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使用曲面微通道板和感应电荷位置灵敏阳极的软X射线-极紫外光子计数成像探测器研究

尼启良

尼启良. 使用曲面微通道板和感应电荷位置灵敏阳极的软X射线-极紫外光子计数成像探测器研究[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 847-872. doi: 10.3788/CO.20150805.0847
引用本文: 尼启良. 使用曲面微通道板和感应电荷位置灵敏阳极的软X射线-极紫外光子计数成像探测器研究[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 847-872. doi: 10.3788/CO.20150805.0847
NI Qi-liang. Soft X-ray and extreme ultraviolet photon-counting imaging detector with curved surface micro-channel plate and induced charge position-sensitive anode[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 847-872. doi: 10.3788/CO.20150805.0847
Citation: NI Qi-liang. Soft X-ray and extreme ultraviolet photon-counting imaging detector with curved surface micro-channel plate and induced charge position-sensitive anode[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 847-872. doi: 10.3788/CO.20150805.0847

使用曲面微通道板和感应电荷位置灵敏阳极的软X射线-极紫外光子计数成像探测器研究

doi: 10.3788/CO.20150805.0847
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(No.60677043)
详细信息
    通讯作者:

    尼启良(1966—),博士,研究员,博士生导师,目前主要从事空间应用的软X射线、紫外、可见光、近红外波段基于微通道板(MCP)及位置灵敏阳极的二维光子计数成像探测器研究工作。

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Soft X-ray and extreme ultraviolet photon-counting imaging detector with curved surface micro-channel plate and induced charge position-sensitive anode

  • 摘要: 本项目对我国空间探测的极紫外(EUV)波段大视场相机所需求的球面光子计数成像探测器的关键技术进行了研究。首先,建立了光阴极材料次级电子产出模型,利用该模型计算了软X射线-EUV波段常用的光电阴极材料—碱卤化物的次级电子产出,分析了微通道板(MCP)的次级电子产出。建立了测量MCP量子探测效率的装置,并推导出MCP量子探测效率的计算公式,测量了MCP在软X射线-EUV波段的量子效率以及MCP量子效率随掠入射角的变化。其次,建立了球面实芯微通道板的制备装置,利用高温热成型方法制备出曲率半径为150 mm球面MCP,利用光刻技术制备出有效直径为48 mm的楔条形感应电荷位置灵敏阳极,在此基础上集成了一套使用球面MCP和感应电荷位置灵敏阳极的两维光子计数成像探测器。再次,研制出包括快速前端模拟电路与后续数字电路的成像读出电路,编制了能矫正图像畸变的图像实时采集和处理软件。最后,建立了MCP探测器空间分辨率、图像线性的检测装置,对研制出的探测器性能进行了检测,检测结果表明:探测器的各项技术指标完全满足要求。
  • 图  1  光子计数成像探测器结构图

    Figure  1.  Structure diagram of the photon counting imaging detector

    图  2  球面MCP光子计数成像探测器照片

    Figure  2.  Photo of the spherical MCP photon counting imaging detector

    图  3  计数率为20 kcounts/s球面MCP光子计数成像探测器美国US1951空间分辨率板图像

    Figure  3.  Images of US 1951 spatial resolution plate for spherical MCP photon counting imaging detector with counting rates of 20k counting/s

    图  4  计数率为50 kcounts/s球面MCP光子计数成像探测器美国US1951空间分辨率板图像

    Figure  4.  Image of US 1951 spatial resolution plate for the spherical MCP photon counting imaging detector with counting rates of 50k counting/s

    图  5  计数率为100 kcounts/s球面MCP光子计数成像探测器美国US1951空间分辨率板图像

    Figure  5.  Image of US 1951 spatial resolution plate for the spherical MCP photon counting imaging detector with counting rates of 100k counting/s

    图  6  球面MCP光子计数成像探测器暗计数图像

    Figure  6.  Dark counting image for the spherical MCP photon counting imaging detector

    图  7  球面MCP光子计数成像探测器针孔阵列图像

    Figure  7.  Pinhole array image for the spherical MCP photon counting imaging detector

    图  8  水平方像元灰度分布

    Figure  8.  Pixel intensity distribution in the horizontal direction

    图  9  垂直方向像元分布

    Figure  9.  Pixel intensity distribution in the vertical direction

    图  10  Henke实验测得的初级电子数与总电子数之比。Yp代表初级电子数,即光电子和俄歇电子之和;YT是总电子数,即光电子、俄歇电子和次级电子三者之和

    Figure  10.  Ratio of the primary electrons and the total electrons in the Henke's experimental. Yp is primary electrons which is the sum of the photoelectrons and the Auger electrons. Yt is the total electrons which is the sum of the photoelectrons,Auger electrons and secondary electrons

    图  11  f(t)随t变化曲线

    Figure  11.  Curve for t vs. f(t)

    图  12  正入射时次级电子产出随波长的变化

    Figure  12.  Relationship between the secondary electrons with the wavelength when it is normal incidence

    图  13  次级电子产出随掠入射角的变化

    Figure  13.  Relationship between the secondary electrons with the grazing angle

    图  14  碱卤化物次级电子产出的光谱响应. (a)LiF、LiCl、LiBr和LiI; (b)NaF、NaCl、NaBr和NaI; (c)KF、KCl、KBr和KI; (d)RbF、RbCl、RbBr和RbI; (e)CsF、CsCl、CsBr和CsI

    Figure  14.  Spectral response for the output of secondary electrons from anlkalihalide. (a)LiF、LiCl、LiBr and LiI; (b)NaF、NaCl、NaBr and NaI; (c)KF、KCl、KBr and KI; (d)RbF、RbCl、RbBr and RbI; (e)CsF、CsCl、CsBr and CsI

    图  15  实验装置示意图

    Figure  15.  Schematic diagram of the experimental facility

    图  16  实验装置实物图

    Figure  16.  Physical photo of the experimental facility

    图  17  激光双脉冲

    Figure  17.  Double-pulse of laser

    图  18  固体靶激光等离子体光源

    Figure  18.  Solid target laser plasma light source

    图  19  铜靶激光等离子体光源谱线

    Figure  19.  Spectrum for the copper target laser plasma light source

    图  20  弧形底座、支架、滑块连同转盘的装配图

    Figure  20.  Assembly drawing of the curve base,frame,slide along with the turntable

    图  21  Si光电二极管内部结构图

    Figure  21.  Internal structure diagram of Si photodiode

    图  22  AXUV100光电而二极管尺寸

    Figure  22.  Size of the AXUV100 photodiode

    图  23  AXUV 100 Si光电二极管的典型量子效率

    Figure  23.  Typical quantum efficiency of the AXUV100 Si photodiode

    图  24  AXUV100光电二极管在软X射线-EUV波段的典型量子效率

    Figure  24.  Typical quantum efficiency of the AXUV100 Si photodiode working in the wavelength of the soft X-ray and UVE

    图  25  信号处理电路示意图

    Figure  25.  Schematic diagram of signal processing circuit

    图  26  传递标准探测器和待测探测器测得的软X射线-EUV光谱

    Figure  26.  Spectroscopy of the soft X-ray and EUV measured by transfer standard detector and the texting detector

    图  27  裸露MCP的量子效率

    Figure  27.  Quantum efficiency of the bare MCP

    图  28  镀CsI MCP和“裸露”MCP的量子效率

    Figure  28.  Quantum efficiency of the bare MCP and the MCP coating CsI

    图  29  MCP探测器测得的相对光强随掠入射角的变化

    Figure  29.  Relationship between the relative intensity that the MCP detector measured and the grazing angle

    图  30  Ni-Cr电极和MCP玻璃的次级电子产出随材料厚度的变化曲线

    Figure  30.  Relationship between the material thickness and the secondary electrons output from the Ni-Cr electrode and the MCP glass

    图  31  Ni-Cr和MCP玻璃的次极电子产出随掠入射角的变化曲线

    Figure  31.  Relationship between the grazing incidence angle and the secondary electrons output from the Ni-Cr electrode and the MCP glass

    图  32  Ni-Cr和MCP玻璃的次极电子产出随波长的变化曲线

    Figure  32.  Relationship between the wavelength and the secondary electrons output from the Ni-Cr electrode and the MCP glass

    图  33  MCP量子效率的理论计算与实验结果对比图

    Figure  33.  Results of theoretical calculations and the experiments on MCP quantum efficiency

    图  34  MCP量子效率随掠入射角的变化,理论分析与实验结果对比图

    Figure  34.  Theoretical calculations and the experimental results of MCP quantum efficiency changing with the grazing incidence angle

    图  35  球面实芯MCP制备装置结构简图

    Figure  35.  Preparation device of the spherical solid core

    图  36  曲率半径为150 mm面实芯MCP照片

    Figure  36.  Photo of the solid core MCP with curvature radius of 150 mm

    图  37  曲率半径为150 mm球面MCP照片

    Figure  37.  Photo of a spherical MCP with curvature radius of 150 mm

    图  38  制备在石英基片上的WSZ阳极

    Figure  38.  WSZ anode fabricated on the quartz substrate

    图  39  制备在95陶瓷基片另一表面的Ge电阻膜

    Figure  39.  Ge resistance film fabricated on another surface of 95 ceramic substrate

    图  40  球面MCP感应电荷WSZ阳极位置读数电路原理示意图

    Figure  40.  Schematic diagram of spherical MCP induced charge WSZ anode position readout circuit

    图  41  前端模拟电路照片

    Figure  41.  Photo of the front-end analog circuitry

    图  42  数字处理电路照片

    Figure  42.  Photo of the digital processing circuit

    图  43  不同电压下MCP堆脉冲高度分布

    Figure  43.  Pulse height distribution for the MCP heap under different voltage

    图  44  MCP堆增益与FWHM关系

    Figure  44.  Relationship between MCP gain and FWHM

    图  45  阳极位置示意图

    Figure  45.  Sketch diagram of anode position

    图  46  矫正前具有串扰产生畸变的图像

    Figure  46.  Image with crosstalk distortion before correction

    图  47  矫正后的图像

    Figure  47.  Corrected image

    图  48  紫外平行光管结构示意图

    Figure  48.  Schematic diagram of UV collimator

    图  49  真空室内探测器和分辨率板示意图

    Figure  49.  Schematic diagram of detector and resolution plate in the vacuum chamber

    图  50  探测器检测装置照片

    Figure  50.  Image of detector detecting device

    表  1  探测器具体技术指标

    Table  1.   Specific technical indicators of eletector

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    表  2  2组6单元条纹成像调制度

    Table  2.   Modulation of the fringe imaging in group 2 unit 6

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    表  3  次级电子的逃逸长度

    Table  3.   Escape length of the secondary electrons

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    表  4  平均能量Eη的计算结果

    Table  4.   Result of the average energy E and η

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    表  5  临界角计算结果

    Table  5.   Value of the critical angle

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    表  6  镀膜基本参数表

    Table  6.   Basic parameters for coating

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    表  7  单色仪中每个组成部分的基本参数

    Table  7.   Parameters of the each component in the monochromator

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    表  8  单色仪各个部分之间的距离(mm)

    Table  8.   Distance of the each component in the monochromator (mm)

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    表  9  MCP玻璃的成分及百分比(ρ=4.0 g/cm3)

    Table  9.   MCP glass composition(ρ=4.0 g/cm3)

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出版历程
  • 收稿日期:  2015-07-08
  • 录用日期:  2015-07-22
  • 刊出日期:  2015-01-25

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