基于微通道板的二维成像探测器

本介绍了基于微通道板的二维成像探测器的基本原理、结构，制作了有效面积直径达70毫米的微通道板延迟线探测器，并利用辐射源对研制的探测器位置分辨等性能进行了测试，得到的最好位置分辨为0．1毫米；讨论了进一步优化探测器性能的方法。     

微通道板增益对光子计数探测器成像性能影响

微通道板作为二维位置灵敏阳极光子计数探测器中的电子倍增器件,其增益特性直接影响探测器的成像性能。搭建了系统测试平台,测量了微通道板的增益随电压变化曲线,并获得了3块微通道板叠加后的脉冲高度分布曲线。根据测试结果以及脉冲高度分布曲线的能量分辨率与探测器增益的均匀性之间的物理关系,选择合适电压值和增益对探测器的性能进行优化,探测器分辨率由3.56 lp/mm 提高到4.49 lp/mm ,获得了清晰图像,为探测器的研制提供了技术支持。     

镀膜型nMCP探测效率和位置分辨优化的蒙特卡罗模拟研究

中子敏感微通道板(Neutron sensitive microchannel plate,nMCP)因其具有高探测效率和位置分辨,配合先进的读出电子学可作为能量分辨中子成像探测器的优先选择。相比于基体掺杂型的nMCP,基于原子层沉积技术(Atomic Layer Deposition,ALD)的nMCP具有原材料消耗少、通道内壁具有高的二次电子发射系数等优势。首先,通过实验对掺杂natGd型nMCP的典型中子和伽马信号进行研究。然后,采用Geant4模拟和理论计算对镀膜10B₂O₃型nMCP的孔径、壁厚、倾角和镀膜厚度进行优化。计算结果表明,当nMCP的几何参数选择为镀膜厚度1 μm、孔径10 μm、壁厚1 μm以及倾角3°时,nMCP性能达到约56%的热中子探测效率和约22 μm的位置分辨。计算结果对CSNS能量选择中子成像探测器nMCP的几何参数设计具有重要意义。     

基于Vernier阳极微通道板光子计数探测器分割噪声

为消除微通道板光子计数探测器系统中电子噪声的干扰,研究了探测器分割噪声的来源,并提出利用COMSOL软件仿真计算分割噪声的方法.利用有限元方法对基于Vernier阳极探测器的成像过程进行三维建模,实现了一组5×5针孔阵列的模拟成像,计算出Vernier阳极分割噪声所产生的电子云质心位置的偏移量,验证了Vernier阳极探测器成像编码的正确性与仿真研究分割噪声的可行性.通过分析不同参量的阳极面板,利用数值拟合方法,得到电子云质心偏移量与阳极面板设计参量之间的关系.在固定面板参量的前提下,可以通过提高微通道板增益来有效降低分割噪声对质心位置偏移影响.     

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     

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.     

使用曲面微通道板和感应电荷位置灵敏阳极的软X射线-极紫外光子计数成像探测器研究

本项目对我国空间探测的极紫外(EUV)波段大视场相机所需求的球面光子计数成像探测器的关键技术进行了研究。首先,建立了光阴极材料次级电子产出模型,利用该模型计算了软X射线-EUV波段常用的光电阴极材料—碱卤化物的次级电子产出,分析了微通道板(MCP)的次级电子产出。建立了测量MCP量子探测效率的装置,并推导出MCP量子探测效率的计算公式,测量了MCP在软X射线-EUV波段的量子效率以及MCP量子效率随掠入射角的变化。其次,建立了球面实芯微通道板的制备装置,利用高温热成型方法制备出曲率半径为150 mm球面MCP,利用光刻技术制备出有效直径为48 mm的楔条形感应电荷位置灵敏阳极,在此基础上集成了一套使用球面MCP和感应电荷位置灵敏阳极的两维光子计数成像探测器。再次,研制出包括快速前端模拟电路与后续数字电路的成像读出电路,编制了能矫正图像畸变的图像实时采集和处理软件。最后,建立了MCP探测器空间分辨率、图像线性的检测装置,对研制出的探测器性能进行了检测,检测结果表明:探测器的各项技术指标完全满足要求。     

极紫外位置灵敏阳极光子计数成像探测器研究

研制出了应用于月基极紫外成像仪的二维极紫外位置灵敏阳极光子计数成像探测器原形样机,该探测器主要由工作在脉冲计数模式下的微通道板堆、楔条形位置灵敏阳极及相关的模拟和数据处理电路组成。设计和制备了周期为1 mm,直径为30 mm的三电极楔条形位置灵敏阳极,研制了最高计数率为200 kHz的前端模拟和数字电路。测量了探测器的暗计数率、脉冲高度分布及空间分辨率等工作特性。测量结果表明,该探测器的空间分辨率为028 mm,满足月基极紫外成像仪对空间分辨率的要求。     

散裂中子源高气压二维位置灵敏3He探测器的实验研究

为满足中国散裂中子源多功能反射谱仪中子探测器的基本物理要求:有效面积达到200 mm×200 mm、探测效率大于50%（2Å）、位置分辨好于2 mm等,中国科学院高能物理研究所研制了3He高气压二维多丝正比室位置灵敏中子探测器。该探测器采用二维多丝室结构,腔体内充3He/C₃H₈（6 atm/2.5 atm）的组合气体。本文首先利用Am/Be中子源完成对探测器全面积均匀性测试,均匀性指标达到了95.1%;探测器在中国散裂中子源的20号束流线站安装后,对其进行了在束测量,通过飞行时间选取波长2.8Å的慢中子,测量了探测器二维位置分辨和二维成像性能。在X方向（垂直于阳极丝的方向）的位置分辨为0.99 mm,Y方向（平行于阳极丝的方向）的位置分辨为1.36 mm,探测器具有很好的二维位置分辨和二维成像能力。测量结果表明探测器满足反射谱仪的研制要求。     

极紫外波段微通道板光子计数探测器

研究了一种极紫外波段微通道板（MCP）光子计数探测器,用于探测地球等离子体层中极微弱的30.4 nm辐射。通过改变电压、温度等参数对比了该微通道板光子计数探测器的暗噪声和分辨率的变化。结果表明：微通道板探测器的暗噪声主要来源于残余气体离子反馈和热噪声,因此要降低探测器暗噪声,应对微通道进行彻底的预处理除气,并尽量避免探测器在高温状态下工作,常温下经过预处理的微通道板光子探测系统的暗计数率仅为0.34 count/（s.cm2）。系统的分辨率主要受电压和计数率的影响,受温度影响不明显。由于不同的微通道板有不同的耐压范围,过小或过大的电压或计数率都会造成系统分辨率的降低。     

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.     

多击响应的三层阳极丝位置灵敏探测器及其信号重整

最新发展起来的三层延迟线阳极, 即Hexanode与标准的螺旋状延迟线(HDL)阳极相比, 对多击事件有较好的响应能力. 它与一对微通道板组合在一起构成的位置灵敏探测器能够响应同时或短时间间隔内到达探测器的多个粒子, 并给出粒子的全部动量信息. 针对Hexanode在响应多个同时或短时间间隔内到达的粒子时出现的信号丢失问题, 自行编写了一个信号重整程序. 经过此程序的处理后, 多击响应位置灵敏探测器的死时间只存在于两个粒子同时到达探测器的同一位置时(在一定时间及位置范围内). 在最近完成的使用Hexanode探测器的近阈值e+He→3e+He⁺⁺中, 获得了很好的结果.     

小孔径微通道板

从空间分辨能力、时间分辨能力和动态范围方面介绍了通道小型化发展的趋势,根据微通道板性能和结构的关系分析了这种小型化带来的微通道板变形、破裂、结构错位等生产难题和解决方法.分析表明:美国MCP的孔径发展依次是12 μm,10 μm,9 μm,8 μm,6 μm和5 μm,先进国家微通道板孔径已经能够做到4 μm～5 μm,夜视仪的分辨能力已超过100 lp/mm;通道直径降至5 μm、4 μm甚至更低,通过改进材料成分和拉丝、排丝、压屏、酸溶工艺及设备可以实现5 μm以下小通道微通道板的制造.     

双维位置灵敏CsI（Tl）闪烁探测器

介绍了一种双维位置灵敏CsI（Tl）闪烁探测器,利用GEANT4对它进行了蒙特卡罗模拟,得到了RIB ^17N的位置分布谱及探测器的空间位置分辨,模拟结果与实验测量值很好地吻合。给出了影响探测器分辨的主要因素及改进方案。     

硅微条探测器的研制

本文介绍了利用“平面工艺”新技术研制成功的硅微条探测器.该探测器所用的硅材料为n型硅,电阻率为3kΩ.cm,晶向<111>.探测器的厚度为400μm,灵敏面积为18mm×12mm,条宽为20μm,共有300个微条,在反向偏压为100V时,其漏电流为5×10^－9A.用电荷收集分布方法测得该探测器的位置分辨为5.3μm.     

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.     

二维多丝室探测器读出方法的优化

中国散裂中子源将建设一台基于~3He气体的二维多丝室,作为多功能反射谱仪束线的中子探测器.基于已有的研究,为优化选择二维多丝室探测器的丝结构,本文研究了三种不同的丝结构,并采用重心读出方法和数字读出方法进行了探测器的性能测量,得到了满足多功能反射谱仪探测器需求的读出方法.实验结果表明:对同种丝结构的二维多丝室探测器,重心读出方法的位置分辨和成像性能都好于数字读出方法;基于重心法读出的多丝室探测器位置分辨率可以达到约160μm,基于数字读出方法的多丝室探测器位置分辨率可以达到约400μm.优化设计的丝结构为:基于重心读出法的阳极丝间距1.5 mm、读出通道间距4 mm,基于数字读出法的阳极丝间距1.5 mm、读出通道间距2 mm.优化设计的丝结构均能满足谱仪的位置分辨要求.     

多阳极微通道列阵探测器系统的性能特征

具有256×1024象素的多阳极微通道列阵探测器系统,目前正处于实验室评价之中。用密封的紫外和可见光探测器管所记录的性能数据表明,该探测器系统有极好的特性,使之可成为光电导列阵探测器(如电荷耦合器件)的补充,优于可与之相比的采用高增益微通道板的脉冲计数探测器系统。     

高探测效率低噪声的大面阵热中子敏感微通道板

在微通道板玻璃中掺中子灵敏核素,并去除玻璃中的天然放射性同位素成份,可以实现微通道板对热中子的敏感,使探测器具有极低的背景事件率.在微通道板玻璃中掺加3mol%的Gd2O3,同时去除玻璃中的K2O和/或Rb2O,制作成50 mm直径、0.6 mm厚度、10μm孔径的微通道板,实现了对25.3meV热中子33%的探测效率,同时探测器的暗计数率低至0.11events cm-2·s-1.通过计算和分析热中子在微通道板基体中的俘获概率和155,157 Gd(n,γ)156,158 Gd反应所能引发的有效信号,说明了通过微通道板的结构优化,掺3mol%Gd2O3的微通道板可以实现最大50%的热中子探测效率.在此基础上,进一步完成了106mm直径10μm孔径的掺3mol%Gd2O3的优化结构大面阵低噪声中子敏感微通道板的制作.     

电子清刷对微通道板增益及输出信噪比的影响

电子清刷是微通道板生产流程中常用的除气方法,会引起微通道板其他性能参量的变化.为研究电子清刷对微通道板输出信噪比及增益的影响,根据信噪比及增益的定义讨论了微通道板性能参量的测试方法,研制了微通道板参量测试系统.应用微通道板参量测试系统对微通道板进行了电子清刷处理,测试清刷过程中不同阶段微通道板的信噪比及增益变化.实验表明:微通道板增益随清刷时间增加而降低,同时增益稳定性提高;电子清刷过程中微通道板的输出信号及噪音的变化率与微通道板增益的变化率基本相同,输出信噪比基本不变.增益变化是影响清刷过程中信号及噪音变化的主要因素,并且电子清刷对微通道板输出信噪比影响较小.