研究现状分析

1895 年，德国物理学家W.K.伦琴发现了X 射线，120 多年来X 射线在医疗透视、无损探伤和物质结构分析等领域得到了广泛的应用，为人类作出了巨大的贡献。美国Henke 博士［6］通过多年对X 射线的研究发现，当X 射线光子能量大于10 keV （λ ＜ 0.1 nm）时，在大气压强低于10-1 Pa 时，X 射线的透过率为100%。2007 年，美国航空航天局戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）的天文物理学家Keith Gendreau 博士［7］提出利用X 射线实现空间飞行器点对点通信的概念，并首次证明了X 射线通信的可行性。Dr.Daniel G 等［8］利用信息论的Cramer-Rao 不等式、Fisher 信息以及香农熵（Shannon-entropy）等概念，对XNAV 和XCOM 的基本原理进行了理论分析。2010 年，美国航空航天局的空间研究发展计划［9］的14 个技术领域中，将XNAV 和XCOM 称为革命性概念（Revolutionary Concepts），被认为是“下一代新的空间通信方法”。2011 年，作为X 射线导航和通信的带头人，Keith Gendreau 技术团队［7］被授予美国研究和发展创新团队。2013 年，NASA GSFC 以XNAV 项目为基础启动“空间站X 射线计时与导航技术试验”（SEXTANT）项目［10］，包括服务于科学目标的“中子星内部构成探测器”（NICER）项目与验证新概念的“X 射线通信”（XCOM）项目，即SEXTANT=XNAV+NICER+XCOM。XCOM 项目组最新计划于2018 年在国际空间站安装调制X 射线源（MXS），使用NavCube （SpaceCube2.0+Navigator）计算平台驱动调制X 射线源，实现距离约50 m 的空间X 射线通信演示试验。2014年，美国NASA ASTER 实验室的科学家们［11］提出了将X 射线传感器直接集成到无线电和光通信系统（Integrated Radio and Optical Communications system，IROC）的构想，实现无线电、光和X 射线于一体的通信系统（integrated radio，optical and X-ray communications system，IROX）。2017 年，NASA GSFC研究人员提出了完整的X 射线应用构想，包括基于X 射线的星间相对导航通信链路、超声速黑障区的X 射线安全通信、电磁屏蔽环境下的X 射线通信等［12］。

继NASA 的XCOM 概念提出之后，国内相关科研机构在X 射线通信概念及应用模式等方面也开展了一系列的研究工作，如中科院西光所提出了一种栅控X 射线源作为发射器和基于微通道板的X 射线单光子探测器作为接收器的X射线空间语音通信方案［13-16］，西安电子科技大学许录平团队提出了利用X 射线实现通信测距一体化的技术方案［17-18］，南京航空航天大学汤晓斌团队分析了X 射线在黑障环境下的传输特性［19-20］，上海卫星工程研究所提出了一种调制太阳辐射的X 射线信号实现深空通信的方案构想［21］，西北核技术研究所提出了激光-X 射线联袂通信系统方法［22］。

现阶段X 射线通信技术主要研究高性能的X 射线探测器与X 射线源等。在X 射线探测器方面，主要的解决方案有SDD （Silicon Drift Device）探测器和微通道板（MCP）探测器。SSD 探测器是一种很有前途的X 射线探测器，它在1～10 keV 的探测效率可以达到100%，对于这种探测器我国处于研制阶段，尚不具备生产能力，需要进口。基于微通道板的X 射线探测器具有时间响应快、接收面积大、最小可探测功率小等优点，尤其是具有很高的时间分辨率，可达纳秒量级，缺点是量子效率低。

现有的调制X 射线源技术，基本都是脉冲调制技术，主要为OOK （On-Off Keying）调制、PWM （Pulse Width Modulation）调制和PPM （Pulse Position Modulation）调制。下面对几种主要的X 射线源进行总结。

1.美国戈达德中心演示方案

在美国NASA 的X 射线通信方案中（Keith Gendreau 博士方案），先将通信信号加载在一个紫外LED 发光二极管上，产生的调制紫外光照射一个光电阴极，通过光电效应产生电子发射，发射光电子再经过一个电子倍增器放大后轰击阳极靶材，产生X 射线调制信号，其实物如图14-10 所示。

图14-1　0 美国Keith Gendreau 团队的方案及调制射线源实物

2.美国斯坦福大学方案

美国斯坦福大学物理系Catherine Kealhofer 教授团队于2011 年提出一种可以用于空间通信的超快X 射线调制发射源技术。该新型X 射线源的原理如图14-11 所示，首先利用一个PPM 调制的飞秒激光脉冲辐照一个纳米尺寸的发射尖端产生场致发射电子，并对其加速后轰击阳极靶产生X 射线。这种X 射线发射源具有尺寸小、亮度高、速度快等特点。(www.xing528.com)

图14-1　1 美国斯坦福大学团队的方案原理

3.中国西安光机所方案

中国科学院西安光学精密机械研究所赵宝升团队提出了一种新型的栅控X射线源，结构原理如图14-12 和图14-13 所示。

图14-1　2 栅控X 射线源示意图

图14-1　3 阴极结构示意图

图14-12 所示为栅控X 射线源示意图，图14-13 所示为阴极结构示意图，在传统X 射线球管的基础上增加了调制栅极和电子聚焦极。调制栅极的作用是调制X 射线从而复现栅极输入的数字信号。调制原理：当栅极输入的传输信号为高电平时，灯丝阴极产生的电子在电场的作用下向栅极运动，电子在通过栅极后轰击阳极靶并产生X 射线；当栅极输入的传输信号为低电平时，此时加载灯丝和栅极之间的电压会阻碍电子向阳极运动。通过上述方法调制X 射线的出射，从而起到类似于开关的作用。聚焦极位于栅极和阳极靶之间，聚焦极实现电子聚焦作用，控制电子束斑的尺寸。聚焦极的作用还使电子的时间弥散减小，提高时间分辨率。

此外，Daniel G.Jablonski 从信息论角度对X 射线空间传输理论进行了初步讨论［8］。