本實(shí)用新型屬于X射線探測(cè)成像領(lǐng)域，涉及一種X射線聚焦光學(xué)聚焦性能測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

X射線脈沖星自主導(dǎo)航是采用脈沖星作為導(dǎo)航信標(biāo)，毫秒脈沖星的輻射主要集中于1～10keV能段，且輻射強(qiáng)度非常微弱，一般在10^-5ph/s/cm²量級(jí)，最強(qiáng)的Crab脈沖星輻射強(qiáng)度也只有1.54ph/s/cm²。為了探測(cè)微弱的光子信號(hào)，通常采用的方法為準(zhǔn)直型探測(cè)器，即增大X射線探測(cè)器的面積(如專利申請(qǐng)201110449030.7、201310283151.8等方案)，但探測(cè)面積的增加會(huì)導(dǎo)致背景噪聲隨之增大，信噪比降低。另外一種措施就是采用X射線聚焦光學(xué)，將收集到的X射線光子匯聚到探測(cè)器接收面，即聚焦型X射線探測(cè)器。這樣不僅降低讀出電子學(xué)的壓力，更重要的是探測(cè)器的面積能夠大大減小，從而有效降低背景噪聲，提高信噪比。

在采用X射線聚焦光學(xué)的探測(cè)器系統(tǒng)中，X射線聚焦光學(xué)的性能至關(guān)重要，影響了整個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)的性能。國內(nèi)外常用的X射線聚焦光學(xué)主要有毛細(xì)管透鏡、Wolter透鏡、復(fù)合折射透鏡、以及波帶片等。而基于掠入射原理研制的多層嵌套式X射線聚焦光學(xué)系統(tǒng)是近年來國內(nèi)外空間X射線探測(cè)經(jīng)常采用的X射線聚焦技術(shù)，它具有聚焦效率高，實(shí)施方便等優(yōu)點(diǎn)。評(píng)價(jià)X射線聚焦光學(xué)性能的指標(biāo)主要包括聚焦效率、焦距、聚焦光斑大小及分布等，如何有效對(duì)X射線聚焦光學(xué)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量是亟待解決的重要問題。同時(shí)，由于1～10KeV的X射線在大氣下衰減嚴(yán)重，建立一種真空環(huán)境下X射線聚焦光學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決X射線聚焦光學(xué)性能精確測(cè)量問題，本實(shí)用新型提出一種真空環(huán)境下測(cè)試X射線聚焦光學(xué)性能的裝置，從而為研制高性能X射線聚焦光學(xué)提供測(cè)試平臺(tái)。

本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案：

該X射線聚焦光學(xué)聚焦性能測(cè)量裝置，包括沿光軸依次設(shè)置的X射線源、待測(cè)X射線聚焦光學(xué)、X射線成像探測(cè)器以及后端的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和用于定位調(diào)節(jié)所述待測(cè)X射線聚焦光學(xué)的多維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，有別于現(xiàn)有技術(shù)的是：還包括可見光波段的激光器和相應(yīng)的半導(dǎo)體探測(cè)器；所述X射線源、待測(cè)X射線聚焦光學(xué)、X射線成像探測(cè)器和半導(dǎo)體探測(cè)器均位于真空管道內(nèi)，其中，X射線源和激光器位于真空管道的一端，且激光器能夠取代X射線源位置用于定位光軸，X射線成像探測(cè)器和半導(dǎo)體探測(cè)器位于真空管道的另一端，通過探測(cè)器切換機(jī)構(gòu)選擇X射線成像探測(cè)器和半導(dǎo)體探測(cè)器之一定位于光軸上，以實(shí)現(xiàn)利用激光器校正和多維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來保證X射線源、待測(cè)X射線聚焦光學(xué)和X射線成像探測(cè)器的同軸性。

基于以上方案，本實(shí)用新型還進(jìn)一步作了如下優(yōu)化：

上述探測(cè)器切換機(jī)構(gòu)也位于真空管道內(nèi)，所述半導(dǎo)體探測(cè)器與X射線成像探測(cè)器共同固定安裝于探測(cè)器切換機(jī)構(gòu)的前端面上，半導(dǎo)體探測(cè)器和X射線成像探測(cè)器輸入面共面，且與待測(cè)X射線聚焦光學(xué)的焦平面重合，通過旋轉(zhuǎn)來選擇探測(cè)器；半導(dǎo)體探測(cè)器和X射線成像探測(cè)器的中心分別與探測(cè)器切換機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心等距。實(shí)際上“探測(cè)器切換機(jī)構(gòu)”還可以采用其他具體形式，只要能夠“選擇X射線成像探測(cè)器和半導(dǎo)體探測(cè)器之一定位于光軸上”即可。

進(jìn)一步的，探測(cè)器切換機(jī)構(gòu)的后端面中部設(shè)置有轉(zhuǎn)軸，可以采用電動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，也可以手動(dòng)操作來驅(qū)動(dòng)。

進(jìn)一步的，探測(cè)器切換機(jī)構(gòu)上還可以設(shè)置光軸對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，該光軸對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記與探測(cè)器中心的距離和與探測(cè)器切換機(jī)構(gòu)中心的距離相等。

上述真空管道的中心軸即作為光軸，相當(dāng)于設(shè)計(jì)真空管道的布置結(jié)構(gòu)保證探測(cè)器中心、聚焦光學(xué)光軸與真空管道中心重合。

上述X射線源可以采用X射線管、激光等離子體光源等。

上述X射線成像探測(cè)器優(yōu)選基于MCP的探測(cè)器，包括微通道板(MCP)、熒光屏、光學(xué)成像系統(tǒng)以及CCD或CMOS相機(jī)；熒光屏位于微通道板的輸出端，距離微通道板輸出端0.5～2mm，采用近貼聚焦方式；微通道板通過單塊或者是多塊級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)X射線光子的探測(cè)和倍增，所述多塊級(jí)聯(lián)采取兩塊“V”形級(jí)聯(lián)或三塊“Z”性級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。

上述X射線成像探測(cè)器中的光學(xué)成像系統(tǒng)采用廣角鏡頭或者標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，或者采用光錐將熒光屏圖像直接與CCD或CMOS進(jìn)行耦合。

上述X射線成像探測(cè)器中微通道板施加有工作電壓；熒光屏和微通道板輸出端之間也施加有電壓，用于對(duì)微通道板輸出電子云團(tuán)的加速，轟擊熒光屏發(fā)光。

上述半導(dǎo)體探測(cè)器采用高時(shí)間分辨和高能量分辨探測(cè)器，例如：硅漂移探測(cè)器(SDD)、硅PIN探測(cè)器(Si-PIN)等。

本實(shí)用新型所具有的有益效果：

1.同時(shí)利用半導(dǎo)體探測(cè)器和X射線成像探測(cè)器對(duì)X射線聚焦光學(xué)的聚焦性能進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度高；

2.在真空管道中對(duì)X射線聚焦光學(xué)進(jìn)行測(cè)試，有效避免了低能段部分(1～10keV)X射線的衰減，可用于低能、低流量的X射線束流測(cè)量；

3.本實(shí)用新型為高性能X射線聚焦光學(xué)的研制提供了精確的測(cè)試平臺(tái)。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型X射線聚焦光學(xué)測(cè)試裝置示意圖；

其中附圖標(biāo)記：1-高壓電源，2-X射線源，3-激光器，4-真空管道，5-待測(cè)X射線聚焦光學(xué)，6-X射線成像探測(cè)器，7-半導(dǎo)體探測(cè)器，8-探測(cè)器切換機(jī)構(gòu)，9-探測(cè)器電源，10-計(jì)算機(jī)，11-多維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，12-真空泵機(jī)組。

圖2探測(cè)器切換機(jī)構(gòu)示意圖；

其中附圖標(biāo)記：81-光軸對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。

圖3 X射線成像儀組成框圖；

其中附圖標(biāo)記：61-MCP組件，62-熒光屏，63-光學(xué)成像系統(tǒng)，64-CCD/CMOS，65-計(jì)算機(jī)及處理軟件。

圖4 X射線焦斑測(cè)試結(jié)果；

圖5 SDD探測(cè)器測(cè)試結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)說明。

圖1到圖3為本實(shí)用新型示意圖，用于X射線聚焦光學(xué)聚焦性能測(cè)量的裝置包括高壓電源1，X射線源2，激光器3，真空管道4，待測(cè)X射線聚焦光學(xué)5，X射線成像探測(cè)器6，半導(dǎo)體探測(cè)器7，探測(cè)器切換機(jī)構(gòu)8，探測(cè)器電源9，計(jì)算機(jī)10，多維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)11和真空泵機(jī)組12。

X射線源2和激光器3位于真空管道4的一端，并且X射線源2和激光器3可以互換。激光器3出射光為可見光波段，主要用于對(duì)聚焦光學(xué)和探測(cè)器的中心定位，出射X射線源位于真空管道的中心軸線上。真空管道4的另一端為探測(cè)器，探測(cè)器包括X射線成像探測(cè)器6和半導(dǎo)體探測(cè)器7，兩個(gè)探測(cè)器位于探測(cè)器切換機(jī)構(gòu)8上，可以通過探測(cè)器切換機(jī)構(gòu)8進(jìn)行切換選擇。探測(cè)器輸入面同時(shí)又為X射線聚焦光學(xué)的焦平面。待測(cè)X射線聚焦光學(xué)5位于X射線源和探測(cè)器之間，探測(cè)器中心、聚焦光學(xué)光軸、X射線源中心及真空管道中心重合。系統(tǒng)工作時(shí)，真空管道4中為真空狀態(tài)，真空泵機(jī)組12用于維持真空管道4中的真空，探測(cè)器輸出信號(hào)經(jīng)過同軸電纜由計(jì)算機(jī)10采集并處理。

真空管道為X射線傳輸和X射線成像探測(cè)器工作提供真空環(huán)境，真空管道真空度一般要優(yōu)于10^-4Pa。為保證入射到X射線聚焦光學(xué)的X射線近于平行入射，真空管道的長(zhǎng)度盡可能長(zhǎng)。具體要求：若X射線聚焦光學(xué)輸入有效口徑為D，X射線源距聚焦光學(xué)入射端為L(zhǎng)，則X射線源對(duì)聚焦光學(xué)的張角為2arctg(D/2L)，從而可以根據(jù)X射線聚焦光學(xué)的有效口徑和聚焦光學(xué)中X射線的掠入射角要求來確定所需真空管道的最小長(zhǎng)度L。

X射線源2為X射線管，高壓電源1為X射線管提供工作電壓。

如圖2所示，X射線成像探測(cè)器6和半導(dǎo)體探測(cè)器7對(duì)稱分布在探測(cè)器切換機(jī)構(gòu)8上，兩探測(cè)器中心與切換機(jī)構(gòu)中心距相等。切換機(jī)構(gòu)8可以通過旋轉(zhuǎn)來選擇探測(cè)器。

X射線成像探測(cè)器6和半導(dǎo)體探測(cè)器7輸入面共面，且兩探測(cè)器輸入面與X射線聚焦光學(xué)5的焦平面重合，同時(shí)需保證探測(cè)器中心和聚焦光學(xué)光軸及真空管道中心重合。

探測(cè)器切換機(jī)構(gòu)8有光軸對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，可利用激光器3校正來保證X射線源、聚焦光學(xué)和探測(cè)器的同軸性。

測(cè)試中首先利用激光器3將探測(cè)器中心和真空管道4中心校準(zhǔn)。使切換機(jī)構(gòu)上的探測(cè)器中心和真空管道中心重合。

隨后將激光器3換為X射線源2，利用真空泵機(jī)組12將真空管道4內(nèi)的真空度抽到優(yōu)于10^-4Pa。開啟高壓電源1，利用SDD探測(cè)器7測(cè)試未加X射線聚焦光學(xué)5時(shí)的X射線光子流量。測(cè)試完畢，通過探測(cè)器切換機(jī)構(gòu)8換為X射線成像探測(cè)器6，測(cè)試未加X射線聚焦光學(xué)5時(shí)的X射線光子的束流空間分布。

然后裝上待測(cè)X射線聚焦光學(xué)5，利用激光器3并通過多維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)11使得X射線聚焦光學(xué)5的光軸、真空管道的中心軸和探測(cè)器的中心重合。同時(shí)探測(cè)器輸入面為待測(cè)X射線聚焦光學(xué)5的焦平面。將激光器3換回X射線源2，待真空管道4真空度達(dá)到測(cè)試狀態(tài)時(shí)，開啟高壓電源1，探測(cè)器選擇SDD探測(cè)器7得到X射線聚焦光學(xué)聚焦后的X射線光子流量。

將探測(cè)器切換為X射線成像探測(cè)器6，利用X射線成像探測(cè)器6對(duì)待測(cè)X射線聚焦光學(xué)5的聚焦光斑進(jìn)行測(cè)量。

X射線成像探測(cè)器6為基于MCP的探測(cè)器，如圖3所示，包括MCP組件61，熒光屏62，光學(xué)成像系統(tǒng)63，CCD或CMOS器件64，計(jì)算機(jī)及處理軟件65及探測(cè)器電源9。

MCP組件61對(duì)入射X射線光子進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和電子倍增，可以采用單塊MCP或多塊MCP級(jí)聯(lián)。多塊MCP級(jí)聯(lián)包括2塊MCP“V”形級(jí)聯(lián)、3塊MCP“Z”性堆疊以及其他類似的級(jí)聯(lián)方式。

熒光屏62采用玻璃或光纖面板作為襯底，通過沉淀、電泳、刷涂、蒸發(fā)或晶體生長(zhǎng)等手段，在襯底上沉積一層熒光粉層，粉層上有一定厚度的鋁膜。粉的粒度一般≦10μm，可以采用P20，P43或其他類型的熒光粉。熒光屏距離微通道板距離一般為0.5～2mm。光學(xué)成像系統(tǒng)63可以采用光學(xué)鏡頭，也可以用光錐耦合方式將熒光屏像耦合到CCD或CMOS器件64上。

探測(cè)器電源9對(duì)MCP組件61和熒光屏62提供直流工作電壓。

計(jì)算機(jī)10包括SDD探測(cè)器7采集處理軟件和X射線成像探測(cè)器6采集處理軟件。SDD采集處理軟件可以得到SDD探測(cè)器探測(cè)到的X射線光子數(shù)，得到X射線聚焦光學(xué)的聚焦效率。X射線成像探測(cè)器采集處理軟件可以對(duì)采集得到的圖像進(jìn)行去噪、增強(qiáng)或灰度提取等一系列處理，得到X射線焦斑截面分布的形狀、尺寸及截面光子流量分布，從而得到X射線束流在焦斑內(nèi)的分布性能。