【摘要】：空間X射線通信作為“下一代新的空間通信方法”,得益于方向性好、發(fā)射功率低、傳輸距離遠(yuǎn)、保密性強(qiáng)、不受空間環(huán)境電磁干擾、通信頻帶寬,有著廣泛的應(yīng)用前景,可大大改善空間通信頻率資源越來(lái)越緊張的現(xiàn)狀。調(diào)制X射線源作為空間X射線通信中的關(guān)鍵部件,它的調(diào)制速率、焦斑尺寸將直接影響X射線的通信速率、通信距離,故研制低功耗、小體積、小焦斑、高調(diào)制速率的調(diào)制X射線源對(duì)驗(yàn)證X射線通信技術(shù)及最終實(shí)現(xiàn)空間通信起著至關(guān)重要的作用。本論文的主要研究?jī)?nèi)容就是開(kāi)展對(duì)真空密封的透射式微型微束調(diào)制X射線源的理論分析、物理建模、仿真優(yōu)化、方案設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、特殊工藝探索,并完成系統(tǒng)的樣機(jī)研制及性能測(cè)試。具體研究?jī)?nèi)容及主要成果如下:采用SIMION軟件不斷優(yōu)化完善柵極結(jié)構(gòu),仿真實(shí)現(xiàn)了柵極-0.6V~+0.6V的低電壓調(diào)制,調(diào)制電壓幅值減小了近一個(gè)數(shù)量級(jí),易于實(shí)現(xiàn)X射線的高頻調(diào)制,從而提高X射線的通信速率;對(duì)三個(gè)靜電聚焦電極進(jìn)行電子運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真優(yōu)化,得到了150μm的焦斑尺寸,打破了熱陰極難于聚焦成微米焦斑的技術(shù)瓶頸,為空間X射線的遠(yuǎn)距離通信奠定基礎(chǔ);利用MCNP軟件的仿真優(yōu)化,得到透射式陽(yáng)極靶在不同陽(yáng)極靶材、不同電子能量下的最佳靶厚,改善了反射式陽(yáng)極靶出射X射線強(qiáng)度小的問(wèn)題,有助于提高X射線的調(diào)制頻率;為改變常規(guī)的化學(xué)鍍膜工藝或真空鍍膜工藝效果不理想,鍍層質(zhì)量差的現(xiàn)狀,探索了Be窗清洗、置換鋅層工藝和高真空離子濺射工藝;借鑒真空滅弧室的封口和排氣同時(shí)進(jìn)行的一次封排工藝,實(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)制X射線源的全真空密封,管內(nèi)真空度高于10-3Pa,解決了半真空X射線管工作時(shí)需放入真空腔的問(wèn)題;完成了原理樣機(jī)的研制,驗(yàn)證了調(diào)制X射線源的柵極幅值調(diào)制和脈沖調(diào)制。相較之前的調(diào)制X射線源,本文的創(chuàng)新性成果主要體現(xiàn)在以下四方面:攻關(guān)了調(diào)制X射線源的柵極-0.6V~+0.6V的低電壓調(diào)制技術(shù),并通過(guò)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,使得X射線的高頻調(diào)制成為可能;采用三個(gè)靜電聚焦電極提高對(duì)電子束聚焦能力,仿真實(shí)現(xiàn)了150μm的微焦斑尺寸;實(shí)現(xiàn)了調(diào)制X射線源中多個(gè)部件及整管的高真空密封,且真空密封性良好,現(xiàn)已保持管內(nèi)真空度高于10-3Pa兩年以上;首次發(fā)現(xiàn)了MHz級(jí)柵極脈沖頻率對(duì)X射線強(qiáng)度的顯著影響。所研制的調(diào)制X射線源由熱陰極電子發(fā)射系統(tǒng)、柵極調(diào)制、靜電聚焦和透射式陽(yáng)極靶四部分組成,它集成了電子束聚焦和柵極調(diào)制功能,通過(guò)仿真得到了150μm的微焦斑尺寸,實(shí)現(xiàn)了柵極-0.6V~+0.6V的低電壓調(diào)制,是目前國(guó)際上最新的基于熱陰極的全真空密封的調(diào)制X射線源,為我國(guó)驗(yàn)證遠(yuǎn)距離、高速的空間X射線通信提供技術(shù)支持。
[Abstract]:As the "next generation new space communication method", space X-ray communication has a wide application prospect because of its good directivity, low transmission power, long transmission distance, strong confidentiality, no electromagnetic interference from space environment and wide communication band. It can greatly improve the increasing shortage of space communication frequency resources. As the key component of space X-ray communication, the modulation rate and focal spot size of modulation X-ray source will directly affect the communication rate and communication distance of X-ray, so the development of low power consumption, small volume and small focal spot will be developed. The modulation X-ray source with high modulation rate plays an important role in verifying X-ray communication technology and finally realizing space communication. The main research content of this paper is to carry out the theoretical analysis, physical modeling, simulation optimization, scheme design, key technology research and special process exploration of the transmission micro-beam modulation X-ray source of vacuum seal. The prototype development and performance test of the system are completed. The specific research contents and main results are as follows: using SIMION software to optimize and perfect the gate structure, the low voltage modulation of gate-0.6V is realized by simulation, and the amplitude of modulation voltage is reduced by nearly one order of magnitude. It is easy to realize the high frequency modulation of X-ray, so as to improve the communication rate of X-ray. The electronic kinematics of the three electrostatic focusing electrodes is simulated and optimized, and the focal spot size of 150 渭 m is obtained, which breaks the technical bottleneck that the hot cathode is difficult to focus into the micron focal spot, and lays the foundation for the long-distance communication of space X-ray. By using the simulation and optimization of MCNP software, the optimum target thickness of transmission anode target under different anode target and different electron energy is obtained, which improves the problem of low X-ray intensity of reflective anode target and helps to improve the modulation frequency of X-ray. In order to change the effect of conventional chemical plating process or vacuum coating process and the poor quality of coating, Be window cleaning, zinc replacement process and high vacuum ion sputtering process were explored. Referring to the sealing process of vacuum interrupter and exhaust at the same time, the full vacuum sealing of modulation X-ray source is realized, and the vacuum degree in the tube is higher than 10 脳 3PA, which solves the problem that the semi-vacuum X-ray tube needs to be put into the vacuum cavity when it works. The prototype is developed, and the gate amplitude modulation and pulse modulation of the modulation X-ray source are verified. Compared with the previous modulation X-ray sources, the innovative results of this paper are mainly reflected in the following four aspects: the low voltage modulation technology of gate-0.6V ~ 0.6V for modulating X-ray sources is studied and verified by experiments. It makes the high frequency modulation of X-ray possible. Three electrostatic focusing electrodes are used to improve the focusing ability of electron beam, and the microfocal spot size of 150 渭 m is simulated. The high vacuum seal of many components and the whole tube in the modulation X-ray source has been realized, and the vacuum sealing property is good, and the vacuum degree in the tube has been kept higher than that of 10-3Pa for more than two years. It is found for the first time that the MHz gate pulse frequency has a significant effect on the X-ray intensity. The modulation X-ray source is composed of four parts: hot cathode electron emission system, gate modulation, electrostatic focusing and transmission anode target. It integrates electron beam focusing and gate modulation functions, and the microfocal spot size of 150 渭 m is obtained by simulation. The low voltage modulation of gate-0.6V ~ 0.6V is realized. It is the latest fully vacuum sealed modulation X-ray source based on hot cathode in the world at present, which provides technical support for the verification of long-distance and high-speed space X-ray communication in our country.
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN92

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本文編號(hào)：2485388