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基于游标阳极的光子计数探测器研究

杨颢  
【摘要】:世界空间紫外天文台(WSO/UV)是一项世界性多国合作的紫外天文计划。长狭缝成像光谱仪(LSS)是一个在102~320nm波段上拥有中等光谱分辨能力(R=1500~2500)的光谱成像载荷。LSS的核心器件是基于微通道板(MCP)的光子计数探测器。 本文在分析紫外极微弱光成像与探测技术的原理、方法及国内外光子计数探测领域的发展现状与趋势的同时,为了满足LSS对灵敏度、空间分辨率的要求,确定了基于游标阳极(VernierAnode)的光子计数探测器方案,并研制了原理样机。该探测器主要由输入窗、光电阴极、MCP以及游标阳极组成,整个探测系统则由紫外光源(254nm)、减光片与滤光片,探测器、电子读出系统与数据采集系统组成。 开发了基于游标阳极(VernierAnode)的设计软件,研制了一维、二维游标阳极。开发了探测器的成像软件,得到了一维、二维游标阳极探测器的成像实验结果。在对阳极结构进行优化的条件下,进行了探测器的分辨率实验,结果表明:No.1阳极的分辨率可达到70μm(@36×36mm),No.2阳极的分辨率可以达到88μm(@30×30mm)。在此基础上分析了计数率、MCP增益电压及MCP与阳极间的加速电场等对空间分辨率的影响,结果表明:两块级联的MCP增益电压应在1800V以上,在计数率为0.5~15kHz的区间内时,计数率对分辨率的影响可以忽略。理论分析了系统长时间采集的图像漂移现象与成像畸变。使用光电阴极可以提高系统的量子效率,金阴极实验结果表明:提高量子效率可以提高系统成像的分辨率。在MCP与阳极之间加网格可以抑制阳极二次电子的影响,网格实验表明:MCP到网格之间的电压过大时会出现调制扭曲现象,而加网格对分辨率的贡献并不大。对探测系统进行了计数灵敏度与动态范围的实验标定,计数灵敏度标定的结果表明:MCP电压与数据采集的下限阈值均对计数灵敏度的测量有影响;动态范围测试是从系统成像的角度,结果表明:系统的归一化动态范围约为10~5。 在构建探测系统、获得极微弱辐射图像的同时,重点分析了探测器的光子计数的量子特性与统计特性、探测器的时间特性、电荷云分布特性、阳极二次电子发射特性、噪声特性、量子效率与动态范围等。发现在一定的范围内计数率与入射的光子流速率成正比,当光功率较大时,脉冲堆积与系统的死时间所引起的计数损失严重,线性关系被破坏。对使用两块级联的裸MCP的探测器的量子效率进行了初步测量,发现此时探测器的量子效率很小,约在10~(-7)左右(@254nm)。通过对探测器的时间特性的计算,发现探测器的时间分辨率(FWHM)约为几纳秒。考虑到读出电子学,探测系统的死时间大约为10μs。在不考虑电子间库仑相互作用与扩散效应的条件下,利用“弹道”模型计算了电荷云半径为1.4mm(@15mm,300V)。根据实验测试结果,计算了两块级联的裸MCP探测器的信噪比约为2000,噪声等效功率约为几十个皮瓦。提出了一种新的最小可探测光功率的估计方法,结果表明:系统极限成像的最小输入光功率约在10~(-14)~10~(-13)W之间。根据系统的死时间与光子计数的分布特性计算了系统的最大探测速率、最大可探测光功率与光子事件的最大记录速率,计算结果分别为1MHz,几个微瓦与37kHz。 理论研究了一维与二维游标阳极位置解码原理。根据重影的实验现象,建立了重影的噪声模型,理论计算表明:相位偏移的分布为高斯分布,重影出现的阈值条件为:相位偏差为0.1rad或总电荷噪声约为10~4e rms(@n=4)。对系统成像的过程进行了蒙特卡洛模拟,并基于VC6.0开发了成像模拟软件,对不同的模拟电子增益下的分辨率进行了理论计算,结果表明:X方向的空间分辨率受模拟电子增益的影响较大。蒙特卡洛模拟的分辨率约为300μm(@G=10~5)。根据噪声传递模型与高斯噪声模型,对探测器的空间分辨率进行了理论估计,结果表明:空间分辨率与阳极的结构、尺寸与系统的信噪比等因素有关。


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