摘 要:介绍基于一维游标阳极的紫外单光子计数成像探测系统及其信号预处理电路的原理,重点设计和制作了一维游标阳极探测器的前端电子读出电路,用以探测脉宽100~200 ms,电荷量为1~20 pc的脉冲。通过使用自己实验室搭建的单光子计数成像系统对电子读出电路进行了测试。测试结果表明,电子读出电路能够满足探测系统的成像要求,并在实验中利用电路对掩膜板成像,成功获得了灰度图像。
关键词:紫外探测器; 游标阳极; 光子计数; 信号处理电路
中图分类号:TN23 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)09-0123-03
Design of Vernier Anode Detector and Its Electronic Readout Circuit
LI Mei1,2, ZHAO Bao-sheng1, YANG Hao1,2, YAN Qiu-rong1, ZHU Xiang-ping1, LIU Yong-an1
(1. State Key Lab. of Transient Optics and Photonics, Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710119, China;
2. Graduate University, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)
Abstract: The ultraviolet single photon counting imaging system based on one-dimensional vernier anode and priciple of its electronic readout circuit are introduced. A six-channel circuit its designed to detect the pulse of 100~200 ms and the charge of 1~20 pc. The experimental system was established in the laboratory and the electronic readout circuit tested. The result shows that the performance of the electronic readout circuit can satisfy the requirement of the detector system.
Keywords: ultraviolet detector; vernier anode; photon counting; signal processing circuit
0 引 言
紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军民两用光电探测技术[1]。早在20世纪50年代,人们就开始了对紫外探测技术的研究。EUV探测器是利用30.4 nm波长的极紫外成像技术对地球等离子体层成像,可以得到地球周围整个磁层的分布,用来进行空间环境探测和研究太阳扰动期间的变化。2007年10月24日,我国“嫦娥”一号卫星成功发射,标志着我国进入具有深空探测能力的国家行列。目前,“嫦娥探月计划”二期工程中开展月基地球等离子体层EUV成像实验,研究地球空间环境变化,为灾害性环境变化提供观测数据。
本课题组对极紫外成像探测系统进行了技术研究,并在阳极设计和电路信号处理方面取得了较好的成绩。
1 Vernier阳极探测器的结构
阳极探测器[2-3]按照位置敏感方式可分为两种:一种是单元型,如MAMA型;一种是连续性,如电阻阳极、WSA[4]、Delay-line、Vernier等。其中Vernier阳极相比于其他阳极具有较高的光子计数率和位置分辨率,因此,本文主要介绍Vernier阳极。
阳极探测器主要由光阴极、MCP、位敏阳极和电子读出电路组成。阳极探测器基本结构示意图如图1所示。单光子光源通过输入窗口到达光电阴极产生电子,再通过V型级联的MCP倍增产生电子云,在加速电场作用下到达Vernier阳极,形成多路的电子脉冲。多路信号通过电子读出电路[5]处理后,经软件解码形成灰度图像。
图1 Vernier探测器组成结构图
用来收集电子云的阳极面板结构如图2所示,共有6个电极收集电荷,它们之间相互绝缘。在横向,每个电极的面积按正弦变化,且它们之间相差120°,正弦曲线的相位随着横向线性变化。每个电极上收集到的电荷量大小Q也随位置按正弦变化,且电荷量Q正比于收集电荷的电极面积SQ,由于正弦曲线波长远大于电极宽度,在电子云覆盖的每个电极面积内,使得电子云质心位置与电极宽度成正比,因此可以得到电极上质心位置的相位值θ,通过θ值可以得到横坐标x值,当两组电极的x值相同,就可以得到光子在阳极面板上的坐标位置[6,7]。
图2 Vernier阳极面板结构
2 Vernier阳极电子读出电路设计
电子读出电路主要由电荷灵敏前置放大器、滤波整形放大电路及峰值保持电路组成[8]。电荷灵敏前置放大器主要用于将阳极输出的信号转换为电压信号;滤波整形电路是使信号的形状满足准高斯波形,以满足后续处理的需要及提高信号的信噪比;峰值保持电路是将信号的峰值展宽,以提高获得的峰值准确率[9,10]。结构框图见图3。
图3 电子读出电路原理框图
在前置放大电路中,为了提高输入阻抗和降低噪声,采用了低噪音的结型场效应管作为电荷灵敏前置放大器的输入级,例如2SK152,2N4416。反馈的电阻、电容设为Rf=500 MΩ,Cf=1 pF,所以τ=500×106×10-12=500 μs,输出波形的尾部较长,容易产生脉冲堆积。为了提高计数率,需要进行CR微分处理,如图4所示。它的传递函数为H(S)=s+1/τ1s+1/τ2,式中τ1=R6KC,τ2=R6R8R6+R8C5,在设计中,τ1=τ时达到极零相消的目的。图4中C5=1 000 pF,R6=1 MΩ,W2=50 kΩ,入射到系统的不同光子速率对积分时间有不同的要求。选择不同的R8值可得到不同的积分时间。在C=1 000 pF条件下,当τ2=1 μs时,R8=1 kΩ;当τ2=2 μs时,R8=2 kΩ;当τ2=10 μs时,R8=10 kΩ。实际电路中用跳线来实现对R8的选择。
经极零相消电路输出的波形还不能直接采样电路,必须改善它的波形。为了满足采集卡对信号波形的需要,提高信号噪声比,准确得到脉冲峰值数据,需要进一步对信号进行滤波整形处理。通过最佳滤波器的讨论可知,对称无限宽尖顶脉冲具有最佳的信噪比,且高斯波形具有以上的特征,脉冲顶部比较平坦,所以脉冲的成型一般以高斯型或准高斯型为波形形状,采用图5所示的电路结构,使用两级有源低通滤波器。在C=1 000 pF下,对不同积分时间取值,当τ2=1 μs时;当R=1 kΩ,当τ2=2 μs时,R=2 kΩ;当τ2=10 μs时,R=10 kΩ。同样R用跳线来实现取值。
图4 极零相消电路原理图
图5 滤波成型电路原理图
峰值保持电路基本原理如图6所示。当输入信号比阈值大时,比较器1输出高电平触发触发器1输出Q为高电平,触发器2输出Q为高电平,去控制LF398的逻辑电平,使LF398处于采用状态。
图6 峰值保持电路原理图
当信号到达峰值时,比较器2输出高电平,使与门电路输出低电平,这时LF398处于保持状态,进而对信号峰值进行保持。控制电路主要由两级单稳态完成,当比较器1输出高电平时,上升沿触发1级单稳态,输出的暂稳时间可通过外接电阻调节时间长短。暂稳态的下降沿触发2级单稳态,输出的高电平触发模拟开关,使LF398的保持电压电容迅速放电。
3 结 论
测试电路时,将电路接入本课题组自己搭建的紫外单光子计数成像系统中,用Tek DPO 4104示波器观察每路电路的输出波形,满足准高斯分布,并使用系统对4孔掩模板成像。图7(a)为4孔掩模板实物图,各孔之间的距离分别是7 mm,9 mm,15 mm,孔径约为2 mm。实验条件:光源用的是低压汞灯,两块MCP加电压2 280 V,MCP与阳极间加电压300 V,两块MCP的间距为50 μm,MCP与阳极间距为15 mm。在真空度达到1.0×10-4 Pa时,把阳极输出的脉冲信号连接到电子读出电路。本次实验使用的电路参数为:前置放大器的灵敏度A=1 V/pc,脉冲整形时间为2 μs,电压放大倍数为4倍,用示波器测量脉冲输出的脉冲半峰全宽为5 μs,电压幅度满足采集卡的量程为0~10 V。经采集卡采集电压峰值,软件解码后得到的灰度图像如图7(b)所示,可以看出所得图像与实物一致。
图7 实验结果
4 结 语
设计了一种Vernier阳极探测器的信号处理电路,用该电路处理的信号电压幅度、信噪比达到了阳极探测器的设计要求。通过对所设计的电路进行实验测试,能够满足单光子探测成像系统的需求,验证了电子读出电路的可行性。
参考文献
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