一种用于高能X射线探测的准直器

一种用于高能x射线探测的准直器
技术领域
1.本技术涉及准直器技术领域，尤其涉及一种用于高能x射线探测的准直器。


背景技术：

2.爱因斯坦探针卫星(ep)是一颗面向未来时域天文学和高能天体物理的天文探测卫星。ep卫星的有效载荷包括一台大视场的软x射线监视器和一台x射线望远镜(fxt)。fxt望远镜用于在第一时间对监视器发现的暂现源进行深度后随观测，对其它设备发现的机遇目标展开观测。fxt望远镜为了实现对目标x射线源的观测，采用传统的嵌套式掠入射聚焦望远镜的构型，再由pnccd作为焦平面探测器进行x射线光子的读出。fxt的聚焦镜是由54层镜片嵌套而成，经过抛物面和双曲面2次反射，实现聚焦。
3.然而现有的准直器不仅造价高，而且重量大，极大增大使用负担。


技术实现要素：

4.本说明书实施例提出一种用于高能x射线探测的准直器，解决现有的准直器造价高重量大问题。
5.为此，本说明书实施例提供如下方案：一种用于高能x射线探测的准直器，包括若干可拆卸连接的单体，每个所述单体包括：
6.准直器框架，所述准直器框架包括两端开口的筒体和若干栅板，若干所述栅板设置于所述筒体内，若干所述栅板彼此平行且间隔设置，所述栅板的板面与所述筒体的轴线平行；
7.钽板，所述钽板表面为钽，相邻的两个所述栅板之间以及栅板与所述筒体内壁之间，能够可拆卸的连接若干所述钽板。
8.进一步的，若干所述栅板与所述筒体呈一体结构。
9.进一步的，所述准直器框架由铝合金材料切割而成。
10.进一步的，若干所述栅板等间隔设置。
11.进一步的，所述筒体内壁和所述栅板表面设有x射线屏蔽层。
12.进一步的，
13.每个所述栅板两面以及筒体内壁分别设有若干插槽，每个所述栅板两面的若干所述插槽交错设置；
14.所述插槽沿所述筒体的轴线方向设置；
15.相邻的两个所述栅板的相对面上的插槽对应；
16.所述筒体内壁上的插槽与所述栅板上的插槽对应；
17.所述钽板能够通过所述插槽固定于相邻的两个所述栅板之间，以及栅板与所述筒体内壁之间，使所述筒体内部呈若干个栅格结构。
18.进一步的，所述准直器框架还包括设置于端部的法兰盘。
19.进一步的，所述准直器框架采用ly12cz铝合金。
20.进一步的，所述钽板厚度为0.15mm。
21.进一步的，所述栅板厚度为2mm。
22.本技术实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：有铝合金框架支撑，容易确保钽板间的平行度及其与准直器单体外圆柱面的平行度；准直器单体机械强度高，容易满足动力学环境试验和热循环试验要求；准直器单体的造价低；并且单体有很大的强度和总体的屏蔽能力，可以取代望远镜的某些部件，如装配铝桶、铅制闪烁晶体屏蔽环等，使望远镜的重量进一步减轻。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
24.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
25.在附图中：
26.图1为说明书实施例提供的一种用于高能x射线探测的准直器的单体的剖视结构示意图。
具体实施方式
27.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
28.以下结合附图，详细说明本技术各实施例提供的技术方案。
29.本实施例提供一种用于高能x射线探测的准直器，请参阅图1所示，包括若干可拆卸连接的单体，准直器的单体包括但不限于为圆筒形，筒高300mm，内经φ188mm，外径(装配面)φ205～206mm。每个所述单体包括准直器框架和钽板。
30.在一个可能的实施中，所述准直器框架包括两端开口的筒体1和若干栅板2，若干所述栅板设置于所述筒体内，若干所述栅板彼此平行且间隔设置，所述栅板的板面与所述筒体的轴线平行；所述钽板3表面为钽或者整体为钽材料制成的钽板或者表面涂有钽材料的钽板，相邻的两个所述栅板之间以及栅板与所述筒体内壁之间，能够可拆卸的连接若干所述钽板。
31.具体的，若干所述栅板与所述筒体呈一体结构。所述准直器框架由铝合金材料切割而成。若干所述栅板等间隔设置。所述筒体内壁和所述栅板表面设有x射线屏蔽层。每个所述栅板两面以及筒体内壁分别设有若干插槽21，每个所述栅板两面的若干所述插槽交错设置；所述插槽沿所述筒体的轴线方向设置；相邻的两个所述栅板的相对面上的插槽对应；
所述筒体内壁上的插槽与所述栅板上的插槽对应；所述钽板能够通过所述插槽固定于相邻的两个所述栅板之间，以及栅板与所述筒体内壁之间，使所述筒体内部呈若干个栅格结构。单体由众多30mm
×
6mm的栅格组成，形成1.1
°×
5.7
°
的视场角，既保证了高成像分辨(1.1
°
方向的调制作用)，又兼顾了视场宽度(5.7
°
方向)。单体内部各栅板的不平行度小于1
′
(0.087mm/300mm)，占空比高，重量小，机械强度和温度稳定性好。所述准直器框架还包括设置于端部的法兰盘4。所述准直器框架采用ly12cz铝合金。所述钽板厚度为0.15mm。所述栅板厚度为2mm。
32.其中，准直器框架采用ly12cz铝合金制造。由于ly12cz铝合金的强度比铅-銻合金高得多，栅板设有五个，提高占空比。栅板厚度为2mm，不加凸台，插槽深度为1mm。为了能切出1mm深的槽，插入薄钽板，主栅板两面的切槽是交错的。对于来自测面γ光子，外环准直器单体本身就构成内环单体的屏蔽，因此可去掉套在每个单体下部的屏蔽筒，代之以包围整个准直器组内、外圈的大屏蔽筒，单体有很大的强度和总体的屏蔽能力。进一步降低使用时的整体重量。覆盖筒体内壁和栅板的屏蔽层包括但不限于采用0.15mm厚的钽，重1.635kg，准直器单体的重量为10.452kg，比使用铅锑合金方案的单体重量减少9.174kg，进一步降低整体重量。
33.进一步说明的，首次使用高度为300的薄钽片间隔实现1.1
°×
5.7
°
视场，准直孔高度300mm，实现6mm
×
30mm准直器孔间隔厚度仅为0.15mm钽片，共有158个准直通道，占空比高达88.6％。
34.使用铝合金作为结构框架，粘贴钽片，重量减轻50％以上，节省卫星平台重量资源。
35.准直器的物理功能是让特定方向的x射线通过，吸收衰减来自其它方向的x射线。能够满足对高能x射线屏蔽要求的材料有铅(pb)、钨(w)、钽(ta)、等，参见表1。
36.表1常见准直器材料的衰减系数(140kev光子)
[0037][0038]
引自national institute of standards and technology xcom:photon crosssectiondatabase(gaithersburg,md)http://physics.nist.gov/xcom。
[0039]
从上述材料在高能x射线能区(20～250kev)的线性衰减系数和准直孔的高/宽比可知，0.15mm～0.20mm厚即可满足屏蔽要求。其中铅的密度/线性衰减系数比最小，即获得相同的线衰减系数所需要的质量最小。
[0040]
除了满足望远镜的物理要求之外，选择材料时需考虑准直器的重量、强度(能否能承受发射过程中的加速度和振动)，制造工艺的可行性，材料和加工成本。
[0041]
纯铅的熔点为327℃，它的机械特性差。钽的熔点为2996℃，在常温下具有良好的塑性，可在不经中间退火的情况下加工成10μm以下的箔材。钨的强度和弹性模量高，性质脆、硬，很难压制厚度小于0.3mm的薄板，低温脆化和高温氧化严重，熔点极高(3410℃)，加工困难。
[0042]
钽板的价格为￥4,000～9,000元/kg。钨板材(厚0.2mm)的价格为￥4,900元/kg。铅的价格只有￥8元/kg左右。金(au)、铂(pt)、铀(u)是稀有贵金属材料。
[0043]
综合考虑物理性能、机械性能、材料成本和加工难度，铅和钽是准直器的首选材料。铅和钽属于重金属，密度很高，全部使用它们制造的准直器单体重量必然很大。既然0.15mm～0.20mm厚的铅和钽即可满足物理要求，使用轻型结构材料可以大大降低单体的重量。ly12cz型高强度铝合金(ly表示硬铝合金；c表示淬火；z表示自然时效)具有密度低、机械性能高、加工成本低、抗腐蚀性好的优点(见表2～5)，是航空航天常用的材料。用ly12cz制造结构框架，用铅或钽薄板作物理功能材料，是实现准直器单体的总体技术指标的最佳组合。从表2-表6可知，铅与铝合金的热膨胀系数最接近，二者的结合不容易产生热应力。
[0044]
表2ly12cz硬铝合金的化学成份(bg3190-82)
[0045]
cumgmnfesiznniti3.8-4.91.2-1.80.3-0.90.50.50.30.10.15
[0046]
引自〖机械设计手册〗第一卷p.3-258。
[0047]
表3有关材料的密度(g/cm3)
[0048]
材料pbsbaltapb-sb合金ly12cz铝合金d11.346.672.716.610.86
*
2.78
[0049]
引自〖机械设计手册〗，*为实测值
[0050]
表4硬铝合金ly12的热物理性能
[0051]
材料类别及型号抗拉强度σb(mpa)σ
0.2
(mpa)δ(％)ly12cz热挤压管43028010.0
[0052]
引自〖机械设计手册〗第一卷p.3-321
[0053]
表5ly12cz硬铝合金热挤压管的机械性能(gb3191-82)
[0054][0055]
表6有关材料0～100℃的平均线膨胀系数(
×
10-6
/℃)
[0056]
材料pbsbaltapb-sb合金ly12cz铝合金α
l
28.310.823.86.7523.11
*
22～24
#
[0057]
引自《材料物理性能》，#引自《机械设计手册》αl(20～100℃)，*为实测值。
[0058]
若采用ly12cz高强度硬铝合金作准直器框架，内部铸造铅-锑合金筒体和五个栅
板，栅板上面切0.2mm宽的槽，插入156片0.15mm厚的钽板，构成准直器的单体。栅板厚2mm的单体重量为19.6kg，将5条栅板都减薄到1.2mm后单体重量为16.3kg。
[0059]
即使用铅-锑合金代替铅，机械强度也很低，1.2mm厚的内桶和主栅板已经是满足加工要求和力学环境要求的极限，而物理需求有0.15～0.20mm就足够了。在准直器单体的重量中，铅-锑合金的内桶和主栅板占了65％，要进一步降低单体的重量必须减少铅-锑合金的用量。
[0060]
因此，采用本技术的技术方案，通过覆盖铝合金筒体内壁和栅板屏蔽层为0.15mm厚的钽，重1.635kg，准直器单体的重量为10.452kg，比使用铅锑合金方案的单体重量减少9.174kg，极大降低单体的重量。
[0061]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0062]
还需要说明的是，本技术中的“第一”、“第二”是为了区分同一名称的多个客体，不是用于限定顺序或大小。如非具体说明，没有其他特别的含义。
[0063]
以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。