一种空间主动激发X荧光谱仪的准直结构.pdf

本发明公开了一种空间主动激发X荧光谱仪的准直结构。本发明的准直结构包括源盒、源扣、多个激发源准直器和一探测器准直器，所述源盒中心设有圆台状凹陷，该圆台状凹陷底部中心设有一通孔、侧面位置设有多个台阶通孔，所述源扣中心设有一与所述通孔对应的通孔和多个与所述台阶通孔对应的盲孔；所述源扣与所述源盒可拆卸连接，每一台阶通孔与对应盲孔构成的半封闭空间内设有一所述激发源准直器，所述源扣中心的通孔与所述源盒中心的通孔构成的半封闭空间内设有所述探测器准直器。本发明在实现前端激发源准直组件的轻型化设计并实现放射源和探测器准直的同时，尽量增大放射源的照射面积，从而增加荧光激发效率。

1.  一种空间主动激发X荧光谱仪的准直结构，其特征在于，包括源盒、源扣、多个激发源 准直器和一探测器准直器，所述源盒中心设有圆台状凹陷，该圆台状凹陷底部中心设有一 通孔、侧面位置设有多个台阶通孔，所述源扣中心设有一与所述通孔对应的通孔和多个与 所述台阶通孔对应的盲孔；所述源扣与所述源盒可拆卸连接，每一台阶通孔与对应盲孔构 成的半封闭空间内设有一所述激发源准直器，所述源扣中心的通孔与所述源盒中心的通孔 构成的半封闭空间内设有所述探测器准直器。

2.  如权利要求1所述的准直结构，其特征在于，所述激发源准直器的顶部为楔状结构，其顶 部开口与所述台阶通孔顶部开口的方向、形状一致。

3.  如权利要求1所述的准直结构，其特征在于，所述源扣中心的通孔为台阶通孔，其顶部口 径与所述源盒中心的通孔口径相同，底部口径大于所述源盒中心的通孔口径，两通孔组合 后构成一台阶通孔；所述探测器准直器为底部具有一圆环结构的圆柱状通孔，所述圆环结 构的口径与所述源扣中心的通孔的底部口径匹配，所述圆柱状通孔的口径与所述源盒中心 的通孔口径匹配。

4.  如权利要求1或2或3所述的准直结构，其特征在于，所述激发源准直器位于所述盲孔内 的高度为其内所装激发源高度的二分一。

5.  如权利要求1或2所述的准直结构，其特征在于，所述台阶通孔为环状均匀分布；所述激 发源准直器内所装激发源为交替放置的两种不同激发源。

6.  如权利要求1或2所述的准直结构，其特征在于，所述源盒上设有多个平底孔，所述源扣 上设有与所述平底孔对应的凸台，所述源盒通过螺钉和所述平底孔固定到所述源盒的凸台 上。

7.  如权利要求2所述的准直结构，其特征在于，所述激发源准直器底部具有一圆环结构，且 所述圆环结构上设有一定位件，所述盲孔结构与带该定位件的圆环结构匹配。

8.  如权利要求1或2或3所述的准直结构，其特征在于，所述激发源准直器的材料为铜；所 述源盒、源扣的材料为聚酰亚胺。

9.  如权利要求1或2或3所述的准直结构，其特征在于，所述激发源准直器的侧壁厚度大于 L，L为所述激发源准直器的材料对所装激发源的吸收厚度。

一种空间主动激发X荧光谱仪的准直结构
技术领域
本发明涉及一种应用于空间X荧光探测设备的准直结构设计，属于空间探测技术领域。
背景技术
空间高分辨主动激发X射线谱仪(APXS)是嫦娥三号玉兔号月球车的科学载荷之一，也是 机械臂上唯一的载荷。它通过携带的主动激发源激发月岩或月壤中的元素，并探测其产生的 特征X射线，从而获得月球元素的种类及含量信息，为月球地质化学过程和形成演化研究提 供重要依据。
对于空间应用的X射线荧光谱仪来说，如何减小其自身重量并增大荧光激发效率是对该 设备进行设计的重点。本发明针对设备在空间应用的需求，进行了针对性的设计，在实现对 放射源出射射线及探测器入射X射线准直功能的同时，提高荧光激发效率并对设备进行减重 设计。
目前物质成分分析设备主要包括：
一、NASA的SurveyorsⅤ，Ⅵ，Ⅶ探月任务中，都携带了α散射化学成分分析实验装置， 该实验应用242Cm同位素α粒子放射源产生的α粒子与其他原子核碰撞后在近180°反冲散 射的能谱以及核反应产生的质子能谱来分析获得月表元素的含量。其采用的放射源为Cm-242 α源，其放射源是通过在不锈钢平板上真空蒸镀一层面积为6.6mm2，放射源的活度为20～70 毫居，该放射源密封在一个带有准直开口的不锈钢舱内，为了防止放射性污染，该准直结构 前覆盖有两层聚酯薄膜。该准直结构约束出射的α粒子与到达样品表面的角度，只有约2.2％ 的α粒子到达样品表面。
二、俄罗斯的Mars 96任务，NASA的Mars Pathfinder任务、Mars Exploration Rovers任务， Mars Science Laboratory Rover、MSL任务以及ESA的Rosetta任务都曾使用粒子激发X射线谱 仪，这些任务中选用²⁴⁴Cm放射源，通过探测被散射的α粒子和样品中被激发产生的特征X射 线进行定量分析。
Rosetta搭载的粒子激发X射线谱仪设计使用²⁴⁴Cm放射性同位素作为激发源，准直器为全金 属材料，源准直器为蜂窝状结构，探测器准直采用了只有约50％左右的α粒子及X射线能够到 达样品表面。
Mars Exploration Rovers任务中的粒子激发X射线谱仪采用²⁴⁴Cm放射性同位素作为激发 源，放射源未经准直，但是放射源前方有一层2.5μm厚的钛膜，探测器准直器采用Zr材料， 准直后，探测器的半张角为26.4°。
三、欧空局的Beagle 2任务携带了X射线谱仪，该设备包含两个件，探头组件和数据处 理电子学，选用的放射性同位素激发源为两枚⁵⁵Fe源(105.6MBq)和两枚¹⁰⁹Cd源(8.77MBq)。 通过探测样品中被激发产生的特征X射线进行定量分析，X射线探测器选用300微米厚，7mm2 面积的硅PIN探测器。
该设备注重小型化设计，整体体积较小，前端采用碳纤维材料，未采用金属材料作为探 测器及放射源的准直器。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种空间主动激发X荧光谱仪 的准直结构。空间高分辨主动激发X射线谱仪探头结构可以分为前端电子学组件、探头前端 激发源准直组件、红外距离感知器以及外筒等组成，如图1所示，本发明主要对其前端的准 直结构进行研究设计。
本发明针对我国空间高分辨主动激发X射线谱仪应用特点，实现前端激发源准直组件的 轻型化设计并实现放射源和探测器准直的同时，尽量增大放射源的照射面积，从而增加荧光 激发效率。
本发明的技术方案为：
一种空间主动激发X荧光谱仪的准直结构，其特征在于，包括源盒、源扣、多个激发源 准直器和一探测器准直器，所述源盒中心设有圆台状凹陷，该圆台状凹陷底部中心设有一通 孔、侧面位置设有多个台阶通孔，所述源扣中心设有一与所述通孔对应的通孔和多个与所述 台阶通孔对应的盲孔；所述源扣与所述源盒可拆卸连接，每一台阶通孔与对应盲孔构成的半 封闭空间内设有一所述激发源准直器，所述源扣中心的通孔与所述源盒中心的通孔构成的半 封闭空间内设有所述探测器准直器。
进一步的，所述激发源准直器的顶部为楔状结构，其顶部开口与所述台阶通孔顶部开口 的方向、形状一致。
进一步的，所述源扣中心的通孔为台阶通孔，其顶部口径与所述源盒中心的通孔口径相 同，底部口径大于所述源盒中心的通孔口径，两通孔组合后构成一台阶通孔；所述探测器准 直器为底部具有一圆环结构的圆柱状通孔，所述圆环结构的口径与所述源扣中心的通孔的底 部口径匹配，所述圆柱状通孔的口径与所述源盒中心的通孔口径匹配。
进一步的，所述激发源准直器位于所述盲孔内的高度为其内所装激发源高度的二分一。
进一步的，所述台阶通孔为环状均匀分布；所述激发源准直器内所装激发源为交替放置 的两种不同激发源。
进一步的，所述源盒上设有多个平底孔，所述源扣上设有与所述平底孔对应的凸台，所 述源盒通过螺钉和所述平底孔固定到所述源盒的凸台上。
进一步的，所述激发源准直器底部具有一圆环结构，且所述圆环结构上设有一定位件， 所述盲孔结构与带该定位件的圆环结构匹配。
进一步的，所述激发源准直器的材料为铜；所述源盒、源扣的材料为聚酰亚胺。
进一步的，所述激发源准直器的侧壁厚度大于L，L为所述激发源准直器的材料对所装激 发源的吸收厚度。
本发明所述的探头前端激发源准直组件是由4枚放射性同位素源⁵⁵Fe(2.59GBq/枚)和4 枚放射性同位素源¹⁰⁹Cd(185MBq/枚)，8个相同形状源准直器、探测器准直器、源盒(材料： 聚酰亚胺)和源扣等零件组成。同位素源⁵⁵Fe和¹⁰⁹Cd外形完全一致，呈圆柱状结构，衰变产 生不同能量的X射线，激发月球表面不同元素产生各自特征荧光X射线。源准直器约束⁵⁵Fe 和¹⁰⁹Cd发出的X射线照射到月球表面一定范围内。探测器准直器限制了硅漂移室探测器观 察视场。源盒作为支撑结构与外筒相连；中心有1个Φ9通孔和8个Φ8环状均匀分布的台阶 通孔，从背面分别镶嵌探测器准直器和源准直器；Φ8台阶通孔嵌入源准直器后，再放置同 位素源到其1/2高度，通孔出射X射线；另有6个Φ6的平底孔，固定源扣；源扣与源盒对 应的设置8个呈环状分布的凹槽，嵌入余下1/2高度同位素源；并留有6个对应Φ6凸台，通 过螺钉固定到源盒。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
①国内、国际上没有环状、适用于空间高分辨主动激发X射线谱仪的激发源，因而选用 柱状同位素源4枚⁵⁵Fe(2.59GBq/枚)和4枚¹⁰⁹Cd(185MBq/枚)呈环状交替放置；保证激 发源分布均匀，即对样品的激发也是均匀的。
②由于X射线会造成周围人员辐照损伤，因而通过源盒和源扣的设计将探头前端激发 源准直组件设计成一个独立的、封闭的、易安装的结构，如图2所示。在平时使用不带有放 射源的模拟组件完成试验和测试任务，在发射前，在发射场进行换装，将带有八个放射源的 真实组件整体换上，以减小设备对参试人员的辐射。
A、独立性：同位素源具有天然的衰变性，不受环境影响；
B、封闭性：采用源盒和源扣合并封住同位素源，并使用硅橡胶填充缝隙；
C、易安装性：激发源组件预留了3个Φ3.2安装孔接口，可以安装到其它零件或设备。
③源盒正面凹陷为圆台状，尽可能让同位素源⁵⁵Fe和¹⁰⁹Cd衰变产生的X射线照射到月 球表面；相应的，设计源准直元件为楔形；对比图如图3(a)、(b)所示，很明显，设计成 圆台状结构比圆孔状结构出射的X射线流量大，照射区域广(阴影部分)。
④非金属材料聚酰亚胺是热的不良导体，耐温性能好(-250～+250℃)、耐辐照性能高(～ 10⁹)，能适应月球表面恶劣环境(昼夜温差大：-180～+180℃、空间辐照剂量高)；并且，聚酰 亚胺强度高(≥100Mpa)，易于加工；密度低(1.4g/cm³)、重量轻，因而，选择聚酰亚胺为原材 料加工源盒，减轻结构的重量，同时在几个准直组件上选用了高质量密度的铜来达到准直效 果，且铜材料作为准直结构上进行了小型化。
实现了硅漂移室探测器和同位素源的准直功能，采用重金属铜(一般采用密度高、质量 吸收系数大的金属如金、锆和钨等，但是由于准直材料会被放射源激发产生其特征射线，进 一步“污染”探测器结果，因此本发明采用铜金属，保证其特征射线与被测样品的特征射线不 重合)并保证材料本身被放射源激发产生的特征射线不会“污染”月球表面元素被激发产生 的能谱。在保证放射源射线被准直而不会激发硅漂移室探测器周围材料的特征射线的同时保 证射线对月表样品的激发效率。
附图说明
图1为空间高分辨主动激发X射线谱仪探头结构图；
图2为APXS探头前端激发源准直组件图；
(a)为正视图，(b)为沿C-C的截面图，(c)为立体视图；
图3为对比效果图；
(a)为圆台与楔形结合准直效果图，(b)为圆孔准直效果图；
图4为源盒结构图；
(a)为正视图，(b)为沿A-A的截面图；
图5为源扣结构图；
(a)为侧视图，(b)为沿A-A的截面图，(c)为立体视图；
图6源准直器结构图；
(a)为侧视图，(b)为正视图，(c)为立体视图；
图7为探测器准直器结构图
(a)为侧视图，(b)为立体视图；
图8为准直组件准直效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，在探头前端准直组件设计上，主要有以下 几个手段：
1.设计一个轻型的、独立的、半封闭的易安装结构
组件前端为低密度的聚酰亚胺材料的源盒零件，如图4。源盒为柱状结构，正面边缘突出 呈环状，避免探头撞到月球表面时损坏内部芯片；中间部分凹陷呈圆台状，便于更多的同位 素源照射到月表上，如图3(a)；源盒背面中心有1个Φ9通孔和8个Φ8环状均匀分布的台 阶通孔(预留定位)，从背面分别镶嵌探测器准直元件和源准直元件；Φ8台阶通孔嵌入源准直 元件后，再放置同位素源到其1/2高度，通孔出射X射线；另有6个Φ6的平底孔，固定源 扣。由于放射源发射的能量最高的射线为25keV，铜材料对其质量吸收系数为μ_m＝17.7cm2/g, 铜的密度为ρ＝9.8g/cm3,根据公式I＝I0*exp(-μ_m*ρ*x),其衰减长度为0.06mm，而准直器的厚度为 0.5mm，远大于吸收厚度，因此能够很好的起到准直作用。
组件后端为铝材料加工制作的源扣零件，如图5，源扣与源盒对应的设置8个呈环状分布 的凹槽(即盲孔)，嵌入余下1/2高度同位素源；并留有6个对应Φ6凸台，通过螺钉固定到 源盒。当源盒装上同位素源，盖上源扣对正(同位素源在源扣凹槽、源盒Φ6平底孔对准源扣 凸台、周围3个半圆形豁口均对正)、贴紧，6枚螺钉依次穿过源盒固定到源扣的凸台，形成 半封闭结构。
组件通过源盒零件上的三个通孔与空间高分辨主动激发X射线谱仪探头连接。
对比另外两种安装同位素源的方式：
A.同位素源粘接在源盒上；
B.采用多个盖子逐个封住同位素源到源盒；
A方式不能将同位素源从源盒上拆下来；或者存在没粘牢的风险；
B方式操作时间过长。
采用本发明的安装方式，具备了牢固性和安装操作方便性。
2.实现射线进行准直，同时防止准直器被放射源对样品特征射线的干扰
在源盒零件的放射源及硅漂移室探测器使用密度较高的铜作为准直元件，为增大放射源 的照射面积，提高激发探测效率，将源盒设计成凹陷的圆台状，相应的，放射源准直器设计 成楔状结构，并设有“定位”，使放射源准直器开口与源盒凹陷上的台阶通孔顶部倾角方向完 全一致，放射源射线向内集中，保证中心样品激发的均匀性，如图6。硅漂移室探测器采用 圆柱状设计，约束硅漂移室探测器的视场在激发源激发样品的中心区，避免了设备周围材料 被激发产生的射线进入探测器的视场。采用铜元素作为准直，有效地避免了准直器的特征射 线对探测目标射线能谱的干扰，如图6。
本发明的探测器准直器结构如图7所示。圆柱形的准直器主要是在其长度及位置设计上， 保证硅漂移室探测器的视场在放射源照射的中央的均匀区，具体的分布关系与准直效果可见 图8。
该发明有效地减小了设备的重量，提高了设备的激发探测效率，降低了对探测目标的干 扰，完成了对设备激发射线和样品受激发产生的特征射线的准直。