專利名稱：一種任意波形x射線發生裝置及產生方法
技術領域：
本發明涉及一種X射線發生裝置，特別是一種高穩定任意波形X射線發生裝置及產生方法，是適用于X射線脈沖星導航的X射線探測器性能測試以及導航算法驗證的重要實驗裝置，同樣是適用于X射線脈沖星導航有效載荷及其導航算法閉環測試的重要測試裝置。
背景技術：
為了開展X射線脈沖星導航技術研究，必須在實驗室模擬X射線脈沖星的物理參數(脈沖輪廓、穩定度、能譜等)。以現有的候選脈沖星數據庫為依據，進行全實物仿真模擬，主要模擬脈沖星的相對空間坐標、X射線能譜范圍、脈沖輪廓分布、脈沖輪廓穩定性等指標，通過探測器探測到的脈沖到達時間Τ0Α，驗證導航系統算法。中科院西安光機所盛立志等人發明了 “一種用于X射線脈沖星導航的地面模擬方法及裝置”(ZL201010140837. 8)。該裝置利用傳統的直流X射線管發射出連續的X射線， 通過一個光學斬波器，光學斬波器是一個直流電機帶有一個金屬葉片實現脈沖X射線的調制輸出。這種方案簡單易行，但是存在以下三個不足其一是由于直流電機的轉速穩定性僅有10_4，輸出脈沖的穩定性很差；其二是很難實現任意脈沖的模擬輸出；其三是操作十分麻煩，要改變脈沖的周期和形狀，必須每次更換金屬葉片。基于以上的限制，難以做到X射線脈沖星的實物仿真。同時，現有的關于脈沖星信號源的模擬發生系統，如中國專利“基于半導體激光器的X射線脈沖星導航嵌入式模擬系統”(200910023357. O)，“一種脈沖星信號模擬器”(200910023383. 3)，“多脈沖星信號模擬器”(200910023707. 3)等，并沒有實現能譜在I 20keV范圍內脈沖星X射線模擬信號。本發明克服了以上的不足，可以實現導航用 X射線脈沖星信號實物仿真。
發明內容
本發明的目的是為了克服現有研究的不足，提供一種高穩定任意波形X射線發生裝置，以實現高穩定度任意波形X射線的產生，為脈沖星導航地面模擬系統提供模擬X射線源的實驗裝置。為實現以上目的，本發明采用技術方案一種任意波形X射線發生裝置，其特殊之處在于包括任意信號發生器、柵控X射線球管電源系統以及柵控X射線球管，所述柵控X射線球管電源系統包括燈絲電源、柵極電源以及陽極高壓電源；所述任意信號發生器包括時鐘系統、存儲系統以及控制系統，所述時鐘系統、存儲系統均與控制系統的輸入端連接，所述控制系統的輸出端與柵控X射線球管電源系統連接；所述存儲系統包括用于存儲包含X脈沖星周期漂移、宇宙X射線噪聲、相對論效應和多普勒效應的任意不規則的X射線脈沖星脈沖數據庫的存儲單元和用于對存儲單元中的X射線脈沖星脈沖數據庫中數據進行數字化的處理單元；所述控制系統包括用于讀取存儲系統中進行數字化后的數據的讀寫単元和用于對讀寫單元讀取的數據進行轉換的轉換單元，所述讀寫単元的輸出端分別與燈絲電源和陽極高壓電源的輸入端連接，所述轉換単元的輸出端與柵極電源的輸入端連接；柵控X射線球管包括X射線管殼32以及設置在X射線管殼32內的依次排列的燈絲31、熱陰極33、調制柵極34、電子束聚焦極35、金屬靶陽極36以及設置在X射線管殼上的出射窗37，所述熱陰極33設置在燈絲的外側且熱陰極33的出射孔正對燈絲31，所述調制柵極34為帶有小孔的電極板，所述調制柵極34的小孔正對熱陰極33的出射孔，所述電子束聚焦極35設置在柵極小孔的兩側且形成的聚焦通道正對小孔，電子束經電子束聚焦極聚焦后發射到，所述陽極金屬靶36的發射面對著聚焦通道的出ロ，所述出射窗37設置在陽極金屬靶的電子束反射路上；所述燈絲電源的輸出端與燈絲連接；所述柵極電源的輸出端與調制柵極連接，所述陽極高壓電源的輸出端與陽極金屬靶36連接。上述轉換單元為D/A轉換電路或編碼電路。上述時鐘系統為恒溫OCXO晶振或原子鐘。一種基于上述X射線發生裝置的任意波形X射線產生方法，其特殊之處在于包括以下步驟I]產生任意波形的電信號I. I]在存儲系統中的存儲單元中存儲X射線脈沖星脈沖數據庫；所述X射線脈沖星脈沖數據庫包括多組任意不規則的X脈沖星周期漂移數據單元、多組任意不規則的宇宙 X射線噪聲數據單元、多組任意不規則的相對論效應數據單元以及多組任意不規則的多普勒效應數據單元；所述多組數據單元均包括X射線脈沖星脈沖輪廓數據、對應的X射線能量數據以及X射線強度數據；I. 2]處理單元對存儲単元中的X射線脈沖星脈沖數據庫數據進行數字化處理；I. 3]控制系統中的讀寫單元讀取經過數字化處理的數據，X射線強度數據控制燈絲電源的電壓，X射線能量數據控制陽極高壓電源的電壓，同時轉換單元對讀寫單元中讀取的X射線脈沖星脈沖輪廓數據進行D/A轉換或編碼處理控制柵極電源電壓用于產生任意波形的電信號；2]產生任意波形X射線；燈絲電源給燈絲供電；柵極電源給柵極供電，陽極高壓電源給陽極供電，柵控X射線球管的出射窗37產生任意波形X射線。本發明所具有的有益效果I、本發明能夠產生任意波形的X射線本發明采用任意信號發生器配合柵控X射線球管。2、本發明的X射線發生裝置具有高穩定度本發明采用高穩定度的時鐘系統控制控制系統。3、本發明存儲系統存儲能量數據和強度數據，并通過燈絲電源和陽極高壓電源實現能譜范圍在I 20keV之間，能流密度在I 10_5ph/cm2/S的X射線。
4、本發明的高穩定任意波形的X射線可以是包含X脈沖星周期漂移、宇宙X射線噪聲、相對論效應和多普勒效應等的任意不規則的X射線脈沖星脈沖輪廓。5、本發明中任意信號發生器的遠程控制能很方便調用所需X射線波形的所有數據，使操作變得簡便快捷，并且還可以減少X射線對實驗人員的輻射。6、本發明為脈沖星導航地面模擬系統提供模擬X射線源的實驗裝置。
圖I本發明的高穩定任意波形X射線發生裝置示意圖；圖2本發明任意信號發生器所要產生的任意波形與X射線脈沖探測裝置實際探測到的波形對比圖；圖3本發明柵控X射線球管的結構示意圖；其中附圖標記為1_任意信號發生器，11-時鐘系統，12-存儲系統，13-控制系統，
2-柵控X射線球管電源系統，21-燈絲電源，22-柵極電源，23-陽極高壓電源，3-柵控X射線球管，31-燈絲，32-X射線管殼，33-熱陰極，34-調制柵極，35-電子束聚焦極，36-金屬靶陽極，37-出射窗。
具體實施例方式如圖I所示，ー種高穩定任意波形X射線發生裝置，包括用于高穩定度任意波形產生的任意信號發生器I、用于提供柵控X射線球管燈絲電流、柵極控制信號、陽極高壓的エ 作電源的柵控X射線球管電源系統2以及柵控X射線球管3，其中柵控X射線球管是使用任意信號發生器產生的電信號對X射線球管中燈絲發射到陽極的電子束進行控制，以實現任意波形的X射線的產生；柵控X射線球管電源系統包括燈絲電源21、柵極電源22以及陽極高壓電源23 ；任意信號發生器包括時鐘系統、存儲系統以及控制系統，時鐘系統、存儲系統均與控制系統的輸入端連接，控制系統的輸出端與柵控X射線球管電源系統連接；存儲系統包括用于存儲包含X脈沖星周期漂移、宇宙X射線噪聲、相對論效應和多普勒效應的任意不規則的X射線脈沖星脈沖數據庫的存儲單元和用于對存儲單元中的X射線脈沖星脈沖數據庫中數據進行數字化的處理單元；時鐘系統11由高穩定度恒溫OCXO晶振組成，穩定度為10_15/day，還可以是高穩定度原子鐘組成。轉換單元為D/A轉換電路或編碼電路。控制系統包括用于讀取存儲系統中進行數字化后的數據的讀寫単元和用于對讀寫單元讀取的數據進行轉換的轉換單元，讀寫單元的輸出端分別與燈絲電源和陽極高壓電源的輸入端連接，所述轉換単元的輸出端與柵極電源的輸入端連接；如圖3所示，柵控X射線球管包括X射線管殼32以及設置在X射線管殼32內的依次排列的燈絲31、熱陰極33、調制柵極34、電子束聚焦極35、金屬靶陽極36以及設置在 X射線管殼上的出射窗37，所述熱陰極33設置在燈絲的外側且熱陰極33的出射孔正對燈絲31，所述調制柵極34為帶有小孔的電極板，所述調制柵極34的小孔正對熱陰極33的出射孔，所述電子束聚焦極35設置在柵極小孔的兩側且形成的聚焦通道正對小孔，電子束經電子束聚焦極聚焦后發射到，所述陽極金屬靶36的發射面對著聚焦通道的出口，所述出射窗37設置在陽極金屬靶的電子束反射路上；燈絲電源的輸出端與燈絲連接；柵極電源的輸出端與調制柵極連接，所述陽極高壓電源的輸出端與陽極金屬靶36另一面連接。任意波形X射線產生方法，包括以下步驟I]產生任意波形的電信號I. I]在存儲系統中的存儲單元中存儲X射線脈沖星脈沖數據庫；所述X射線脈沖星脈沖數據庫包括多組任意不規則的X脈沖星周期漂移數據單元、多組任意不規則的宇宙 X射線噪聲數據單元、多組任意不規則的相對論效應數據單元以及多組任意不規則的多普勒效應數據單元；所述多組數據單元均包括X射線脈沖星脈沖輪廓數據、對應的X射線能量數據以及X射線強度數據；I. 2]對存儲單元中的X射線脈沖星脈沖數據庫數據進行數字化處理；I. 3]控制系統中的讀寫單元讀取經過數字化處理的數據，X射線強度數據控制燈絲電源，X射線能量數據控制陽極高壓電源，同時轉換單元對讀寫單元中讀取的X射線脈沖星脈沖輪廓數據進行D/A轉換或編碼處理控制柵極電源產生任意波形的電信號；2]產生任意波形X射線；燈絲電源給燈絲供電；柵極電源給調制柵極供電，陽極高壓電源給陽極供電，從柵控X射線球管的出射窗37產生任意波形X射線。本發明的工作過程在X射線脈沖星導航中用的X射線任意波形發生裝置的存儲系統中存儲單元存儲的是包含X脈沖星周期漂移、宇宙X射線噪聲、相對論效應和多普勒效應的任意不規則的X 射線脈沖星脈沖數據庫，特別是選定的8顆導航用X射線脈沖星脈沖數據庫，存儲系統12 中存儲的數據信息既可以是所需X射線波形經過數字化處理的數據信息，還可以是所需X 射線波形數字化處理后再經過編碼算法的數據信息。控制系統13通過對柵控X射線球管柵極的控制，從存儲系統中調出的是所需一個、兩個或者多個任意波形的X射線信號的輪廓數據庫，以模擬信號或數字信號的形式輸出；根據所需任意波形X射線的能量來控制柵控X射線球管陽極高壓，X射線能量范圍為 I 20keV ;根據所需任意波形X射線的強度來控制柵控X射線球管燈絲電流，X射線能流密度在I 10-5ph/cm2/s范圍。控制系統的柵控X射線球管柵極信號控制、柵控X射線球管陽極高壓控制、柵控X射線球管燈絲電流控制三者可以根據所需X射線波形的指標進行相關控制，并可以與后續X射線脈沖探測裝置的控制系統進行相關集成。本發明用于X射線脈沖星導航的地面模擬系統的X射線脈沖星源的產生。將包含 X脈沖星周期漂移、宇宙X射線噪聲、相對論效應和多普勒效應的選定導航用的8顆X射線脈沖星數據庫存儲在任意信號發生器I的存儲系統12中，根據地面模擬實驗需要，通過控制系統13調用實驗用的脈沖星脈沖輪廓數據，該數據在高穩定時鐘系統11下將數據通過 A/D轉換器或編碼電路經柵控X射線球管電源系統2輸送給柵控X射線球管的調制柵極，與此同時控制系統也將通過柵控X射線球管電源系統2提供相應的燈絲電流和陽極高壓。這樣柵控X射線球管產生的X射線即為實驗所需高穩定任意波形的X射線。實驗效果如圖2所示，圖中實線為任意信號發生器所要產生的任意波形脈沖星輪廓圖，圖中虛線為所要產生的輪廓數據經數字編碼后加載在柵控X射線球管柵極，并由X射線脈沖探測裝置接收解碼得到的實驗輪廓圖。
權利要求
1.一種任意波形X射線發生裝置，其特征在于包括任意信號發生器、柵控X射線球管電源系統以及柵控X射線球管，所述柵控X射線球管電源系統包括燈絲電源、柵極電源以及陽極高壓電源；所述任意信號發生器包括時鐘系統、存儲系統以及控制系統，所述時鐘系統、存儲系統均與控制系統的輸入端連接，所述控制系統的輸出端與柵控X射線球管電源系統連接； 所述存儲系統包括用于存儲包含X脈沖星周期漂移、宇宙X射線噪聲、相對論效應和多普勒效應的任意不規則的X射線脈沖星脈沖數據庫的存儲單元和用于對存儲單元中的X射線脈沖星脈沖數據庫中數據進行數字化的處理單元；所述控制系統包括用于讀取存儲系統中進行數字化后的數據的讀寫單元和用于對讀寫單元讀取的數據進行轉換的轉換單元，所述讀寫單元的輸出端分別與燈絲電源和陽極高壓電源的輸入端連接，所述轉換單元的輸出端與柵極電源的輸入端連接；柵控X射線球管包括X射線管殼(32)以及設置在X射線管殼(32)內的依次排列的燈絲(31)、熱陰極(33)、調制柵極(34)、電子束聚焦極(35)、金屬靶陽極(36)以及設置在X 射線管殼上的出射窗(37)，所述熱陰極(33)設置在燈絲的外側且熱陰極(33)的出射孔正對燈絲(31)，所述調制柵極(34)為帶有小孔的電極板，所述調制柵極(34)的小孔正對熱陰極(33)的出射孔，所述電子束聚焦極(35)設置在柵極小孔的兩側且形成的聚焦通道正對小孔，電子束經電子束聚焦極聚焦后發射到，所述陽極金屬靶(36)的發射面對著聚焦通道的出口，所述出射窗(37)設置在陽極金屬靶的電子束反射路上；所述燈絲電源的輸出端與燈絲連接；所述柵極電源的輸出端與調制柵極連接，所述陽極高壓電源的輸出端與陽極金屬靶(36)連接。
2.根據權利要求I所述任意波形X射線發生裝置，其特征在于所述轉換單元為D/A轉換電路或編碼電路。
3.根據權利要求I或2所述任意波形X射線發生裝置，其特征在于所述時鐘系統為恒溫OCXO晶振或原子鐘。
4.一種基于權利要求I所述X射線發生裝置的任意波形X射線產生方法，其特征在于 包括以下步驟1]產生任意波形的電信號1.1]在存儲系統中的存儲單元中存儲X射線脈沖星脈沖數據庫；所述X射線脈沖星脈沖數據庫包括多組任意不規則的X脈沖星周期漂移數據單元、多組任意不規則的宇宙X射線噪聲數據單元、多組任意不規則的相對論效應數據單元以及多組任意不規則的多普勒效應數據單元；所述多組數據單元均包括X射線脈沖星脈沖輪廓數據、對應的X射線能量數據以及X射線強度數據；I.2]處理單元對存儲單元中的X射線脈沖星脈沖數據庫數據進行數字化處1.3]控制系統中的讀寫單元讀取經過數字化處理的數據，X射線強度數據控制燈絲電源的電壓，X射線能量數據控制陽極高壓電源的電壓，同時轉換單元對讀寫單元中讀取的X 射線脈沖星脈沖輪廓數據進行D/A轉換或編碼處理控制柵極電源電壓用于產生任意波形的電信號；2]產生任意波形X射線；燈絲電源給燈絲供電；柵極電源給柵極供電，陽極高壓電源給陽極供電，柵控X射線球管的出射窗(37)產生任意波形X射線。
全文摘要
本發明涉及一種任意波形X射線發生裝置及產生方法，其中任意波形X射線發生裝置，包括用于高穩定度任意波形產生的任意信號發生器、用于提供柵控X射線球管燈絲電流、柵極控制信號、陽極高壓的工作電源的柵控X射線球管電源系統以及柵控X射線球管，柵控X射線球管是使用任意信號發生器產生的電信號對X射線球管中燈絲發射到陽極的電子束進行控制，以實現任意波形的X射線的產生；本發明解決了現有技術只能產生單一波形X射線的技術問題，本發明提供一種高穩定任意波形X射線發生裝置，以實現高穩定度任意波形X射線的產生，為脈沖星導航地面模擬系統提供模擬X射線源的實驗裝置。
文檔編號H01J35/02GK102592927SQ20121008797
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月29日 優先權日2012年3月29日
發明者劉永安, 周峰, 盛立志, 賽小鋒, 趙寶升, 鄢秋榮, 韋永林 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所