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     

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。     

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.     

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     

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.     

感应读出方式紫外光子计数成像技术的研究

搭建了感应读出方式紫外光子计数成像系统,详细介绍了该系统的组成、工作原理和分辨率性能测试.紫外光经过减光和滤光后入射微通道板,产生的光电子在微通道板内倍增后形成电子云,由呈高阻特性的半导体Ge薄膜收集后,通过电荷耦合感应到Ge膜衬底背面的位敏阳极.阳极输出的信号经过电荷灵敏前置放大器、整形放大器后由计算机进行数据采集和处理,最后得到不同位置的光子计数图像.通过分辨率板,测得了该系统分辨率为150 μm,并通过对比试验和分布式RC网络理论模型分析了Ge膜电阻及其衬底厚度对系统性能的影响.该系统在生物超微 关键词： 光子计数成像 电荷感应 Ge膜 位敏阳极     

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。     

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增益特性研究

介绍了基于微通道板和楔条形阳极的紫外单光子成像系统的组成和工作原理.利用该系统分别研究了两块和三块微通道板在不同电压下的暗计数特性.实验和拟合结果表明微通道板的暗计数脉冲幅度呈负指数型分布,暗计数率随电压升高而增大.通过测试不同电压下的脉冲幅度分布曲线,发现微通道板增益在较高电压下更加均匀.研究了两块微通道板情况下,微通道板电压和间距对系统分辨率的影响.结果表明,系统分辨率随微通道板电压增加而提高;另外,适当增加微通道板间距也可以提高系统分辨率. 关键词： 单光子计数成像 微通道板 楔条形阳极 分辨率     

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.     

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。     

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。     

一维游标位敏阳极光子计数探测器

报道了一维游标位敏阳极光子计数探测器,详细介绍了一维游标位敏阳极的解码原理和设计结果.搭建了基于一维游标位敏阳极探测器的紫外光子计数探测系统.该系统工作于光子计数模式,可同时测量单光子事件的一维坐标.获得了对应入射光空间强度一维分布的脉冲计数分布图.通过测试,系统的分辨率优于100μm.该探测器可以实现极微弱的高能光子、电子和离子等粒子流强度分布的一维探测,因此可以用于深空探测、光谱测量、高能物理以及生物发光探测.     

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。     

光子计数位置灵敏探测器畸变多项式校正

采用多项式校正方法对光子计数位置灵敏探测器成像畸变进行校正。介绍光子计数位置灵敏探测器工作原理并分析其畸变产生原因;介绍多项式校正原理,并给出光子计数位置灵敏探测器畸变多项式校正流程;采用该方法对两种不同畸变程度的基于楔条形阳极该类探测器进行了畸变校正,校正后残余误差分别为2.5pixel和1.2pixel。实验结果表明,多项式校正法能够有效校正光子计数位置灵敏探测器成像畸变。     

楔条形阳极探测器位置灵敏的理论计算

通过对楔条形阳极探测器位置灵敏坐标计算公式的推导,证明了楔形和条纹分布面积所对应的级数是等差级数.分析了楔形底宽和条纹宽度等差系数这两个设计参量对探测灵敏度的影响.研究了电极电容的电容性耦合效应对位置灵敏的影响,通过对楔条形阳极探测器坐标计算公式的修正,可在不影响分辨率的前提下有效地消除电容性耦合效应所产生的扭曲变形.     

Ge薄膜特性及其在光子计数成像系统中的应用

利用电子束真空蒸镀方法制作了Ge薄膜,用作感应读出方式光子计数成像系统的电荷感应层,研究了石英玻璃衬底和陶瓷衬底上Ge薄膜的结构特征、表面形态以及各种工艺参数对薄膜电阻的影响.X射线衍射(XRD)测试表明,两种衬底上沉积的Ge薄膜均为立方相非晶态.场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像表明石英玻璃衬底上的薄膜致密平整,陶瓷衬底上的薄膜比较粗糙,厚度较薄时,陶瓷晶界处薄膜不连续导致电阻较大.通过改变沉积速率、薄膜厚度及采用退火的方法可以控制薄膜电阻.对比了采用不同阻值电荷感应层时系统的性能,发现阻值对探测器的分辨率影响小,对计数率影响较大.     

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.