一种基于碳纳米管场致发射的微型x射线源的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航天航空精密光机电技术领域，尤其涉及一种基于碳纳米管场致发射的微型X射线源，适用于X射线脉冲星导航探测器的在轨标定。
【背景技术】
[0002]用于X射线脉冲星导航以及空间科学探索中的探测器都必须进行在轨标定，来验证入轨后探测器能否正常工作以及探测器的性能指标是否发生变化，并定期地标定在轨探测器的关键指标，为提取的在轨探测数据的有效性提供保障。通过搭载标准的微型X射线源对X射线脉冲星导航探测器进行定期标定是在轨标定的重要方法之一。各类X射线脉冲星导航探测器需要进行标定的关键指标包括:能量响应矩阵、探测效率、有效探测面积、光子到达时间测量精度、响应时间、时间分辨率等。为实现对探测器能量特性的标定，标准X射线源需具备能量单色的特征；为实现对探测器时间特性的标定，标准X射线源需具备超短脉冲的特性。因此，标准X射线源作为在轨标定中的关键部件，要求其体积小、功率低，性能稳定可靠，并且能够发射强度可控的单色脉冲X射线。
[0003]在几种常用的X射线源中，X射线管的结构比较简单、体积较小、造价也最低，最适于作在轨标定X射线源。X射线管的阴极有灯丝阴极、光电阴极等。传统的X射线管采用热阴极作为电子源，将灯丝阴极加热至高温时，电子获得大于表面势皇的动能而逸出。由于灯丝本身需要消耗一定的能量，功率较大，并且紧凑的电子发射装置不利于热量的散失，热灯丝经长时间升华、氧化和离子溅射，使X射线管寿命缩短，不适用于X射线探测器的在轨标定。采用光电阴极的X射线管，由于光阴极需要额外的激光进行激发，也存在额外的能量消耗，并且X射线管的结构和控制较为复杂，也不适用于X射线探测器的在轨标定。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明提供了一种基于碳纳米管场致发射的微型X射线源，场致发射阴极工作温度低、功耗小，易于实现X射线源的微小型化。
[0005]本发明的一种基于碳纳米管场致发射的微型X射线源，包括绝缘管体、阴极、栅极、聚焦极、阳极、阳极靶以及滤波片；
[0006]所述绝缘管体为绝缘材料加工而成的空心圆柱体，一端开口，另一端封闭；
[0007]所述阴极在绝缘管体的内部固定安装在其封闭一端的底部，阴极朝向开口端的表面生长一层碳纳米管薄膜；
[0008]所述栅极为米用金属材料加工而成的空心圆柱体，一端开口，另一端封闭；封闭一端的中部设有电子束发射口 ；所述栅极罩在所述阴极之上，栅极的外表面与所述绝缘管体的内壁固定连接；所述栅极的电子束发射口对准并靠近碳纳米管薄膜；
[0009]所述聚焦极为中间开孔的金属圆盘，固定在绝缘管体内的栅极前方，所述中间的开孔与所述电子束发射口同轴；
[0010]所述阳极为中间开有通孔的金属圆柱，固定在绝缘管体的开口一端的内壁上；所述通孔与所述电子束发射口同轴；
[0011]所述阳极的通孔中设置铝制的阳极靶；所述阳极靶朝向阴极的一侧表面为激发面，并与所述电子束的出射方向成45°角；
[0012]在与所述激发面相对应的位置，所述阳极和绝缘管体上开有X射线出射孔；
[0013]所述X射线出射的路径上设有铝金属滤波片。
[0014]较佳的，所述栅极的电子束发射孔直径为1mm，栅极与阴极的距离为0.5mm ;聚焦极的孔径为4mm，聚焦极厚度为2mm，与栅极和阳极的距离均为2mm。
[0015]较佳的，所述绝缘管体的材料为陶瓷材料。
[0016]较佳的，所述滤波片的厚度为50 μm。
[0017]进一步的，还包括为所述阴极供电的-100V的低压脉冲电源。
[0018]进一步的，还包括高压电源，为栅极提供2000V电压，为聚焦极提供200V电压，为阳极提供4000V电压。
[0019]本发明具有如下有益效果:
[0020](I)本发明的X射线源，场致发射阴极工作温度低、功耗小，易于实现X射线源的微小型化，适用于X射线探测器的在轨标定。场致电子发射不存在时间延迟性，产生的脉冲X射线具有极高的时间分辨率，并且可编程发射X射线，适用于X射线探测器的时间特性标定。碳纳米管场致发射的效率高、性能稳定、寿命较长，并且阴极表面的电场强度不需要太高就能产生较强的电子束流。场致发射产生的电子束轰击阳极靶的焦斑可通过聚焦极的电压进行控制，使得X射线的发射效率和稳定性更高。出射窗口采用与阳极靶材相同的材料(Al)，对X射线进行单色化，可用于X射线探测器能量特性的标定。
【附图说明】
[0021]图1为基于碳纳米管场致发射的微型X射线源示意图；
[0022]图2为场致发射电子源的电子光学模拟图；
[0023]图3为50 μ m Al滤波片对不同能量X射线的通过率和4kV阳极电压下Al靶产生的X射线经过该滤波器的X射线模拟谱。
[0024]1-绝缘管体、2-栅极，3-聚焦极，4-阳极，5-阳极靶，6-低压脉冲电源，7_高压电源，8-阴极，9-滤波片，10-碳纳米管薄膜。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0026]本发明的目的是提供用于X射线脉冲星导航探测器在轨标定的一种基于碳纳米管场致发射的微型X射线源。采用场致发射阴极8作为电子源的X射线管，通过场致电子发射的方式产生电子束，在外加电场的作用下，阴极8表面势皇的高度降低、宽度变窄，发射体内的大量电子由于量子隧道效应，穿透表面势皇而逸出。场致发射阴极8工作温度低、功耗小，易于实现X射线源的微小型化，而且由于场致电子发射不存在时间延迟性，产生的脉冲X射线具有极高的时间分辨率，适于对探测器的时间特性进行标定。当阴极8表面的电场强度大于场致发射的临界值，阴极8就会发射出电子，电子在阳极4电压的作用下加速并轰击阳极靶5 (Al)产生X射线，再经50 μ m Al滤波片9输出1.5keV的单色X射线，适于对探测器的能量特性进行标定。
[0027]一种基于碳纳米管场致发射的微型X射线源，其结构示意图如图1所示，包括阴极8、栅极2、聚焦极3、阳极4、阳极靶5、滤波片9、绝缘管体1、高压电源、低压脉冲电源。
[0028]绝缘管体1:绝缘管体I为绝缘材料加工而成的空心圆柱体，一端开口，另一端封闭；采用耐高压的陶瓷材料，用于固定X射线源的各个电极。
[0029]阴极8:在绝缘管体I的内部固定安装在其封闭一端的底部，通过化学气相沉积法(CVD)在阴极表面生长一层极薄的碳纳米管薄膜10，由于薄膜内包含无数的碳纳米管尖端，当阴极8表面的电场强度大于场致发射的临界值，阴极8就会发射出电子。
[0030]栅极2:为米用金属加工而成的空心圆柱体，一端开口，另一端封闭；封闭一端设有电子束发射口 ；所述栅极2罩在所述阴极8之上，栅极2的外表面与所述绝缘管体I的内壁固定连接；所述栅极2的电子束发射口对准并靠近碳纳米管薄膜10 ;采用膜孔结构金属电极，在与阴极8距离很小时，二者之间存在一定的电压差时，在阴极8表面就会形成很强的电场。
[0031]聚焦极3:为中间开孔的金属圆盘，固定在绝缘管体I内的栅极2前方，所述中间的开孔与所述电子束发射口同轴。将场致发射的电子聚焦在阳极靶5材表面，提高电子束传输效率和X射线的发射效率。