远紫外感应电荷楔条阳极探测器及游标阳极研究

发布时间：2020-10-20 19:51

　　 众所周知,地球周围的电离层对人类的通讯导航、航空航天、军事活动等均有重要影响。目前,紫外光谱成像技术是国外研究电离层最常用的手段之一,而基于微通道板(MCP)的位敏阳极光子计数成像探测器则是实现这一技术必不可少的工具。本文根据远紫外电离层临边成像光谱仪对所用探测器的要求,研制出基于MCP及楔条型阳极(Wedge-stripe anode,WSA)的远紫外(Far ultraviolet,FUV)波段感应电荷光子计数密封管成像探测器,该探测器由密封管体、位于管体外部的WSA、位置读出电路及相应的图像实时采集和处理软件等几部分组成。密封管则是由氟化镁(MgF_2)窗口、碘化铯(Cs I)光电阴极、MCP堆及电阻阳极构成的真空管。同时,对具有更高空间分辨率的游标(Vernier)阳极也进行了研究。与位于真空管体内部的金属阳极电荷读出方式相比,感应读出方式采用金属阳极接收电子云与电阻膜相互作用产生的感应电荷的方式,避免了电子云与金属阳极直接作用,既大大降低了图像位置非线性和不稳定性,又提高了图像的空间分辨率。具体的研究内容有以下几点。(1)基于MCP及WSA的FUV波段感应电荷光子计数密封管探测器优化设计及研制。利用Schwarz-Christoffel转换理论,提出了一种新的计算WSA极间电容的方法,该方法弥补了现有WSA极间电容计算方法中不能充分考虑电极宽度变化以及不能实现任意两电极极间电容计算的缺陷,计算精度在9-15范围内;根据该方法提出了WSA的优化方案,设计出周期宽度为1.5,有效面积为48的WSA;根据设计的WSA对电子云大小的需求,利用电子云电荷密度分布计算模型对探测器结构参数进行了优化,最终研制出MgF_2作为窗口材料,CsI作为光阴极,方块电阻为200MΩ/□的Ge膜作为电阻阳极,厚度为1的陶瓷作为绝缘基底的MCP-WSA的FUV波段感应电荷光子计数密封管成像探测器。(2)探测器性能检测。对所研制的FUV感应电荷WSA密封管光子计数成像探测器进行了成像检测,包括量子探测效率、增益、暗计数、空间分辨率、最高计数率及图像线性,检测结果表明:探测器的各项技术指标完全满足FUV临边成像光谱仪要求。(3)Vernier阳极的优化设计方法及研制。根据Vernier阳极的设计原理,对其解码算法进行了修正,有效地降低了解码算法对图像线性的影响;利用编制的Vernier阳极图像线性仿真软件验证了修正后解码算法的可行性,同时进一步研究了电子云大小及Vernier阳极设计参数对图像线性的影响;建立了决定Vernier阳极空间分辨率的分割噪声和电子噪声的相关理论;基于上述理论研究,提出了Vernier阳极的优化设计方案,研制出pitch宽度为0.891,有效面积为36×36,理论分辨率为2.3的Vernier阳极。主要创新点为:(1)提出了一种新的计算WSA极间电容的方法。该方法补充了WSA优化设计理论,弥补了现有WSA极间电容计算方法中不能充分考虑电极宽度变化以及不能实现任意两电极极间电容计算的缺陷,为其它分割型阳极的优化设计提供了有力的理论基础。(2)利用Matlab编译了Vernier阳极成像模拟算法。相较于通常采用的Labview仿真模拟方法,该方法不仅可以定量研究阳极设计参数对成像的影响,而且大大提升了模拟速度。(3)建立了Vernier阳极的噪声理论。该理论可用于指导Vernier阳极的优化设计,补充了现有Vernier阳极的理论系统。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN23
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 基于MCP及位敏阳极的光子计数成像探测器基础
        1.2.1 光电阴极
        1.2.2 微通道板
        1.2.3 位敏灵敏阳极
    1.3 课题来源、研究目的及研究内容
第2章 远紫外感应电荷楔条形阳极密封管探测器的研制
    2.1 输入窗口材料的选取
    2.2 光阴极材料的选取与制备
        2.2.1 光阴极材料的选取
        2.2.2 光阴极的制备
    2.3 MCP的选取与预处理
    2.4 电荷感应层及衬底的选取
    2.5 WSA的优化和制备
        2.5.1 WSA极间电容的优化
        2.5.2 WSA的加工
    2.6 探测器结构优化
        2.6.1 电子云的优化
        2.6.2 探测器结构的设计
    2.7 电路读出系统的研制
        2.7.1 电荷灵敏前置放大电路
        2.7.2 滤波整形与峰值保持电路
        2.7.3 数据采集系统
    2.8 本章小结
第3章 远紫外密封管成像探测器性能检测
    3.1 探测量子效率
        3.1.1 MCP探测量子效率检测
        3.1.2 CsI量子效率
    3.2 增益
    3.3 暗计数
        3.3.1 MCP预处理对暗噪声的影响
        3.3.2 探测器的暗计数
    3.4 空间分辨率
        3.4.1 探测器空间分辨率与整形时间的理论关系
        3.4.2 探测器空间分辨率与整形时间的实验探究
    3.5 最高计数率
        3.5.1 探测器计数率与整形时间的理论关系
        3.5.2 探测器计数率与整形时间关系的实验探究
    3.6 探测器的图像线性测量
    3.7 本章小结
第4章 Vernier阳极理论研究
    4.1 引言
    4.2 Vernier阳极概述
        4.2.1 Vernier阳极结构
        4.2.2 Vernier阳极的设计原理
        4.2.3 Vernier阳极的解码算法
    4.3 Vernier阳极的成像线性
        4.3.1 Vernier阳极的解码算法的修正
        4.3.2 Vernier阳极成像线性模拟
    4.4 Vernier阳极的空间分辨率理论
        4.4.1 Vernier阳极分割噪声
        4.4.2 Vernier阳极电子噪声
    4.5 Vernier阳极的结构优化
    4.6 本章小结
第5章 总结与展望
    5.1 全文总结
    5.2 工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

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本文编号：2849088