一種空間主動(dòng)激發(fā)x熒光譜儀的準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于空間X熒光探測設(shè)備的準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，屬于空間探測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]空間高分辨主動(dòng)激發(fā)X射線譜儀(APXS)是嫦娥三號(hào)玉兔號(hào)月球車的科學(xué)載荷之一，也是機(jī)械臂上唯一的載荷。它通過攜帶的主動(dòng)激發(fā)源激發(fā)月巖或月壤中的元素，并探測其產(chǎn)生的特征X射線，從而獲得月球元素的種類及含量信息，為月球地質(zhì)化學(xué)過程和形成演化研宄提供重要依據(jù)。
[0003]對(duì)于空間應(yīng)用的X射線熒光譜儀來說，如何減小其自身重量并增大熒光激發(fā)效率是對(duì)該設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本發(fā)明針對(duì)設(shè)備在空間應(yīng)用的需求，進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)放射源出射射線及探測器入射X射線準(zhǔn)直功能的同時(shí)，提高熒光激發(fā)效率并對(duì)設(shè)備進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。
[0004]目前物質(zhì)成分分析設(shè)備主要包括:
[0005]—、NASA的Surveyors V，VI，VII探月任務(wù)中，都攜帶了 α散射化學(xué)成分分析實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)應(yīng)用242Cm同位素α粒子放射源產(chǎn)生的α粒子與其他原子核碰撞后在近180°反沖散射的能譜以及核反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子能譜來分析獲得月表元素的含量。其采用的放射源為Cm-242 α源，其放射源是通過在不銹鋼平板上真空蒸鍍一層面積為6.6mm2，放射源的活度為20?70毫居，該放射源密封在一個(gè)帶有準(zhǔn)直開口的不銹鋼艙內(nèi)，為了防止放射性污染，該準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)前覆蓋有兩層聚酯薄膜。該準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)約束出射的α粒子與到達(dá)樣品表面的角度，只有約2.2%的α粒子到達(dá)樣品表面。
[0006]二、俄羅斯的 Mars 96 任務(wù)，NASA 的 Mars Pathfinder 任務(wù)、Mars Explorat1nRovers 任務(wù)，Mars Science Laboratory Rover、MSL 任務(wù)以及 ESA 的 Rosetta 任務(wù)都曾使用粒子激發(fā)X射線譜儀，這些任務(wù)中選用244Cm放射源，通過探測被散射的α粒子和樣品中被激發(fā)產(chǎn)生的特征X射線進(jìn)行定量分析。
[0007]Rosetta搭載的粒子激發(fā)X射線譜儀設(shè)計(jì)使用244Cm放射性同位素作為激發(fā)源，準(zhǔn)直器為全金屬材料，源準(zhǔn)直器為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，探測器準(zhǔn)直采用了只有約50%左右的α粒子及X射線能夠到達(dá)樣品表面。
[0008]Mars Explorat1n Rovers任務(wù)中的粒子激發(fā)X射線譜儀采用244Cm放射性同位素作為激發(fā)源，放射源未經(jīng)準(zhǔn)直，但是放射源前方有一層2.5 μ m厚的鈦膜，探測器準(zhǔn)直器采用Zr材料，準(zhǔn)直后，探測器的半張角為26.4°。
[0009]三、歐空局的Beagle 2任務(wù)攜帶了 X射線譜儀，該設(shè)備包含兩個(gè)件，探頭組件和數(shù)據(jù)處理電子學(xué)，選用的放射性同位素激發(fā)源為兩枚55Fe源(105.6MBq)和兩枚ltl9Cd源(8.77MBq)。通過探測樣品中被激發(fā)產(chǎn)生的特征X射線進(jìn)行定量分析，X射線探測器選用300微米厚，7mm2面積的硅PIN探測器。
[0010]該設(shè)備注重小型化設(shè)計(jì)，整體體積較小，前端采用碳纖維材料，未采用金屬材料作為探測器及放射源的準(zhǔn)直器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種空間主動(dòng)激發(fā)X熒光譜儀的準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)?？臻g高分辨主動(dòng)激發(fā)X射線譜儀探頭結(jié)構(gòu)可以分為前端電子學(xué)組件、探頭前端激發(fā)源準(zhǔn)直組件、紅外距離感知器以及外筒等組成，如圖1所示，本發(fā)明主要對(duì)其前端的準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)進(jìn)行研宄設(shè)計(jì)。
[0012]本發(fā)明針對(duì)我國空間高分辨主動(dòng)激發(fā)X射線譜儀應(yīng)用特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)前端激發(fā)源準(zhǔn)直組件的輕型化設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)放射源和探測器準(zhǔn)直的同時(shí)，盡量增大放射源的照射面積，從而增加熒光激發(fā)效率。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0014]一種空間主動(dòng)激發(fā)X熒光譜儀的準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括源盒、源扣、多個(gè)激發(fā)源準(zhǔn)直器和一探測器準(zhǔn)直器，所述源盒中心設(shè)有圓臺(tái)狀凹陷，該圓臺(tái)狀凹陷底部中心設(shè)有一通孔、側(cè)面位置設(shè)有多個(gè)臺(tái)階通孔，所述源扣中心設(shè)有一與所述通孔對(duì)應(yīng)的通孔和多個(gè)與所述臺(tái)階通孔對(duì)應(yīng)的盲孔；所述源扣與所述源盒可拆卸連接，每一臺(tái)階通孔與對(duì)應(yīng)盲孔構(gòu)成的半封閉空間內(nèi)設(shè)有一所述激發(fā)源準(zhǔn)直器，所述源扣中心的通孔與所述源盒中心的通孔構(gòu)成的半封閉空間內(nèi)設(shè)有所述探測器準(zhǔn)直器。
[0015]進(jìn)一步的，所述激發(fā)源準(zhǔn)直器的頂部為楔狀結(jié)構(gòu)，其頂部開口與所述臺(tái)階通孔頂部開口的方向、形狀一致。
[0016]進(jìn)一步的，所述源扣中心的通孔為臺(tái)階通孔，其頂部口徑與所述源盒中心的通孔口徑相同，底部口徑大于所述源盒中心的通孔口徑，兩通孔組合后構(gòu)成一臺(tái)階通孔；所述探測器準(zhǔn)直器為底部具有一圓環(huán)結(jié)構(gòu)的圓柱狀通孔，所述圓環(huán)結(jié)構(gòu)的口徑與所述源扣中心的通孔的底部口徑匹配，所述圓柱狀通孔的口徑與所述源盒中心的通孔口徑匹配。
[0017]進(jìn)一步的，所述激發(fā)源準(zhǔn)直器位于所述盲孔內(nèi)的高度為其內(nèi)所裝激發(fā)源高度的二分一。
[0018]進(jìn)一步的，所述臺(tái)階通孔為環(huán)狀均勻分布；所述激發(fā)源準(zhǔn)直器內(nèi)所裝激發(fā)源為交替放置的兩種不同激發(fā)源。
[0019]進(jìn)一步的，所述源盒上設(shè)有多個(gè)平底孔，所述源扣上設(shè)有與所述平底孔對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)，所述源盒通過螺釘和所述平底孔固定到所述源盒的凸臺(tái)上。
[0020]進(jìn)一步的，所述激發(fā)源準(zhǔn)直器底部具有一圓環(huán)結(jié)構(gòu)，且所述圓環(huán)結(jié)構(gòu)上設(shè)有一定位件，所述盲孔結(jié)構(gòu)與帶該定位件的圓環(huán)結(jié)構(gòu)匹配。
[0021]進(jìn)一步的，所述激發(fā)源準(zhǔn)直器的材料為銅；所述源盒、源扣的材料為聚酰亞胺。
[0022]進(jìn)一步的，所述激發(fā)源準(zhǔn)直器的側(cè)壁厚度大于L，L為所述激發(fā)源準(zhǔn)直器的材料對(duì)所裝激發(fā)源的吸收厚度。
[0023]本發(fā)明所述的探頭前端激發(fā)源準(zhǔn)直組件是由4枚放射性同位素源55Fe (2.59GBq/枚)和4枚放射性同位素源1(l9Cd(185MBq/枚)，8個(gè)相同形狀源準(zhǔn)直器、探測器準(zhǔn)直器、源盒(材料:聚酰亞胺)和源扣等零件組成。同位素源55Fe和ltl9Cd外形完全一致，呈圓柱狀結(jié)構(gòu)，衰變產(chǎn)生不同能量的X射線，激發(fā)月球表面不同元素產(chǎn)生各自特征熒光X射線。源準(zhǔn)直器約束55Fe和ltl9Cd發(fā)出的X射線照射到月球表面一定范圍內(nèi)。探測器準(zhǔn)直器限制了硅漂移室探測器觀察視場。源盒作為支撐結(jié)構(gòu)與外筒相連；中心有I個(gè)Φ9通孔和8個(gè)Φ8環(huán)狀均勻分布的臺(tái)階通孔，從背面分別鑲嵌探測器準(zhǔn)直器和源準(zhǔn)直器；Φ8臺(tái)階通孔嵌入源準(zhǔn)直器后，再放置同位素源到其1/2高度，通孔出射X射線；另有6個(gè)Φ6的平底孔，固定源扣；源扣與源盒對(duì)應(yīng)的設(shè)置8個(gè)呈環(huán)狀分布的凹槽，嵌入余下1/2高度同位素源；并留有6個(gè)對(duì)應(yīng)φ6凸臺(tái)，通過螺釘固定到源盒。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果為:
[0025]①國內(nèi)、國際上沒有環(huán)狀、適用于空間高分辨主動(dòng)激發(fā)X射線譜儀的激發(fā)源，因而選用柱狀同位素源4枚55Fe (2.59GBq/枚)和4枚109Cd (185MBq/枚)呈環(huán)狀交替放置；保證激發(fā)源分布均勻，即對(duì)樣品的激發(fā)也是均勻的。
[0026]②由于X射線會(huì)造成周圍人員輻照損傷，因而通過源盒和源扣的設(shè)計(jì)將探頭前端激發(fā)源準(zhǔn)直組件設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的、封閉的、易安裝的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在平時(shí)使用不帶有放射源的模擬組件完成試驗(yàn)和測試任務(wù)，在發(fā)射前，在發(fā)射場進(jìn)行換裝，將帶有八個(gè)放射源的真實(shí)組件整體換上，以減小設(shè)備對(duì)參試人員的輻射。
[0027]A、獨(dú)立性:同位素源具有天然的衰變性，不受環(huán)境影響；
[0028]B、封閉性:采用源盒和源扣合并封住同位素源，并使用硅橡膠填充縫隙；
[0029]C、易安裝性:激發(fā)源組件預(yù)留了 3個(gè)Φ3.2安裝孔接口，可以安裝到其它零件或設(shè)備。
[0030]③源盒正面凹陷為圓臺(tái)狀，盡可能讓同位素源55Fe和ltl9Cd衰變產(chǎn)生的X射線照射到月球表面；相應(yīng)的，設(shè)計(jì)源準(zhǔn)直元件為楔形；對(duì)比圖如圖3(a)、(b)所示，很明顯，設(shè)計(jì)成圓臺(tái)狀結(jié)構(gòu)比圓孔狀結(jié)構(gòu)出射的X射線流量大，照射區(qū)域廣(陰影部分)。
[0031]④非金屬材料聚酰亞胺是熱的不良導(dǎo)體，耐溫性能好(-250?+250°C )、耐輻照性能高(?19)，能適應(yīng)月球表面惡劣環(huán)境(晝夜溫差大:-180?+180°C、空間輻照劑量高)；并且，聚酰亞胺強(qiáng)度高(彡10Mpa)，易于加工；密度低(1.4g/cm3