技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種用于空間x射線通信的激光調(diào)制脈沖x射線源，是實現(xiàn)空間x射線通信的關(guān)鍵裝置，本裝置同樣適用于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實驗。

背景技術(shù)：
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x射線通信——以x射線攜帶信息進行通信的一種方式，是一種潛在的革命性的技術(shù)，它能夠使得星際旅行者在行星際的距離上以每秒數(shù)gbit的速率進行數(shù)據(jù)傳輸。美國航空航天局戈達德太空飛行中心(goddardspaceflightcenter)天文物理學家keithgendreau博士，于2007年提出了利用x射線實現(xiàn)空間衛(wèi)星與飛行器點對點通信的概念，并首次證明了x射線通信的可行性。中國科學院西安光學精密機械研究所趙寶升團隊提出了一種柵控x射線調(diào)制源，實現(xiàn)了優(yōu)于20kbit/s的基于語音信號調(diào)制的x射線通信，初步實驗驗證了這一創(chuàng)新性的設想。受制于x射線發(fā)射和探測的技術(shù)，目前x射線通信系統(tǒng)均基于強度調(diào)制/直接檢測原理，即通過控制x射線脈沖的有無使數(shù)字通信信號加載于x射線脈沖序列上進行發(fā)射，接收端通過對脈沖信號探測和解調(diào)獲得加載在x射線脈沖序列上的信息。在這樣的通信模式下，通信速率很大程度上受制于x射線源脈沖發(fā)射速率，而現(xiàn)有的用于x射線通信的脈沖x射線源存在功率不足、脈沖發(fā)射速率較低的問題，則大大限制了x射線通信的速率。那么開發(fā)一種大功率、能夠高速調(diào)制的x射線脈沖發(fā)射源就十分必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明結(jié)合激光通信的成熟技術(shù)，在現(xiàn)有x射線管及射線探測的研究基礎之上，提出了一種用于空間x射線通信的激光調(diào)制脈沖x射線源。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種用于空間x射線通信的激光調(diào)制脈沖x射線源，其特征在于：包括光纖接口、陰極底座、激光調(diào)制陰極、聚焦電極、除氣裝置、真空腔室外殼以及陽極金屬靶，所述光纖接口與用于輸入激光信號的光纖相連，激光調(diào)制陰極與光纖接口相鄰，并通過陰極底座固定于真空腔室外殼上，聚焦電極位于真空腔室外殼的內(nèi)側(cè)壁上，除氣裝置位于真空腔室外殼的內(nèi)側(cè)壁上且位于聚焦電極的下方，陽極金屬靶固定于真空腔室外殼上。

進一步地，所述激光調(diào)制陰極由負陰極親和勢光電陰極與微通道板疊合而成，且外側(cè)包裹有陰極外殼，所述負陰極親和勢光電陰極為由玻璃基底、si3n4增透層、窗口層、砷化鎵gaas發(fā)射層、cs:o激活層自上而下緊密貼合形成的多層結(jié)構(gòu)。

進一步地，所述砷化鎵gaas發(fā)射層內(nèi)部由于摻雜方式不同分為兩個區(qū)域：一區(qū)為大梯度指數(shù)摻雜區(qū)域，滿足：一區(qū)內(nèi)任意厚度x處的空穴摻雜濃度為n(x)＝n0exp(-βx)，其中系數(shù)β＝4×ln10/l，l為砷化鎵gaas發(fā)射層一區(qū)的厚度，在厚度為0處，即砷化鎵gaas發(fā)射層一區(qū)左界面處，空穴摻雜濃度n(0)為10¹⁹cm^-3量級，而在厚度為l處，即砷化鎵gaas發(fā)射層一區(qū)右界面處，空穴摻雜濃度n(l)為10¹⁵cm^-3量級，一區(qū)中產(chǎn)生一個強度為的勻強電場，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，溫度t＝300k，q為電子電荷量，二區(qū)為重摻雜區(qū)域，二區(qū)摻雜濃度na在10¹⁸～10¹⁹cm^-3之間，厚度為亞微米量級。

進一步地，所述微通道板由圓形片狀鉛玻璃制成，厚度d為300～500μm，微通道板的兩個面鍍有電極，電極兩端外加高壓v1，v1≥1000v，且電子輸出面為高電勢。

進一步地，所述微通道板開孔直徑為5～20μm，微通道傾斜角度為θ為8～10°，工作區(qū)直徑l1≥14.5mm，電極區(qū)直徑l2≥17mm，整體直徑l3≥17.9mm。

進一步地，所述聚焦電極為中空圓柱結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑≥18mm，由導電材料制成，保持聚焦電極與激光調(diào)制陰極之間的電勢差v2為100～900v，且聚焦電極為高電勢端，作用于陽極金屬靶上的電子束斑面積≤2mm²。

進一步地，所述陽極金屬靶為透射式薄靶，由金屬銀ag制成，厚度為2～8μm，出射面鍍有0.1～0.8mm厚鈹be材質(zhì)窗口層，陽極金屬靶與聚焦電極間電勢差v3維持在20kv～100kv之間，且陽極金屬靶為高電勢端。

本發(fā)明具有如下有益效果：本發(fā)明激光調(diào)制脈沖x射線源能夠發(fā)射脈寬為ps量級的脈沖x射線，x射線脈沖寬度和位置由激光脈沖精確調(diào)控，并能夠在輸入激光脈沖重復頻率低于10¹⁰的情況下，實現(xiàn)x射線脈沖信號對輸入激光信號的良好還原。

附圖說明：

圖1為x射線通信發(fā)射端示意圖。

圖2為用于空間x射線通信的激光調(diào)制脈沖x射線源結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為激光調(diào)制陰極結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為負陰極親和勢材料能帶示意圖。

圖5為微通道板示意圖。

圖6為真空腔室示意圖。

圖7為用于空間x射線通信的激光調(diào)制脈沖x射線源脈沖響應圖。

其中附圖標記為：1—光纖接口，2—陰極底座，3—激光調(diào)制陰極，4—聚焦電極，5—除氣裝置，6—真空腔室外殼，7—陽極金屬靶，31—玻璃基底，32—si3n4增透層，33—窗口層，34—砷化鎵gaas發(fā)射層，35—cs:o激活層，36—微通道板，37—陰極外殼。

具體實施方式：

本發(fā)明提出一種用于空間x射線通信的激光調(diào)制脈沖x射線源，具體實施如下。x射線通信發(fā)射端如圖1所示，選用具備高重頻、窄脈寬特征的脈沖激光器，其輸出波長為(850nm)短脈寬(5-20ps)的激光脈沖信號，通過激光調(diào)制器加載通信信號，將載有信息的激光脈沖信號經(jīng)光纖傳輸至激光調(diào)制脈沖x射線源的激光輸入端口，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，在激光調(diào)制脈沖x射線源的輸出端口輸出加載信號的x射線脈沖。

如圖2所示，本發(fā)明用于空間x射線通信的激光調(diào)制脈沖x射線源，包括：光纖接口1、陰極底座2、激光調(diào)制陰極3、聚焦電極4、除氣裝置5、真空腔室外殼6以及陽極金屬靶7。所述光纖接口1與用于輸入激光信號的光纖相連，激光調(diào)制陰極3與光纖接口1相鄰，并通過陰極底座2固定于真空腔室外殼6上，聚焦電極4位于真空腔室外殼6的內(nèi)側(cè)壁上，除氣裝置5位于真空腔室外殼6的內(nèi)側(cè)壁上且位于聚焦電極4的下方，陽極金屬靶7固定于真空腔室外殼6上。

如圖1所示，激光調(diào)制脈沖x射線源，通過光纖接口1與光纖直接連接，激光脈沖從高重頻脈沖激光器輸出，通過激光調(diào)制器加載信息，經(jīng)光纖傳輸至激光調(diào)制脈沖x射線源，激光脈沖與激光調(diào)制陰極3作用轉(zhuǎn)換為電子脈沖。

激光調(diào)制脈沖x射線源能夠發(fā)射脈寬為ps量級的脈沖x射線，x射線脈沖寬度和位置由激光脈沖精確調(diào)控，并能夠在輸入激光脈沖重復頻率低于10¹⁰的情況下，實現(xiàn)x射線脈沖信號對輸入激光信號的良好還原。

激光調(diào)制陰極3用于吸收入射激光的光子，通過外光電效應高效地將其轉(zhuǎn)換為電子，并通過二次電子發(fā)射效應將電子倍增，輸出由大量電子組成的電子云。

激光調(diào)制陰極3能夠?qū)⒚}寬為皮秒量級的激光脈沖轉(zhuǎn)化為皮秒量級的電子脈沖，并能夠在輸入激光脈沖重復頻率低于10¹⁰的情況下，實現(xiàn)電子脈沖信號對輸入激光信號的良好還原。

如圖3所示，激光調(diào)制陰極3由負陰極親和勢光電陰極與微通道板(36)疊合而成，且外側(cè)包裹有陰極外殼(37)。所述負陰極親和勢光電陰極為由玻璃基底31、si3n4增透層32、窗口層33、砷化鎵gaas發(fā)射層34、cs:o激活層35自上而下緊密貼合形成的多層結(jié)構(gòu)。

其中負陰極親和勢光電陰極制備過程如下：在gaas襯底上用液相外延生長砷化鎵鋁gaalas阻擋層/砷化鎵gaas發(fā)射層/砷化鎵鋁ga1-xalxas窗口層的多層結(jié)構(gòu)；然后在砷化鎵鋁ga1-xalxas窗口層上用半導體鈍化工藝沉積厚度為0.1μm的si3n4減反增透膜，再在其上沉積一層sio2，用來防止與玻璃粘接時破壞si3n4并阻止有害元素進入砷化鎵鋁ga1-xalxas窗口層/砷化鎵gaas發(fā)射層；將上述結(jié)構(gòu)與2～5mm厚的光學玻璃粘接在一起；用選擇性腐蝕的方法除去gaas襯底和砷化鎵鋁gaalas阻擋層，制成四層結(jié)構(gòu)的透射式gaas光電陰極組件；對透射式gaas光電陰極組件要經(jīng)過化學清洗和超高真空的加熱凈化，去除表面污染，得到原子級清潔表面；最后在超高真空系統(tǒng)中將銫cs、氧o按照一定比例和順序交替覆蓋在表面上，使表面的真空能級降到導帶底以下，即達到負陰極親和勢(nea)狀態(tài)，從而使陰極體內(nèi)的光電子更容易逸出到真空。

負陰極親和勢(nea-gaas)光電陰極，用于實現(xiàn)激光脈沖到電子脈沖的轉(zhuǎn)換，在保證高量子效率的同時還具有響應速快的特點。

砷化鎵gaas發(fā)射層34內(nèi)部由于摻雜方式不同分為兩個區(qū)域，如圖4所示，一區(qū)為大梯度指數(shù)摻雜區(qū)域，滿足：一區(qū)內(nèi)任意厚度x處的空穴摻雜濃度為n(x)＝n0exp(-βx)，其中系數(shù)β＝4×ln10/l，l為砷化鎵gaas發(fā)射層一區(qū)的厚度，在厚度為0處，即砷化鎵gaas發(fā)射層一區(qū)左界面處，空穴摻雜濃度n(0)為10¹⁹cm^-3量級，而在厚度為l處，即砷化鎵gaas發(fā)射層一區(qū)右界面處，空穴摻雜濃度n(l)為10¹⁵cm^-3量級。在這種情況下，一區(qū)中將產(chǎn)生一個對光電子輸運非常有利的強度為的勻強電場，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，溫度t＝300k，q為電子電荷量。二區(qū)為重摻雜區(qū)域，二區(qū)摻雜濃度na選擇在10¹⁸～10¹⁹cm^-3之間，厚度為亞微米量級，以保證負陰極親和勢光電陰極在經(jīng)過cs:o激活層后，表面處電子勢壘被完全消除，即電子親和勢ea為負值，此時光電子能量只需達到禁帶寬度與電子親和勢之和eg+ea便能夠逸出，由于此時電子親和勢ea為負值，電子會很容易的發(fā)射到真空，因此能夠獲得30％以上的量子效率。圖4為gaas光電陰極的能帶結(jié)構(gòu)圖，如圖所示，當外界有一個理想的δ(t)，即：脈沖寬度為0，高度為1，位置在t處的脈沖入射時，這個光脈沖內(nèi)包含若干光子，光子穿過窗口層進入砷化鎵gaas發(fā)射層一區(qū)，光子被砷化鎵gaas材料吸收，光子的能量將砷化鎵gaas材料中一部分電子的能量從價帶ev激發(fā)到導帶ec，這些激發(fā)態(tài)的電子將在發(fā)射層一區(qū)內(nèi)的內(nèi)建電場ein作用下快速向真空方向移動，在移動的過程中由于與gaas材料原子的碰撞而損失能量，這樣只有一部分激發(fā)態(tài)電子能夠到達gaas陰極與真空的界面處，由于砷化鎵gaas發(fā)射層二區(qū)和cs:o激活層的共同的作用，真空能級evac低于這些到達界面處的電子的能量，因此這些電子能夠直接發(fā)射到真空，而無需受表面勢壘的束縛。由于在砷化鎵gaas發(fā)射層一區(qū)內(nèi)有著電場ein的作用，電子能夠快速地發(fā)射到真空，因此發(fā)射到的真空中的電子脈沖j(t)將具備窄脈寬的特點。所述大梯度指數(shù)摻雜負陰極親和勢光電陰極能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電子脈沖j(t)半高寬低于21ps，時間延遲低于10ps。

如圖3所示，微通道板36由圓形片狀鉛玻璃制成，厚度d為300～500μm，其工作區(qū)由大量帶有一定切斜角度的微型通道組成，兩個面鍍有電極，電極兩端外加高壓v1，v1≥1000v，且電子輸出面為高電勢。低電勢面為電子輸入面，微通道板面入端與負陰極親和勢光電陰極電子輸出端貼近，接收從光電陰極逸出的電子，電子進入微通道后在加速電場作用下向輸出面移動，與通道壁發(fā)生多次碰撞，由于平均每次碰撞二次電子產(chǎn)生數(shù)量大于1，整體呈現(xiàn)倍增效果，因此在輸出端將產(chǎn)生大量電子構(gòu)成的電子云，微通道板的倍增效率約為10³～10⁴。本方案采用的微通道板參數(shù)如圖5所示，微通道板整體厚度為d＝400μm，微通道開孔直徑為10μm，微通道傾斜角度為θ＝8°，工作區(qū)直徑l1＝14.5mm，電極區(qū)直徑l2＝17mm，整體直徑l3＝17.9mm。在保證倍增效率達到10³以上的同時，還能夠?qū)崿F(xiàn)半高寬低于200ps，延時低于400ps的電子脈沖輸出。

激光調(diào)制陰極3通過陰極底座2固定于真空腔室外殼6上，利用除氣裝置5使得真空腔室中達到激光調(diào)制脈沖x射線源工作所需的≤10^-8pa的真空狀態(tài)。

如圖2所示，聚焦電極4為中空圓柱結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑≥18mm，由導電材料制成，如圖6所示，保持聚焦電極與激光調(diào)制陰極之間的電勢差v2為100～900v，且聚焦電極為高電勢端，真空腔室中的電場形成透鏡的效果使得電子束達到聚焦的效果，最終作用于陽極金屬靶7上的電子束斑面積≤2mm²。

如圖2所示，陽極金屬靶7為透射式薄靶，由金屬銀ag制成，厚度為2～8μm，出射面鍍有0.1～0.8mm厚的鈹be材質(zhì)窗口層，陽極金屬靶與聚焦電極間電勢差v3維持在20kv～100kv之間，且陽極金屬靶為高電勢端。陽極高壓對真空腔室內(nèi)的電子束形成了加速的作用，并在聚焦電極的共同作用下形成高速強聚焦的電子束，電子束轟擊在ag靶上，由韌致輻射在靶的出射端釋放x射線光子。

如圖7所示，激光調(diào)制脈沖x射線源能夠發(fā)射脈寬為ps量級的脈沖x射線，x射線脈沖寬度和位置由激光脈沖精確調(diào)控，并能夠在輸入激光脈沖重復頻率低于10¹⁰的情況下，實現(xiàn)x射線脈沖信號對輸入激光信號的良好還原。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發(fā)明的保護范圍。