空间X射线通信系统及方法 |
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| 申请号 | CN201110327871.0 | 申请日 | 2011-10-25 | 公开(公告)号 | CN103077874B | 公开(公告)日 | 2015-09-02 |
| 申请人 | 中国科学院西安光学精密机械研究所; | 发明人 | 赵宝升; 鄢秋荣; 盛立志; 刘永安; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及栅控 X射线 源、空间X射线通信系统及方法，其中栅控X射线源的结构为 灯丝 一端接地，灯丝另一端接电源正极，热 阴极 设置在灯丝的外侧且热阴极的出射孔正对灯丝，调制栅极为带有小孔的 电极 板，调制栅极的小孔正对热阴极的出射孔， 电子 聚集板设置在栅极小孔的两侧且形成的聚焦通道正对小孔，电子束经电子聚集板聚焦后发射到 阳极 金属靶，阳极金属靶的发射面对着聚焦通道的出口，阳极金属靶的另一面接电源正极，出射窗设置在阳极金属靶的电子束反射路上。本发明解决了现有的利用X射线实现通信的技术通信 信噪比 低、误码率高、通信速率低的技术问题，本发明具有通信距离远、通信误码率低的优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种空间X射线通信系统，包括发射装置和接收装置，其特征在于： |
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| 说明书全文 | 空间X射线通信系统及方法技术领域[0001] 本发明涉及空间通信技术领域，特别涉及一种空间X射线通信中的调制脉冲源及其关键技术。 背景技术[0002] 由于X射线波长很短，穿透能力很强，当X射线光子能量大于10keV，即波长小于-40.12nm时，在大气压强低于10 Pa时，X射线透过率为100％，几乎是无衰减的传输。即可以利用很小的发射功率实现远距离空间通信。还有一个应用就是卫星在返回地球时，要穿过一个等离子体区，在这个区域的无线电波被完全屏蔽，如果利用X射线通信可以穿过等离子体层。因此相比于其他通信方式，X射线通信具有发射功率低、传输距离远、保密性强、不受空间环境电磁干扰、通信频带宽等优点，可望实现在未来的空间卫星间的实时通信。 [0003] 美国Goddard Center Flight Center的Keith Gendreau博士2007年提出了利用X射线实现空间卫星飞行器点对点的通信，并搭建了实验装置。如图1所示，在发射端利用要传输的数字信号，调制紫外发光二极管(UV-LED)，紫外LED发射出调制的紫外光照射一个“光电发射X射线管”；“光电发射X射线管”由紫外光电阴极、微通道板(MCP)、金属靶阳极组成。光电阴极接收紫外光转换为光电子，光电子通过微通道板(MCP)的倍增，倍增后的电子在阳极电场(Va)的加速下，轰击金属靶,从而产生调制的X射线脉冲。接收端利用一个对X射线敏感的Si-PIN光电二极管将调制的X射线光脉冲转换成调制的电脉冲，调制的脉冲经过滤波和解调电路，还原出数字信号。 [0004] 综上，不难看出Keith Gendreau博士的方案的主要存在以下缺点： [0005] 1)通信信噪比低，误码率高。光电阴极的光电发射电流和输入光功率成正比，但当输入光增大到一定数值时，光阴极会受到永久性的损伤。所以电流(Ia)不可能太大。因此Keith Gendreau博士的方案中调制X射线源的发射功率(Ia×Va)不可能做大，因此通信信噪比低，误码率高。 [0006] 2)通信速率低，在Keith Gendreau博士的方案中，由于X射线的散射和实现聚焦的困难，为实现远距离的通信，采用大面积的Si-PIN光电二极管的探测X射线脉冲。大面积的Si-PIN光电二极管利用的是内光电效应，时间分辨仅有微秒量级。因此通信速率受限制。本发明的主要目的是克服以上的不足，提出一种空间X射线通信的方案。 发明内容[0007] 为了解决现有的利用X射线实现通信的技术通信信噪比低、误码率高、通信速率低的技术问题，本发明提供一种实用可行的栅控X射线源、空间X射线通信系统及方法。 [0008] 本发明的技术解决方案： [0009] 栅控X射线源，其特殊之处在于：所述栅控X射线源包括X射线管壳22以及设置在X射线管壳22内的依次排列的灯丝21、热阴极23、调制栅极24、电子束聚焦极25、金属靶阳极26以及设置在X射线管壳上的出射窗27，所述灯丝一端接地，灯丝另一端接电源负极，所述热阴极设置在灯丝的外侧且热阴极的出射孔正对灯丝，所述调制栅极为带有小孔的电极板，所述调制栅极的小孔正对热阴极的出射孔，所述电子束聚焦极设置在栅极小孔的两侧且形成的聚焦通道正对小孔，电子束经电子束聚焦极聚焦后发射到金属靶阳极，所述金属靶阳极的发射面对着聚焦通道的出口，所述金属靶阳极的另一面接电源阳极，所述出射窗设置在金属靶阳极的电子束反射路上。 [0010] 一种空间X射线通信系统，包括发射装置和接收装置， [0011] 所述发射装置包括数字信号发射源、发射端通信接口、发射端载波信号发生器、调制器、信号调理电路、栅控X射线源以及X射线准直器，所述数字信号发射源将要传输的数字信号通过发射端通信接口输入至调制器，所述发射端载波信号发生器将产生的发射端载波信号输入调制器，调制器将数字信号和发射端载波信号调制后生成数字调制信号并输入到信号调理电路，信号调理电路对数字调制信号进行放大、电平变换处理后，输入至栅控X射线源的输入端，栅控X射线源输出X射线脉冲信号，X射线脉冲信号经过X射线准直器准直后发射至接收装置； [0012] 所述栅控X射线源包括X射线管壳22以及设置在X射线管壳22内的依次排列的灯丝21、热阴极23、调制栅极24、电子束聚焦极25、金属靶阳极26以及设置在X射线管壳上的出射窗27， [0013] 所述灯丝一端接地，灯丝另一端接电源负极，所述热阴极设置在灯丝的外侧且热阴极的出射孔正对灯丝，所述调制栅极为带有小孔的电极板，所述调制栅极的小孔正对热阴极的出射孔，所述电子束聚焦极设置在栅极小孔的两侧且形成的聚焦通道正对小孔，所述金属靶阳极的发射面对着聚焦通道的出口，所述金属靶阳极的另一面接电源阳极，所述出射窗设置在金属靶阳极的电子束反射路上。 [0014] 上述接收装置包括X射线聚焦镜、X射线探测器、前置放大器、解调器、接收端载波信号发生器、接收端通信接口和数字信号接收源， [0015] X射线聚焦镜对入射的X射线脉冲信号进行聚焦输出载波调制X射线信号至X射线探测器， [0016] X射线探测器将接收到的载波调制X射线信号转化为电信号输出至前置放大器，前置放大器对电信号进行放大输出至解调器， [0017] 接收端载波信号发生器将输出的接收端载波信号输入至解调器，解调器根据发射装置调制器的调制方式将输入的接收端载波信号和放大的电信号进行处理解调出数字信号，数字信号经过接收端通信接口输送至数字信号接收源。 [0018] 上述X射线探测器包括探测器壳体，设置在探测器壳体上的输入窗1以及设置在探测器壳体内的依次排列的光电阴极2、微通道板3、收集阳极和同轴连接器5，[0019] 所述光电阴极设置在微通道板的一侧，所述同轴连接器设置在收集阳极的输出端，所述收集阳极的输入端与微通道板之间设置有空隙。 [0020] 上述收集阳极为蛇形微带线阳极41或50Ω阻抗匹配阳极42。 [0021] 上述发射端通信接口和接收端通信接口是RS232、RS485、USB2.0、LAN或网口； [0022] 所述调制器的调制方式是调幅、调频或调相； [0023] 所述解调器的解调方式是调幅、调频或调相。 [0024] 所述的调制栅极的小孔直径0.1mm～1mm，调制栅极在热阴极前1mm处，金属靶阳极的材料是钽、钼或钨。 [0025] 通信系统的空间X射线通信方法，其特殊之处在于：包括以下步骤： [0026] 1]发射信号： [0027] 1.1]数字信号发射源将要传输的数字信号通过发射端通信接口输入至调制器； [0028] 1.2]发射端载波信号发生器将产生的发射端载波信号输入调制器； [0029] 1.3]调制器将数字信号和发射端载波信号调制后生成数字调制信号输入到信号调理电路； [0030] 1.4]信号调理电路对数字调制信号进行放大、电平变换处理送至栅控X射线源； [0031] 1.5]栅控X射线源输出X射线脉冲信号，X射线脉冲信号经过X射线准直器准直后发射； [0032] 2]接收信号： [0033] 2.1]X射线聚焦镜对入射的X射线脉冲信号进行聚焦后生成载波调制X射线信号并输出至X射线探测器； [0034] 2.2]X射线探测器将接收到的载波调制X射线信号转化为电信号输出至前置放大器； [0035] 2.3]前置放大器对电信号进行放大处理输出至解调器，接收端载波信号发生器产生的发射端载波信号并输入至解调器，所述接收端载波信号与发射端载波信号相同； [0036] 2.4]解调器根据调制器的调制方式，对放大的电信号和发射端载波信号进行处理解调出数字信号，数字信号经过接收端通信接口输送至数字信号接收源，解调器的解调方式与调制器的调制方式相对应。 [0037] 上述栅控X射线源包括X射线管壳22以及设置在X射线管壳22内的依次排列的灯丝21、热阴极23、调制栅极24、电子束聚焦极25、金属靶阳极26以及设置在X射线管壳上的出射窗27， [0038] 所述灯丝的一端接地，灯丝的另一端接电源负极，所述热阴极设置在灯丝的外侧且热阴极的出射孔正对灯丝，所述调制栅极为带有小孔的电极板，所述调制栅极的小孔正对热阴极的出射孔，所述电子束聚焦极设置在栅极小孔的两侧且形成的聚焦通道正对小孔，电子束经电子束聚焦极聚焦后发射到金属靶阳极，所述金属靶阳极的发射面对着聚焦通道的出口，所述金属靶阳极的另一面接电源阳极，所述出射窗设置在金属靶阳极的电子束反射路上。 [0039] 上述X射线探测器包括探测器壳体，设置在探测器壳体上的输入窗1以及设置在探测器壳体内的依次排列的光电阴极2、微通道板3、收集阳极和同轴连接器5，[0040] 所述光电阴极设置在微通道板的一侧，所述同轴连接器设置在收集阳极的输出端，所述收集阳极的输入端与微通道板之间设置有空隙。 [0041] 上述发射端通信接口和接收端通信接口是RS232、RS485、USB2.0、LAN或网口； [0042] 所述调制器的调制方式是调幅、调频或调相； [0043] 所述解调器的解调方式是调幅、调频或调相。 [0044] 主要包括X射线通信的发射装置和接受装置，工作过程为用X射线(>10keV)作为传递信息的媒体，即通信信道。发送端将数字信号调制成的脉冲序列，并驱动栅控X射线管以X射线光脉冲的形式发送出去；接收端采用大面积高时间分辨X射线探测器将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。发射端采用栅控X射线管，栅控X射线管主要由发射电子的热阴极、控制栅极、聚焦极和阳极组成。本发明在传统X射线管的基础上设计专用的栅极和聚焦极。在通信时，通过调制栅极的电压，调制X射线，聚焦极实现电子聚焦，减小时间弥散；从而实现X射线的大功率调制和高速调制。 [0045] 接收端采用自主研制的大面积高时间分辨X射线探测器，探测来自发射端的X射线脉冲，提高通信速率。 [0046] 本发明所具有的优点： [0047] 1、通信距离远。本发明采用栅控X射线管对X射线进行调制，射线管内增加了栅控极和聚焦极，因此可实现高功率的X射线调制，因此提高的通信距离。通信距离大于4000公里 [0048] 2、通信误码率低。由于X射线散射，远距离通信时，X射线将非常微弱，本发明采用高灵敏度大面积的X射线探测器，提高了信噪比。降低通信误码率。 [0049] 3、通信速率高。本发明采用的X射线探测器，是基于微通道板的电真空探测器，它利用的是外光电效用，具有纳秒级的响应速度。而在Keith Gendreau博士的方案中采用的是半导体探测器，利用得是内光电效应响应时间只有毫秒量级，所以本发明可以非常高的通信速率。 [0050] 4、调制的方法更简单。在Keith Gendreau博士的方案中，先将信号通过LED调制成光信号，再通过光阴极将光调制成电信号，电信号再调制出X射线。本发明提出的方法直接将电信号调制X射线，因此减少了一个环节，随意调制方法更简单。附图说明 [0051] 图1为现有技术的结构示意图； [0052] 图2为本发明发射装置的原理示意图； [0053] 图3为本发明栅控X射线源的结构示意图； [0054] 图4为本发明栅控X射线源阳极电流(Ia)与正负极电压(Va)的关系示意图； [0055] 图5为本发明接收装置的原理示意图； [0056] 图6为本发明X射线探测器一种结构示意图； [0057] 图7为本发明X射线探测器另一种结构示意图； [0058] 图8为本发明蛇形微带线阳极收集器的剖面图； [0059] 图9为本发明蛇形微带线阳极收集器的正面图； [0060] 图10为本发明50Ω阻抗匹配阳极的剖面图； [0062] 其中附图标记为：21-灯丝，22-X射线管壳，23-热阴极，24-调制栅极，25-电子束聚焦极，26-金属靶阳极，27-出射窗，1-输入窗，2-光电阴极，3-微通道板，5-同轴连接器，41-蛇形微带线阳极，42-50Ω阻抗匹配阳极。 具体实施方案 [0063] 本发明提出一种空间X射线通信系统，主要包括X射线通信的发射装置和接收装置，具体实施如下： [0064] 如图2所示，X射线通信的发射装置： [0065] X射线发送器包括数字信号发射源(计算机或单片机/FPGA/DSP)、发射端通信接口、发射端载波信号发生器、调制器、信号调理电路、栅控X射线源和X射线准直器。其工作原理为：数字信号发射源(计算机或单片机/FPGA/DSP)将要传输的数字信号通过发射端通信接口(可以是RS232,RS485,USB2.0,LAN，网口)输入调制器，发射端载波信号发生器将产生的发射端载波信号输入调制器(调制方式可以是调幅，调频或调相)，调制器将发射端载波信号和数字信号调制后的数字调制信号输入信号调理电路，信号调理电路对数字调制信号进行放大，电平变换等处理，使之与栅控X射线源的输入端相匹配，信号调理电路对数字调制信号进行放大、电平变换处理后，输入至栅控X射线源的调制栅极24，栅控X射线源输出调制后的X射线脉冲，X射线脉冲经过X射线准直器准直后发送出去。准直的目的是使X射线脉冲发散角小，实现远距离通信。 [0066] 栅控X射线源如图3所示，包括灯丝21、X射线管壳22、热阴极23、调制栅极24、电子束聚焦极25、金属靶阳极26、出射窗27组成。在传统的X射线球管的基础上增加了调制栅极24和电子聚焦极25。调制栅极为带有小孔的电极板，小孔直径0.1mm-1mm之间，调制栅极位于在热阴极前1mm处，小孔中心正对着阴极电子出射口。电子束聚焦极位于调制栅极和金属阳极靶之间，电子束聚焦极实现电子聚焦作用，控制电子束斑的尺寸，在栅极加上调制电压后，使电子束斑不偏离阳极靶，因此提高发射功率。电子束聚焦极的作用还使电子的时间弥散减小，提高时间分辨率，优于1ns。阳极靶的材料是难熔金属钽、钼或钨。 [0067] 如图4所示，X射线球管的输出的X射线功率与阳极电流(Ia)成正比,而阳极电流(Ia)正比于阳热阴极加热电流，因此在阴极加热电流恒定时，在栅极施加一个调制电压VG即可实现对阳极电流Ia的调制，Ia和VG遵守的3/2次定律关系如下： [0068] Ia∝VG3/2 [0069] 通过调制栅极电压VG，从而调制输出X射线的功率。阳极电压(Va)决定X射线光-4子的能量。为使在10 Pa的太空中透过率可达100％。阳极电压Va大于等于20kV。 [0070] 如图5所示，X射线的接收装置，包括X射线聚焦镜、X射线探测器、前置放大器、解调器、接收端载波信号发生器、接收端通信接口和数字信号接收源(计算机或单片机/FPGA/DSP)。 [0071] 工作原理，X射线聚焦镜对入射的X射线脉冲进行聚焦，然后输入X射线探测器，X射线探测器将接收到的载波调制X射线信号，转化为电信号。X射线探测器输出的电信号经前放大器进行放大处理，为提高通信速率，前置放大器采用具有高时间分辨的电流灵敏前放。前置放大器输出的信号经过解调器，进行解调出数字信号，输入解调器的接收端端载波信号与发射端的载波信号一致，解调器的解调方式与发射端的调制器调制方式上相对应(调幅，调频或调相)。解调器输出的数字信号经通信接口(可以是RS232,RS485,USB2.0,LAN，网口)等，输入数字信号接收源(计算机或单片机或FPGA或DSP)。 [0072] 为了提高通信速率本发明的X射线探测器采用大面积高时间分辨X射线探测器，如图6所示，一种基于微通道板的大面积、高时间分辨X射线光电探测器主要包括输入窗1、光电阴极2、微通道板3、收集阳极以及同轴连接器5。其中收集阳极为蛇形微带线阳极41或50Ω阻抗匹配阳极42。 [0073] 本发明的原理和工作过程：X射线光子通过输入窗1，与光电阴极2相互作用产生光电子，光电子在高压电场作用下在微通道板3中实现倍增形成电子云，电子云被收集阳极所收集形成电子脉冲，经同轴连接器输出，然后经过一系列电子读出电路(主要包括电流灵敏前放、恒比定时器、TDC等)的处理，实现入射X射线光子时间信息的获取。 [0074] 输入窗的作用一是能够为探测器提供一个真空环境，另外还要透过目标X射线光子。根据所探测的波段，需要选择不同的输入窗材料。例如对于X射线脉冲星辐射，其能谱主要集中在1～10keV，M.Grande在文献“The C1XS X-ray Spectrometer on Chandrayaan-1”报道聚酰亚胺材料对1～10keV的X射线的透过率接近1，因此就需要采用25μm厚的聚酰亚胺材料作为探测器的输入窗。 [0075] 经过输入窗的光子会与光电阴极发生作用产生光电子，为保证X射线探测器具有足够高的灵敏度，要求X射线探测器的光电阴极必须具备非常高的量子效率。在X射线波段，碱金属卤化物光电阴极是非常高效的光电转换器件。例如对于光子能量在1～10keV之间的X射线，CsI是最合适的阴极材料，其量子效率是金属Al光阴极的100倍，是金属Au光阴极的30倍。 [0076] 经微通道板倍增后的电子云被收集阳极收集，阳极收集器包括蛇形微带线阳极41和50Ω阻抗匹配阳极42，如图6为采用蛇形微带线阳极的X射线探测器结构示意图，图7为采用50Ω阻抗匹配阳极的X射线探测器结构示意图。 [0077] 图8为本发明蛇形微带线阳极收集器的剖面图；图9为本发明蛇形微带线阳极收集器的正面图；图10为本发明50Ω阻抗匹配阳极的剖面图； [0078] 蛇形微带线阳极的特性阻抗的计算公式为： [0079] [0080] 其中w为导体的宽度，t为导体的厚度，h为介电材料的厚度，εr为介电材料的介电常数。根据微带线的特性阻抗计算公式确定出最为合理的阳极参数，采用微电子平面工艺，在绝缘衬底(陶瓷或石英玻璃)上镀金，通过光刻得到蛇形微带线电极。阳极收集器的制作需要在经过处理的衬底(陶瓷或石英玻璃)镀上金属层，然后涂覆光刻胶，曝光后经过显影、漂洗、刻蚀、去胶等加工工艺，最后在在衬底上形成需要的微带线阳极图样。 [0081] 微带线对材料的选择有一定的要求，对电介质的要求如下：(1)相对介电常数高，且介电常数随频率的变化小；(2)损耗小；(3)介质纯度高，均匀性和各向同性好；(4)与导体的粘附性好；(5)导热性好；(6)化学性能稳定。对于导体材料的要求是：(1)电导率高；(2)电阻的温度系数低；(3)与基片的粘附性好，热膨胀系数小；(4)易于沉积与焊接。 [0082] 由同轴传输线的阻抗计算公式为： [0083] 其中， [0084] 其中d为同轴传输线的内径，D为同轴传输线的外径，εr为相对介电常数，ε0为真空介电常数，μ0为真空磁导率。由此可见，如果介电材料已知，那么阻抗只与传输线的内外径的比有关。由该计算公式可以设计出与同轴连接器SMA阻抗匹配的50Ω阻抗匹配阳极，参照图10。 |
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