楔条形阳极光子计数探测器成像性能的检测

　　1　引　言

　　在众多实验室科研活动和空间探测项目中,人们对微弱光信号或粒子的探测需求日益增多,而这类探测的完成都需要使用光子计数探测器。该类探测器可有效地记录单个光子或带电粒子的空间位置信息,能够满足微光条件下的成像需求。在光子计数探测器中,电荷读出系统收集像增强器倍增后产生的电子云,对光子或粒子起位置编码的作用。常用读出系统种类有电阻阳极、楔条形阳极(WSA)以及延迟线阳极等[1],比较而言,WSA能够以较高空间分辨率提供二维的空间信息,且有制作工艺简单、后续电子系统容易制作、功耗低的优点,非常适合在空间探测领域使用。美国已经发射了几颗载有这种探测器的卫星,用于对空间环境的探测;2000年美国发射的IM-AGE卫星,就载有基于该探测器的EUV相机,首次实现了地球等离子体层的完整成像[2]。

　　基于探月二期工程CE-3有效载荷EUV相机的需求,本文研制了一套基于优化设计的探测器样机。该样机的设计考虑了各种可能带来成像畸变的因素,并采用了本文提出优化算法,最终获得了无畸变的图像。与一般CCD不同,WSA光子计数成像探测器不存在物理意义上的像元,没有一般的像元尺寸、像元数量等参数来衡量其分辨率,因此需要对其进行分辨率检测。本文以美国空军标准分辨率测试标板(USAF1951)为目标,对研制的样机进行了分辨率检测。为了提高检测的准确性,还对分辨率板的检测图进行了成像调制度分析。

　　2　样机系统结构及成像原理

　　课题组研制的楔条形光子计数成像探测器样机及分辨率检测装置如图1所示。该装置主要包括紫外准直光学系统、置于高真空系统内的探测器及后续的电子学系统3个部分组成。由于MCP主要对紫外段线辐射有响应,所以通常使用紫外光源来检测;检测目标物置于MCP前端1~2 mm,紫外光经过准直后垂直入射到该目标。

　　WSA光子计数成像探测器的工作原理如图2所示[3],探测器系统主要由微通道板堆(MCP)、WSA位置灵敏阳极和位置读出电路3部分组成。

　　2.1　MCP堆

　　MCP是一种电子倍增器件,使用时在其两端加上高压,起到光电转化及电子倍增的作用。入射的光子打在MCP通道内壁激发出光电子,光电子在高压的作用下多次碰撞内壁形成“雪崩”效应,在输出面产生包含大量电子的电子云[4],在电场的作用下,电子云入射到位置灵敏阳极上,并由其确定电子云质心位置,即入射光子的位置。探测器的空间分辨率与MCP堆的增益成正比。为了提高增益,本设计将3个有效口径为40mm、长径比是40∶1的MCP叠加在一起,当MCP堆两端高压为3 000 V时,增益能达到,设计的探测器样机中的MCP堆就是工作在这个状态。