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基于脉冲星导航的MCP空间X射线探测器关键技术的研究

宋娟  
【摘要】:随着航天技术的发展,传统的卫星导航系统越来越不能满足需求,在功能上呈现出一定的局限性。为了打破这一局限,近些年各航天大国对下一代导航系统—X射线脉冲星导航系统,投入了大量的人力、物力资源进行研究。本文在调研国内外探测器研究与应用发展的基础上,对应用于X射线脉冲星导航系统的探测器性能需求进行了分析,并重点研究了用于导航的MCP空间X射线探测器。 在进行X射线脉冲星导航空间搭载试验和未来脉冲星导航系统实际应用之前,必须在地面搭建实验模拟系统,对探测器进行全面的实验测试与标定,例如量子效率、探测效率、光子到达时间精度、脉冲轮廓的累积时间、定位精度等的计算。要标定探测器首先要有一个已知光子流量的X射线源,并且该射线源的能谱具有良好的单色性。此外,X射线源的光子流量可以根据测试需求进行调节。根据实验需求,对课题组研制的用于标定测试探测器的X射线源。该X射线源能够产生七个单色能量的射线,分别是1.49keV、4.51keV、5.41keV、6.4keV、8.05keV、15.77keV、17.48keV。在真空环境下,用SDD探测器测试标定了X射线源的最佳预热时间、光子流量稳定度、能谱分布、模拟脉冲轮廓特性,并通过改变X射线源到探测器的距离、灯丝电流和阳极高压,对每一个能量下的X射线光子流量进行了测试标定,为后续探测器的探测效率的测试标定奠定了基础。 关于MCP探测器的研究本文重点从两个方面进行了研究: 一、为了提高探测器的探测效率,设计了复合式光电阴极结构,主要工作内容如下所述: 在对复合式光电阴极进行实验测试之前,仿真计算出探测器正常工作时的两个电压的最优值:(1)采用CST软件模拟计算出阴极电压和MCP输入电压的电势差在-300V时工作最佳;(2)为了提高探测器探测效率和探测的可靠性,优化了收集阳极电压V1。提高探测器收集阳极电压可以减小电子云团的直径,降低电子云团发生交叠的概率,阳极电压越高,电子云团的直径就越小,小到一定的尺寸后将不会变。通过计算可以得到电子云团入射到收集阳极上时的半径,计算结果显示:当收集阳极电压在0V时,将电子云团的半径约为0.9mm;当收集阳极电压在-450V时,电子云团的半径为0.6mm,继续增大收集阳极电压至-800V,电子云团的半径变化很小,仍然约为0.6mm。根据这一计算结果可以确定收集阳极电压-450V时最佳。(3)对复合式光电阴极的透射层碘化铯的最佳厚度采用两种计算方法进行计算,第一种是1981年汉克推导的计算模型,第二种是2011年胡慧君博士论文中推导出的计算模型,计算结果显示,两种算法下的最佳厚度值有一定的偏差。为了确定哪种计算方法可靠,用GEANT4软件对不同厚度下的透射层碘化铯的量子效率和探测效率进行模拟计算,通过模拟实验获知:采用第二种算法得出的厚度值是最佳的;为了进一步确认第二种算法的可靠性,计算光子能量一定时,不同厚度的透射层碘化铯阴极的量子效率和探测效率,计算结果表明,第二种计算方法得出的最佳厚度值是可靠的。 为验证复合式光电阴极是否能够有效的提高探测器的探测效率,制备了纯反射式光电阴极和复合式光电阴极,并测试它们的探测效率。测试结果显示:在相同的实验条件下,复合式光电阴极的探测效率要高于纯反射式光电阴极,分别可达到25.2%@1.49keV(透射层79.9nm+反射层1000nm)、14.2%@4.51keV(透射层144.35nm+反射层1000nm),而纯反射光电阴极在相同的实验条件下的探测效率分别16.2%@1.49keV(1079.9nm)、10.1%@4.51keV(1144.35nm)。 二、为了增大探测器的面积,初步对2×2阵列探测器进行研究,重点是多通道共享阳极的研究。 首先,依据航天探测器设计的基本原则设计了2×2阵列的X射线探测器雏形用于实验研究,并对各个零件进行了选材工作。此外,从两个方面对2×2阵列探测器进行了优化。 (1)提出了一种甄选性能一致的MCP的方法,该方法包括确立4个甄选关键参数、建立MCP可用标准、优化实验测试流程和实验测试四个过程。 (2)研制出多通道共享阳极,通过减少读出电子学通道数以降低大面阵MCP探测器电子学采集系统的成本、重量和功耗。分别对单通道阳极、双通道共享阳极、和四通道共享阳极的脉冲信号传输性能进行了模拟,模拟结果显示这三种阳极在传输频率低于0.1GHz的脉冲信号时波形无畸变、幅值无衰减、脉冲宽度无展宽,与实验中用示波器观察得到的结果相吻合。实验表明:可以使用一个收集阳极和一路电子学来接收四个通道的信号,这样使得探测器的电子学通道数目减少到原来的1/4,可以大大减小电子学系统的成本、重量和功耗。


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