（物理电子学专业论文）多阳极微通道阵列光子计数成像系统.pdf

摘要 皇3 6 8 皇8 7 本论文的研究：州乍是凼防预研项目“m a m a ( 童堕壁丝道遵堕互生) 光子计 数成像原理样机”研究_ 作的部分。僻机系统中m a m a 器件国内唯一研制单 位是信息产业部5 5 所，我校是电r 系统唯研制单位。浚成像系统在许多军事 及民用领域有广泛的应j jf m 景。p 一扩 ， 。 小文首先介绍了m a m a 堂王丝堑盛堡丕缠1 。作原理，然后详细描述了放大 答别器阵列及m a m a 解码器的设汁与实现。采用同步逻辑设计m a m a 解码器， 避免了以前用异步逻辑实现时采片j 逻辑门延时来实现延时线所带来的不稳定。阮 文l 作中还探讨了壶蕉生照避计所面临的问题，在整个系统设计中采用信号完 整性分析方法进行设计，取得了好的效果。 用1 2 8 1 2 8m a m a 器件的某一输出电极信号对放大一鉴别器进行带宽、增 益及窜扰测试，结果表明放大一鉴别器能正常工作。对m a m a 解码器、成像卡及 对应软件模块用仿真信号进行测试，测试表明这些模块达到设计要求。使用2 3 号m a m a 器件( 3 6 0 x 】0 2 4 ) 对整个样机系统联合调试，获取在一个方向轴上 的13 个不连续点的光信号解码输出。虽然因为器件的原因，未获得整幅图像， 但足以说明所设计的原理样机达到设计要求。 一j 浙 1 人学坝l 论义 a b s t r a c t t h e s u b j e c t i so n e p a r t o fp r e r e s e a r c h p r o j e c t ”m a m a ( m u l t i a n o d e m i c r o c h a n n e la r r a y ) p h o t o nc o u n ti m a g i n gs y s t e m m a m at u b eo fm a m a i m a g i n g s y s t e mi su n i q u ed e v e l o p e db y5 5i n s t i t u t e o fi n f o r m a t i o ni n d u s t r yi no n rc o u n t r y a n dt h ea s s o c i a t e de l e c t r o n i cs y s t e mi sd e v e l o p e db yz h e j i a n gu n i v e r s i t y m a m a c a nb ea p p l i e di nm a n ys i t u a t i o n so f m i l i t a r ya n dc i v i l f i r s t ，t h es u b j e c tp r e s e n t a t i o nt h ep r i n c i p a lo fm a m ap h o t o nc o u n ti m a g i n g s y s t e m t h e nd i s c u s sd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm a m aa m p l i f i e r - d i s c r i m i n a t o r a r r a y 、m a m a d e c o d e ri nd e t a i l w eu s es y n c h r o n o u sd e s i g nt oi m p l e m e n tm a m a d e c o d e ri n s t e a do fa s y n c h r o n o u sd e s i g n ，t h u sa v o i du n s t a b l ec a u s e db yu s i n gg a t e s p r o p a g a t i o nd e l a yt o r e a l i z ed e l a yl i n e i na s y n c h r o n o u sd e s i g n t h i ss u b j e c ta l s o d i s c u s s p r o b l e mf a c e d i n h i 【g l ls p e e d c i r c u i t d e s i g n ，u s i n gs i g n a li n t e g r i t y t o o l h y p e r l y n xd u r i n gt h e c o u r s eo f d e s i g n ，t h ee f f o r tr e s u l ti ng o o d s y s t e mp e r f o r m a n c e w eu s et h es i g n a lf r o mo n eo u t p u te l e c t r o d eo f1 2 8 1 2 8m a m at u b et ot e s t b a n d w i d t h 、g a i na n dc r o s st a l ko fm a m aa m p l i f i e r - d i s c r i m i n a t o ra r m y t e s tr e s u l t s h o w t l l e yw o r k w e l l w eg e n e r a t es i m u l a t i o ns i g n a lt ot e s tw h e t h e rm a m ad e c o d e r 、 s t o r a g ea n dd i s p l a yc 裥a n d a s s o c i a t es o f t w a r ew o r k r e s u l ts h o wt h e ym e e td e s i g n r e q u i r e m e n t w i t h3 6 0 1 0 2 4m a m at u b ep r o v i d eb y5 5i n s t i t u t eo fi n f o r m a t i o n i n d u s t r y , w ec a nd e c o d ev a l i dp h o t o ne v e n ti n o n ed i m e n s i o n f o rt h er e a s o no f m a m a t u b e ，w eh a v e n td e c o d e t w od i m e n s i o n p h o t o ne v e n t ，b a tt h e s er e s u l ts h o w t h ee l e c t r o n i cs y s t e mw o r ka n dm e e td e s i g nr e q u i r e m e n t 1 1 引言 第一章绪论 紫外技术是继可见光、微光、红外技术之后，另一种光电对抗技术。它具有 更好的抗干扰、保密性能。同时在紫外光激发下各种不同物质对紫外光有不同的 吸收和反射，因此在许多领域中得到应用。在这些应用中，j l 乎都涉及到把紫外 辐射转换成易于测量和处理的电学量的问题，就是紫外辐射探测问题。 m a m a ( 多阳极微通道阵列) 探测系统以优越的性能，在微弱紫外信号探测中越 来越得到重视。由于m a m a 系统独特的光探测器及信号检测技术，m a m a 探测系统 比其它光辐射探测系统具有更高的灵敏度、空问分辨率。 光探测器是光辐射探测系统的核心元件，他的性能优劣将影响整个探测系统 的性能。按照对光辐射响应方式的不同，或者工作机理的不同，光探测器可分为 光予探测器和热探测器两大类。按照光探测器工作原理不同，每一类又可以分为 许多种。 光辐射探谢器捧 ( x - 1 0 “t o 堆m ) 热电擦麓嚣件 ( k l o “一】o m m ) 甄电儡与热电堆 嗣辐射热计 齑莱元件 热拜电器停 最早用来探测可见光和红外辐射的光探测器是热探测器。其中，热电偶早在 1 8 2 6 年就发明出来。1 8 8 0 年又发明了金属薄膜测辐射热计。1 9 5 6 年制成金属氧 化物热敏电阻测辐射热计。1 9 4 7 年又发明了气动探测器。但是与光电探测器相 比，这些热电探测器探测效率低，时间常数大。f 1 】 在光电探测器件中，半导体光电器件一般用于可见光及红外线探测。真空光 电器件中，真空光电管线性好，但是灵敏度低。充气光电管灵敏度比真空光电管 有所提高，但线性差、稳定性不好。光电倍增管及微通道板灵敏度高，稳定性好， 光谱响应范围广。与光电倍增管相比，微通道板的优点是：微通道板具有二维成 像能力，而光电倍增管是点光探测系统；微通道板尺寸小，电子渡越时间很短， 阳极电流的上升时间几乎降低了一个数量级，有可能响应更窄的脉冲或更高频率 的辐射；由于很高的静电场和微通道结构，对磁场很不敏感。【3 】这些优点使它的 应用i ；i 景更为广泛。m a m a 光探测器采用微通道板结构，这使得它具有高灵敏 度及二维成像的优点，在对快速微弱目标信号探测中得到广泛应用。 其次，m a m a 系统的信号检测采用光子计数方法，这使他在微弱信号检测 中更有优势。当光信号非常微弱时，由于背景噪声及探测系统本身噪声，将给测 量带来很大困难。而这时光的量子特征很明显，采用光子计数的方法比其他模拟 方法更有效。单个光子被m a m a 光子探测器阴极吸收后发出光电子，经过倍增 瞥蕾警睁 电电警垭翻降煳煳蝴澈洲辩室气电遭刚划一一黼 件 作 器 嚣 电 电 光 光 体 空 导 真 攀 系统的化增，舀潮i 饭叮收集剑1 0 一l 矿个电子由于微通道板光电倍增管渡越 、j 门离敝性和输出端的时i 训常数，通过负载电阻和放大器将输出一个脉冲宽度为 儿剑儿tn s 的电流或电压信号这个信号再经鉴别器后被计数器计数。微光信 i j i l i 傅秒儿个到儿卣几个光子组成，所发射的每个光子之矧有随机的时间间隔， 址求ljj 它们引起的f l _ l 脉冲数，从而测得光功率值，如果光子速率过大，像光脉冲 t f j | 5 样集t 阿个短时 i j 内发射人量光子，那么微通道板光电倍增管将产生堆积效 j 衄，j 起计数丢失而造成误差。1 2j 因此光子计数技术目前只用于大约每秒发射1 0 9 个以内分立光于的弱光信号，与传统的光电测量方法相比它具有f 列优点： 1 ) f j 很- 蔫的信噪比。据报道，在极弱光测量时比电荷积分法高5 1 0 倍，可区分 信t j 盟度的微小差别，有很高的探测精度。 ! )j 探测极低的辐射通量，可测到1x l o s w ，甚至更低。 3 ) 仃 醍宽的动态范，町达i 1 驴。 4 ) 本底记数可以很方便地用二次测量方法扣除。 5 ) 抗漂移性好，光子、庀数有很好的时问稳定性，解决7 直流测量法中电流放大 器的零点漂移、管子增益和暗电流漂移等难点。 6 1 消除了漏电流的影响。 7 1 由于测量结果是脉冲数日，便于计算机数据处理。1 9 1 m a m a 器件是一种高灵敏度极微弱二维光信号探测器件，可以快速地搜索 及跟踪瞬问空中微弱信号，并具有良好的光子计数及成像功能。在天体物理领域， 叮用于拍摄星际图像等天文奇观；在军事作战中，可及时捕捉敌方飞机、导弹等 【j 标，并进行告警；在民用上，可用于公安安全保卫、真伪识别、文物鉴定、环 境保护等。 m a m a 器件是一种真空光电器件，由光电阴极、微通道板和高密度矩阵阳 极组成。光信号透过输入光窗入射至光窗内表面的光电阴极，产生的光电子经微 通道板组件倍增后可形成电子云，并由阵列阳极收集，按一定的编码方式，由二 维编码电极将获取的信号输出。 该器件采用了具有高紫外辐射灵敏度的碲铷作为光电阴极材料，石英玻璃作 为输入光窗材料，高增益的z 型( 即三块) 微通道板组件作为电子倍增及新颖 的叠合式阵列阳极，并使微通道板组与光电阴极、阳极间间距都小于l m m 因而 器件不但探测灵敏度高、电流增益高、还有很高的时间和空间分辨能力。 紫外光电阴极采用的是日盲特性的碲铷材料。该光电阴极经过增加导电地 膜、t e 等特殊的措施后，在3 0 0 n m 波长以上，紫外光响应能快速截止。通常在 3 2 0 n m 阈值波长处，紫外光响应仅为峰值波长处响应的1 。这种阴极具有良好 的rl i 特性有利于器件在电子战争中排除太阳光的干扰，提高测量精度。 采用微通道板代替传统的打拿极静电聚焦结构作为电子倍增器。微通道板由 于其体积小、响应时间快而被广泛应用与新一代光电倍增管、x 射线像增强关等 光电器件中。由三块微通道板经特殊工艺级联形成的z m c p 组件，其增益可达 1 0 6 以上。因而该器件是极微弱光信号探测的主要手段之一，其最小可测光辐射 可到1 1 0 ”w i c m ：。 该器件还采用了近贴聚焦结构，使器件的总高度仅为2 1 5 c m ，大大缩短了 电子从光电阴极到阳极的运动距离，提高了器件的时间响应速度，实现了快速信 号捕捉的目标。 用于信号输出的阳极形式有多种多样。早期的光电倍增大都采用单一阳极输 出结构，那时仅用于定向探测微弱光信号：随着探测技术的不断改进及探测要求 浙江人 坝l 学位论文 的提高，出现了简单结构的分立式阳极、各种形状的电阻阳极等，从而实现了信 号的多路探测，但空间位置判别能力差，由于这些结构只是将单一阳极划分为多 个区域，每个区域都有一对应输出脚，阳极像素极有限；只有出现了多层叠合式 网状结构的阳极和电极编码结构后，阳极像素才能多达几万甚至几十万，探测精 度得到明显的提高，从而实现真正意义上的位敏探测。1 7 1 m a m a 探测系统的特点可归纳为： 1 ) 灵敏度高，采用m c p 作为电荷增强器，电子增益可达1 0 7 。 2 ) 空徊j 分辨率及时间分辨率高，目前空间分辨率可达1 1 微米。 3 ) 二维成像能力，像素点多，目前使用的有3 6 0 1 0 2 4 ，甚至有2 0 4 8 2 0 4 8 。 4 ) 数字化，抗干扰能力强。与其他采用微通道板作为信号放大，阳极采用延时 线、w e d g e s 7 i r i p 等结构相比，只依赖于脉冲检测，而不是幅度或时间鉴 别。 物体含有丰富的紫外信息，捕获这些信息在民用和军事上都很有意义。为了 获得感兴趣物体的紫外信息，各种技术得到了发展。m a m a 探测器采用m c p 作为电子放大器及叠合式读出阳极阵列作为输出，这使得它与目前一些其他技术 相比可以获得更高的空问分辨率、灵敏度及系统稳定性。 1 2g _ p d u t 探测成像系统的发展 m a m a 探测器中的电子倍增器采用微通道板，它是6 0 年代发展起来的一 种电子倍增器。微通道不仅灵敏度高，而且还具有对二维空间电子流图像进行放 大能力。 m a m a 采用的叠合式读出阳极系统是8 0 年代初由b a s d ( b a l la e r o s p a c e s y s t e md i v i s i o n ) 公司开发的，当时一些采用质心技术的读出阳极系统如 w e d g e s t r i p 、四象限读出阳极系统也在研究开发中，但实践证明叠合式阳极 读出系统更有效。 8 0 年代末，美国航空航天局决定改进m a m a 系统性能，在s t i s ( 光谱摄 制成像仪) 计划中采用m a m a 系统，用s t i s 作为哈勃太空望远镜的第二代探 测系统。 1 9 8 9 年6 月n a s a ，g o d d a r d 航天中心发射的探空火箭上成功使用了2 5 6 x 1 0 2 4 像素的m a m a 器件及成像系统，收集到银河系n g c 6 2 4 0 星的紫外照片 数据，用于研究该星的紫外辐射空间形态。1 9 9 3 年另一枚探空火箭收集到 n g c 4 4 7 7 的紫外照片和数据，同时m a m a 探测系统的时标数据又用于修正火箭 的瞄准系统。1 8 1 欧洲空间管理局与美国航空航天局合作项目s o h o ( 太阳观测) 中日冕观 测仪、超紫外辐射测量等仪器也采用m a m a 系统。 1 9 9 7 年，在轨道上为哈勃太空望远镜更换像素为2 0 4 8 x 2 0 4 8 的m a m a 器 件及系统，与第一代仪器中的g h r s ( 高分率光谱摄制仪) 相比，同时可观测的 光谱提高了4 0 倍，空间象素提高了8 倍。与f o s ( 弱信号物体光谱摄制仪) 相 比，空间像素提高了5 0 0 倍。【2 6 】，i ”1 进一步改进包括：首先，优化m a m a 系统，研究提高探测系统的最高计数 率能力的方法。其中一个办法是采用两套解码电路及内存。 其次，研究设计下一代的m a m a 探测系统，包括采用新的m c p 及新的读 出阳极阵列结构，以提高计数率、空间像素点、简化相关的电路。【”l 浙 _ j 人学坝卜学位论文 幽内m a m a 系统的研究始于1 9 9 7 年，m a m a 探测器件研究项目由南京 5 5 所承担研制。1 2 8 1 2 8 的m a m a 器件已经通过了初步验收，3 6 0 1 0 2 4 的 器件也正在开发中。解码成像系统项目由浙大信电系承担研制。 1 3 本文的工作 本文所做的工作是国防科技预先研究项目“多阳极微通道阵列光子计数成像 系统原理样机”研究工作的一部分。 在查阅国内外文献资料基础上，本文第一章介绍了m a m a 探测系统的研制 意义、基本原理、发展过程。 第二章阐述了m a m a 系统工作原理，重点介绍了m a m a 系统所采用的 ? l n e f i n e 结构。并给出了整个m a 姒系统构成。 第三章介绍本论文中的具体研究工作。可分为三部分，第一部分介绍m a m a 放大一鉴别器的设计与实现及在设计中应注意的问题，如布板，接口设计。第二 部分讨论m a m a 解码器的逻辑设计。采用同步逻辑设计m a m a 解码器，避免了 以前用异步逻辑实现时采用逻辑门延时来实现延时线所带来的不稳定。第三部分 首先讨论信号完整问题，介绍了信号完整性一些概念，在整个系统设计中采用信 号完整性分析方法进行设计，取得了好的效果。 第四章讨论了本论文附加部分，m a m a 多通道计数仪的设计与实现，m a m a 多通 道计数仪对m a m a 系统的调试很有帮助 本论文中有实用价值的工作有： 1 设计并实现了m a m a 解码器。采用同步逻辑设计m a m a 解码器，避免了 以前用异步逻辑实现时采用逻辑门延时来实现延时线所带来的不稳定。优化 了解码逻辑，用一块f p g a 实现整个解码过程，不需要外置的e p r o m 。 2 设计并实现m a m a 放大一鉴别器阵列，初步测试表明其带宽噌益抗干扰性 能达到设计要求。 3 整个系统联合调试，使用2 3 号m a m a 器件解出有效光子事件。 4 设计并实现了m a m a 多通道计数仪，多通道计数仪使整个系统调试工作更 方便。 4 浙江人学坝f 学位沦史 第二章m a m a 探测系统原理及系统构成 2 1 弱光信号检测原理 几个世纪以来，光的本质是一个争论的主题。目前，人们已普遍接受光的波 粒一：重性理论。一般而言，光的衍射，干涉等现象可用光的波动性来解释：光的 发射，散射，光电效应等光与物质相互作用的现象，可用用光的粒子性来解释。 根据爱因斯坦的光子假说，光能或辐射有一最小单位，即光量子或光子。它的能 量 e 。2 h v ( j ) 式中h = 6 6 1 0 。4 j s 称普朗克常数：v 是光频，单位h z ，v = c 1 ；c 为光速， 为光的波长。 光是一束以光速传播的光子流，其功率决定于单位时间内发射的光子数或光 子速率r ， p 5 r e 。 可以估算一下l ( m w ) 的h e h e 激光发射器发射光子速率r 其波长为6 3 3 n m r 5 p e 。2 p ( h c ) = 3 2 1 0 5 ( 光子，秒) 对于这样大的光子速率，己不是弱光信号，光子计数技术无法计数，只需采 用一般的光电器件进行电流测量。当光功率下降到1 0 一，( w ) ，光子速率减 少到3 0 0 光子每秒时，只有光子计数技术才能保证高的测量精度。 光子计数技术中，光电器件几乎都是使用光电倍增管。它的优点是响应快， 高增益，低噪声。光电倍增管所覆盖的波长范围，在长波波段收光阴极材料的限 制，通常在1 微米之内；在短波长端受石英窗口透射特性限制。 图1 1 是用光子计数器对绿黄色发光二极管发出的5 6 0 衄弱光进行探测时， 在示波器上显示的光电倍增管输出电流波形。当光功率为1 0 。sw 时，在l m s 内出现几个高脉冲，其数值不断变化，有时甚至等于零。大量的低电平的 小脉冲是噪声，如图d 所示。如功率增至l o 。4w ，则在l m s 内可出现几十到 几百个幅度较大的脉冲及大量的小脉冲，也夹杂着由几个电脉冲堆积而成的高脉 冲，它是多个光子同时到达光阴极造成的。如图b 所示，如功率增至 1 0 一，此时已看不到清晰的脉冲，出现的只是在直流电平上的起伏。从上述的波 形分析，可清楚地看出光的粒子特性，光予计数器就是建立在光这一特性基础上 而设计的弱光检测设备。 一个弱光源所发射的光子是分立的，彼此孤立的随机事件。若用光电倍增管 接收并用示波器显示，那么可以看到它是随机分立的光电脉冲。研究结果表明， 对用直流稳压电源供电的大多数光源如钨丝灯，它们发射的光子在时间分布上服 从泊松概率分布。在时间t 内有n 个光子到达光电倍增管阴极的概率为： p ( n ，) = ( m ) ”p 4 ( ，l ! ) 浙江人学坝l 学位论史 r 代表发射光子平均速率( 光予数秒) ；t 测试的时间间隔。 ( a ) 光强10 _ b 瓦，光电脉冲及噪声 7 7 7 f n 聊瑚 ( c ) 光强1 0 1 5 瓦，光电脉冲及噪声 ( b ) 光强1 0 - 1 瓦。光电脉冲及噪声 ( d ) 光强10 - 1 6 瓦。光电脉冲及噪声 图2 - 1 不同光强下光电脉冲信号 概率论对泊松分布数学特征分析表明： 数学期望 方差 方差的平方根 m ( 占) = r t d ( 6 1 = 仃2 = r t 盯：厄 图1 2 是两个典型的泊松分布，其光子速率r 均为1 0 8 光子数，秒。由于 泊松分布 图2 - 2泊松分布 光子发射的随机性，所以“光子速率”是指平均的光子速率。不可能期望每次测 量都得到每秒l o 个光子。图中实线的时间间隔为t = - 5 0 n s ，而虚线为t = - l o n s 。实 际上时间时间t 即是两个光电倍增管的时间分辨率。在相同的时间间隔内光源 发射光子数的概率是不同的。当t = 5 0 n s 时，发射4 5 个光子的概率是相等的。均 为1 7 5 ，而发射一个光子的概率只有3 4 。 根据泊松分布标准偏差，将人射功率减少到1 0 0 光子，秒，如果用一秒的时间 间隔对光子计数并反复测量多次，就会发现测量结果大多在9 0 和1 1 0 之间。这 些计数起伏，就是光子速率的起伏，也是造成检测过程中出现“散粒噪声”的原 因，通常称它为“信号内部噪声”。 6 t t pfum阱鞋 浙江人学硕j 学位论空 对于光电倍增管输出的光电脉冲来说，每一个人射光子通过光电倍增管时产 生一个脉冲的概率原则上等于量子效率。e 的值与光电倍增管阴极材料、制造 工艺及人射光波长有关，一般在2 0 以内。 考虑到光电倍增管的量子效率l ，则在时间t 内检测n 个光子的概率为 p ( n ，f ) = ( r t ) “e - 。蹦= n ”e 一n ! 式中，r 为平均光子速率( 光子数秒) ；n = r t 是信号( 即在时间间隔t 内，p m t 光阴级发射的平均光电子数) 。1 2 1 2 2m a m a 探测器 2 2 1k a - i a 探测器概述 m a m a 探测器由光电阴极，微通道板及高密度矩阵阳极组成。光阴极将入 射光子转换为电子，选用不同的光阴极材料可完成不同波长的光电转换，例如： s 一2 0 光阴极材料能探测可见光，双碱阴极可覆盖近紫外区，碘化铯阴极具有“日 盲”特性，可以将3 2 0 n m 以下的紫外辐射转化为电子发射。微通道板有很多弯 曲的微通道组成，具有很高的电子增益。为了能够测量光子事件的位置，m a m a 管子在m c p ( 微通道板) 输出聚焦处使用两层电极。数字逻辑电路根据在某个 轴上同时产生的脉冲信号来解出光子事件的位置。两层电极之间有一个绝缘s i 0 2 层。为了使低能量的电子能达到下层电极，在上层电极的空隙要把s i 0 2 腐蚀掉。 随着m a m a 技术的发展，其阳极编码的几何结构也越来越成熟，先后有三 种不同的叠合式结构在m a m a 系统中得到使用。按照发展的先后分别是 c o a r s e f i n e 、b a l a n c e dc o a r s e f i n e 及f i n e f i n e 结构。这三种编码采用类似的方法。 在一个f i n e 编码电极上检测到一个电子脉冲，无法确定光子事件的位置，因为一 个轴上有很多像素电极与它相连。通过检测另外一排c o a r s e 编码电极上同时产生 的电子脉冲，就可以唯一确定光子事件的位置。 实际上，要把微通道板中的某一个微通道与一对特定的阳极对准几乎是不可 能的。另外，为了使m c p 有效区域的响应一致，微通道一般要比阳极之间距离 小。通常在一个像素大小微2 5 2 5 微米的m a m a 管子中，微通道直径为1 0 一1 2 微米，微通道中心之间距离为1 2 - 1 5 微米。 为了保证m a m a 阳极阵列的高空间分辨率，必须控制电子云的大小。一般 使阳极尽量靠近m c p 输出面，这个距离在5 0 1 0 0 微米之间，同时在m c p 输出 面及阳极之间加上5 0 1 5 0 9 的加速电压。为了保证两层阳极所收集的电子大致相 当，两层阳极之间有个l 一5 v 的电位差。 2 2 2 微通道板( m c p ) m c p 是由几十万到几百万根外径4 - 2 0 微米微通道组成的薄片，在微通道 内壁有二次发射材料，每根微通道的功能就是一个电子倍增器，在一定的工作电 压下，进入通道的电子碰撞通道内壁，产生次级电子，次级电子在电场作用下继 续碰撞微通道内壁，不断产生次级电子，最终在m c p 输出端输出放大后的电子 云。 浙江人学城i 学位论殳 微通道板结构如图2 - 3 所示。1 1 6 图2 - 3 微通道板结构 嫡 撅 微通道的轴线与m c p 面法线制成一定的倾角，根据不同的要求，该倾角 在5 一1 5 度。微通道的长度l 与直径d 之比称为长径比( l d ) ，一般情况下，选 用l d = 4 0 。 m c p 的增益在一定的电压或一定的输入电流下会出现饱和，原因是m c p 输出面附近萃取电流的增加干扰了电位分布。在直流工作情况下，饱和现象发生 时，输出电流与萃取电流之比接近5 ：在脉冲工作情况下，饱和是空间电荷引 起的，并且与通道直径有关，通道直径越小，饱和增益也越低。 另外，死时间也是一种饱和现象，它是为了提供释放电荷，通道停止工作时 帕l 。 与传统的光电倍增管( p m t ) 相比， 要有以下几个优点： 1 1 响应速度快 m c p p m t 的电子渡越时间约0 5 n s ， 传统的p m t 优几倍，达到亚纳秒量级。 微通道板光电倍增管( m c p p m t ) 主 上升时间o 3 n s ，脉冲半宽度约0 4 n s ，比 2 1 优越的抗磁场干扰能力 因为m c p p m t 结构紧凑，电子运动距离短，因此受磁场干扰小，在横向磁场 0 5 k g ，纵向磁场5 k g 下能正常工作。 3 1 获得二维成像能力 m c p p m t 以单阳极发展到矩阵阳极，如4 4 ，1 0 1 0 ，1x 2 5 6 ，2 5 6 2 5 6 ， 1 0 2 4 1 0 2 4 等，这样就可得到信号的二维分布，在高密度矩阵像素时，可以得 到图像，并用计算机处理，这是传统p m t 所不能实现的。 4 ) 结构紧凑，体积小，重量轻r i o 8 浙7 【人学埘! f 学位论史 2 2 3 阳极结构 在最简单的电子读出系统中，空间分辨率完全由阳极阵列中阳极几何形状决 定。它是分立阳极结构，每个阳极( 每个像素) 分别接到各自的放大一计数电路。 分立阳极结构能无失真成像，动态范围广，可以灵活配置以适应不同场合的特殊 要求。但是，受到当前技术限制，这种系统图像的像素有限，目前像素一般在 5 0 0 以内。 一 一采用质心技术阳极结构 8 0 年代初，人们开发了些利用质心技术来确定脉冲位置的阳极结构。这类系 统最简单的是采用阻性阳极，通过电荷比值或脉冲上升时间编码来计算事件的位 管。在一维成像阻性阳极中，在阻性阳极的两端都接有放大器，m c p 的输出电 荷将根据脉冲发生位置与阳极两端距离的比例来分配。可以通过计算两个放大器 所检测电荷比值得出位置，或者通过测量两者脉冲上升时间的差距得出结果。在 二维成像阻性阳极片中，在四个角落接四个放大器，通过两对对角放大器所检测 电荷比值来确定位置。为了防止电荷反射引起的图像严重失真，二维阻性阳极片 边界的电阻率很低。 这种简单的方法有很多局限。首先，空间分辨率依赖于m c p 的增益，为了 获得好的空间分辨率，阻性阳极结构要求m c p 的电荷增益大于l o ，。为了到达这 么高的增益，必须将m c p 以v 或z 方式级连。目前采用5 个m c p 级连电子增 益可以达到1 0 ，分辨率是4 0 微米。其次，在计数率超过1 0 0 0 0 s 时，由于脉冲堆 积，使空间分辨率有所下降。如果两个脉冲同时到达，则解码发生错误。导致图 。 像明亮区域探测错误。阻性阳极结构空间分辨率的最终受限于热噪声，因此一些 采用导电电极质心技术得到发展。最简单的四象限阳极结构，如图2 - 4 所示。 x 硼 x - - v 2 t ( v 2 + v 4 ) y = v l ( v l + v 3 ) 图2 - 4 四象限阳极结构 这个系统中，只要通过计算四个阳极上所收集电荷比值，就可以确定脉冲 位置。但这种系统的有效区域非常有限，相当于电子云到达阳极时直径大小，在 离开轴线时图像形变迅速增加。 9 剑h 时为止，最有效的质心技术系统是由加州大学伯克力分校研究小组开发 的w e d g e s t r i p 结构，如图2 5 所示。 d d d ，_ 、一 a 卜 厂 在这种阳极阵列中，电子被很多分立导电电极所收集，位置信息是通过不同电极 所收集电荷比值来确定的，如图所示，事件水平轴位置由电极c 与电极d 上所 收集电荷比值确定。采用增益超过1 0 7 的m c p ，空间分辨率可达4 0 微米。1 1 3 】 采用质心技术的阳极结构要求m c p 有高的电子增益，同时动态范围不广。 为了克服这些问题，b a s d ( b a l l a e r o s p a c es y s t e m d i v i s i o n ) 开发了叠合式阳极 结构。一维成像时，m a m a 管予在m c p ( 微通道阵列板) 输出聚焦处使用两套 阳极。两套阳极之间相互绝缘。从m c p 出来的电子云在事件发生的位置被两套 阳极分别收集，通过检测同时发生脉冲的阳极对，可以确定事件发生的位置。对 于a x b 个像素，只需a + b 个放大鉴别器。对于1 1 0 2 4 的一维图像，共有3 2 3 2 个像素，所以需要3 2 + 3 2 个放大鉴别器。对于二维成像，采用两层阳极，互 相成十字型，一层在另一层的正上方。两层阳极之间有一个绝缘s i 0 2 层。为了 使低能量的电子能达到下层阳极，在上层阳极的空隙要把s i 0 2 腐蚀掉。这种技 术空间分辨率可达到1 l 微米。 阳极阵列的设计至关重要，影响了最终成像像素多少、空间分辨率、系统最 大计数率等。上面我们讨论读出阳极系统的各种技术，包括一一对应像素输出的 线性技术、采用质心技术的多种具体技术，叠合式阳极阵列技术。相对而言，叠 合式阳极技术具有优越性，空间分辨率更高。而且与前面所介绍的多种质心技术 不同的是它是数字化系统，只是进行脉冲检测。下面我们详细讨论叠合式阳极阵 碉l 技术。 二叠合式阳极阵列结构 m c p 放大出来的电子云打击阳极阵列，使相应的阳极产生脉冲信号，解码 器根据这些脉冲信号来解出光子事件位置。叠合式阳极阵歹l j 采用的几何结构有三 种，分别是c o a r s e f i n e 、b a l a n c e dc o a r s e f i n e 及f i n e f i n e 结构，如图2 - 6 所示。u s i 它们的特点可以归纳如下： c o a r s e f i n e 阵列： n + m 个输出阳极，对应一个方向上n x m 个像素 2 ( n + m ) 个输出阳极，对应二维( n m ) x ( n m ) 个像素 1 0 f i f t n 哮脚 图2 - 6 三种阳极阵列结构 某个轴上，电子云直径太大，有脉冲响应阳极超过四重， 在c o a r s e 编码及f i n e 编码电极之间电容耦合不平衡 不同组电极之间存在电感耦合。 平衡c o a r s e f i n e 阵列 n + m 个输出阳极，对应一个方向上n m 个像素 2 ( n + m ) 个输出阳极，对应二维( n x m ) x ( n m ) 个像素 某个轴上，电子云直径太大，有脉冲响应阳极超过四重， 在c o a r s e 编码及f i n e 编码电极之间电容耦合平衡 不同组电极之间存在电感耦合 f i n e f i n e 阵列 将不能正确解码 将不能正确解码 2 ( n + 1 ) 个输出阳极，对应一个方向上r l m + 2 ) 个像素 4 ( n + 1 ) 个输出阳极，对应二维n x ( n + 2 ) x n x ( n + 2 ) 个像素 某个轴上，有脉冲响应阳极小等于( 1 1 - 1 ) 重时，都能正确解码 电极之间电容耦合平衡 不同组电极之间不存在电感耦合 从上面可以看出，采用c o a s e f i n e 或b a l a n c ec o a r s e f i n e 结构时，n 、1 1 的随 意性比较大，可以自由选择，而f i n e - f i n e 结构则要求n 与n + 2 搭配。但是前两种 结构缺点也比较明显，当m c p 出来的电子云直径比较大时，电子被超过四个阳 极所收集并产生脉冲，这时由于编码的不唯一性，解码器无法正确解码。如图 2 7 所示，左边四重与右边四重在读出阳极阵列上所输出脉冲是一致的。而且， 采用c o a r s e f i n e 结构不同组电极问耦合电容不均衡，存在电感耦合。其改进型 b a l a n c ec o a r s e f i n e 结构虽然解决了电容耦合不均衡问题，但电感耦合还存在，而 f i n e f i n e 结构没有以上缺陷。 塑坚叁兰! ! ! 兰些堡墨 f t f 2 f 3 f 4 f 5 f 6 c 1 c 2 c 3 e 4 7气、 ( l i j z 图2 - 7c o a r s e f i n e 结构在超过四重时解码不唯一 三f i n e f i n e 阵列结构 m a m a 管子现在基本采用f i n e f i n e 阳极阵列，该阵列由两组阳极各自构成循 环序列并相互交错而成的( 如图2 - 8 所示) 。第一组阳极包含1 1 个阳极( 循环( n + 2 ) 2 次) 而第二组电极包含n + 2 个阳极( 循环r d 2 次) 。这样就有了n ( n + 2 ) 个象素 点( 两相邻电极中线间的空间定义为一个象素点) 。当单个光子产生的电子云打 在该阵列上时，假设刚好有且只有两个阳极同时产生电脉冲。解码器记录产生脉 冲的阳极编号并根据这些阳极编号的组合推算出光子事件在阳极阵列中的象素 点位置。可以证明当n 为偶数时，整个阵列上都有唯一的解码值。 1 8 1 为了讨论方便，用u o u t 来表示上排n 个输出阳极，d o u t 表示下排r 汁2 个阳 极，u i n t e r 表示上排( n 十2 ) n 2 个相互交错阳极，d i n t e r 表示下排( n + 2 ) n 2 个相互交错阳极。分别给他们编号0 ，l 。 如果在某个像素点上，u i n t e r = a ，d i n t e r = b ，u o u t = c ，d o u t = d ： 则这个像素的坐标为( a + b ) 满足a n = c ，b ( n + 2 ) = d ， 且a = b 或者b = a + 1 ( 当第一个交错阳极属于上排时，a = b + 1 ) 图2 - 8f i n e - f m e 结构 抒i 江入坝1 学皿论史 对给定的u o u t = c ，d o u t = d ，如果像素点p 1 ，p 2 都满足以上条件，o p 1 ，p 2 ( p 1 p 2 ) = l ( n + 2 ) n ( l 为 整数) 因为0 i p l p 2 i ( n + 2 ) xr l ，所以假设不可能成立，证明了唯一性。 单个光子造成的电子云的大小由m c p 的特性和加在光电阴极、m c p 和电 极阵列问的电势差的大小决定。电子云的直径由给定轴上受到照射的电极数目来 进行量化。该量化数也称作重叠阶数。图2 8 为一个f i n e f i n e 阵列( n = 4 ) 的某一轴 缩小后的- d , 段。图中标出了1 阶、2 阶、3 阶、4 阶和5 阶重叠这几种情况。 电子云的直径必须足以照射至少两个阳极( 2 阶重叠) 以便对事件位置能进行唯一 的解码。由于m c p 发射的电子云大小不一，解码算法必须能够处理高阶重叠。 如图l 所示，每一个高阶重叠都可以被缩减成一个等效2 阶重叠( 和高阶重叠占 据同一象素点的2 阶重叠) 。我们注意到任何奇数阶重叠都有两种可能的等效2 阶重叠。解码器的工作是获取任意阶的重叠并从中推算和事件相应的象素点位 置。由于对应于每个阳极就对应一路信号，一个轴就有2 n + 2 个输入。n 的典型 值为3 2 ，这样一个轴向上就有6 6 路信号 四高分辨率解码 标准m a m a 探测器像素的大小等于相邻两个阳极中心之间的距离。但是最 终的限制因素取决于微通道板中微通道的距离，通常情况下，阳极之间距离是微 通道之间距离的两倍。可见在现有探测器不变，通过改进解码方法就可以在一定 程度上提高分辨率。如图2 - 9 ，上排表示标准像素，下面表示高分辨率解码像素。 偶数重时，像索取在阳极问的空隙。奇数重时，像素在阳极上。 1 7 1 图2 - 9 高分辨率解码像素点 最简单的一种方法称是奇偶判别法，只需增加很少的逻辑就可达到目的。用m 浙江人学顺i 。学位论史 来表示标准解码时像素的坐标，n 表示改进解码方法后的像素坐标。从图中，可 以知道当偶数重时，n = 2 m 。奇数重时，如果采用取左原则，则n = 2 x n l + 1 ，取右 原则n = 2 x m 一1 ；可见当采用取左原则时，偶数重只要在标准像素后加个零( 二 进制表示) ，奇数重加个一。当采用取右原则时，把高分辨率解码像素坐标向右 平移一个单位，n l - - n + l n l = 2 m + l 偶数重( 即偶数重时添个一在尾巴) n l = 2 m 奇数重( 添个零) 奇偶判别法性能部分依赖于奇数重与偶数重之间的比例。如果两者之间的比 值远离1 ，则在高分辨率解码时相邻像素灵敏度相差很大。这个将产生很大的噪 声，必须校正。高分辨率解码对系统变化比较敏感，特别是温度的变化，它是以 系统稳定为代价的。 6 1 2 3m a m a 系统构成 m a m a 系统包括m a m a 探测器、相应的模拟数字电子系统、电源模块等。 图2 一1 0 是m a m a 探测器及相应高速电子系统的原理图。 2 3 1m a m a 探测器 m a m a 探测器由光电阴极，微通道板及叠合式阳极组成。m a m a 管子对系 统的稳定性、探测精度起到决定性的作用。一个好的m a m a 探测器依赖于好的 材料和高超的制造技术。碳氢化合物污染是使u v 频段探测器性能下降的主要原 因。m a m a 探测器的所有部件主要使用玻璃、陶瓷、金属等材料。这些材料必 须在“无油”环境中制造、处理。远紫外和近紫外的m a m a 探测器各有专用的 制造室。室内装有高灵敏度的气体成分分析仪，监控整个制造过程。【1 9 】 m a m a 探测器制造过程包括在3 0 0 摄氏真空环境下1 2 小时的烘烤，及对 图2 - 1 0m a m a 系统方框图 1 4 浙江大学硕l 学位论文 m c p 进行4 个星期的“擦洗”。在管子制造过程中，室内气压要小于1 0。在对 m c p “擦洗”之前，给光电阴极镀上c s 2 t e ，并进行稳定处理，除去了光电阴极 中过量的成分，增加了管予的稳定性。“擦洗”过程一直持续到屯子增益变化小 于1 0 ，在这一过程中，周期地测量脉冲高度分布及暗噪声。 图2 1 1 m a m a 探涓器 2 3 2 电荷放大鉴别器 m a m a 探测器阳极输出的电流脉冲首先经过电荷放大器放大，再与阈值比 较，如果大于阈值，则输出c m o s 兼容的脉冲信号。放大一鉴别器模块包括1 0 4 个信号通道，分别装在5 2 个屏蔽盒内，以减小相互间的电磁干扰。为了减少同 个屏蔽盒内相邻通道的窜扰，对放大器一管子间接头要小心设计，把电流限制在 管子内。放大器的带宽增益值为l g ，根据管子特性，其输入电阻5 0 欧姆，输入 电容小于1 0 0 p f 。电荷放大鉴别器如图2 1 2 所示。 2 3