CCD型软X射线探测器能量分辨率提高方法研究
发布时间：2021-03-20 08:52
探测器能量分辨率是影响软X射线（波长范围为0.1–10nm）探测器能谱测量效果的最主要因素,分辨率越高,元素谱线越容易与临近能量的元素谱线相区分。但由于CCD本身存在电荷扩散、电荷转移损失以及噪声等缺陷,器件的能量分辨率降低,谱峰变为非高斯型,导致能量相近的软X射线能谱发生重叠,严重影响后续的解谱工作。针对这些问题,文章首先对CCD型软X射线探测器成像过程（光电转换过程、电荷收集过程以及电荷转移过程）进行建模,仿真分析了CCD型软X射线探测器能量分辨率降低的原因,提出一种能量分辨率提高方法。仿真及实验结果表明,电荷收集以及电荷转移两阶段是降低CCD能量分辨率的主要原因;采用针对这两阶段的修正方法对能谱进行校正后,谱峰明显,呈高斯型,提高了能量分辨率,校正后能谱半高宽达到184eV（在5.9keV）,能量分辨率为3.12%（在5.9keV）,提高4%,表明这种提高方法可有效应用到基于CCD的软X射线能谱标定以及解谱工作。
【文章来源】：航天返回与遥感. 2020,41(01)CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
仿真算法流程图
106航天返回与遥感2020年第41卷同。以图3为例，使用滑窗遍历CCD所有像素，挑选出中心像素超过噪声阈值的事件，此时中心像素对应滑窗内的数值47，若该中心像素电荷垂直向下扩散，即数值423位置处具有有效的信号，则将47、423相加得470，若该中心像素发生事件5中第一种扩散情况，即数值3、5、23位置处具有有效的信号，则将47、3、5、23相加得79，可看出由于任意电荷扩散情况下，具有信号的像素对应滑窗内数值相加的和均不同，因此可通过该方法判断分裂事件的类别。图1扩散半径概率分布图Fig.1Probabilitydistributionofdiffusionradius图2分裂事件类别Fig.2Chargediffusion图3分裂事件类别判断Fig.3Chargediffusionjudgement（2）电荷转移逆矩阵法电荷转移矩阵模型如式（12），在上一节中已建立好的电荷转移三阶段的数学模型可以分别表示成矩阵A、B、C形式，这三个矩阵可以直接建立起初始像素电荷量矩阵与电荷转移后像素电荷量矩阵间的关系，Y=ABXC，其中X为未经电荷转移各像素初始电荷量的矩阵，Y为经过电荷转移损失后各像素剩余电荷量的矩阵。由于三个电荷转移矩阵A、B、C的形式为上三角矩阵，以及分块三角矩阵，因此，在对能谱进行修正时，可直接根据电荷转移矩阵的逆矩阵形式准确求解初始电荷量矩阵X，不需要根据经验值估计初始电荷量。122211111122111(1)(1)(1)(1)(1)(1)0nnnnnnnnnnjinjjinninCCCCA
106航天返回与遥感2020年第41卷同。以图3为例，使用滑窗遍历CCD所有像素，挑选出中心像素超过噪声阈值的事件，此时中心像素对应滑窗内的数值47，若该中心像素电荷垂直向下扩散，即数值423位置处具有有效的信号，则将47、423相加得470，若该中心像素发生事件5中第一种扩散情况，即数值3、5、23位置处具有有效的信号，则将47、3、5、23相加得79，可看出由于任意电荷扩散情况下，具有信号的像素对应滑窗内数值相加的和均不同，因此可通过该方法判断分裂事件的类别。图1扩散半径概率分布图Fig.1Probabilitydistributionofdiffusionradius图2分裂事件类别Fig.2Chargediffusion图3分裂事件类别判断Fig.3Chargediffusionjudgement（2）电荷转移逆矩阵法电荷转移矩阵模型如式（12），在上一节中已建立好的电荷转移三阶段的数学模型可以分别表示成矩阵A、B、C形式，这三个矩阵可以直接建立起初始像素电荷量矩阵与电荷转移后像素电荷量矩阵间的关系，Y=ABXC，其中X为未经电荷转移各像素初始电荷量的矩阵，Y为经过电荷转移损失后各像素剩余电荷量的矩阵。由于三个电荷转移矩阵A、B、C的形式为上三角矩阵，以及分块三角矩阵，因此，在对能谱进行修正时，可直接根据电荷转移矩阵的逆矩阵形式准确求解初始电荷量矩阵X，不需要根据经验值估计初始电荷量。122211111122111(1)(1)(1)(1)(1)(1)0nnnnnnnnnnjinjjinninCCCCA
【参考文献】：
期刊论文
[1]爱因斯坦探针探测keV能段暗物质信号的展望[J]. 李志远. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2018(03)
[2]暗物质的天文学探测[J]. 苏萌. 科技导报. 2016(05)
[3]帧转移型面阵CCD成像模型与仿真[J]. 丁国歌,杨世植,崔生成. 大气与环境光学学报. 2013(03)
[4]我国空间天文发展的现状和展望[J]. 张双南. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2012(12)
[5]空间辐射对CCD器件电荷转移效率的影响分析[J]. 侯睿,赵尚弘,幺周石,胥杰,吴继礼. 半导体光电. 2012(01)
[6]世界空间高能天文发展展望[J]. 张双南. 国际太空. 2009(12)
[7]CCD成像模型及仿真系统研究[J]. 董龙,李涛. 系统仿真学报. 2009(14)
[8]线阵CCD成像仿真研究[J]. 董龙,李涛. 航天返回与遥感. 2008(01)
博士论文
[1]CCD型X射线探测器性能研究[D]. 杨彦佶.吉林大学 2014
[2]X射线探测器响应机制及应用建模技术[D]. 李哲.成都理工大学 2013
硕士论文
[1]高分辨太阳软X射线CCD传感器系统设计与实现[D]. 郝玉婷.中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心) 2015
本文编号：3090724
【文章来源】：航天返回与遥感. 2020,41(01)CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
仿真算法流程图
106航天返回与遥感2020年第41卷同。以图3为例，使用滑窗遍历CCD所有像素，挑选出中心像素超过噪声阈值的事件，此时中心像素对应滑窗内的数值47，若该中心像素电荷垂直向下扩散，即数值423位置处具有有效的信号，则将47、423相加得470，若该中心像素发生事件5中第一种扩散情况，即数值3、5、23位置处具有有效的信号，则将47、3、5、23相加得79，可看出由于任意电荷扩散情况下，具有信号的像素对应滑窗内数值相加的和均不同，因此可通过该方法判断分裂事件的类别。图1扩散半径概率分布图Fig.1Probabilitydistributionofdiffusionradius图2分裂事件类别Fig.2Chargediffusion图3分裂事件类别判断Fig.3Chargediffusionjudgement（2）电荷转移逆矩阵法电荷转移矩阵模型如式（12），在上一节中已建立好的电荷转移三阶段的数学模型可以分别表示成矩阵A、B、C形式，这三个矩阵可以直接建立起初始像素电荷量矩阵与电荷转移后像素电荷量矩阵间的关系，Y=ABXC，其中X为未经电荷转移各像素初始电荷量的矩阵，Y为经过电荷转移损失后各像素剩余电荷量的矩阵。由于三个电荷转移矩阵A、B、C的形式为上三角矩阵，以及分块三角矩阵，因此，在对能谱进行修正时，可直接根据电荷转移矩阵的逆矩阵形式准确求解初始电荷量矩阵X，不需要根据经验值估计初始电荷量。122211111122111(1)(1)(1)(1)(1)(1)0nnnnnnnnnnjinjjinninCCCCA
106航天返回与遥感2020年第41卷同。以图3为例，使用滑窗遍历CCD所有像素，挑选出中心像素超过噪声阈值的事件，此时中心像素对应滑窗内的数值47，若该中心像素电荷垂直向下扩散，即数值423位置处具有有效的信号，则将47、423相加得470，若该中心像素发生事件5中第一种扩散情况，即数值3、5、23位置处具有有效的信号，则将47、3、5、23相加得79，可看出由于任意电荷扩散情况下，具有信号的像素对应滑窗内数值相加的和均不同，因此可通过该方法判断分裂事件的类别。图1扩散半径概率分布图Fig.1Probabilitydistributionofdiffusionradius图2分裂事件类别Fig.2Chargediffusion图3分裂事件类别判断Fig.3Chargediffusionjudgement（2）电荷转移逆矩阵法电荷转移矩阵模型如式（12），在上一节中已建立好的电荷转移三阶段的数学模型可以分别表示成矩阵A、B、C形式，这三个矩阵可以直接建立起初始像素电荷量矩阵与电荷转移后像素电荷量矩阵间的关系，Y=ABXC，其中X为未经电荷转移各像素初始电荷量的矩阵，Y为经过电荷转移损失后各像素剩余电荷量的矩阵。由于三个电荷转移矩阵A、B、C的形式为上三角矩阵，以及分块三角矩阵，因此，在对能谱进行修正时，可直接根据电荷转移矩阵的逆矩阵形式准确求解初始电荷量矩阵X，不需要根据经验值估计初始电荷量。122211111122111(1)(1)(1)(1)(1)(1)0nnnnnnnnnnjinjjinninCCCCA
【参考文献】：
期刊论文
[1]爱因斯坦探针探测keV能段暗物质信号的展望[J]. 李志远. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2018(03)
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[3]帧转移型面阵CCD成像模型与仿真[J]. 丁国歌,杨世植,崔生成. 大气与环境光学学报. 2013(03)
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[5]空间辐射对CCD器件电荷转移效率的影响分析[J]. 侯睿,赵尚弘,幺周石,胥杰,吴继礼. 半导体光电. 2012(01)
[6]世界空间高能天文发展展望[J]. 张双南. 国际太空. 2009(12)
[7]CCD成像模型及仿真系统研究[J]. 董龙,李涛. 系统仿真学报. 2009(14)
[8]线阵CCD成像仿真研究[J]. 董龙,李涛. 航天返回与遥感. 2008(01)
博士论文
[1]CCD型X射线探测器性能研究[D]. 杨彦佶.吉林大学 2014
[2]X射线探测器响应机制及应用建模技术[D]. 李哲.成都理工大学 2013
硕士论文
[1]高分辨太阳软X射线CCD传感器系统设计与实现[D]. 郝玉婷.中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心) 2015
本文编号：3090724
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