[科普中国]-成像探测器

成像探测器的性能探测器的空间分辨率

以往的实验测试中曾将分辨率板紧贴MCP的输入面,以这种方式测得的分辨率可以达到100μm。这里主要测试Au阴极对系统性能的影响已无法将分辨率板与MCP输入面紧贴,无Au阴极时分辨率板与MCP输入面间有一距离为80μm。未加Au阴极时分辨率板的光子计数成像结果，加Au阴极后实验系统的分辨率板光子计数成像结果。测试条件为MCP工作电压为1750V,两MCP间距为80μm,加速电压为300V,加Au阴极时阴极电压为200V。可见,未加Au阴极时,系统的分辨率优于150μm,加Au阴极后分辨率优于75μm,加Au阴极后系统的分辨率明显提高。这与MCP的增益性能有关,由图3中MCP的PHD曲线分布可见,未加Au阴极时,大部分有效的光子计数和暗计数及噪声信号叠加在一起,不利于有效光子信号的提取。加Au阴极后,有效光子计数向高增益方向偏移,可以通过设置阈值电压将低增益部分暗计数及噪声和有效光子计数区分开。另外,未加Au阴极时紫外光子透过分辨率测试板到达MCP的输入面,由于分辨率测试板和MCP输入面间距离80μm,在这过程中光子会出现散射,而阴极电场是无法对光子进行聚焦的。加Au阴极后,光电转换后出射的电子虽然距MCP输入面有200μm的距离,但产生的光电子是在阴极电场的聚焦作用下进入MCP通道进行倍增的。这也在一定程度上影响了实验系统在两种情况下的分辨率性能差异。

不同光强条件下探测器的成像性能高计数率时光子计数成像系统的分辨率会下降,这主要是由于MCP的增益下降和光子计数的脉冲堆积造成的。加Au阴极后,不同光强条件下系统的光子计数成像结果所示。实验测试条件为MCP工作电压为1800V,阴极电压为200V,采集阈值为1.5～7.5V,采集时间为5min。,随着计数率的增加,图像的分辨率性能逐渐变差。当计数率提高到13.5kHz时,系统的分辨率下降为150μm,此时和未加Au阴极时的最好分辨率相当。而未加Au阴极时,当计数率最高达到3.9kHz时,分辨率即下降为250μm。由此可见,加Au阴极后系统的最高计数率得到了有效提高。1

检测成像探测器的性能概述基于微通道板(MCP)和阳极读出的光子计数成像探测器已被广泛应用于深空探测、生物微弱发光和环境辐射检测等领域,该类探测器主要由光阴极、MCP和位敏阳极构成。位敏阳极又包括电阻阳极、楔条形阳极(WSA)、游标阳极、交叉条纹阳极和延迟线等。探测器中光阴极的作用是将入射光子转换为电子,在100～300nm的紫外波段,一般采用的光电阴极为碱金属卤化物或碲化物光阴极,如Cs2Te,Rb2Te等。在模拟实验中,采用汞灯发出的253.7nm的光作为紫外光源,并采用裸MCP直接进行光电转换和电子倍增。由于MCP对253.7nm处的紫外光量子效率极低,为了提高系统的探测效率和性能,需要采用量子效率较高的光电阴极。为研究光阴极对系统性能的影响,此次实验采用透射式Au阴极。这是因为Au的功函数为4.2eV左右,同实验中所用中心波长253.7nm的紫外光源(对应光子能量为4.9eV)非常匹配;另外,Au阴极的制作和实验操作也均比较简单。

实验中采用厚度为15nm的透射式Au阴极,研究表明15nm厚的Au薄膜在257nm处的量子效率约为0.01%,该波长与实验采用的253.7nm紫外光源较接近,所以对Au阴极在253.7nm处的量子效率不再做过多的研究,这里主要研究Au阴极对光子计数成像系统性能的影响。这些将有助于进一步优化探测器的结构和提高探测器的性能,为下一步制作量子效率更高的阴极奠定一定的实验基础,同时也将为其他基于MCP的探测器提供理论和实践上的参考。

实验方法Au阴极的制作

实验中将Au阴极制作在分辨率测试板上。首先在石英基底上蒸镀一层300nm厚的金属薄膜并光刻出分辨率测试图形,然后在该分辨率板上再蒸镀一层厚度为15nm的Au薄膜。

实验装置感应读出式紫外光子计数成像探测器的结构,该系统主要由紫外光源、减光片和滤光片、MCP、Ge薄膜及其衬底、WSA阳极、放大电路和数据采集处理系统构成,其中MCP、Ge薄膜及其衬底和WSA阳极位于真空室内。未蒸镀Au阴极时,分辨率测试板近贴于MCP的输入面且和MCP输入面间距为80μm。蒸镀Au阴极后,Au阴极和MCP输入面间距为0.2mm并加一阴极电压。两者工作过程的主要区别是在光电转换部分:未加光阴极时,经过减光和滤光后的紫外光通过分辨率测试板入射到MCP,光子在MCP输入面产生外光电效应并发射光电子;蒸镀Au阴极后,紫外光由蒸镀在分辨率测试板上的Au阴极进行光电转换并发射光电子,然后光电子经电场加速入射到MCP。进入MCP后的光电子在MCP内产生二次电子倍增,MCP倍增后输出的电荷轰击呈高阻特性的半导体Ge薄膜,通过电荷感应由Ge膜衬底背面的WSA位敏阳极收集;位敏阳极接收的电荷信号经过电荷灵敏前置放大器、整形放大器后由计算机进行数据采集和处理,最后得到不同位置的光子计数图像。

实验结果和分析MCP的增益性能

MCP的作用是实现电子倍增,它的增益特性对光子计数成像系统的性能影响较大,曾对未加阴极时MCP的增益特性进行了研究,这里主要研究Au阴极对MCP增益性能的影响。

相同阴极电压不同MCP工作电压时MCP的增益性能

实验测试得到的无Au阴极时MCP在不同工作电压时的脉冲高度分布曲线(PHD),加Au阴极后MCP的PHD曲线。实验采用的MCP孔径为25μm,长径比为40∶1,两MCP间距为80μm。测试条件为MCP和Ge层间加速电压为300V,Au阴极和MCP输入面间距为0.2mm,阴极电压为200V。,未加Au阴极时MCP的PHD曲线分布形状基本不变,随着工作电压的增加曲线峰值逐渐下降并向高增益方向偏移。PHD曲线的半峰全宽(FWHM)逐渐加宽,但始终低增益幅度部分的计数个数占多数,峰值向高增益方向偏移不明显。由于增益饱和效应MCP的PHD曲线呈准高斯型分布。随MCP工作电压的增加,PHD曲线的峰值变低并向高增益方向偏移,曲线的FWHM逐渐加宽。这样便于选择一个适当的阈值电压以减小低幅值噪声脉冲的影响,也即提高了探测器的信噪比。相关研究表明,随着MCP增益的提高,PHD曲线的FWHM(%)逐渐减小。对于光子计数成像系统,需要MCP的PHD曲线分布峰值处增益较高且FWHM(%)较小,这样不仅有利于区分低幅值噪声和有效的光子事件,还可以适当减小对位置解码电路的动态范围要求。

相同MCP工作电压时不同阴极电压的MCP增益性能

MCP工作电压不变,不同阴极电压时测试得到的MCP的PHD曲线分布。实验测试条件:MCP工作电压为1700V,MCP和Ge层间加速电压为300V。当Au阴极电压相对于MCP输入面电压为0时,由于没有加速电场,经Au阴极光电转换后发射的光电子不能完全到达MCP输入面并倍增,此时的PHD曲线呈负指数型。加上阴极电压后,光电转换发出的光电子能够顺利到达MCP,PHD曲线呈高斯型分布,随阴极电压的不断提高,PHD曲线峰值向高增益方向移动,FWHM逐渐加宽。这主要是由于阴极电压的增加提高了光电子进入MCP通道时的能量,从而在MCP增益不变的情况下曲线峰值向高增益方向偏移。另外,在成像性能测试中发现:随着阴极电压从0增加到100V,系统的分辨率逐渐提高,这可能是由于轰击MCP的电子能量提高以及聚焦效果逐渐增强造成的。继续增加阴极电压,当阴极电压从200V增加到400V时,系统的分辨率逐渐下降。这可能是由于随着轰击MCP的电子能量提高,产生的二次电子被分辨率板排斥回MCP通道,所以降低了分辨率性能。实验发现,阴极与MCP输入面电压为200V左右(也即1V/μm)时系统成像性能较好。

暗计数的PHD曲线及其与光子计数PHD曲线的对比

MCP产生暗计数的可能因素主要有制作MCP的玻璃中K的β衰减,离子衰减,通道壁吸附气体和场发射等因素,还可能是MCP污染或损坏造成的热点发射。加Au阴极前后不同MCP电压时暗计数的PHD曲线以及暗计数和光子计数的PHD曲线对比。实验测试条件为两块MCP工作电压为1700V,加速电压为300V,加Au阴极后阴极电压为200V。暗计数的PHD曲线均呈负指数分布。实验测试得到未加Au阴极时的暗计数率为0.3/(cm·s),加Au阴极后的暗计数率为0./(m·s)。可见,系统的暗计数并没因阴极的热噪声而增加,这样也表明由15nm的Au阴极产生的热噪声对系统的影响可以忽略。暗计数几乎不变的另一可能原因是由于探测器放置于密闭的真空室中,关闭光源后基本无其他外界辐射,采集到的主要还是MCP本身的暗计数。

对于光子计数和暗计数的比较,未加Au阴极时,光子计数在低增益部分较多,不易区分有效的光子计数和暗计数。加Au阴极后,光子计数的PHD曲线呈准高斯型，随着增益的提高,光子计数的PHD曲线峰值向高增益方向移动,暗计数对光子计数的成像性能影响越来越小。所以,应尽量提高MCP的增益,使光子计数的PHD曲线峰值向高增益方向偏移,这样便可尽量减小暗计数对探测器成像性能的影响,提高系统的整体性能。

成像探测器性能测试空间分辨率测试对于成像探测器，空间分辨率是探测器的重要指标，使用紫外灯为目标源，将USAF1951空间分辨率测试模板图像经平行光管投影在探测器输入面上进行测试，直接采集荧光屏上的图像，对探测器的空间分辨率进行测试，测试结果显示探测器分辨率优于120μm，

输出均匀性测试输出均匀性是指在均匀入射源照射下，探测器输出图像灰度的均匀性．本文探测器提取荧光屏图像的灰度信息，间接测试目标源的均匀性及强度分布．影响其测试准确度的因素包括：探测器增益的均匀性，光锥传输的均匀性以及荧光屏的发光均匀性．该探测器输出的不均匀性会在测试过程中引入测试误差．

为评价该探测器的精确度，对探测器的输出均匀性进行实验测试．实验使用均匀紫外光源照射探测器输入面，对荧光屏上的灰度图像进行采集，之后将采集到的图像按不同直径进行分割，由软件测得测试图像不同半径区域内的灰度平均值，并对测试结果进行对比，测试结果如图4．测试结果显示灰度等级偏差小于3%，即热离子探测器不同位置处均匀性优于97%，根据此测试结果可知，该探测器测试误差小于3%．

输入与输出的线性偏差测试使用该探测器对目标源进行测试必须满足输出与输入的线性变化关系，即当目标源强度线性变化时，输出图像的灰度平均值也相应的线性变化．否则，探测器不能反映目标源的真实信息．输入输出的线性关系取决与探测器的线性增益范围和荧光屏发光强度的线性范围．线性关系越好，测试误差也越准确．实验采用均匀的紫外光源照射探测器入射端，在光源端增加不同数量的减光片得到强度线性变化的入射光，依次记录入射光功率，采集探测器输出灰度图像，并用软件计算不同数量减光片时相应的输出图像的灰度平均值，实验测得该探测器的输入输出正比性结果为：该探测器输入输出正比性偏差小于±4%．实验表明：在探测器未饱和前，该探测器的输入与输出具有较好的线性关系．当目标源束流强度太高导致探测器过早进入饱和状态，即使此时探测器的输入线性增强，输出图像的灰度值也不会变化，此情况下探测器输入与输出不再保持线性变化关系，不能对目标源进行定量分析．

非均匀离子源测试为反映该探测器对非均匀目标源的测试能力，本文以电离真空计做为非均匀离子源，分别使用电离真空计的正常工作模式和去气模式对探测器进行对比实验．实验结果显示：当其他实验条件不变，只切换真空计的两种工作模式时，真空计逸出的离子流量差异很大．正常工作模式下，有少量离子逸出真空计，被探测器接收，如图8．而在去气模式下，大量离子逸出真空计，探测器输出图像中间大片区域灰度值已经饱和．2

成像探测器应用空间热离子成像探测器空间热离子是指能量几十电子伏特以下的低能离子，其广泛存在于地球电离层中．电离层是太阳剧烈活动引起灾害性空间天气的主要发生区域，对人类航天活动的安全及导航、通信系统的正常运行有着重要影响．因此，电离层探测一直是国内外空间探测的研究热点．近年来，国外实施的以电离层为主要探测目标的探测计划有美国的国防卫星计（DefenceMeteorological Satellite Program，DMSP），通信/导航故障预报系统（Communications/Navigation OutageForecasting System，C/NOFS）计划，以及2013年发射的SWARM探测卫星．其中：DSMP卫星系列搭载有离子漂移计和能量粒子探测器，为研究极区电离层等离子体对流和低纬电离层漂移以及极光粒子沉降提供了极为宝贵而丰富的长期观测资料．C/NOFS计划中每颗卫星均搭载数台离子探测仪，通过对低纬度电离层进行监测实现对电离层大气闪烁的预报．SWARM探测卫星搭载有电场仪，可对离子流进行三维成像探测，用于研究电离层电场特性．在这些电离层探测计划中，热离子均是重点探测要素之一．而我国对电离层的探测研究也在不断深入，其中用于电离层监测的电磁探测小卫星预计2016年发射．未来的探测计划包括已列入空间科学先导专项的“磁层一电离层一热层耦合小卫星星座探测计划”．这一系列科研计划的实施对提高我国热离子探测研究的地位，使我国的空间科学进入国际最先进的行列具有非常重要的意义．热离子探测研究的重点是对离子流进行三维成像探测，对比不同空间天气条件下各能量段离子流运动状态的变化，进而为相关科学问题进行服务．为使探测器具有成像探测能力，并具有较大的探测面积．离子－电子转换型探测器为基础，研制出一种用于热离子、紫外线、X射线等多种目标源的成像探测器．配合离子光学系统，该探测器具有一定的能量分辨能力，可对目标源中不同能量段的离子流进行相对强度分析．对单一能量目标源，该探测器可对目标源束流的形状、均匀性进行测试分析．

热离子成像原理

热离子成像仪由前端的离子光学系统和后端的成像探测器组成．，两个同心的球状偏转栅网所加电压分别为V0、V1，在栅网之间形成一个偏转电场，离子流进入该电场区域后在电场力的作用下发生偏转，其中具有较高能量的离子将偏向探测器输入端的边缘，反之则偏向探测器输入端的中心．假设一质量为m，带电量为q，速度为v的离子沿水平方向飞入偏转电场（场强为E），该离子在偏转电场中的渡越时间为t，经理论计算，该离子最终运行到偏离探测器中心距离X的位置解出．的离子流组成时，探测器输入端的特定区域将接收到确定能量段的离子流．，主要包括离子通道、偏转栅网及探测器．探测器输入端为离子－电子转换器，后接光锥组件（包括荧光屏与CCD相机）．像增强器与CCD耦合一般采用成像物镜或者光锥做为中继元件．由于光锥与CCD耦合效率高、体积小、重量轻，本文采用光锥做为中继元件与CCD进行耦合．在探测器输入端，本文将荧光屏直接制作在光锥输入端以提高耦合效率．当探测器输入端有离子流入射时，经过离子－电子转换产生的电子流在高电压加速下轰击荧光屏使荧光屏发光．在荧光屏上得到一副目标源的灰度图像，该图像由光锥传输至光锥输出端，由CCD进行采集，该灰度图像即为探测器的输出．在探测器的线性响应范围内，探测器输出图像某位置的灰度值可表征探测器入射端相应位置接收到的离子流强度．通过处理软件保存并计算该灰度图像各像素点的灰度值，可获得离子流的相对流强分布2

三维成像探测器CCD成像器件的出现,导致了光电成像技术在包括人们日常生活在内的诸多领域的广泛应用。虽然如此,目前的CCD技术水平尚不能满足许多高端应用领域对成像器件的技术要求,这些应用领域包括:目标探测、军事侦察、地形测绘、资源勘查、自适应光学、高能物理、高能天文、生物医学成像等。这些应用领域对成像器件提出的高要求可概括为两个主要方面,即要求它们具有更高的探测灵敏度和更高的时间分辨率。高的探测灵敏度是为了实现对微弱发光目标或远距离目标的成像。探测灵敏度的极限是单光子,因此,人们希望成像器件的每个像元都具有单光子探测能力;高的时间分辨率是为了实现对目标的三维探测,即除了获得目标的方位角和俯仰角之外,还获得目标距离信息(称之为角度-angle-anglerange,AAR)。对于常用的飞行时间(timeofflight,TOF)测距而言,毫米级的测距精度要求探测器具有皮秒级的时间分辨能力。除了上述两个要求外,对于一个能实用化的成像探测器件,还对其体积、重量、功耗、牢固性、可靠性以及大规模生产的可能性有相应的要求。下面将要介绍的一种盖革模式雪崩二极管阵列探测器件(Geiger-modeavalanchephotodiodes,G-APD阵列),就是为了满足上述各种要求而发展起来的一种新型的光电成像探测器件。1 G-APD阵列探测技术在目前所用的诸多种类的光电探测器中,具有单光子探测能力的主要有两种,即光电倍增管(photomultipliertube,PMT)和G-APD。其中,PMT是一种电真空器件,依靠其内部的多个电子倍增极所产生的极高增益而获得单光子探测灵敏度;G-PD则是一种处于盖革工作方式的APD固体器件,依靠处于击穿状态的雪崩过程获得单光子探测灵敏度。显然,在上述两种分立单光子探测器的基础上构建单光子探测器阵列是很自然的办法。但是,PMT存在体积庞大、结构复杂、坚固性差和需由电真空工艺制造等缺点,不适于构建阵列器件。而GD则是一种全固态的具有单光子探测能力的器件,其诸多优点都有利于构建阵列器件。因此,在上世纪90年代,当分立G-APD技术逐渐成熟后,对G-还处在快速发展之中。从分立G-APD器件发展到G-APD阵列探测器,需要解决两类主要的技术问题:G-APD的集成和G-APD与相应电路的集成。为解决G-APD探测像元的集成问题,发展出一种平面结构的G-D。这种结构与传统结构的不同主要有两点,即P-N结区更薄和可采用艺complementarymetal-oxide-semiconductor,CMOS)制造。P-N结厚度降低有利于降低器件的工作电压和提高时间分辨能力;而采用与半导体集成电路兼容的加工工艺则有利于实现探测器像元器件和相应电路的集成。对于G-应电路的集成技术,最好当然是采用单片集成工艺,即将组成阵列的探测器和电子电路在同一基片上同时加工完成。但是,由于探测器和电子电路是特性很不同的两类器件,两者虽然可用同类工艺加工,但加工的技术要求很不相同。因此,简单地采用单片工艺可能会降低两者或两者之一的技术性能。这种状况,使得目前并行采用着两种探测器与电路的集成技术,即混合集成和单片集成。

混合集成G-APD阵列

这是美国林肯实验室的研究者所提出并采用的一种技术,称之为桥接集成技术。这种技术是先在两块独立的基片上按统一的设计要求分别加工出G-APD阵列和相应的电路阵列,然后再将两者利用桥接的方法集成起来。由于探测器和电路可以按各自的技术要求制造,故可保证两者技术性能的发挥。桥接的处理是先将加工好的探测器阵列和电路阵列面对面连接,再将探测器阵列的基底用电化学方法腐蚀掉(便于探测器工作于背面照射方式),然后将各电路的接头部分刻蚀出来,最后将露出的电路接头和探测器接头通过定位金属连接方式分别连接。现以林肯实验室开发的一种32×32阵列Si基G-APD为例,说明该技术的实际状况。由于该阵列探测器设计为用于微弱光目标的AAR三维成像,故各像元电路的功能仅为测量光子的到达时间。其中,G-APD的每个像元都采用平面结构。像元光敏面尺寸30μm～50μm,像元间距约100μm。每个像元都有相应的电路单元,这种电路单元是一种数字计时器,具有类似于秒表的功能;每个像元的计数器都按规定的程序对公共的时钟脉冲计数,一旦有单光子入射某像元,该像元探测器输出的雪崩电流脉冲将终止相应计数器单元的计数,并将结果保存,供读出用。图1a是该32×

单片集成G-APD阵列

这种技术主要由瑞士洛桑工大和意大利米兰工大等机构的研究者所采用。它是在现有的先进半导体生产加工技术的基础上,通过特殊的工艺设计,制造一体化的G-APD阵列探测器。显然,该技术在扩大探测器阵列规模和降低器件的制造成本方面具有优势,但此技术只适用于制作Si基的G-PD阵列。对于为扩展器件的工作波长而采用非Si基半导体材料时,就只能采用上述的混合集成技术。现以瑞士洛桑工大开发的32×32阵列Si基G-APD探测器为例,说明该技术的实际状况。,则是其中单个像元的显微照片(左边是G-APD像元,右边是相应的像元电路)。本探测器像元中G电路被作为一个整体,采用0.8μm的CMOS工艺同时加工完成。由于G-APD采用了特殊的结构设计和特殊的工艺过程,使之能承受高的反向偏置电压。探测像元光敏面的直径为38μm,像元间隔58μm。本探测器阵列需要-25.5V和5V两组电源,前者加在G-APD阳极,后者加在G-APD阴极,使G-PD处于30.5V的反向偏置,过剩电压(即反向偏置电压与击穿电压之差)Ve≈5V。由于所采用的0.8μmCMOS工艺的限制,使本阵列探测器的像元电路不能太复杂,使探测器的读出只能采用串行方式,限制了帧频的提高。同一小组的研究者最近报道了一种采用0.35μmCMOS技术制造的G-APD阵列,就能采用较为复杂的像元电路,实现了阵列探测器的并行读出,大大提高了使用帧频。