眾所周知,地球周圍的電離層對人類的通訊導航、航空航天、軍事活動等均有重要影響。目前,紫外光譜成像技術是國外研究電離層最常用的手段之一,而基于微通道板(MCP)的位敏陽極光子計數(shù)成像探測器則是實現(xiàn)這一技術必不可少的工具。本文根據(jù)遠紫外電離層臨邊成像光譜儀對所用探測器的要求,研制出基于MCP及楔條型陽極(Wedge-stripe anode,WSA)的遠紫外(Far ultraviolet,FUV)波段感應電荷光子計數(shù)密封管成像探測器,該探測器由密封管體、位于管體外部的WSA、位置讀出電路及相應的圖像實時采集和處理軟件等幾部分組成。密封管則是由氟化鎂(MgF_2)窗口、碘化銫(Cs I)光電陰極、MCP堆及電阻陽極構成的真空管。同時,對具有更高空間分辨率的游標(Vernier)陽極也進行了研究。與位于真空管體內(nèi)部的金屬陽極電荷讀出方式相比,感應讀出方式采用金屬陽極接收電子云與電阻膜相互作用產(chǎn)生的感應電荷的方式,避免了電子云與金屬陽極直接作用,既大大降低了圖像位置非線性和不穩(wěn)定性,又提高了圖像的空間分辨率。具體的研究內(nèi)容有以下幾點。(1)基于MCP及WSA的FUV波段感應電荷光子計數(shù)密封管探測器優(yōu)化設計及研制。利用Schwarz-Christoffel轉(zhuǎn)換理論,提出了一種新的計算WSA極間電容的方法,該方法彌補了現(xiàn)有WSA極間電容計算方法中不能充分考慮電極寬度變化以及不能實現(xiàn)任意兩電極極間電容計算的缺陷,計算精度在9-15范圍內(nèi);根據(jù)該方法提出了WSA的優(yōu)化方案,設計出周期寬度為1.5,有效面積為48的WSA;根據(jù)設計的WSA對電子云大小的需求,利用電子云電荷密度分布計算模型對探測器結(jié)構參數(shù)進行了優(yōu)化,最終研制出MgF_2作為窗口材料,CsI作為光陰極,方塊電阻為200MΩ/□的Ge膜作為電阻陽極,厚度為1的陶瓷作為絕緣基底的MCP-WSA的FUV波段感應電荷光子計數(shù)密封管成像探測器。(2)探測器性能檢測。對所研制的FUV感應電荷WSA密封管光子計數(shù)成像探測器進行了成像檢測,包括量子探測效率、增益、暗計數(shù)、空間分辨率、最高計數(shù)率及圖像線性,檢測結(jié)果表明:探測器的各項技術指標完全滿足FUV臨邊成像光譜儀要求。(3)Vernier陽極的優(yōu)化設計方法及研制。根據(jù)Vernier陽極的設計原理,對其解碼算法進行了修正,有效地降低了解碼算法對圖像線性的影響;利用編制的Vernier陽極圖像線性仿真軟件驗證了修正后解碼算法的可行性,同時進一步研究了電子云大小及Vernier陽極設計參數(shù)對圖像線性的影響;建立了決定Vernier陽極空間分辨率的分割噪聲和電子噪聲的相關理論;基于上述理論研究,提出了Vernier陽極的優(yōu)化設計方案,研制出pitch寬度為0.891,有效面積為36×36,理論分辨率為2.3的Vernier陽極。主要創(chuàng)新點為:(1)提出了一種新的計算WSA極間電容的方法。該方法補充了WSA優(yōu)化設計理論,彌補了現(xiàn)有WSA極間電容計算方法中不能充分考慮電極寬度變化以及不能實現(xiàn)任意兩電極極間電容計算的缺陷,為其它分割型陽極的優(yōu)化設計提供了有力的理論基礎。(2)利用Matlab編譯了Vernier陽極成像模擬算法。相較于通常采用的Labview仿真模擬方法,該方法不僅可以定量研究陽極設計參數(shù)對成像的影響,而且大大提升了模擬速度。(3)建立了Vernier陽極的噪聲理論。該理論可用于指導Vernier陽極的優(yōu)化設計,補充了現(xiàn)有Vernier陽極的理論系統(tǒng)。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN23
【文章目錄】：
摘要
abstract
第1章 緒論
    1.1 課題研究背景及意義
    1.2 基于MCP及位敏陽極的光子計數(shù)成像探測器基礎
        1.2.1 光電陰極
        1.2.2 微通道板
        1.2.3 位敏靈敏陽極
    1.3 課題來源、研究目的及研究內(nèi)容
第2章 遠紫外感應電荷楔條形陽極密封管探測器的研制
    2.1 輸入窗口材料的選取
    2.2 光陰極材料的選取與制備
        2.2.1 光陰極材料的選取
        2.2.2 光陰極的制備
    2.3 MCP的選取與預處理
    2.4 電荷感應層及襯底的選取
    2.5 WSA的優(yōu)化和制備
        2.5.1 WSA極間電容的優(yōu)化
        2.5.2 WSA的加工
    2.6 探測器結(jié)構優(yōu)化
        2.6.1 電子云的優(yōu)化
        2.6.2 探測器結(jié)構的設計
    2.7 電路讀出系統(tǒng)的研制
        2.7.1 電荷靈敏前置放大電路
        2.7.2 濾波整形與峰值保持電路
        2.7.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
    2.8 本章小結(jié)
第3章 遠紫外密封管成像探測器性能檢測
    3.1 探測量子效率
        3.1.1 MCP探測量子效率檢測
        3.1.2 CsI量子效率
    3.2 增益
    3.3 暗計數(shù)
        3.3.1 MCP預處理對暗噪聲的影響
        3.3.2 探測器的暗計數(shù)
    3.4 空間分辨率
        3.4.1 探測器空間分辨率與整形時間的理論關系
        3.4.2 探測器空間分辨率與整形時間的實驗探究
    3.5 最高計數(shù)率
        3.5.1 探測器計數(shù)率與整形時間的理論關系
        3.5.2 探測器計數(shù)率與整形時間關系的實驗探究
    3.6 探測器的圖像線性測量
    3.7 本章小結(jié)
第4章 Vernier陽極理論研究
    4.1 引言
    4.2 Vernier陽極概述
        4.2.1 Vernier陽極結(jié)構
        4.2.2 Vernier陽極的設計原理
        4.2.3 Vernier陽極的解碼算法
    4.3 Vernier陽極的成像線性
        4.3.1 Vernier陽極的解碼算法的修正
        4.3.2 Vernier陽極成像線性模擬
    4.4 Vernier陽極的空間分辨率理論
        4.4.1 Vernier陽極分割噪聲
        4.4.2 Vernier陽極電子噪聲
    4.5 Vernier陽極的結(jié)構優(yōu)化
    4.6 本章小結(jié)
第5章 總結(jié)與展望
    5.1 全文總結(jié)
    5.2 工作展望
參考文獻
致謝
作者簡歷及攻讀學位期間發(fā)表的學術論文與研究成果

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本文編號：2849088