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     

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。     

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     

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.     

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.     

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.     

极紫外微通道板光子计数成像探测器性能研究EI北大核心CSCD

基于CE-3极紫外（EUV）相机最高工作温度为70 ℃的要求,对EUV相机的微通道板（MCP）位置灵敏阳极光子计数成像探测器实验件在70 ℃时的性能进行了研究,该探测器主要由工作在脉冲计数模式下的MCP堆、楔条形感应电荷阳极及相关的模拟和数据处理电路组成。为了获得稳定的MCP堆电子增益及较小的暗计数率,对MCP堆进行了预处理,包括380 ℃条件下真空高温烘烤18 h,以及电子清刷100 μA·h,并测量了预处理前后暗计数率;测量了探测器工作在室温和70 ℃时的暗计数率、空间分辨率、增益,测量结果表明探测器的空间分辨率为5.66 lp/mm,与室温下空间分辨率相同,暗计数率虽然小于1 counts/（s·cm2）,但70 ℃暗计数率是室温的2~5倍;对探测器的使用寿命进行了初步分析。实验结果和分析表明探测器在空间分辨率、暗计数率、使用寿命等方面均满足EUV相机的要求。     

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。     

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。     

微通道板中电子时间倍增特性的数值模拟

 对微通道板的动态特性进行了数值模拟,得到了电子的渡越时间与入射时刻的关系曲线。获得了光电子的倍增次数随入射时刻而变化,并在考虑了入射电子为一高斯电子脉冲的情况下,分析了选通脉冲的幅度、宽度和波形对选通特性的影响。结果表明：随着倍增次数增多,渡越时间越大;当电压幅度不同时,增益曲线的峰值所对应的电子入射时刻也不同。     

基于弱相干光源测量设备无关量子密钥分发系统的误码率分析

测量设备无关量子密钥分发系统可以免疫任何针对探测器边信道的攻击, 并进一步结合诱惑态方法规避了准单光子源引入的实际安全性问题. 目前实验中一般采用弱相干光源, 但是该光源含有一定比例的空脉冲和多光子脉冲. 本文针对弱相干光源的具体特性, 采用量子力学的描述, 将各个器件进行量子化处理, 并同时考虑探测器的具体性能参数的影响, 分别给出了通信双方各自发送的脉冲含有特定光子数时产生的成功贝尔态和错误贝尔态的概率公式, 从理论上对相位编码和偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统的误码率进行了定量分析, 分别推导并模拟了通信双方采用的平均光子数对称和不对称时误码率随传输距离的变化情况, 结果表明在偏振编码Z基中, 多光子脉冲不会引起误码; 在偏振编码X基和相位编码中, 受多光子影响, 产生的误码率较大. 对于不同的编码方式, 误码率均随传输距离的增加有不同程度的升高, 长距离传输时, 平均光子数越小, 产生的误码率越大; 在偏振编码X基和相位编码的短距离传输中, 相对于对称, 通信双方采用的平均光子数不对称时产生的误码率较大.     

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.     

微机电系统微尺度间隙的脉冲击穿特性

利用微机电系统(MEMS)工艺制备了5~40 m间隙的金属铝薄膜电极,测取了不同间隙下施加纳秒方波脉冲时的击穿电压,得到击穿电压和平均场强随电极间隙的变化规律,研究了脉宽、极性对击穿电压的影响,结合击穿后微电极扫描电镜观察结果讨论了其击穿机理,并与相同试样在直流下的结果进行了对比。研究表明:击穿电压随微间隙距离的增大而增大,击穿场强则随着间隙的增大迅速减小;与直流同间隙的击穿电压相比,脉冲作用下的击穿电压并不像宏观尺度下那样高出很多;试样击穿机理应为流注理论。在脉冲作用下,阳极出现了分层熔化现象,由于作用时间很短,阳极表面并未出现类似于直流击穿时留下的坑洞;阴极则出现了溅射沉积现象,只是沉积物质相对较少。     

采用Si薄膜的光子计数成像系统性能的研究

在陶瓷基底上利用电子束蒸镀方法制备了Si薄膜,用作感应读出方式光子计数成像系统的电荷感应层,并研究了薄膜的结构特征和表面形态.X射线衍射(XRD)测试和场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像表明,沉积的Si薄膜为无定形态,由于陶瓷晶界的存在,薄膜较粗糙.搭建了相应的实验系统,对比了采用不同厚度Si薄膜时系统的空间分辨率、计数率、脉冲高度分布曲线等,发现薄膜的厚度对探测器的计数率影响较大.此外,实验还对比了采用相同电阻值的Si薄膜和常用的Ge薄膜时系统的性能.研究表明,采用Si薄膜时系统的畸变较小、计数率高     

微通道板行波选通X射线皮秒分幅相机动态空间分辨率的优化

通过微通道板皮秒脉冲选通动态模型结合近贴聚焦系统的空间调制传递函数理论模型,研究了微通道板X射线分幅相机系统的动态空间分辨能力与屏压,近贴距离,皮秒选通脉冲的幅值与宽度等参数的关系.计算了常用参数下的微通道板行波选通X射线皮秒分幅相机的系统动态空间分辨率,讨论了提高相机动态空间分辨率的措施,提出了优化相机结构参数的方法.