Vernier陽極探測器及其電子讀出電路的設計

摘 要:介紹基于一維游標陽極的紫外單光子計數成像探測系統及其信號預處理電路的原理，重點設計和制作了一維游標陽極探測器的前端電子讀出電路，用以探測脈寬100~200 ms，電荷量為1~20 pc的脈沖。通過使用自己實驗室搭建的單光子計數成像系統對電子讀出電路進行了測試。測試結果表明，電子讀出電路能夠滿足探測系統的成像要求，并在實驗中利用電路對掩膜板成像，成功獲得了灰度圖像。

關鍵詞:紫外探測器; 游標陽極; 光子計數; 信號處理電路

中圖分類號:TN23 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)09-0123-03

Design of Vernier Anode Detector and Its Electronic Readout Circuit

LI Mei1，2， ZHAO Bao-sheng1， YANG Hao1，2， YAN Qiu-rong1， ZHU Xiang-ping1， LIU Yong-an1

(1. State Key Lab. of Transient Optics and Photonics， Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics， Chinese Academy of Sciences， Xi’an 710119， China;

2. Graduate University， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100039， China)

Abstract: The ultraviolet single photon counting imaging system based on one-dimensional vernier anode and priciple of its electronic readout circuit are introduced. A six-channel circuit its designed to detect the pulse of 100~200 ms and the charge of 1~20 pc. The experimental system was established in the laboratory and the electronic readout circuit tested. The result shows that the performance of the electronic readout circuit can satisfy the requirement of the detector system.

Keywords: ultraviolet detector; vernier anode; photon counting; signal processing circuit

0 引 言

紫外探測技術是繼紅外和激光探測技術之后發展起來的又一軍民兩用光電探測技術[1]。早在20世紀50年代，人們就開始了對紫外探測技術的研究。EUV探測器是利用30.4 nm波長的極紫外成像技術對地球等離子體層成像，可以得到地球周圍整個磁層的分布，用來進行空間環境探測和研究太陽擾動期間的變化。2007年10月24日，我國“嫦娥”一號衛星成功發射，標志著我國進入具有深空探測能力的國家行列。目前，“嫦娥探月計劃”二期工程中開展月基地球等離子體層EUV成像實驗，研究地球空間環境變化，為災害性環境變化提供觀測數據。

本課題組對極紫外成像探測系統進行了技術研究，并在陽極設計和電路信號處理方面取得了較好的成績。

1 Vernier陽極探測器的結構

陽極探測器[2-3]按照位置敏感方式可分為兩種:一種是單元型，如MAMA型;一種是連續性，如電阻陽極、WSA[4]、Delay-line、Vernier等。其中Vernier陽極相比于其他陽極具有較高的光子計數率和位置分辨率，因此，本文主要介紹Vernier陽極。

陽極探測器主要由光陰極、MCP、位敏陽極和電子讀出電路組成。陽極探測器基本結構示意圖如圖1所示。單光子光源通過輸入窗口到達光電陰極產生電子，再通過V型級聯的MCP倍增產生電子云，在加速電場作用下到達Vernier陽極，形成多路的電子脈沖。多路信號通過電子讀出電路[5]處理后，經軟件解碼形成灰度圖像。

圖1 Vernier探測器組成結構圖

用來收集電子云的陽極面板結構如圖2所示，共有6個電極收集電荷，它們之間相互絕緣。在橫向，每個電極的面積按正弦變化，且它們之間相差120°，正弦曲線的相位隨著橫向線性變化。每個電極上收集到的電荷量大小Q也隨位置按正弦變化，且電荷量Q正比于收集電荷的電極面積SQ，由于正弦曲線波長遠大于電極寬度，在電子云覆蓋的每個電極面積內，使得電子云質心位置與電極寬度成正比，因此可以得到電極上質心位置的相位值θ，通過θ值可以得到橫坐標x值，當兩組電極的x值相同，就可以得到光子在陽極面板上的坐標位置[6，7]。

圖2 Vernier陽極面板結構

2 Vernier陽極電子讀出電路設計

電子讀出電路主要由電荷靈敏前置放大器、濾波整形放大電路及峰值保持電路組成[8]。電荷靈敏前置放大器主要用于將陽極輸出的信號轉換為電壓信號;濾波整形電路是使信號的形狀滿足準高斯波形，以滿足后續處理的需要及提高信號的信噪比;峰值保持電路是將信號的峰值展寬，以提高獲得的峰值準確率[9，10]。結構框圖見圖3。

圖3 電子讀出電路原理框圖

在前置放大電路中，為了提高輸入阻抗和降低噪聲，采用了低噪音的結型場效應管作為電荷靈敏前置放大器的輸入級，例如2SK152，2N4416。反饋的電阻、電容設為Rf=500 MΩ，Cf=1 pF，所以τ=500×106×10-12=500 μs，輸出波形的尾部較長，容易產生脈沖堆積。為了提高計數率，需要進行CR微分處理，如圖4所示。它的傳遞函數為H(S)=s+1/τ1s+1/τ2，式中τ1=R6KC，τ2=R6R8R6+R8C5，在設計中，τ1=τ時達到極零相消的目的。圖4中C5=1 000 pF，R6=1 MΩ，W2=50 kΩ，入射到系統的不同光子速率對積分時間有不同的要求。選擇不同的R8值可得到不同的積分時間。在C=1 000 pF條件下，當τ2=1 μs時，R8=1 kΩ;當τ2=2 μs時，R8=2 kΩ;當τ2=10 μs時，R8=10 kΩ。實際電路中用跳線來實現對R8的選擇。

經極零相消電路輸出的波形還不能直接采樣電路，必須改善它的波形。為了滿足采集卡對信號波形的需要，提高信號噪聲比，準確得到脈沖峰值數據，需要進一步對信號進行濾波整形處理。通過最佳濾波器的討論可知，對稱無限寬尖頂脈沖具有最佳的信噪比，且高斯波形具有以上的特征，脈沖頂部比較平坦，所以脈沖的成型一般以高斯型或準高斯型為波形形狀，采用圖5所示的電路結構，使用兩級有源低通濾波器。在C=1 000 pF下，對不同積分時間取值，當τ2=1 μs時;當R=1 kΩ，當τ2=2 μs時，R=2 kΩ;當τ2=10 μs時，R=10 kΩ。同樣R用跳線來實現取值。

圖4 極零相消電路原理圖

圖5 濾波成型電路原理圖

峰值保持電路基本原理如圖6所示。當輸入信號比閾值大時，比較器1輸出高電平觸發觸發器1輸出Q為高電平，觸發器2輸出Q為高電平，去控制LF398的邏輯電平，使LF398處于采用狀態。

圖6 峰值保持電路原理圖

當信號到達峰值時，比較器2輸出高電平，使與門電路輸出低電平，這時LF398處于保持狀態，進而對信號峰值進行保持。控制電路主要由兩級單穩態完成，當比較器1輸出高電平時，上升沿觸發1級單穩態，輸出的暫穩時間可通過外接電阻調節時間長短。暫穩態的下降沿觸發2級單穩態，輸出的高電平觸發模擬開關，使LF398的保持電壓電容迅速放電。

3 結 論

測試電路時，將電路接入本課題組自己搭建的紫外單光子計數成像系統中，用Tek DPO 4104示波器觀察每路電路的輸出波形，滿足準高斯分布，并使用系統對4孔掩模板成像。圖7(a)為4孔掩模板實物圖，各孔之間的距離分別是7 mm，9 mm，15 mm，孔徑約為2 mm。實驗條件:光源用的是低壓汞燈，兩塊MCP加電壓2 280 V，MCP與陽極間加電壓300 V，兩塊MCP的間距為50 μm，MCP與陽極間距為15 mm。在真空度達到1.0×10-4 Pa時，把陽極輸出的脈沖信號連接到電子讀出電路。本次實驗使用的電路參數為:前置放大器的靈敏度A=1 V/pc，脈沖整形時間為2 μs，電壓放大倍數為4倍，用示波器測量脈沖輸出的脈沖半峰全寬為5 μs，電壓幅度滿足采集卡的量程為0~10 V。經采集卡采集電壓峰值，軟件解碼后得到的灰度圖像如圖7(b)所示，可以看出所得圖像與實物一致。

圖7 實驗結果

4 結 語

設計了一種Vernier陽極探測器的信號處理電路，用該電路處理的信號電壓幅度、信噪比達到了陽極探測器的設計要求。通過對所設計的電路進行實驗測試，能夠滿足單光子探測成像系統的需求，驗證了電子讀出電路的可行性。

參考文獻

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