一种用于空间X射线通信的激光调制脉冲X射线源的制作方法

技术领域：

本发明涉及一种用于空间x射线通信的激光调制脉冲x射线源，是实现空间x射线通信的关键装置，本装置同样适用于x射线脉冲星导航的x射线探测器性能测试以及导航算法验证实验。

背景技术：
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x射线通信——以x射线携带信息进行通信的一种方式，是一种潜在的革命性的技术，它能够使得星际旅行者在行星际的距离上以每秒数gbit的速率进行数据传输。美国航空航天局戈达德太空飞行中心(goddardspaceflightcenter)天文物理学家keithgendreau博士，于2007年提出了利用x射线实现空间卫星与飞行器点对点通信的概念，并首次证明了x射线通信的可行性。中国科学院西安光学精密机械研究所赵宝升团队提出了一种栅控x射线调制源，实现了优于20kbit/s的基于语音信号调制的x射线通信，初步实验验证了这一创新性的设想。受制于x射线发射和探测的技术，目前x射线通信系统均基于强度调制/直接检测原理，即通过控制x射线脉冲的有无使数字通信信号加载于x射线脉冲序列上进行发射，接收端通过对脉冲信号探测和解调获得加载在x射线脉冲序列上的信息。在这样的通信模式下，通信速率很大程度上受制于x射线源脉冲发射速率，而现有的用于x射线通信的脉冲x射线源存在功率不足、脉冲发射速率较低的问题，则大大限制了x射线通信的速率。那么开发一种大功率、能够高速调制的x射线脉冲发射源就十分必要。

技术实现要素：
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本发明结合激光通信的成熟技术，在现有x射线管及射线探测的研究基础之上，提出了一种用于空间x射线通信的激光调制脉冲x射线源。

本发明采用如下技术方案：一种用于空间x射线通信的激光调制脉冲x射线源，其特征在于：包括光纤接口、阴极底座、激光调制阴极、聚焦电极、除气装置、真空腔室外壳以及阳极金属靶，所述光纤接口与用于输入激光信号的光纤相连，激光调制阴极与光纤接口相邻，并通过阴极底座固定于真空腔室外壳上，聚焦电极位于真空腔室外壳的内侧壁上，除气装置位于真空腔室外壳的内侧壁上且位于聚焦电极的下方，阳极金属靶固定于真空腔室外壳上。

进一步地，所述激光调制阴极由负阴极亲和势光电阴极与微通道板叠合而成，且外侧包裹有阴极外壳，所述负阴极亲和势光电阴极为由玻璃基底、si3n4增透层、窗口层、砷化镓gaas发射层、cs:o激活层自上而下紧密贴合形成的多层结构。

进一步地，所述砷化镓gaas发射层内部由于掺杂方式不同分为两个区域：一区为大梯度指数掺杂区域，满足：一区内任意厚度x处的空穴掺杂浓度为n(x)＝n0exp(-βx)，其中系数β＝4×ln10/l，l为砷化镓gaas发射层一区的厚度，在厚度为0处，即砷化镓gaas发射层一区左界面处，空穴掺杂浓度n(0)为10¹⁹cm^-3量级，而在厚度为l处，即砷化镓gaas发射层一区右界面处，空穴掺杂浓度n(l)为10¹⁵cm^-3量级，一区中产生一个强度为的匀强电场，其中k为玻尔兹曼常数，温度t＝300k，q为电子电荷量，二区为重掺杂区域，二区掺杂浓度na在10¹⁸～10¹⁹cm^-3之间，厚度为亚微米量级。

进一步地，所述微通道板由圆形片状铅玻璃制成，厚度d为300～500μm，微通道板的两个面镀有电极，电极两端外加高压v1，v1≥1000v，且电子输出面为高电势。

进一步地，所述微通道板开孔直径为5～20μm，微通道倾斜角度为θ为8～10°，工作区直径l1≥14.5mm，电极区直径l2≥17mm，整体直径l3≥17.9mm。

进一步地，所述聚焦电极为中空圆柱结构，内径≥18mm，由导电材料制成，保持聚焦电极与激光调制阴极之间的电势差v2为100～900v，且聚焦电极为高电势端，作用于阳极金属靶上的电子束斑面积≤2mm²。

进一步地，所述阳极金属靶为透射式薄靶，由金属银ag制成，厚度为2～8μm，出射面镀有0.1～0.8mm厚铍be材质窗口层，阳极金属靶与聚焦电极间电势差v3维持在20kv～100kv之间，且阳极金属靶为高电势端。

本发明具有如下有益效果：本发明激光调制脉冲x射线源能够发射脉宽为ps量级的脉冲x射线，x射线脉冲宽度和位置由激光脉冲精确调控，并能够在输入激光脉冲重复频率低于10¹⁰的情况下，实现x射线脉冲信号对输入激光信号的良好还原。

附图说明：

图1为x射线通信发射端示意图。

图2为用于空间x射线通信的激光调制脉冲x射线源结构示意图。

图3为激光调制阴极结构示意图。

图4为负阴极亲和势材料能带示意图。

图5为微通道板示意图。

图6为真空腔室示意图。

图7为用于空间x射线通信的激光调制脉冲x射线源脉冲响应图。

其中附图标记为：1—光纤接口，2—阴极底座，3—激光调制阴极，4—聚焦电极，5—除气装置，6—真空腔室外壳，7—阳极金属靶，31—玻璃基底，32—si3n4增透层，33—窗口层，34—砷化镓gaas发射层，35—cs:o激活层，36—微通道板，37—阴极外壳。

具体实施方式：

本发明提出一种用于空间x射线通信的激光调制脉冲x射线源，具体实施如下。x射线通信发射端如图1所示，选用具备高重频、窄脉宽特征的脉冲激光器，其输出波长为(850nm)短脉宽(5-20ps)的激光脉冲信号，通过激光调制器加载通信信号，将载有信息的激光脉冲信号经光纤传输至激光调制脉冲x射线源的激光输入端口，经过转换，在激光调制脉冲x射线源的输出端口输出加载信号的x射线脉冲。

如图2所示，本发明用于空间x射线通信的激光调制脉冲x射线源，包括：光纤接口1、阴极底座2、激光调制阴极3、聚焦电极4、除气装置5、真空腔室外壳6以及阳极金属靶7。所述光纤接口1与用于输入激光信号的光纤相连，激光调制阴极3与光纤接口1相邻，并通过阴极底座2固定于真空腔室外壳6上，聚焦电极4位于真空腔室外壳6的内侧壁上，除气装置5位于真空腔室外壳6的内侧壁上且位于聚焦电极4的下方，阳极金属靶7固定于真空腔室外壳6上。

如图1所示，激光调制脉冲x射线源，通过光纤接口1与光纤直接连接，激光脉冲从高重频脉冲激光器输出，通过激光调制器加载信息，经光纤传输至激光调制脉冲x射线源，激光脉冲与激光调制阴极3作用转换为电子脉冲。

激光调制脉冲x射线源能够发射脉宽为ps量级的脉冲x射线，x射线脉冲宽度和位置由激光脉冲精确调控，并能够在输入激光脉冲重复频率低于10¹⁰的情况下，实现x射线脉冲信号对输入激光信号的良好还原。

激光调制阴极3用于吸收入射激光的光子，通过外光电效应高效地将其转换为电子，并通过二次电子发射效应将电子倍增，输出由大量电子组成的电子云。

激光调制阴极3能够将脉宽为皮秒量级的激光脉冲转化为皮秒量级的电子脉冲，并能够在输入激光脉冲重复频率低于10¹⁰的情况下，实现电子脉冲信号对输入激光信号的良好还原。

如图3所示，激光调制阴极3由负阴极亲和势光电阴极与微通道板(36)叠合而成，且外侧包裹有阴极外壳(37)。所述负阴极亲和势光电阴极为由玻璃基底31、si3n4增透层32、窗口层33、砷化镓gaas发射层34、cs:o激活层35自上而下紧密贴合形成的多层结构。

其中负阴极亲和势光电阴极制备过程如下：在gaas衬底上用液相外延生长砷化镓铝gaalas阻挡层/砷化镓gaas发射层/砷化镓铝ga1-xalxas窗口层的多层结构；然后在砷化镓铝ga1-xalxas窗口层上用半导体钝化工艺沉积厚度为0.1μm的si3n4减反增透膜，再在其上沉积一层sio2，用来防止与玻璃粘接时破坏si3n4并阻止有害元素进入砷化镓铝ga1-xalxas窗口层/砷化镓gaas发射层；将上述结构与2～5mm厚的光学玻璃粘接在一起；用选择性腐蚀的方法除去gaas衬底和砷化镓铝gaalas阻挡层，制成四层结构的透射式gaas光电阴极组件；对透射式gaas光电阴极组件要经过化学清洗和超高真空的加热净化，去除表面污染，得到原子级清洁表面；最后在超高真空系统中将铯cs、氧o按照一定比例和顺序交替覆盖在表面上，使表面的真空能级降到导带底以下，即达到负阴极亲和势(nea)状态，从而使阴极体内的光电子更容易逸出到真空。

负阴极亲和势(nea-gaas)光电阴极，用于实现激光脉冲到电子脉冲的转换，在保证高量子效率的同时还具有响应速快的特点。

砷化镓gaas发射层34内部由于掺杂方式不同分为两个区域，如图4所示，一区为大梯度指数掺杂区域，满足：一区内任意厚度x处的空穴掺杂浓度为n(x)＝n0exp(-βx)，其中系数β＝4×ln10/l，l为砷化镓gaas发射层一区的厚度，在厚度为0处，即砷化镓gaas发射层一区左界面处，空穴掺杂浓度n(0)为10¹⁹cm^-3量级，而在厚度为l处，即砷化镓gaas发射层一区右界面处，空穴掺杂浓度n(l)为10¹⁵cm^-3量级。在这种情况下，一区中将产生一个对光电子输运非常有利的强度为的匀强电场，其中k为玻尔兹曼常数，温度t＝300k，q为电子电荷量。二区为重掺杂区域，二区掺杂浓度na选择在10¹⁸～10¹⁹cm^-3之间，厚度为亚微米量级，以保证负阴极亲和势光电阴极在经过cs:o激活层后，表面处电子势垒被完全消除，即电子亲和势ea为负值，此时光电子能量只需达到禁带宽度与电子亲和势之和eg+ea便能够逸出，由于此时电子亲和势ea为负值，电子会很容易的发射到真空，因此能够获得30％以上的量子效率。图4为gaas光电阴极的能带结构图，如图所示，当外界有一个理想的δ(t)，即：脉冲宽度为0，高度为1，位置在t处的脉冲入射时，这个光脉冲内包含若干光子，光子穿过窗口层进入砷化镓gaas发射层一区，光子被砷化镓gaas材料吸收，光子的能量将砷化镓gaas材料中一部分电子的能量从价带ev激发到导带ec，这些激发态的电子将在发射层一区内的内建电场ein作用下快速向真空方向移动，在移动的过程中由于与gaas材料原子的碰撞而损失能量，这样只有一部分激发态电子能够到达gaas阴极与真空的界面处，由于砷化镓gaas发射层二区和cs:o激活层的共同的作用，真空能级evac低于这些到达界面处的电子的能量，因此这些电子能够直接发射到真空，而无需受表面势垒的束缚。由于在砷化镓gaas发射层一区内有着电场ein的作用，电子能够快速地发射到真空，因此发射到的真空中的电子脉冲j(t)将具备窄脉宽的特点。所述大梯度指数掺杂负阴极亲和势光电阴极能够实现输出电子脉冲j(t)半高宽低于21ps，时间延迟低于10ps。

如图3所示，微通道板36由圆形片状铅玻璃制成，厚度d为300～500μm，其工作区由大量带有一定切斜角度的微型通道组成，两个面镀有电极，电极两端外加高压v1，v1≥1000v，且电子输出面为高电势。低电势面为电子输入面，微通道板面入端与负阴极亲和势光电阴极电子输出端贴近，接收从光电阴极逸出的电子，电子进入微通道后在加速电场作用下向输出面移动，与通道壁发生多次碰撞，由于平均每次碰撞二次电子产生数量大于1，整体呈现倍增效果，因此在输出端将产生大量电子构成的电子云，微通道板的倍增效率约为10³～10⁴。本方案采用的微通道板参数如图5所示，微通道板整体厚度为d＝400μm，微通道开孔直径为10μm，微通道倾斜角度为θ＝8°，工作区直径l1＝14.5mm，电极区直径l2＝17mm，整体直径l3＝17.9mm。在保证倍增效率达到10³以上的同时，还能够实现半高宽低于200ps，延时低于400ps的电子脉冲输出。

激光调制阴极3通过阴极底座2固定于真空腔室外壳6上，利用除气装置5使得真空腔室中达到激光调制脉冲x射线源工作所需的≤10^-8pa的真空状态。

如图2所示，聚焦电极4为中空圆柱结构，内径≥18mm，由导电材料制成，如图6所示，保持聚焦电极与激光调制阴极之间的电势差v2为100～900v，且聚焦电极为高电势端，真空腔室中的电场形成透镜的效果使得电子束达到聚焦的效果，最终作用于阳极金属靶7上的电子束斑面积≤2mm²。

如图2所示，阳极金属靶7为透射式薄靶，由金属银ag制成，厚度为2～8μm，出射面镀有0.1～0.8mm厚的铍be材质窗口层，阳极金属靶与聚焦电极间电势差v3维持在20kv～100kv之间，且阳极金属靶为高电势端。阳极高压对真空腔室内的电子束形成了加速的作用，并在聚焦电极的共同作用下形成高速强聚焦的电子束，电子束轰击在ag靶上，由韧致辐射在靶的出射端释放x射线光子。

如图7所示，激光调制脉冲x射线源能够发射脉宽为ps量级的脉冲x射线，x射线脉冲宽度和位置由激光脉冲精确调控，并能够在输入激光脉冲重复频率低于10¹⁰的情况下，实现x射线脉冲信号对输入激光信号的良好还原。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。