成像探測器

是以成像為基礎的觀察 、記錄粒子的裝置 ，對於成像探測器，空間解析度是探測器的重要指標，成像探測器廣泛套用於深空探測 、生物微弱發光和環境輻射檢測等領域。

基本介紹

• 中文名：成像探測器
• 外文名：imaging detector
• 拼音：chéng xiàng tàn cè qì
• 性能指標：解析度 成像性能
• 用途：探測 採集圖像
• 重要指標：空間解析度

成像探測器的性能

探測器的空間解析度

以往的實驗測試中曾將解析度板緊貼MCP的輸入面,以這種方式測得的解析度可以達到100μm。這裡主要測試Au陰極對系統性能的影響已無法將解析度板與MCP輸入面緊貼,無Au陰極時解析度板與MCP輸入面間有一距離為80μm。未加Au陰極時解析度板的光子計數成像結果，加Au陰極後實驗系統的解析度板光子計數成像結果。測試條件為MCP工作電壓為1750V,兩MCP間距為80μm,加速電壓為300V,加Au陰極時陰極電壓為200V。可見,未加Au陰極時,系統的解析度優於150μm,加Au陰極後解析度優於75μm,加Au陰極後系統的解析度明顯提高。這與MCP的增益性能有關,由圖3中MCP的PHD曲線分布可見,未加Au陰極時,大部分有效的光子計數和暗計數及噪聲信號疊加在一起,不利於有效光子信號的提取。加Au陰極後,有效光子計數向高增益方向偏移,可以通過設定閾值電壓將低增益部分暗計數及噪聲和有效光子計數區分開。另外,未加Au陰極時紫外光子透過解析度測試板到達MCP的輸入面,由於解析度測試板和MCP輸入面間距離80μm,在這過程中光子會出現散射,而陰極電場是無法對光子進行聚焦的。加Au陰極後,光電轉換後出射的電子雖然距MCP輸入面有200μm的距離,但產生的光電子是在陰極電場的聚焦作用下進入MCP通道進行倍增的。這也在一定程度上影響了實驗系統在兩種情況下的解析度性能差異。

不同光強條件下探測器的成像性能

高計數率時光子計數成像系統的解析度會下降,這主要是由於MCP的增益下降和光子計數的脈衝堆積造成的。加Au陰極後,不同光強條件下系統的光子計數成像結果所示。實驗測試條件為MCP工作電壓為1800V,陰極電壓為200V,採集閾值為1.5～7.5V,採集時間為5min。,隨著計數率的增加,圖像的解析度性能逐漸變差。當計數率提高到13.5kHz時,系統的解析度下降為150μm,此時和未加Au陰極時的最好解析度相當。而未加Au陰極時,當計數率最高達到3.9kHz時,解析度即下降為250μm。由此可見,加Au陰極後系統的最高計數率得到了有效提高。

檢測成像探測器的性能

概述

基於微通道板(MCP)和陽極讀出的光子計數成像探測器已被廣泛套用於深空探測、生物微弱發光和環境輻射檢測等領域,該類探測器主要由光陰極、MCP和位敏陽極構成。位敏陽極又包括電阻陽極、楔條形陽極(WSA)、游標陽極、交叉條紋陽極和延遲線等。探測器中光陰極的作用是將入射光子轉換為電子,在100～300nm的紫外波段,一般採用的光電陰極為鹼金屬鹵化物或碲化物光陰極,如Cs2Te,Rb2Te等。在模擬實驗中,採用汞燈發出的253.7nm的光作為紫外光源,並採用裸MCP直接進行光電轉換和電子倍增。由於MCP對253.7nm處的紫外光量子效率極低,為了提高系統的探測效率和性能,需要採用量子效率較高的光電陰極。為研究光陰極對系統性能的影響,此次實驗採用透射式Au陰極。這是因為Au的功函式為4.2eV左右,同實驗中所用中心波長253.7nm的紫外光源(對應光子能量為4.9eV)非常匹配;另外,Au陰極的製作和實驗操作也均比較簡單。

實驗中採用厚度為15nm的透射式Au陰極,研究表明15nm厚的Au薄膜在257nm處的量子效率約為0.01%,該波長與實驗採用的253.7nm紫外光源較接近,所以對Au陰極在253.7nm處的量子效率不再做過多的研究,這裡主要研究Au陰極對光子計數成像系統性能的影響。這些將有助於進一步最佳化探測器的結構和提高探測器的性能,為下一步製作量子效率更高的陰極奠定一定的實驗基礎,同時也將為其他基於MCP的探測器提供理論和實踐上的參考。

實驗方法

Au陰極的製作

實驗中將Au陰極製作在解析度測試板上。首先在石英基底上蒸鍍一層300nm厚的金屬薄膜並光刻出解析度測試圖形,然後在該解析度板上再蒸鍍一層厚度為15nm的Au薄膜。

實驗裝置

感應讀出式紫外光子計數成像探測器的結構,該系統主要由紫外光源、減光片和濾光片、MCP、Ge薄膜及其襯底、WSA陽極、放大電路和數據採集處理系統構成,其中MCP、Ge薄膜及其襯底和WSA陽極位於真空室內。未蒸鍍Au陰極時,解析度測試板近貼於MCP的輸入面且和MCP輸入面間距為80μm。蒸鍍Au陰極後,Au陰極和MCP輸入面間距為0.2mm並加一陰極電壓。兩者工作過程的主要區別是在光電轉換部分:未加光陰極時,經過減光和濾光後的紫外光通過解析度測試板入射到MCP,光子在MCP輸入面產生外光電效應並發射光電子;蒸鍍Au陰極後,紫外光由蒸鍍在解析度測試板上的Au陰極進行光電轉換並發射光電子,然後光電子經電場加速入射到MCP。進入MCP後的光電子在MCP內產生二次電子倍增,MCP倍增後輸出的電荷轟擊呈高阻特性的半導體Ge薄膜,通過電荷感應由Ge膜襯底背面的WSA位敏陽極收集;位敏陽極接收的電荷信號經過電荷靈敏前置放大器、整形放大器後由計算機進行數據採集和處理,最後得到不同位置的光子計數圖像。

實驗結果和分析

MCP的增益性能

MCP的作用是實現電子倍增,它的增益特性對光子計數成像系統的性能影響較大,曾對未加陰極時MCP的增益特性進行了研究,這裡主要研究Au陰極對MCP增益性能的影響。

相同陰極電壓不同MCP工作電壓時MCP的增益性能

實驗測試得到的無Au陰極時MCP在不同工作電壓時的脈衝高度分布曲線(PHD),加Au陰極後MCP的PHD曲線。實驗採用的MCP孔徑為25μm,長徑比為40∶1,兩MCP間距為80μm。測試條件為MCP和Ge層間加速電壓為300V,Au陰極和MCP輸入面間距為0.2mm,陰極電壓為200V。,未加Au陰極時MCP的PHD曲線分布形狀基本不變,隨著工作電壓的增加曲線峰值逐漸下降並向高增益方向偏移。PHD曲線的半峰全寬(FWHM)逐漸加寬,但始終低增益幅度部分的計數個數占多數,峰值向高增益方向偏移不明顯。由於增益飽和效應MCP的PHD曲線呈準高斯型分布。隨MCP工作電壓的增加,PHD曲線的峰值變低並向高增益方向偏移,曲線的FWHM逐漸加寬。這樣便於選擇一個適當的閾值電壓以減小低幅值噪聲脈衝的影響,也即提高了探測器的信噪比。相關研究表明,隨著MCP增益的提高,PHD曲線的FWHM(%)逐漸減小。對於光子計數成像系統,需要MCP的PHD曲線分布峰值處增益較高且FWHM(%)較小,這樣不僅有利於區分低幅值噪聲和有效的光子事件,還可以適當減小對位置解碼電路的動態範圍要求。

相同MCP工作電壓時不同陰極電壓的MCP增益性能

MCP工作電壓不變,不同陰極電壓時測試得到的MCP的PHD曲線分布。實驗測試條件:MCP工作電壓為1700V,MCP和Ge層間加速電壓為300V。當Au陰極電壓相對於MCP輸入面電壓為0時,由於沒有加速電場,經Au陰極光電轉換後發射的光電子不能完全到達MCP輸入面並倍增,此時的PHD曲線呈負指數型。加上陰極電壓後,光電轉換髮出的光電子能夠順利到達MCP,PHD曲線呈高斯型分布,隨陰極電壓的不斷提高,PHD曲線峰值向高增益方向移動,FWHM逐漸加寬。這主要是由於陰極電壓的增加提高了光電子進入MCP通道時的能量,從而在MCP增益不變的情況下曲線峰值向高增益方向偏移。另外,在成像性能測試中發現:隨著陰極電壓從0增加到100V,系統的解析度逐漸提高,這可能是由於轟擊MCP的電子能量提高以及聚焦效果逐漸增強造成的。繼續增加陰極電壓,當陰極電壓從200V增加到400V時,系統的解析度逐漸下降。這可能是由於隨著轟擊MCP的電子能量提高,產生的二次電子被解析度板排斥回MCP通道,所以降低了解析度性能。實驗發現,陰極與MCP輸入面電壓為200V左右(也即1V/μm)時系統成像性能較好。

暗計數的PHD曲線及其與光子計數PHD曲線的對比

MCP產生暗計數的可能因素主要有製作MCP的玻璃中K的β衰減,離子衰減,通道壁吸附氣體和場發射等因素,還可能是MCP污染或損壞造成的熱點發射。加Au陰極前後不同MCP電壓時暗計數的PHD曲線以及暗計數和光子計數的PHD曲線對比。實驗測試條件為兩塊MCP工作電壓為1700V,加速電壓為300V,加Au陰極後陰極電壓為200V。暗計數的PHD曲線均呈負指數分布。實驗測試得到未加Au陰極時的暗計數率為0.3/(cm·s),加Au陰極後的暗計數率為0./(m·s)。可見,系統的暗計數並沒因陰極的熱噪聲而增加,這樣也表明由15nm的Au陰極產生的熱噪聲對系統的影響可以忽略。暗計數幾乎不變的另一可能原因是由於探測器放置於密閉的真空室中,關閉光源後基本無其他外界輻射,採集到的主要還是MCP本身的暗計數。

對於光子計數和暗計數的比較,未加Au陰極時,光子計數在低增益部分較多,不易區分有效的光子計數和暗計數。加Au陰極後,光子計數的PHD曲線呈準高斯型，隨著增益的提高,光子計數的PHD曲線峰值向高增益方向移動,暗計數對光子計數的成像性能影響越來越小。所以,應儘量提高MCP的增益,使光子計數的PHD曲線峰值向高增益方向偏移,這樣便可儘量減小暗計數對探測器成像性能的影響,提高系統的整體性能。

成像探測器性能測試

空間解析度測試

對於成像探測器，空間解析度是探測器的重要指標，使用紫外燈為目標源，將USAF1951空間解析度測試模板圖像經平行光管投影在探測器輸入面上進行測試，直接採集螢光屏上的圖像，對探測器的空間解析度進行測試，測試結果顯示探測器解析度優於120_μm，

輸出均勻性測試

輸出均勻性是指在均勻入射源照射下，探測器輸出圖像灰度的均勻性．本文探測器提取螢光屏圖像的灰度信息，間接測試目標源的均勻性及強度分布．影響其測試準確度的因素包括：探測器增益的均勻性，光錐傳輸的均勻性以及螢光屏的發光均勻性．該探測器輸出的不均勻性會在測試過程中引入測試誤差．

為評價該探測器的精確度，對探測器的輸出均勻性進行實驗測試．實驗使用均勻紫外光源照射探測器輸入面，對螢光屏上的灰度圖像進行採集，之後將採集到的圖像按不同直徑進行分割，由軟體測得測試圖像不同半徑區域內的灰度平均值，並對測試結果進行對比，測試結果如圖4_．測試結果顯示灰度等級偏差小於3%，即熱離子探測器不同位置處均勻性優於97_%，根據此測試結果可知，該探測器測試誤差小於3%．

輸入與輸出的線性偏差測試

使用該探測器對目標源進行測試必須滿足輸出與輸入的線性變化關係，即當目標源強度線性變化時，輸出圖像的灰度平均值也相應的線性變化．否則，探測器不能反映目標源的真實信息．輸入輸出的線性關係取決與探測器的線性增益範圍和螢光屏發光強度的線性範圍．線性關係越好，測試誤差也越準確_．實驗採用均勻的紫外光源照射探測器入射端，在光源端增加不同數量的減光片得到強度線性變化的入射光，依次記錄入射光功率，採集探測器輸出灰度圖像，並用軟體計算不同數量減光片時相應的輸出圖像的灰度平均值，實驗測得該探測器的輸入輸出正比性結果為：該探測器輸入輸出正比性偏差小於±_4%．實驗表明：在探測器未飽和前，該探測器的輸入與輸出具有較好的線性關係．當目標源束流強度太高導致探測器過早進入飽和狀態，即使此時探測器的輸入線性增強，輸出圖像的灰度值也不會變化，此情況下探測器輸入與輸出不再保持線性變化關係，不能對目標源進行定量分析．

非均勻離子源測試

為反映該探測器對非均勻目標源的測試能力，本文以電離真空計做為非均勻離子源，分別使用電離真空計的正常工作模式和去氣模式對探測器進行對比實驗．實驗結果顯示：當其他實驗條件不變，只切換真空計的兩種工作模式時，真空計逸出的離子流量差異很大．正常工作模式下，有少量離子逸出真空計，被探測器接收，如圖8_．而在去氣模式下，大量離子逸出真空計，探測器輸出圖像中間大片區域灰度值已經飽和．

成像探測器套用

空間熱離子成像探測器

空間熱離子是指能量幾十電子伏特以下的低能離子，其廣泛存在於地球電離層中．電離層是太陽劇烈活動引起災害性空間天氣的主要發生區域，對人類航天活動的安全及導航、通信系統的正常運行有著重要影響．因此，電離層探測一直是國內外空間探測的研究熱點．近年來，國外實施的以電離層為主要探測目標的探測計畫有美國的國防衛星計（DefenceMeteorological　Satellite　Program，DMSP），通信/導航故障預報系統（Communications/Navigation　OutageForecasting　System，C/NOFS）計畫，以及2013年發射的S_WARM探測衛星．其中：DS_MP衛星系列搭載有離子漂移計和能量粒子探測器，為研究極區電離層電漿對流和低緯電離層漂移以及極光粒子沉降提供了極為寶貴而豐富的長期觀測資料．C/N_OFS計畫中每顆衛星均搭載數台離子探測儀，通過對低緯度電離層進行監測實現對電離層大氣閃爍的預報．SWARM探測衛星搭載有電場儀，可對離子流進行三維成像探測，用於研究電離層電場特性．在這些電離層探測計畫中，熱離子均是重點探測要素之一．而我國對電離層的探測研究也在不斷深入，其中用於電離層監測的電磁探測小衛星預計2016年發射_．未來的探測計畫包括已列入空間科學先導專項的“磁層一電離層一熱層耦合小衛星星座探測計畫”．這一系列科研計畫的實施對提高我國熱離子探測研究的地位，使我國的空間科學進入國際最先進的行列具有非常重要的意義．熱離子探測研究的重點是對離子流進行三維成像探測，對比不同空間天氣條件下各能量段離子流運動狀態的變化，進而為相關科學問題進行服務．為使探測器具有成像探測能力，並具有較大的探測面積．離子－電子轉換型探測器為基礎，研製出一種用於熱離子、紫外線、X射線等多種目標源的成像探測器_．配合離子光學系統，該探測器具有一定的能量分辨能力，可對目標源中不同能量段的離子流進行相對強度分析．對單一能量目標源，該探測器可對目標源束流的形狀、均勻性進行測試分析．

熱離子成像原理

熱離子成像儀由前端的離子光學系統和後端的成像探測器組成．，兩個同心的球狀偏轉柵網所加電壓分別為V₀、V₁，在柵網之間形成一個偏轉電場，離子流進入該電場區域後在電場力的作用下發生偏轉，其中具有較高能量的離子將偏向探測器輸入端的邊緣，反之則偏向探測器輸入端的中心．假設一質量為m，帶電量為q，速度為v的離子沿水平方向飛入偏轉電場（場強為E），該離子在偏轉電場中的渡越時間為t，經理論計算，該離子最終運行到偏離探測器中心距離X的位置解出_．的離子流組成時，探測器輸入端的特定區域將接收到確定能量段的離子流．，主要包括離子通道、偏轉柵網及探測器．探測器輸入端為離子_－電子轉換器，後接光錐組件（包括螢光屏與CCD相機）．像增強器與CCD耦合一般採用成像物鏡或者光錐做為中繼元件．由於光錐與CCD耦合效率高、體積小、重量輕，本文採用光錐做為中繼元件與CCD進行耦合_．在探測器輸入端，本文將螢光屏直接製作在光錐輸入端以提高耦合效率．當探測器輸入端有離子流入射時，經過離子_－電子轉換產生的電子流在高電壓加速下轟擊螢光屏使螢光屏發光．在螢光屏上得到一副目標源的灰度圖像，該圖像由光錐傳輸至光錐輸出端，由CCD進行採集，該灰度圖像即為探測器的輸出．在探測器的線性回響範圍內，探測器輸出圖像某位置的灰度值可表征探測器入射端相應位置接收到的離子流強度．通過處理軟體保存並計算該灰度圖像各像素點的灰度值，可獲得離子流的相對流強分布

三維成像探測器

CCD成像器件的出現,導致了光電成像技術在包括人們日常生活在內的諸多領域的廣泛套用。雖然如此,目前的CCD技術水平尚不能滿足許多高端套用領域對成像器件的技術要求,這些套用領域包括:目標探測、軍事偵察、地形測繪、資源勘查、自適應光學、高能物理、高能天文、生物醫學成像等。這些套用領域對成像器件提出的高要求可概括為兩個主要方面,即要求它們具有更高的探測靈敏度和更高的時間解析度。高的探測靈敏度是為了實現對微弱發光目標或遠距離目標的成像。探測靈敏度的極限是單光子,因此,人們希望成像器件的每個像元都具有單光子探測能力;高的時間解析度是為了實現對目標的三維探測,即除了獲得目標的方位角和俯仰角之外,還獲得目標距離信息(稱之為角度-angle-anglerange,AAR)。對於常用的飛行時間(timeofflight,TOF)測距而言,毫米級的測距精度要求探測器具有皮秒級的時間分辨能力。除了上述兩個要求外,對於一個能實用化的成像探測器件,還對其體積、重量、功耗、牢固性、可靠性以及大規模生產的可能性有相應的要求。下面將要介紹的一種蓋革模式雪崩二極體陣列探測器件(Geiger-modeavalanchephotodiodes,G-APD陣列),就是為了滿足上述各種要求而發展起來的一種新型的光電成像探測器件。1　G-APD陣列探測技術在目前所用的諸多種類的光電探測器中,具有單光子探測能力的主要有兩種,即光電倍增管(photomultipliertube,PMT)和G-APD。其中,PMT是一種電真空器件,依靠其內部的多個電子倍增極所產生的極高增益而獲得單光子探測靈敏度;G-PD則是一種處於蓋革工作方式的APD固體器件,依靠處於擊穿狀態的雪崩過程獲得單光子探測靈敏度。顯然,在上述兩種分立單光子探測器的基礎上構建單光子探測器陣列是很自然的辦法。但是,PMT存在體積龐大、結構複雜、堅固性差和需由電真空工藝製造等缺點,不適於構建陣列器件。而GD則是一種全固態的具有單光子探測能力的器件,其諸多優點都有利於構建陣列器件。因此,在上世紀90年代,當分立G-APD技術逐漸成熟後,對G-還處在快速發展之中。從分立G-APD器件發展到G-APD陣列探測器,需要解決兩類主要的技術問題:G-APD的集成和G-APD與相應電路的集成。為解決G-APD探測像元的集成問題,發展出一種平面結構的G-D。這種結構與傳統結構的不同主要有兩點,即P-N結區更薄和可採用藝complementarymetal-oxide-semiconductor,CMOS)製造。P-N結厚度降低有利於降低器件的工作電壓和提高時間分辨能力;而採用與半導體積體電路兼容的加工工藝則有利於實現探測器像元器件和相應電路的集成。對於G-應電路的集成技術,最好當然是採用單片集成工藝,即將組成陣列的探測器和電子電路在同一基片上同時加工完成。但是,由於探測器和電子電路是特性很不同的兩類器件,兩者雖然可用同類工藝加工,但加工的技術要求很不相同。因此,簡單地採用單片工藝可能會降低兩者或兩者之一的技術性能。這種狀況,使得目前並行採用著兩種探測器與電路的集成技術,即混合集成和單片集成。

混合集成G-APD陣列

這是美國林肯實驗室的研究者所提出並採用的一種技術,稱之為橋接集成技術。這種技術是先在兩塊獨立的基片上按統一的設計要求分別加工出G-APD陣列和相應的電路陣列,然後再將兩者利用橋接的方法集成起來。由於探測器和電路可以按各自的技術要求製造,故可保證兩者技術性能的發揮。橋接的處理是先將加工好的探測器陣列和電路陣列面對面連線,再將探測器陣列的基底用電化學方法腐蝕掉(便於探測器工作於背面照射方式),然後將各電路的接頭部分刻蝕出來,最後將露出的電路接頭和探測器接頭通過定位金屬連線方式分別連線。現以林肯實驗室開發的一種32×32陣列Si基G-APD為例,說明該技術的實際狀況。由於該陣列探測器設計為用於微弱光目標的AAR三維成像,故各像元電路的功能僅為測量光子的到達時間。其中,G-APD的每個像元都採用平面結構。像元光敏面尺寸30μm～50μm,像元間距約100μm。每個像元都有相應的電路單元,這種電路單元是一種數字計時器,具有類似於秒表的功能;每個像元的計數器都按規定的程式對公共的時鐘脈衝計數,一旦有單光子入射某像元,該像元探測器輸出的雪崩電流脈衝將終止相應計數器單元的計數,並將結果保存,供讀出用。圖1a是該32×

單片集成G-APD陣列

這種技術主要由瑞士洛桑工大和義大利米蘭工大等機構的研究者所採用。它是在現有的先進半導體生產加工技術的基礎上,通過特殊的工藝設計,製造一體化的G-APD陣列探測器。顯然,該技術在擴大探測器陣列規模和降低器件的製造成本方面具有優勢,但此技術只適用於製作Si基的G-PD陣列。對於為擴展器件的工作波長而採用非Si基半導體材料時,就只能採用上述的混合集成技術。現以瑞士洛桑工大開發的32×32陣列Si基G-APD探測器為例,說明該技術的實際狀況。,則是其中單個像元的顯微照片(左邊是G-APD像元,右邊是相應的像元電路)。本探測器像元中G電路被作為一個整體,採用0.8μm的CMOS工藝同時加工完成。由於G-APD採用了特殊的結構設計和特殊的工藝過程,使之能承受高的反向偏置電壓。探測像元光敏面的直徑為38μm,像元間隔58μm。本探測器陣列需要-25.5V和5V兩組電源,前者加在G-APD陽極,後者加在G-APD陰極,使G-PD處於30.5V的反向偏置,過剩電壓(即反向偏置電壓與擊穿電壓之差)V_e≈5V。由於所採用的0.8μmCMOS工藝的限制,使本陣列探測器的像元電路不能太複雜,使探測器的讀出只能採用串列方式,限制了幀頻的提高。同一小組的研究者最近報導了一種採用0.35μmCMOS技術製造的G-APD陣列,就能採用較為複雜的像元電路,實現了陣列探測器的並行讀出,大大提高了使用幀頻。