EUV波段CCD相机及其空间分辨率测试

    1 引 言

    近年来,随着空间太阳观测、惯性约束聚变(ICF)和激光等离子体物理等学科研究的深入,对软X射线和EUV波段成像探测器的要求越来越高[1]。由于EUV波段光极易被氧或者氧化物吸收,所以常规的成像器件不适合在该波段成像。一般情况下,在EUV波段采用固体器件成像方法,如下:

    (1)利用微通道板(MCP)的增强功能,在MCP的光电阴极上涂荧光物质,将EUV波段的光转化为可见光,经MCP增强后再由可见光成像器件成像[2];

    (2)利用背照射CCD成像[3],由于背照射CCD的光接受面没有金属电极和氧化物,所以EUV光直接作用于半导体上,减少了EUV光的吸收;

    (3)采用祯转移pn-CCD成像的方法[4]。此外,国外EUV波段探测器的标校多在同步幅射光束线上进行[5-6]。

    本文所采用的EUV波段CCD相机采用单独的荧光板转化EUV光辐射为可见光的成像方式。

    2 CCD相机工作原理和结构

    由于光电阴极上的荧光物质的厚度对成像性能影响很大,工艺不容易把握,所以在目前国内现有技术条件下,我们将MCP光电阴极上的荧光物质层直接用荧光板(荧光板为一个端面涂有荧光物质的光纤板)代替,再将荧光板与MCP耦合。考虑到MCP像增强器和CCD像面尺寸大小不一致,引入光锥,将MCP像增强器出光面和CCD像面进行耦合。CCD芯片的保护玻璃是影响相机分辨率的因素之一,耦合时将其取下来。我们研制的EUV波段CCD相机的工作原理是:先将EUV波段光转化成可见光,经光电阴极转化为光电子,增强后,再转化成可见光,通过光锥扩束,直接照射可见光CCD成像[7]。

    CCD相机构成包括:荧光板、光电阴极、MCP、荧光屏、光锥和CCD及其驱动电路部分。在实验室超净环境下,用光学胶将各个部分胶合在一起,构成一个完整的CCD相机。图1所示为荧光屏、MCP、光锥和CCD用光学胶粘接后的照片。图2是安装了真空外壳和电子学系统的CCD相机照片。

    CCD相机的空间分辨率性能通常用像元分辨率或者相机的特征频率及在该频率的调制传递函数MTF表示[8]。由于该相机结构较复杂,所以传递函数测试比较繁琐,影响因素较多。该相机的应用目标是作为空间EUV太阳成像望远镜探测器,要求空间分辨率最好能达到13Lm。根据这个要求,本文提出一种较直观、简单的检测方法。

    3 实验设计

    由于EUV光辐射波长极短,经过透射网栅的衍射效应可以忽略,所以本文采用EUV波段平行光照射透射网栅,利用待测CCD相机对网栅成像来判读该相机空间分辨率。该方法简单、直观,实验条件只需要平行性较好的EUV光源和不同间距的网栅。15~30 nm波段光源最好的选择是同步辐射光源[9]。因为同步辐射光源连续可调,且在水平方向平行性很好,发散性接近激光。图3为利用北京同步辐射光源设计的CCD相机空间分辨率测试方案原理图,实验是在3W1B光束线上进行的。该束线光辐射水平方向发散度0.6 mrad,所以测试时,网栅需尽可能靠近待测CCD相机。