一种X射线脉冲星导航敏感器在轨标定射线源

摘要

一种X射线脉冲星导航敏感器在轨标定射线源，包括调制X射线源、准直器、X射线探测器、升降机构、控制及处理电路。所述调制X射线源由低电压栅控多谱线X射线管和高压电源组成，激发电压低，同时可激发多特征谱线，栅极控制信号可调。所述准直器由电动光阑和旋转杆座组成，可对X射线束直径进行调节。所述X射线探测器与升降机构实现对敏感器探测效率和辐射本底的标定。本发明所述的X射线脉冲星导航敏感器在轨标定射线源功能全面，适应性强，可实现对X射线脉冲星能谱、流量、信号波形的模拟，可同时标定敏感器的能量响应特性、探测效率、本底流量等特征参数，而且还具备敏感器电子学系统功能验证的能力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在轨标定射线源，特别是一种用于X射线脉冲星导航敏感 器在轨标定X射线源，用于在X射线脉冲星导航任务中实现敏感器在轨标定， 属于空间光学技术领域。

背景技术

X射线脉冲星导航敏感器利用X射线脉冲星发射具有稳定周期脉冲信号的 特性，测量和预报得到的脉冲信号到达太阳系质心的时间差计算位置校正量， 从而对航天器位置和速度进行估计。X射线脉冲星导航适用于近地空间、深空 探测和星际飞行航天器的完全自主导航，具有极其重要的工程实用价值和战略 研究意义。

X射线脉冲星导航敏感器发射入轨后，敏感器的功能、性能指标在发射过 程中和长期恶劣空间环境下将发生变化。若不及时对其进行在轨标定，将导致 敏感器观测结果不可信甚至丧失观测能力。因此敏感器的在轨标定对于敏感器 在轨功能性能的实现具有重要意义。为实现敏感器的在轨标定，核心在于研制 在轨标定射线源。

传统的空间X射线光学载荷的在轨标定射线源一般利用具有稳定半衰期的 放射性元素制成X射线放射源，发射具有特征谱线的X射线光子，用于标定敏 感器的能量响应特性，其在轨标定的功能单一。而用于X射线脉冲星导航敏感 器在轨标定的射线源除要求标定敏感器能量响应特性外，还要求能标定敏感器 的探测效率、本底流量，验证敏感器电子学系统的功能。因此，传统基于放射 源的在轨标定射线源无法满足X射线脉冲星导航敏感器在轨标定的需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的上述不足，提供一种X射线脉 冲星导航敏感器在轨标定射线源，利用调制X射线管、准直器、X射线探测器、 升降机构各组成部件实现对X射线脉冲星能谱、流量、信号波形的模拟，可同 时标定敏感器的能量响应特性、探测效率、本底流量等特征参数，而且还具备 敏感器电子学系统功能验证的能力，最大程度上满足了X射线脉冲星导航任务 中敏感器在轨标定的需求。

本发明的技术方案是：一种X射线脉冲星导航敏感器在轨标定射线源，：包 括安装基座、调制X射线管、射线管支架、高压电源、准直器、控制及处理电 路、X射线探测器和升降机构；

所述调制X射线管通过射线管支架固定于安装基座上；所述X射线探测器 安装在升降机构上，升降机构固定安装在安装基座上，所述准直器固定安装在 安装基座上，且位于调制X射线管与X射线探测器之间；X射线探测器利用升 降机构实现上下移动，移出或移入由所述调制X射线管和准直器形成的X射线 光路；

所述高压电源为调制X射线管提供激发X射线所需的高电压，所述控制及 处理电路为调制X射线管提供栅极调制信号，控制准直器和升降机构动作，探 测并记录X射线探测器探测到的X射线光子信号。

所述调制X射线管的射线管阳极为多种元素构成的掺杂阳极，用于发射多 条特征谱线，所述多种元素包括铝、钾、钛、锰、铁、镍、铜、锌、钼。

所述准直器包括底板、第一旋转套筒、第二旋转套筒、第一锁紧螺钉、第 二锁紧螺钉、接杆、光阑驱动机构、微型电机和可调光阑；

准直器利用底板实现与安装基座的固定连接，第一旋转套筒固定安装在底 板上，第二旋转套筒套装在第一旋转套筒上，可调光阑固定安装在光阑驱动机 构上；

接杆一端与光阑驱动机构连接，另一端插入第二旋转套筒后通过第二锁紧 螺钉锁紧，实现可调光阑高度的调节；

第一旋转套筒和第二旋转套筒通过相对旋转运动带动光阑驱动机构旋转， 从而带动可调光阑进行旋转，定位后，第一旋转套筒和第二旋转套筒之间通过 第一锁紧螺钉锁紧，实现可调光阑角度的调节；

微型电机控制光阑驱动机构对可调光阑的光阑孔直径进行调节。

所述升降机构包括直角板、载物架和电动平移台；

所述升降机构通过直角板固定于安装基座上，所述电动平移台安装在直角 板上，X射线探测器通过载物架与电动平移台固定连接，且跟随电动平移台在 垂直于安装基座方向上运动。

所述高压电源包括高压电路、灯丝电路和控制电路，高压电路为调制X射 线管提供激发X射线所需的电压，灯丝电路为调制X射线管提供灯丝电流，控 制电路对调制X射线管管电压和灯丝电流进行调节。

所述控制及处理电路包括任意栅极信号发生电路、准直器控制电路、升降 机构驱动电路和X射线探测器信号处理电路；

所述任意栅极信号发生电路为调制X射线管提供栅极调制信号；准直器控 制电路控制准直器中的微型电机，对可调光阑的直径进行改变；升降机构驱动 电路驱动并控制升降机构的上下运动；X射线探测器信号处理电路探测并记录 X射线探测器探测到的X射线光子信号。

所述X射线探测器为硅光电二极管探测器。

所述调制X射线管激发X射线电压的电压为4-10kV，射线管能谱范围为 1-10keV，发射X光子流量范围为0.1～10⁶ph/cm²/s。

所述准直器光阑孔与所述调制X射线管光轴对准安装。

所述X射线探测器移入调制X射线管和准直器形成的X射线光路时，X射 线管、准直器、X射线探测器形成共光轴；X射线探测器移出调制X射线管和 准直器形成的X射线光路时，X射线探测器避免对X射线管和准直器定义的X 射线光路形成阻挡。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

本发明设计了升降机构和X射线探测器结合的探测位置可变的标准探测 器，当标准探测器对准在轨标定射线源发射光路时，用于标定敏感器的探测效 率；当标准探测器移出在轨标定射线源的发射光路时，用于标定敏感器在轨环 境下的空间辐射本底流量，设计具有多用途。

附图说明

图1为本发明X射线脉冲星导航敏感器在轨标定射线源示意图；

图2为本发明X射线脉冲星导航敏感器在轨标定射线源准直器示意图；

图3为本发明X射线脉冲星导航敏感器在轨标定射线源标准探测器及升降 机构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示，本发明提出一种X射线脉冲星导航敏感器在轨标定射线源， 包括安装基座1、调制X射线管2、射线管支架3、高压电源4、准直器5、控 制及处理电路6、X射线探测器7、升降机构8；

所述调制X射线管2通过射线管支架3固定于安装基座1上；所述X射线 探测器7安装在升降机构8上，升降机构8固定安装在安装基座1上，所述准 直器5固定安装在安装基座1上，且位于调制X射线管2与X射线探测器7 之间；X射线探测器7利用升降机构8实现上下移动，移出或移入由所述调制 X射线管2和准直器5形成的X射线光路；X射线探测器7移入调制X射线管 2和准直器5形成的X射线光路时，X射线管2、准直器5、X射线探测器7 形成共光轴；X射线探测器7移出调制X射线管2和准直器5形成的X射线光 路时，X射线探测器7避免对X射线管2和准直器5定义的X射线光路形成阻 挡。

所述高压电源4为调制X射线管2提供激发X射线所需的高电压，所述控 制及处理电路6为调制X射线管2提供栅极调制信号，控制准直器5和升降机 构8动作，探测并记录X射线探测器7探测到的X射线光子信号。

所述高压电源4位于射线管支架3与准直器5之间，所述控制及处理电路 6位于准直器5与升降机构8之间。

本发明创造性的采用电动可调光阑和旋转杆座组成了电控X射线准直器对 X射线光束直径进行调节，实现对X射线光束准直度的调节，可满足各种不同 视场的X射线脉冲星导航敏感器对X射线准直性的要求；如图2所示，准直器 5包括底板9、第一旋转套筒10、第二旋转套筒12、第一锁紧螺钉11、第二 锁紧螺钉13、接杆14、光阑驱动机构15、微型电机16和可调光阑17；

准直器5利用底板9实现与安装基座1的固定连接，准直器5左右及前后 安装位置利用底板9进行调整，第一旋转套筒10固定安装在底板9上，第二 旋转套筒12套装在第一旋转套筒10上，可调光阑17固定安装在光阑驱动机 构15上；

接杆14一端与光阑驱动机构15连接，另一端插入第二旋转套筒12后通 过第二锁紧螺钉13锁紧，实现可调光阑17高度的调节；

第一旋转套筒10和第二旋转套筒12通过相对旋转运动带动光阑驱动机构 15旋转，从而带动可调光阑17进行旋转，定位后，第一旋转套筒10和第二旋 转套筒12之间通过第一锁紧螺钉11锁紧，实现可调光阑17角度的调节；

微型电机16控制光阑驱动机构15对可调光阑17的光阑孔直径进行调节。 从而，准直器5光阑孔方向、上下、左右、前后位置均可实现任意调节。

如图3所示，升降机构8包括直角板18、载物架19和电动平移台20；

所述升降机构8通过直角板18固定于安装基座上，所述电动平移台20安 装在直角板18上，X射线探测器7通过载物架19与电动平移台20固定连接， 且跟随电动平移台20在垂直于安装基座1方向上运动。所述升降机构8为两 端限位电控升降机构，升降机构8可将X射线探测器7分别置于高低位置。高 位设计为当X射线探测器7安装于升降机构8高位时，标准探测器中心与上述 定义的X射线光轴对准。低位设计为当X射线探测器7置于8升降机构低位时， 探测器未对X射线光束形成阻挡。

所述调制X射线管2为掺杂阳极栅控侧窗型X射线管，本体为圆筒状，采 用不锈钢外壳内衬铅。侧端中部开有X射线辐射窗口，窗口处设计安装法兰， 用于与射线管支架安装。激发电压为4-10kV；射线管阳极为多种元素(包括铝 (Al)、钾(K)、钛(Ti)、锰(Mn)、铁(Fe)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、钼(Mo))构 成的掺杂阳极，可发射多条特征谱线；阴阳极之间为控制栅极，可在控制栅极 上施加控制电信号对射线源输出X射线光子流量进行调制。本发明创新设计了 基于掺杂阳极栅控X射线管的在轨标定X射线源。该射线源具备1-10keV能谱 范围内多特征谱线，X光子流量及信号发射波形均任意可调。利用多特征谱线 可实现脉冲星导航敏感器能量响应特性的在轨标定，利用任意可调的X光子流 量可实现敏感器探测效率的标定，利用任意可调的信号发射波形可实现对脉冲 星导航敏感器电子学系统功能的在轨验证；

所述射线管支架3为L型直角板，底面与安装基座1固定，侧面安装孔与 调制X射线管2辐射窗口安装法兰连接，材料为铝。

所述高压电源4为长方体模块化结构，外壳材料为铝，通过底面四个安装 底脚与安装基座1固定安装并良好接地。

所述高压电源4包括高压电路、灯丝电路和控制电路，高压电路为调制X 射线管2提供激发X射线所需的高电压，灯丝电路为调制X射线管2提供灯丝 电流，控制电路对调制X射线管2管电压和灯丝电流进行调节。

本发明设计了集中式的控制及处理电路，利用高集成度机箱式电路实现在 轨标定射线源射线发射控制、准直控制、位移机构驱动和信号处理等各项功能。 该电路集成度高，体积小，功能全面，所述控制及处理电路6为长方体模块化 机箱结构，外壳材料为铝，通过底面四个安装底脚与安装基座1固定安装并良 好接地。

所述控制及处理电路6包括任意栅极信号发生电路、准直器控制电路、升 降机构驱动电路和X射线探测器信号处理电路。任意栅极信号发生电路为调制 X射线管2提供栅极调制信号；准直器控制电路控制准直器5中的微型电机16， 对可调光阑17直径进行控制；升降机构驱动电路驱动并控制升降机构8的上 下运动；X射线探测器信号处理电路探测并记录X射线探测器7探测到的X射 线光子信号。

所述准直器5光阑挡片材料为铜，以避免X射线穿透；所述准直器5、升 降机构8的活动部件润滑材料为真空润滑脂，以避免在轨应用时润滑材料挥发 污染X射线脉冲星导航敏感器光学系统和探测器。

所述X射线探测器7为硅光电二极管探测器，作为在轨标定中的标准探测 器。

在轨标定时，首先调整准直器5光阑直径，获得与X射线脉冲星导航敏感 器视场相匹配的X射线光束。其次将X射线探测器7置于升降机构8高位，将 X射线探测器7中心与调制X射线管2和准直器5定义的X射线光路对准。利 用X射线探测器7测得X射线光束的光子流量、能谱等特征参数。然后将X射 线探测器7置于升降机构8低位，使其未对调制X射线管2和准直器5定义的 X射线光路形成阻挡，使得X射线光束进入X射线脉冲星导航敏感器视场。此 时X射线探测器7标定了空间X射线本底流量。通过比较X射线脉冲星导航敏 感器和X射线探测器7对同一X射线光束的探测结果，对X射线脉冲星导航敏 感器的能量响应特性、探测效率进行标定。通过高压电源4控制调制X射线源 2发射X射线特征脉冲信号，可对X射线脉冲星导航敏感器电子学系统进行功 能验证。

综上所述，本发明所述的X射线脉冲星导航敏感器在轨标定射线源X射线 束能谱、流量、准直度、信号波形等参数可调，适应性强，功能全面，可实现 对X射线脉冲星能谱、流量、信号波形的模拟，可同时标定敏感器的能量响应 特性、探测效率、本底流量等特征参数，而且还具备敏感器电子学系统功能验 证的能力。

实施例

本发明X射线脉冲星导航敏感器在轨标定射线源中所述X射线探测器为硅 光电二极管X射线探测器，激发X射线电压4-10kV，射线管能谱范围为 1-10keV，发射X光子流量范围为0.1～10⁶ph/cm²/s。调制X射线管2、准直器 5、X射线探测器7光轴对准安装，间距200mm。准直器5中可调光阑17孔 径0.2-5mm可调，X射线束发散角0.12°-2.86°可调。电动平移台21行程80mm， 分辨率0.05mm。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。