光子計數成像探測器位置讀出電路的設計

韓振偉 宋克非 陳波 張宏吉 何玲平 劉陽

摘要

空間科學領域廣泛應用基于微通道板的光子計數成像探測器對目標進行成像觀測。本文主要研究了低噪聲電荷放大技術，脈沖信號準高斯整形技術，給出了電荷靈敏放大器和整形電路設計方案，并且計算了電荷靈敏放大器的響應時間和整形電路時間常數。

【關鍵詞】光子計數 電荷靈敏放大器 整形電路

1引言

光子計數成像探測技術在監測太陽活動變化、空間環境變化、大氣和海洋環境變化、紫外預警發揮了重要的作用。X射線脈沖星導航技術可以探測來自于宇宙空間脈沖星發出的微弱X射線輻射，為深空飛行導航;紫外預警技術可與微波、紅外預警等技術相結合建立完整的預警體系;遠紫外輻射成像測量技術可以有效準確監測全球電離層分布，對全球導航衛星系統具有重要意義。

2光子計數成像探測器工作原理

基于微通道板的光子計數探測器主要包括入射窗口、光電轉換陰極、微通道板級聯堆、位置敏感陽極和相應的位置讀出電路。光子計數探測器的工作原理為：光子經過光學成像系統到達微通道板前表面的光電陰極，光子轉換成光電子，光電子加速撞擊到微通道板的通道內壁，實現電子倍增，在微通道板輸出端形成約105-107個電子的電子云。電子云通過電容耦合感應到陽極，輸出至電荷靈敏放大器和整形電路。

微通道板是一種高空間分辨和高時間分辨率的電子倍增器件，在離子、電子、紫外波段和X射線波段等探測領域具有廣泛應用。微通道板通常由成千上萬個微通道構成，這些微通道等效為一個具有連續打拿極的光電倍增管探測器，來實現電子倍增功能。從微通道板發射出來的電子云利用位置敏感陽極來獲得感應電荷。位置敏感陽極通過位置編碼算法，來獲取電子云質心位置的信息。

3位置讀出電路方案設計與分析

光子計數成像探測器位置讀出電路包括電荷靈敏放大器和整形電路兩部分，其響應時間由電荷靈敏放大器的響應時間和整形電路的時間常數決定，位置敏感陽極讀出電路的噪聲斜率由電荷靈敏放大器的噪聲性能和整形電路的噪聲性能決定。

3.1電荷靈敏放大器

電荷靈敏放大器采用具有場效應管輸入的結構方案，JFET等效輸入噪聲為6nV/Hz，等效輸入電容Cin為lOpF，跨導gm為5mA/V，漏極電阻Rd為750Ω。運算放大器選用低噪聲高速放大器，等效輸入噪聲1.6nV/Hz，壓擺率為lOOV/us，帶寬為100MHz。開環增益A=60do，時間常數x=l.6Xl0。6S。反饋電容Cf為3pf，反饋電阻100M。電荷靈敏放大電路原理圖如圖1所示。

經過計算可知，當微通道板增益為105-107時，電荷靈敏放大器輸出為16mv-1.6v。當探測器陽極電容CD為200p時，前置放大器等效輸入噪聲為1.9mV電荷放大器的上升時間為66ns。

3.2整形電路

電荷靈敏放大器輸出的脈沖信號，經過兩級整形網絡變成具有一定寬度的準高斯脈沖信號。整形電路采用兩級整形，原理圖如圖2所示。運算放大器選用低噪聲高速放大器，等效輸入噪聲1.6nV/Hz，壓擺率為lOOV/us，帶寬為100MHz。

電荷靈敏放大器輸出信號是隨時間按指數下降的信號，為了滿足后續電路的要求，需對信號進行整形處理。整形時間常數選取0.2Us，由此可得出圖2中L1=70uH，C1=560pF， R4=820Ω， L2=30uH，C2=510pF， R5=470Q。

4結束語

本文給出了電荷靈敏放大器和整形電路的設計方案以及參數。光子計數成像探測系統的高空間分辨率特性，制約因素主要是在于位置讀出電路噪聲要低于前端探測器的噪聲;探測系統的高動態范圍特性，制約因素主要是在于讀出電路的響應速度。

參考文獻

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