基于楔条形阳极探测器的单光子成像系统

论文摘要

在地球周围有一层厚度约为地球半径10倍的等离子体层,其主要由N2、O、H2及He等原子或分子的电离而形成。其中,对He+粒子谐振散射形成的30.4 nm极紫外（EUV/Extreme Ultraviolet）进行成像观测是研究地球空间磁层空间暴的主要手段,我国“嫦娥探月二期工程”已确定将“月基地球等离子体层的成像观测”作为其科学目标之一。为此,本文提出并研制了拥有完全自主知识产权的“基于WSA（Wedge and Strip Anodes）探测器的单光子成像系统”的原理样机,主要研究内容、方法及成果如下:①通过对光电导与光致发射型图像传感器的分析和比较,提出了适合于“月基地球等离子体层成像探测实验”的“基于MCP（Microchannel Plate）的阳极探测器”。②通过对WSA、Resistive Anode、Delay-line以及Cross Strip等几种主要阳极探测器的研究分析,确定了“基于WSA探测器的单光子成像系统”的研制方案。③通过分析和对比不同电极结构的WSA,确定了此次设计的电极结构为WSZ（Wedge-Strip-Zigzag）型。④通过对单光子成像理论的相关研究,确定了总体设计方案。采用“低压汞灯+光阑+减光片+253.7 nm的窄带滤波片+光学输入窗+成像掩模板+MCP”的方法模拟30.4 nm的极紫外单光子源;探测器主体采用无窗结构;MCP采用“V”型级联;成像电荷读出采用电荷直接收集法;电子读出子系统的设计采用“CSA（Charge Sensitive Preamplifier）+高斯整形主放+DAQ（Data Acquisition）Card+微处理器”的方法。⑤系统的研究了WSZ位敏阳极的相关理论和制作工艺。推导了WSZ的位置解码公式;研究了极间串扰的校正方法;分析了WSZ各参量对成像性能的影响;提出了用于测量成像电荷分布半径的两种简便方法;研究了圆形样式的WSZ设计方法,并优化了条纹宽度等差系数和楔形底宽两个参量;编制了WSZ辅助设计程序;通过对“先光刻腐蚀后电镀增厚”与“先电镀增厚后光刻腐蚀”两种工艺的分析和比较,确定了“先光刻腐蚀后电镀增厚”的工艺路线。设计并制作了两块圆形样式的阳极面板,电极厚度分别为1μm和2μm,其它各参量相同:电荷收集面积Φ48 mm;周期长度1.2 mm;绝缘沟道宽度30μm。⑥在理论研究和模拟仿真的基础上,设计并制作了CSA和高斯整形主放。CSA的主体结构采用多路反馈无限增益高通滤波电路,输入级选用N沟道的结型场效应管:主放由极零相消电路、二级Sallen-Key低通滤波器以及幅度调节电路等构成。⑦开发了基于PCI（Peripheral Component Interconnect）-DAQ Card的数据采集与处理软件。软件由数据采集、数据处理以及数字成像等模块构成;DAQ Card与主机之间的通信方式为PCI总线控制下的直接内存访问;在主机内存中设置四块乒乓缓存单元以流水线的方式实现高速的数据采集与处理;数据处理主要由平滑滤波、峰值检测、阈值鉴别、脉冲堆积拒绝、位置解码以及事件计数等子模块构成;数字成像负责输出256阶灰度的积分图像。⑧根据总体设计方案,构建了相应的实验系统。利用该系统测试了空间分辨率、线性度、计数率以及暗计数率等主要技术指标,并对主要影响因素进行了研究分析。经过测试:有效成像面积达到了Φ38 mm;空间分辨率优于100μm;线性度优于1%;暗计数率低于0.67 Hz/cm2。实验结果表明,研制出的原理样机已达到“探月二期工程有效载荷—EUV探测器”的技术指标要求。⑨在全文总结的基础上,对今后的系统优化与正样研制提出了一些建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.3 本文的主要研究内容及成果
• 参考文献
• 第二章 基于微通道板的阳极探测器
• 2.1 光电成像传感器
• 2.2 阳极探测器的基本结构、工作原理及特性
• 2.3 基于电荷感应读出方式的阳极探测器
• 2.4 楔条形阳极探测器
• 2.4.1 楔条形位敏阳极
• 2.4.2 电子读出电路
• 2.5 其它类型的阳极探测器
• 2.5.1 电阻型阳极
• 2.5.2 延时线
• 2.5.3 交叉条纹
• 参考文献
• 第三章 总体设计方案
• 3.1 单光子成像探测
• 3.1.1 光的粒子性
• 3.1.2 光子发射速率
• 3.1.3 计数率
• 3.1.4 光子的分布特性
• 3.2 系统总体设计
• 3.3 单光子辐射源的模拟
• 3.4 微通道板
• 3.4.1 电子倍增原理
• 3.4.2 工作特性
• 3.4.3 球面微通道板
• 3.5 探测器的主体结构
• 参考文献
• 第四章 楔条形位敏阳极
• 4.1 位置灵敏的理论模型
• 4.1.1 坐标计算公式
• 4.1.2 极间串扰的校正
• 4.1.3 位敏的影响因素
• 4.2 成像电荷的空间分布
• 4.3 位敏阳极的优化设计
• 4.3.1 参量设计
• 4.3.2 圆形样式的设计
• 4.4 位敏阳极的制作工艺
• 参考文献
• 第五章 电子读出子系统
• 5.1 技术方案
• 5.2 原始信号频谱分析
• 5.3 电荷灵敏前放
• 5.3.1 电荷-电压转换原理
• 5.3.2 无限增益多路反馈高通滤波电路
• 5.3.3 设计与仿真
• 5.4 高斯整形主放
• 5.4.1 脉冲信号整形原理
• 5.4.2 设计与仿真
• 5.5 噪声与干扰的抑制
• 5.6 数据采集与处理
• 5.6.1 硬件配置
• 5.6.2 软件开发
• 参考文献
• 第六章 实验测试及结果分析
• 6.1 实验方案、内容及步骤
• 6.2 接地方式与静电屏蔽措施
• 6.3 实验结果与分析
• 6.3.1 MCP的增益分布及背景噪声
• 6.3.2 成像电荷空间分布、S扭曲及调制扭曲
• 6.3.3 空间分辨率及主要影响因素
• 6.3.4 线性度
• 6.3.5 计数率
• 6.3.6 其它影响成像性能的因素
• 6.4 实验小结
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 主要创新点及研究成果
• 7.2 工作展望
• 攻读博士学位期间发表论文目录
• 攻读博士学位期间专利申请情况
• 致谢
• 附录
• 常用术语英文缩写与全文对照表