[发明专利]一种用于空间X射线通信的激光调制脉冲X射线源

说明书

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：

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(Goddard Space Flight Center)天文物理学家Keith Gendreau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。

发明内容：

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N_A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。