各延迟项对模型精度的影响,指出罗曼延迟仍是影响简化模型精度的关键.通过改变罗曼延迟的表达式及其二阶展开方式并考虑物理量的易获取度,得到一种快速简化模型.利用完整模型及所提简化模型对中子星内部组成探测器(Neutron star Interior Composition Explorer,NICER)和慧眼硬X射线调制望远镜(Hard X-ray Modulation Telescope,HXMT)的实测光子数据进行时间转换,分析了所提模型的精度和计算效率;利用数值仿真分析了轨道高度、脉冲星角位置测量误差对简化模型精度的影响,讨论了不同高度地球轨道应用中该简化模型的精度及计算效率.结果表明本文所提简化模型相比Sheikh简化模型和fei模型计算效率分别提高50%和10%,且未造成精度降低.

新型塑料闪烁体探测器对脉冲X射线响应的研究

射线装置产生的X射线脉冲周期长短不一,很多装置会产生短周期脉冲X射线,特别是医院X射线诊断机等。这些装置的最小脉冲宽度为ns级,能量从几到几百KeV。现有的辐射剂量计无法准确测量这种短周期脉冲X射线。因此,文章研究提出一种新的快速响应和更大探测能量的塑料闪烁体探测器针对医院X射线诊断机的检测需求,并与实际应用情况相结合,在对各种探测器进行性能分析的基础上,选用新型塑料闪烁体探测器进行脉冲X射线响应的研究。经过试验,该研究所设计的新型塑料闪烁体探测器检测系统可以较准确地测量医院X射线诊断机的短周期脉冲X射线。

脉冲X射线参考辐射场研究与建立

脉冲辐射在新型探测器研制、工业探伤、X射线诊断、核事故应急和科学研究等领域中已得到了广泛应用,但其辐射剂量(率)测试难度极大。本文基于稳态X光机、脉冲X光机和便携式X光机研究建立了脉冲X射线参考辐射场,并基于脉冲X射线次级标准电离室和脉冲时间测量系统对辐射场的脉冲时间、脉冲剂量和瞬时剂量率等剂量学特性进行了研究。脉冲X射线参考辐射场的脉冲时间在50 ns~10 s之间可调,瞬时剂量率范围为2.5×10^(-3)~6.7×10^(5)Sv/h。本文所建立的脉冲X射线参考辐射场涵盖了环境水平、防护水平、诊断与治疗水平、核应急水平和核临界水平等剂量率水平范围,可用于主动式脉冲辐射剂量仪、个人剂量计和核临界事故探测与报警系统的脉冲响应特性研究,对于解决脉冲辐射剂量监测仪器的校准难题具有重要意义。

X射线脉冲星计时导航应用模式与空间试验进展

结合国家导航体系发展与工程应用迫切需求,主要讨论了X射线脉冲星计时导航的应用模式,并介绍了国内外空间试验进展。总结了脉冲星计时地基射电与空间X射线观测的特点和发展现状,阐释了脉冲星时研究与发展的重要意义;总结并归纳了X射线脉冲星导航的应用特点和现有水平,讨论了X射线脉冲星导航的技术优势和典型应用场景;总结了国内外X射线脉冲星计时导航的空间试验进展。根据国内外的空间试验结果,脉冲星时稳定度可达10^(-14)量级,脉冲星导航精度可达到km量级,初步具备在轨应用价值。因此,加快推进国内脉冲星计时导航技术的在轨演示验证与工程应用具有重要意义。

脉冲X射线参考辐射场设计与研究

脉冲辐射在新型探测器研制、工业探伤、X射线诊断、核事故应急和科研等领域中已经得到了广泛应用,其辐射剂量(率)测试难度极大。为解决主动式辐射剂量仪的脉冲响应测试技术难题,基于多种X射线机建立了脉冲X射线参考辐射场,结合次级标准电离室及脉冲时间测量系统开展了脉冲辐射剂量(率)定值。实验结果表明,所建立的脉冲X射线参考辐射场的脉冲宽度在25 ns~10 s之间可调,瞬时剂量率范围为:5 mSv/h~6.7×10^(5) Sv/h,可广泛开展主动式辐射剂量仪的脉冲响应特性研究,对于解决脉冲辐射剂量监测仪器的校准难题具有重要意义。

XPNAV-1和NICER对Crab脉冲星观测数据的比较分析

通过对比NICER(Neutron Star Interior Composition Explorer)和XPNAV-1(X-ray Pulsar Navigation-1)关于Crab脉冲星同一时段(108天)观测数据的计时处理结果,发现在周期跃变发生前的时段(95天),NICER数据的拟合前计时残差的RMS(root mean square)为5.77μs,远优于XPNAV-1数据的拟合前计时残差的RMS 51.56μs,体现了NICER在有效面积、探测效率、数据采集等方面的优势,给未来我国的X射线脉冲星探测器研制提供了发展方向;而在周期跃变发生后的时段(13天),发现XPNAV-1数据的拟合前计时残差的RMS为55.87μs,而NICER数据的拟合前计时残差的RMS为167.27μs,周期跃变对NICER的影响更大,说明在处理周期跃变发生后时段的NICER数据时,由于NICER的观测精度非常高,需要更频繁地更新Crab星历。最后分别得到了两个探测器整段数据的计时残差。XPNAV-1数据的拟合前计时残差的RMS为55.94μs,而NICER数据的拟合前计时残差的RMS为64.34μs,这说明NICER数据受周期跃变影响更为明显,进一步证明了上述结论。

X射线脉冲星导航探测器研究进展

X射线脉冲星导航作为新兴的航天器自主导航技术,具有抗干扰能力强、自主性强、导航误差小等优势,被多个国家规划为重要的发展项目。脉冲星探测存在X射线辐射流量微弱、空间本底噪声大、X射线易散射等问题,因此高灵敏度、高精度的X射线探测器系统的研制具有极其重要的意义。本文介绍了X射线脉冲星导航的基本流程和X射线脉冲星探测的发展历程,重点介绍了几种常用X射线探测器和X射线探测器系统,并对X射线探测技术的未来发展进行了展望。

脉冲X射线管研制及其成像应用研究

X射线管在安全检查和无损检测领域具有广泛的应用,传统X射线管工作时都是直流出束,本文研究的脉冲X射线管可以根据使用需求,触发射线管发射脉冲X射线,在脉冲持续期间提供高出直流射线源几倍到十倍的X射线剂量。脉冲X射线管选择钡钨阴极作为电子发射体,并在钡钨阴极前放置栅控电极,实现对电子束的控制。脉冲X射线管耐压225 kV,焦点小于2.0 mm,脉冲电流可达70 mA以上,脉宽20~5000μs连续可调。图像实验结果表明,由该脉冲射线源组成的成像系统具有良好的时间分辨率和空间分辨率,在获得相同图像指标的情况下,使用脉冲射线管所需的射线剂量约为直流射线管的40%,这可以降低被检物体的吸收剂量,同时减小设备体积、重量和辐射防护压力。

脉冲X、γ辐射场发生装置的研究

校准实验室内缺乏脉冲标准辐射场是制约核技术领域脉冲辐射场测量技术的瓶颈。介绍了当前国内主要的脉冲辐射场发生装置及其相关技术。在此基础上,针对尚无标准γ脉冲辐射场的问题,提出了一种建立脉冲γ辐射场的新思路,对其发生装置作了简要介绍。

X射线脉冲星导航原理

X射线脉冲星导航是以脉冲星的X射线辐射信号作为信息输入,经过相应的信号和数据处理,为近地轨道、深空和星际空间飞行的航天器提供高精度的位置、速度、时间和姿态等导航信息的实现过程。首先提出了基于X射线脉冲星的卫星自主导航的基本框架和实现流程;然后,概述X射线脉冲导航的时空基准,重点研究X射线脉冲星导航定位的测量方程、系统状态方程及其噪声统计特征等数学模型。最后,详细论述卫星自主导航信息处理的鲁棒滤波算法,即经典算法和现代鲁棒滤波算法。从理论方法和工程应用角度,初步论证X射线脉冲星导航的原理可行性和算法可实现性。

强脉冲X光辐照硬铝靶产生喷射冲量的研究

采用直接测量特定时间间隔系列和变磁阻传感技术的探头原理，实测了强脉冲Ｘ光辐照硬铝靶产生的喷射冲量。并给出了解析计算。结果表明，喷射冲量的计算值与实测值是基本符合的。

感应电压叠加器驱动阳极杆箍缩二极管型脉冲X射线源

介绍了自行研制的用于闪光照相且基于感应电压叠加器和阳极杆箍缩二极管的X射线源的组成、结构和主要参数。输出电压3 MV的Marx发生器给阻抗7.8Ω水介质脉冲形成线充电,产生脉宽约70ns,电压约1 MV的高功率脉冲,经过峰化开关和预脉冲开关后分成3路馈入三级感应电压叠加器感应腔进行电压叠加,感应电压叠加器次级采用真空绝缘传输线,阻抗从40Ω变成60Ω,驱动阳极杆箍缩二极管,二极管阴极为石墨,阳极为直径1.2 mm的钨杆,石墨阴极产生的电子束在电流自磁场作用下发生箍缩,轰击阳极,产生小焦斑脉冲X射线。该装置在Marx充电电压为±35 kV时,二极管电压约2.0 MV,二极管电流约为50kA,半高宽约80 ns;X射线半高宽约为40 ns,剂量约为28 mGy,焦斑约为0.95 mm。利用该X射线源拍摄到了炸药爆炸产生的层裂碎片不同飞行时间的图像。

超短脉冲X射线激发荧光寿命谱仪的设计与研制

介绍了一种利用超短脉冲X射线作为激发光源,用时间关联单光子计数法进行测量的荧光衰减时间谱仪的设计与研制。该仪器具有时间分辨率高、测量动态范围大、使用方便等优点,可应用于晶体、粉末和液体等各种样品的测量,该仪器同时还具有很强的扩展性。

中心差分Kalman滤波方法在X射线脉冲星导航中的应用

由于脉冲星脉冲到达时间的测量需要较长时间,基于传统的扩展Kalman滤波的X射线脉冲星定轨方法精度较低。为此,提出了将中心差分Kalman滤波应用于X射线脉冲星导航中,利用中心差分Kalman滤波替代扩展Kalman滤波,通过结合航天器轨道动力学模型和脉冲星观测信息进行定轨。仿真结果表明,中心差分Kalman滤波方法的定轨精度高于扩展Kalman滤波方法。

脉冲X射线次级标准电离室研制及量传技术研究

为解决脉冲X射线参考辐射场剂量准确定值及校准的技术难题,本文结合理论计算、蒙特卡罗模拟和实验的方法研制了脉冲X射线次级标准电离室并建立了ms级脉冲X射线参考辐射场,开展了主动式电离辐射剂量仪的脉冲X射线响应测试工作。实验结果表明,目前在售主流主动式剂量计的脉冲剂量响应偏低甚至给出错误读数,不适用于短脉冲、高剂量率辐射场的剂量测量和预警,会对人员安全造成较大隐患,因此应研发适用于脉冲X射线的主动式电离辐射剂量仪并推广脉冲X射线计量校准工作。

载流子输运性能对CdZnTe晶体脉冲X射线响应特性的影响

采用生长态高电阻CdZnTe晶体制备出平面电极探测器,室温下测试了其在脉冲X射线作用下的诱导电流曲线。分析了脉冲电流的上升时间以及脉冲衰减过程,发现脉冲上升时间约为2 ns,且不受外加偏压影响,而脉冲衰减过程可分为3阶段。利用α粒子结合飞行时间技术研究了CdZnTe晶体的载流子传输特性,分析了结构缺陷的散射和俘获-佉俘获对载流子传输特性的影响。同时对比了不同厚度的CdZnTe探测器在不同电压下对脉冲X射线的响应特性。结果表明,当外加电场强度增加时,诱导脉冲电流曲线的半峰宽呈指数衰减,但当探测器厚度大于0.2 mm时,随着探测器厚度的增加变化不明显。可能是由于材料中结构缺陷的浓度增加,对载流子的俘获和散射作用加剧,严重影响了载流子的传输过程和复合时间。

基于X射线脉冲星的深空探测自主导航方法

自主导航是实现深空探测任务的关键技术,基于X射线脉冲星的导航方法可靠、稳定、精度高,不受近地空间的限制,为深空自主导航提供了全新的思路。文章分析了X射线脉冲星导航的基本原理,提出了脉冲到达时间预报算法和整周模糊度求解方法,基于最小二乘理论研究了位置估计算法。仿真算例表明该方法在脉冲星方位误差为0.001弧秒、脉冲到达时间测量误差为1μs的情况下,140d飞行时间中定位精度优于10km,且对初始误差不敏感,可以满足深空探测的导航需要。