远紫外光子计数成像探测器分辨率及计数率的优化

基于远紫外(FUV)成像光谱仪对所用光子计数成像探测器高计数率、高空间分辨率的要求,研制出使用感应电荷位置灵敏阳极的FUV波段二维光子计数成像探测器原理样机,该探测器主要由工作在脉冲计数模式下的微通道板(MCP)堆、楔条形(WSA)感应位敏阳极及相关的模拟和数据处理电路组成。感应电荷WSA阳极探测器的分辨率主要由前端模拟电路的信噪比决定,而信噪比与整形放大器的整形时间有关,整形时间越长,信噪比越高,模拟电路的输出计数率越低。测量了整形时间分别为0.25、0.5、1、2、4μs条件下探测器的分辨率及计数率,测量结果表明探测器的分辨率为3~9lp/mm,最高计数率为11~105kcounts/s,只有0.5μs整形时间放大器能满足FUV成像光谱仪对分辨率和最高计数率的要求。     

极端紫外波段碱卤化物光阴极材料量子效率计算

为了满足极端紫外波段微通道位敏阳极光子计数探测器研究的需要,研究了碱卤化物光阴极材料的量子效率.由于光阴极材料的光电发射电流主要是由次级电子形成的,给出碱卤化物光阴极材料次级电子发射的理论模型,推导出次级电子产出的计算公式,针对光子能量30—250 eV范围内,计算并分析了光阴极材料厚度和光入射角对次级电子产出的影响.分析结果显示,光阴极材料厚度大于100 nm并且掠入射角大于临界角,是获得高次级电子产出的最佳条件.最后,应用推导的公式分析20种碱卤化物在能量30—250 eV范围内次级电子产出的光谱响应 关键词： 极端紫外 碱卤化物 光阴极 次级电子     

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。     

远紫外光子计数成像探测器的感应电荷读出方法

为了满足空间远紫外波段成像高空间分辨率和高计数率的探测需求,阐述了光子计数成像探测器的感应电荷读出方法,用于对地球电离层进行远紫外波段遥感探测的成像光谱仪.研究了具有成形网路的电荷灵敏放大器各参数间的关系,从理论上分析了电荷灵敏放大器的上升时间及成形网络的成形时间常数对电荷读出噪声和探测系统计数率的影响,并建立了它们之间的定量关系.提出了电荷读出网络参数的设计和选取原则,并采用适合空间环境的分立电子元件研制出基于楔条形阳极光子计数式成像探测器的电荷读出电路.实验结果表明,所设计的感应电荷读取链路在成形时间为500 ns时链路等效输入噪声电荷约为230 e,电荷灵敏放大器上升时间小于8 ns,与建立的模型计算值有较好的一致性.在入射光强计数率86.2 kcps条件下,所测图像的空间分辨率达到7.13 lp/mm,满足空间远紫外波段成像光谱仪的使用要求.     

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     

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     

柱面微通道板的制备及其性能研究

针对未来空间天文学应用的超分辨率光谱成像仪器的需求，对低噪声柱面微通道板（MCP）的制备方法及其性能进行了研究. 提出了一种将光学抛光与热成型相结合的新的柱面MCP制备方法，利用不含放射性元素的低噪声MCP玻璃，制备出曲率半径为400mm、尺寸为30mm′46mm、长径比为80:1、通道直径12.5mm、通道间距15mm的柱面MCP，并将其与感应电荷楔条形阳极（WSA）组成光子计数探测器，对其暗计数率、分辨率进行了检测，暗计数率约为0.1counts/cm2×s.     

极紫外波段微通道板光电子产出理论分析与实验测量

基于微通道板的光子计数探测器在天文方面得到广泛的应用。该文针对微通道板在极紫外波段的光电子产出进行深入研究,给出了材料光电子产出的理论模型,利用导出的光电子产出公式分析了影响微通道板电极和铅玻璃两种材料光电子产出的因素。理论分析结果表明:材料厚度大于20nm及入射角大于掠入射的临界角是获得较高光电子产出的最佳条件,除去几个特殊波长,两种材料的光电子产出在极紫外波段随波长的增加而减小。利用激光等离子光源量子效率测量装置测量了微通道板光电子产出的波长响应特性,实验结果与理论计算结果基本一致。     

Research on front-end electronics gain compensation of MCP imaging detector北大核心CSCD

基于微通道板电子倍增电荷分割型阳极的成像探测器常用于行星大气、气辉等微弱信号探测。针对探测器读出电路增益不相等导致探测器成像产生畸变的问题,利用理论分析结合MATLAB仿真揭示了不同畸变图像的形成机制,在该基础上提出了一种探测器读出电路增益补偿方法减小探测器成像畸变。通过MATLAB仿真和实验测试结果表明该文提出的方法能够有效减小由于读出电路增益不相等导致的探测器成像畸变。     

金阴极微通道板探测器X射线段的能谱响应

 利用表面镀金阴极膜的微通道板(MCP)构成一种金阴极MCP光电探测器,根据MCP的电阻电容特性提出了一种特殊的能谱响应测量方法。在北京同步辐射3B3中能束线上对该探测器在2.1～6.0 keV能段的谱响应进行了实验标定。以美国NIST绝对定标的美国IRD公司生产的AXUV-100硅光二极管为次级标准探测器,标定金膜厚度分别为25和100 nm的金阴极MCP探测器的能谱响应。经分析发现,阴极材料和MCP材料的元素吸收边是造成量子效率曲线出现突变点的原因。对比两种MCP的能谱响应标定结果,金膜厚度为100 nm探测器的能谱响应高于金膜厚度为25 nm的探测器。     

Vernier阳极设计与成像模拟

光子计数成像探测器作为探测微弱光的重要手段,由微通道板,解码阳极以及后续的读出电路组成,其中解码阳极的性能直接影响着探测器的成像质量。作为一种电荷分割型阳极,Vernier阳极利用周期性的正弦电极区域替代了楔条形阳极(WSA)的线性电极,可获得高的成像分辨率和大的电极活动区域。根据Vernier阳极的设计原理对Vernier阳极进行了仿真和设计,首先,介绍了矢量形式的阳极解码,确定了阳极设计参量为阳极周期长度,电极振幅及电极波长;其次,分析了各阳极设计参量对探测器成像的影响,利用Labview软件分别模拟了电子云,Vernier阳极板以及其相互作用成像情况,确定了Vernier阳极周期长度与粗调波长之间的关系以及设计参数一定时,成像达到最佳的电子云大小,依照模拟结果和实际的加工条件,设计和制备了周期为891 μm,绝缘沟道为25 μm,振幅为50 μm,粗调数为5的九路Vernier阳极。     

EUV波段电光成像系统分辨率的实验研究

基于微通道板 (MicrochannelPlate ,MCP)探测器件设计一套成像系统 ,用于对极紫外 (ExtremeUl traviolet,EUV)波段的光进行成像。结果在 13,17 1,19 5和 30 4nm处获得了一个宽度为 3mm的狭缝的像 ,其相应的空间分辨率分别为 85 ,12 0 ,182和 4 95 μm ,最佳为 85 μm ,对应波长 13nm ,而且波长越短 ,分辨率越高 ,图像的亮度也越高。     

Space solar telescope in soft X-ray and EUV band

In this paper we have reviewed our achievements in soft X-ray and extreme ultraviolet (EUV) optics. Up to now, the research system of soft X-ray and EUV optics has been established, including light sources, detectors, calibrations, optical testing and machining of super smooth mirrors, and fabrications of multilayer film mirrors. Based on our achievements, we have developed two types of solar space telescopes for the soft X-ray and EUV space solar observations. One is an EUV multilayer normal incident telescope array including 4 different operation wavelength telescopes. The operation wavelengths of the EUV telescope are 13.0, 17.1, 19.5 and 30.4 nm. The other is a complex space solar telescope, which is composed of an EUV multilayer normal incident telescope and a soft X-ray grazing incident telescope. The EUV multilayer normal incident telescope stands in the central part of the soft X-ray grazing incident telescope. The normal incident telescope and the grazing incident telescope have a common detector. The different operation wavelengths can be changed by rotating a filter wheel.     

基于X射线光子计数探测技术的材料K-edge特性识别实验研究

X射线光子计数探测器是多能谱CT成像技术的核心,其通过能量阈值可以选择记录不同能量的X射线光子,有助于分析不同材质的物理特性。利用搭建的基于光子计数探测器的多能谱CT系统,开展高纯度金属材料K-edge特性识别实验研究。通过设置探测器的不同能量阈值,在不同能量范围获取金属材料投影图像,利用投影图像灰度信息分析不同能量X射线的衰减特性,以识别金属材料K-edge特性。最终实验结果表明,基于光子计数探测器的X射线能谱CT系统,能够识别金属材料与特定能量X射线光子发生相互作用所表现出的K-edge特性。通过计算K-edge特征峰能量阈值与材料K-edge理论能量值之间的线性对应关系,对光子计数探测器的能量阈值进行了标定。     

Two-dimensional photon counting imaging detector based on a Vernier position sensitive anode readout

A two-dimensional photon counting imaging detector based on a Vernier position sensitive anode is reported. The decode principle and design of a two-dimensionai Vernier anode axe introduced in detail. A photon counting imaging system was built based on a Vernier anode. The image of very weak optical radiation can be reconstructed by image processing in a period of integration time. The resolution is superior to 100 μm according to the resolution test. The detector may realize the imaging of very weak particle flow of high- energy photons, electrons and ions, so it can be used for high-energy physics, deep space exploration, spectral measurement and bio-luminescence detection.     

WSZ极紫外探测器及其信号采集电路的研究

采用电荷分割方法设计了WSZ(Wedge-Strip and Zig)极紫外光探测器,其基于MCP的结构和单光子成像的特点使其在极弱光的探测方面具有独特的优势.设计了用于该探测器的快速三通道电荷放大电路和信号采集电路,以探测脉宽100～200 ms、总电荷量1～20 pC的电子脉冲.在真空条件下使用紫外光源对电路进行模拟试验,获得了峰值大小与阳极面板面积成比例的、噪音范围在10 mV以内的三路脉冲信号.模拟实验结果证明,该探测器预计分辨率有望达到100 μm×100 μm.     

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.     

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.