微通道板光子计数成像探测器预处理实验研究

微通道板光子计数成像探测器是嫦娥三号极紫外相机的关键成像器件,嫦娥三号极紫外相机被用于探测地球等离子层中极微弱的He+共振散射辐射,为了消除微通道板内部吸附的残余气体产生的离子反馈等背景噪音对探测器微弱信号成像性能的影响,需要对微通道板进行预处理.预处理包括高温真空烘烤和紫外光电子清刷.根据预处理的实验要求,设计了一套微通道板预处理装置,为微通道板预处理实验提供高真空环境和高温加热及保温功能.本文详细介绍了微通道板预处理实验的实现过程,对三片Z型级联的微通道板进行预处理实验后,背景噪音由27.09counts/s·cm2降低为0.53counts/s·cm2、空间分辨率达到125μm,上述实验结果表明MCP在预处理之后其表面、亚表面和体内吸附的杂质气体得以有效去除,获得了稳定的增益,成像性能也得以改善.     

微通道板光子计数成像探测器预处理实验研究

微通道板光子计数成像探测器是嫦娥三号极紫外相机的关键成像器件,嫦娥三号极紫外相机被用于探测地球等离子层中极微弱的He⁺共振散射辐射,为了消除微通道板内部吸附的残余气体产生的离子反馈等背景噪音对探测器微弱信号成像性能的影响,需要对微通道板进行预处理.预处理包括高温真空烘烤和紫外光电子清刷.根据预处理的实验要求,设计了一套微通道板预处理装置,为微通道板预处理实验提供高真空环境和高温加热及保温功能.本文详细介绍了微通道板预处理实验的实现过程,对三片Z型级联的微通道板进行预处理实验后,背景噪音由27.09 counts/s·cm²降低为0.53 counts/s·cm²、空间分辨率达到125 μm,上述实验结果表明MCP在预处理之后其表面、亚表面和体内吸附的杂质气体得以有效去除,获得了稳定的增益,成像性能也得以改善.     

铷离子-铷原子混合阱飞行时间谱的拟合和仿真模拟

离子-原子混合阱是研究带电粒子-中性粒子低温反应的理想平台,直接甄别反应产物最准确的方法是带电粒子飞行时间谱,飞行时间谱峰的强度、位置(飞行时间)和宽度给出了相应带电粒子的强度和动能(温度)等信息.本文通过分析和模拟铷离子-原子混合阱中的飞行时间谱,获得了不同荷质比的离子绝对强度和温度等信息.具体说,首先使用Gumbel型极值分布函数飞行时间谱的谱峰,获得谱峰强度、位置和宽度等信息.然后对实验建模得到耦合的原子数和总带点离子的速率方程,用这些速率方程拟合实验数据,并结合实验测量到的绝对原子数,获得绝对的离子数强度.由此提供了一种标定探测器(本文使用的是微通道板)的方法.改变电离激光的波长和强度得到的标定因子是一致的,表明了这种方法的可靠性.此外,利用COMSOL Multiphysics模拟实验的飞行时间谱,仿真模拟结果表明离子动能大,谱峰宽度窄.本文对飞行时间谱的强度和宽度分析为冷原子光电离过程的离子-原子反应碰撞和带电粒子温度弛豫奠定了基础.     

微通道板型X射线探测器的脉冲信号探测能力实验分析

为了掌握微通道板探测器的X射线脉冲信号观测能力,利用X射线脉冲星地面实验装置,开展了长时间的不同流强和不同背景噪声强度下的微通道板探测器脉冲信号探测实验,并建立了一套X射线探测器脉冲观测能力评估方法,推导出基于光子计时模式下X射线探测器的脉冲信号信噪比、脉冲轮廓相似度、脉冲到达时间精度和最小可探测功率的关系表达式.实验中,利用面积20cm~2的微通道板探测器开展了8组10 000s的实验,采集到有效观测数据,然后搜索最佳脉冲周期,重构观测脉冲轮廓,估计脉冲轮廓特征参数.实验表明,微通道板探测器具备良好的X射线脉冲信号观测与恢复能力,在较弱脉冲信号强度(光子流量密度为0.05ph/cm~2/s)和较强背景噪声(背景噪声强度是脉冲信号的16倍)下获取观测脉冲轮廓的信噪比、相似度、脉冲到达时间观测精度分别为35.73、88.38%、51.53μs和64.89、89.72%、29.24μs,验证了微通道板探测器具备一定的暗弱X射线脉冲星观测能力,且微通道板探测器的脉冲探测能力随着脉冲信号强度增加、背景噪声强度减弱、累积观测时间增加而提升.     

微通道板近紫外量子效率测量及成像研究

提出了一种通过测量微通道板输出电流及增益来计算光电流,从而测量出微通道板量子效率的方法,并用该方法测量了微通道板在近紫外(200~380nm)的量子效率.测量结果表明,微通道板的量子效率很低,并且随波长增加而快速下降,200nm波长处的量子效率为10-4数量级,320nm波长处的量子效率为10-8数量级,大于340nm波长处的量子效率极低且趋近于零.微通道板及荧光屏组成的成像器件可以对酒精灯火焰成像,但图像较稀疏,而传统Cs2Te光电阴极紫外成像器件的图像却较密实,这与微通道板量子效率低,Cs2Te光电阴极量子效率高的情形一致.在该成像器件的前端放置一片350nm波长的高通滤光片后,所成的酒精灯火焰图像消失.对被照射目标成像时,如果照射光源为254nm的汞灯,则可以成像;但如果照射光源为365nm汞灯,则不能成像.说明微通道板的光谱响应主要在350nm波长以下,与其量子效率的测量结果一致.最后测量得到该成像器件的分辨力为32lp/mm,与传统Cs2Te光电阴极紫外成像器件的分辨力相同.微通道板及荧光屏组成的成像器件由于不使用光电阴极,具有价格低、寿命长且可靠性高的优点,因此可在紫外信号较强或成像距离较短的条件下使用.     

延迟线阳极紫外光子探测器研究

基于微通道板(MCP)的延迟线阳极探测器利用信号到达延迟线两端的时间差得到入射光子的位置信息,具有高空间分辨率、高计数率的特点,被广泛应用于紫外光谱成像系统中。分析了延迟线阳极紫外光子探测器的工作原理,提出一种新型二维延迟线阳极,仅由阳极表面收集经MCP倍增后的电子云团,上层延迟线直接收集电子,下层延迟线通过置于顶层的焊盘收集电子。该阳极采用印刷电路板(PCB)加工制作,大大简化了制作工艺。测试结果表明,阳极探测器空间分辨率FWHM优于92 μm,成像非线性小于100 μm。实验结果证明了该延迟线阳极探测器进行紫外光子成像的可行性,为研制远紫外波段成像光谱仪提供了理论基础及实验指导。     

电荷云尺寸对紫外光子计数成像探测器性能的影响

微通道板出射电荷云尺寸与微通道板增益、微通道板输出面和楔条形阳极间距离以及阳极加速电压等因素有关.到达阳极的电荷云尺寸对紫外光子计数探测器的成像性能有重要影响.本文研究了电荷云尺寸对紫外光子计数成像系统成像性能的影响,论述了调制畸变和"S"畸变两种图像畸变及其产生的原因,采用蒙特卡洛方法模拟了不同尺寸的电荷云对阳极解码的影响.实验测试了微通道板和阳极间距离、微通道板增益以及阳极加速电压对紫外光子计数成像系统成像性能的影响,并给出了实际解决调制畸变和"S"畸变的有效方法. 关键词： 光子计数成像 楔条形阳极 微通道板 阳极探测器     

30.4nm极紫外成像探测器的实验研究

报导了最新研制的30.4 nm极紫外成像探测器的实验研究结果.该探测器采用了楔条形阳极(WSA)、高增益v型级联微通道板组件、低噪声电子读出系统等先进技术,利用单光子计数成像技术在实验审成功获得了模拟图像.搭建了相应的实验系统,对探测器成像的线性度、空间分辨率、暗计数等性能进行了实验研究.结果表明,该探测器具有φ45 nm的有效面积,空间分辨率优于100μm,暗计数率低[0.4 count/(cm2·s]、成像线性度好、结构简单等优点.     

楔条形阳极探测器的性能测试与分析

对研制出的楔条形阳极探测器进行了性能分析与实验测试,分析了引起成像畸变的三个重要因素：到达阳极的电子云半径大小、阳极的电容耦合效应和电子读出电路的性能.电子云半径的过大或过小会相应引起成像的 “S”畸变或调制畸变,电容耦合效应和电路噪音也均会引起成像的畸变.此外,测试了探测器的暗计数率、线性度以及空间分辨率等性能,同时分析了微通道板在光照情况下的增益特性和暗计数的一般特性及其产生原因.测试结果表明探测器的成像畸变很小、线性关系较好,空间分辨率优于150 μm,微通道板的暗计数率低于0.4 count/s*cm2.     

紫外单光子成像系统的研究

搭建了紫外单光子成像系统,详细介绍了该系统的组成、工作原理和分辨率性能测试.由汞灯发出的紫外光经过大气散射、多块减光片得到了紫外单光子流.单光子直接打在微通道板上,微通道板产生的倍增电子由楔条形阳极收集,电荷灵敏前置放大器将阳极输出的电荷信号转变为电压信号,主放大器对前放信号进行滤波整形.利用高速数据采集卡连续采集主放大器的输出波形,通过软件对采集波形进行处理,采用图像处理技术得到了紫外单光子10min的计数图像,并对图像进行了畸变校正.此外,通过自己设计的分辨率板,测得该系统的分辨率可达150μm.该系统在极微弱光探测成像,生物发光,空间环境探测等方面具有广泛应用. 关键词： 单光子计数成像 阳极探测器 楔条形阳极 分辨率     

低能电子穿越绝缘体微孔膜动力学过程研究

采用二维位置灵敏的微通道板探测器对能量为1500 eV的低能电子束穿过孔径为400 nm、未经照射过的的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)微孔膜后的全角分布以及时间演化进行了测量,同时采用自制的积分式能谱测量装置测量了穿透电子的能量分布。实验结果表明:在充电阶段,当入射电子束束流较弱时,透射电子强度随充电时间逐渐上升;充电过程中,透射电子的角分布宽度由小变大,但是角分布中心基本不随膜的倾角移动。对出射电子达到平衡态时的电子能谱的测量表明,穿透电子的能量保持着入射时的能量。对于理解电子在绝缘体微孔中的传输给出了新的实验证据,给出了可能形成“导向效应”的微孔内部电场的条件。     

低能电子在外层导电屏蔽的玻璃锥管中的传输

采用新的具有常数锥角的玻璃锥管,并对玻璃锥管进行了外表面导电屏蔽,通过对电子穿越玻璃锥管的二维角分布随时间演化的观测,研究了低能电子与玻璃管相互作用的机制.发现电子穿越完全放电的玻璃锥管时穿透率先下降后平稳,整个过程中角分布中心发生微小移动,但角分布的半高宽几乎保持不变.这与我们之前发表的工作(2016 Acta Phys.Sin.65 204103)不同,这是由于对玻璃锥管进行外表面导电屏蔽会阻止外界不确定的快速充放电的影响,并形成了新的稳定放电通道,有利于实现电子的稳定穿透.电子的穿透率随倾角呈类似矩形的分布,透射电子的角分布中心伴随倾角的变化而移动,其穿透所容许的倾角与几何穿透一致.     

X射线增感屏的图象信息传输特性分析

本文采用Monte Carlo方法详细模拟了不同能量光子与增感屏的作用过程,对于一种稀土(Gd₂O₂S:Tb)增感屏,计算了出射可见光子数的概率分布、平均出射光子数、统计因子、X射线检测效率以及DQE等.增感屏出射可见光子数的概率分布曲线均有三个峰,随着入射X射线能量的增加,各峰之间距离增大,相对强弱对比增大;其余各曲线在Gd原子K壳层结合能(50.24keV)附近,均有突变.这些结果提供了增感屏图象信息传输性能的基本参数,为深入研究增感屏及成象系统的量子噪音传输特性提供指导.     

四通道X射线MCP行波选通分幅相机

简述了MCP行波选通分幅相机的工作原理及技术指标,报道了最新研制的四通道行波选通分幅相机的研制结果及使用情况,相机可接连拍摄12幅图象,每幅象的曝光时间为60至100ps、空间分辨率15lp/mm时调制度10％,观测时间在几百皮秒至几纳秒内可调.在星光装置上的使用表明相机的实用性强、抗干扰能力高,并在国内首次较全面地测量了各种靶型的时间分辨分幅结果.     

Experimental investigation of the optical signal, gain, signal-to-noise ratio and information content characteristics of X-ray phosphor screens

In this study, the quality of medical images produced by X-ray phosphor screens is described by a model based on the light generation and emission properties of the phosphor material. Combined detector gain (CDG), modulation transfer function (MTF), detective quantum efficiency (DQE) and information capacity (IC) of the screens were expressed and evaluated as functions of emitted optical fluence, incident X-ray fluence and emitted optical spectrum. Phosphor screens with coating thickness ranging from 21 mg/cm² to 137 mg/cm² were prepared in the laboratory and were irradiated by X-rays with X-ray voltages from 50 to 140 kVp. Experimental data were obtained in both transmission and reflection modes of measurement (light emission from both screen sides). Results showed that most image quality parameters (CDG, MTF, DQE) depend strongly on phosphor screen thickness. CDG and DQE also depend on X-ray tube voltage. However, the total quantity of information (IC), which depends on both the incident X-ray fluence and phosphor material type, was not found to be significantly affected by phosphor thickness. Received: 7 September 2000 / Revised version: 8 January 2001 / Published online: 27 April 2001     

原子激发态在高频强激光作用下的光电离研究

本文通过数值求解动量空间的三维含时薛定谔方程, 研究了原子高激发态在高频激光脉冲作用下, 在电离阈值附近的光电子能谱和两维动量角分布. 研究结果表明: 在该能量范围内, 单光子电离过程的贡献是最主要的. 体系初态的主量子数可以由光电子能谱峰值的位置来确定; 体系初态的角量子数可以通过光电子的两维动量角度分布确定. 在比较宽泛的参数范围内, 这一规律不随入射激光的强度和脉冲时间宽度的改变而改变, 因此原则上可以利用它对原子的初态进行识别. 此外, 还研究了体系的初态为相干叠加态, 光电子动量谱随着叠加态相对相位的变化规律. 关键词： 阈上电离 激发态 高频激光脉冲 两维动量角度分布     

Angle-resolved ups measurements in a modified LEED system

A LEED chamber has been modified to include a differentially pumped discharge lamp (He or Ne) and an additional retarding grid electron energy analyser for UPS. This small analyser is located at right angles to the LEED analyser and does not interfere with normal LEED and Auger operations. The UPS signal is amplified by a channel plate multiplier and accelerated onto a phosphor-coated screen. Directional information is obtained by scanning this screen with a collimated photomultiplier detector. A phase-lock amplifier is used to differentiate the signal from the photomultipler. Alternatively the phosphor screen can be used as a collector to measure a total spectrum. The acceptance angle of the UPS analyser is 90°. In the angular resolving mode it is possible to observe emission from a (100) fcc crystal in the 〈100〉, 〈110〉 and 〈111〉 directions with a fixed incident photon angle in the range 20–40° to the normal. The acceptance angle of the detector was usually ~7° but this can be varied by changing the collimating tube on the photomultipler. The direction dependent features of the d-band spectrum of clean nickel with a (100) surface have been examined. Characteristic features were observed for each of the 〈100〉, 〈111〉 and 〈110〉 directions. These are compared with those reported for crystals with the corresponding surface orientations. The effects resulting from the chemisorption of nitric oxide on this nickel crystal have also been investigated.     

Indirectly illuminated X-ray area detector for X-ray photon correlation spectroscopy

An indirectly illuminated X-ray area detector is employed for X-ray photon correlation spectroscopy (XPCS). The detector consists of a phosphor screen, an image intensifier (microchannel plate), a coupling lens and either a CCD or CMOS image sensor. By changing the gain of the image intensifier, both photon-counting and integrating measurements can be performed. Speckle patterns with a high signal-to-noise ratio can be observed in a single shot in the integrating mode, while XPCS measurement can be performed with much fewer photons in the photon-counting mode. By switching the image sensor, various combinations of frame rate, dynamic range and active area can be obtained. By virtue of these characteristics, this detector can be used for XPCS measurements of various types of samples that show slow or fast dynamics, a high or low scattering intensity, and a wide or narrow range of scattering angles.     

光电离过程中Fe靶和V靶特征辐射的角相关研究

在发射角120°—170°的范围内,应用硅漂移探测器以10°为间隔对中心能量为13.1 keV的韧致辐射诱发Fe靶和V靶发射的典型K系X射线光谱进行了测量.得到特征X射线Kα和Kβ的特征谱线,考虑探测器对特征X射线的探测效率、靶对入射光子和出射光子吸收的校准及大气对特征X射线的吸收后,结果显示不同探测角度下Kβ与Kα的强度比为一常数.将本次实验探测角度为150°时的Kβ/Kα强度比值的实验值、理论计算值和Ertuğral的实验结果进行对比,发现实验结果与预期相符.对比不同探测角度下的强度比变化趋势推断特征X射线的角度依赖关系,分析认为Kα和Kβ在探测范围内是各向同性发射的.     

双近贴聚焦微光像增强器分辨力理论极限问题研究

分辨力和MTF是微光像增强器的2个重要参数。根据线性系统傅里叶频谱理论,分析了微光像增强器的MTF和分辨力特性。 计算出理想条件下,基于光阴极/MCP/荧光屏3部件结构以及带内电子增益机制的光阴极/荧光屏2部件结构的近贴聚焦像管的理论极限分辨力。它们分别是96.6lp/mm和98.1lp/mm。该结果可供人们改进像管MTF及分辨力特性时参考。