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(多图) Vernier阳极探测器及其电子读出电路的设计

现代电子技术 李梅 赵宝升 杨颢 鄢秋荣 朱香平 刘永安?? 2010年07月22日 ?? 收藏0

  0 引言

  紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军民两用光电探测技术。早在20世纪50年代,人们就开始了对紫外探测技术的研究。EUV探测器是利用30.4 nm波长的极紫外成像技术对地球等离子体层成像,可以得到地球周围整个磁层的分布,用来进行空间环境探测和研究太阳扰动期间的变化。

  2007年10月24日,我国“嫦娥”一号卫星成功发射,标志着我国进入具有深空探测能力的国家行列。目前,“嫦娥探月计划”二期工程中开展月基地球等离子体层EUV成像实验,研究地球空间环境变化,为灾害性环境变化提供观测数据。

  本课题组对极紫外成像探测系统进行了技术研究,并在阳极设计和电路信号处理方面取得了较好的成绩。

  1 Vernier阳极探测器的结构

  阳极探测器按照位置敏感方式可分为两种:一种是单元型,如MAMA型;一种是连续性,如电阻阳极、WSA、Delay-line、Vernier等。其中Vernier阳极相比于其他阳极具有较高的光子计数率和位置分辨率,因此,本文主要介绍Vernier阳极。

  阳极探测器主要由光阴极、MCP、位敏阳极和电子读出电路组成。阳极探测器基本结构示意图如图1所示。单光子光源通过输入窗口到达光电阴极产生电子,再通过V型级联的MCP倍增产生电子云,在加速电场作用下到达Vernier阳极,形成多路的电子脉冲。多路信号通过电子读出电路处理后,经软件解码形成灰度图像。

阳极探测器基本结构示意图

  用来收集电子云的阳极面板结构如图2所示,共有6个电极收集电荷,它们之间相互绝缘。在横向,每个电极的面积按正弦变化,且它们之间相差120°,正弦曲线的相位随着横向线性变化。每个电极上收集到的电荷量大小Q也随位置按正弦变化,且电荷量Q正比于收集电荷的电极面积SQ,由于正弦曲线波长远大于电极宽度,在电子云覆盖的每个电极面积内,使得电子云质心位置与电极宽度成正比,因此可以得到电极上质心位置的相位值θ,通过θ值可以得到横坐标x值,当两组电极的x值相同,就可以得到光子在阳极面板上的坐标位置。

用来收集电子云的阳极面板结构

  2 Vernier阳极电子读出电路设计

  电子读出电路主要由电荷灵敏前置放大器、滤波整形放大电路及峰值保持电路组成。电荷灵敏前置放大器主要用于将阳极输出的信号转换为电压信号;滤波整形电路是使信号的形状满足准高斯波形,以满足后续处理的需要及提高信号的信噪比;峰值保持电路是将信号的峰值展宽,以提高获得的峰值准确率。结构框图见图3。

Vernier阳极电子读出电路设计

  在前置放大电路中,为了提高输入阻抗和降低噪声,采用了低噪音的结型场效应管作为电荷灵敏前置放大器的输入级,例如2SKl52,2N4416。反馈的电阻、电容设为Rf=500 MΩ,Cf=1 pF,所以τ=500×106×10-12=500μs,输出波形的尾部较长,容易产生脉冲堆积。为了提高计数率,需要进行CR微分处理,如图4所示。它的传递函数为公式,式中公式,在设计中,τ1=τ时达到极零相消的目的。图4中C5=1 000 pF,R6=1 MΩ,W2=50 kΩ,入射到系统的不同光子速率对积分时间有不同的要求。选择不同的R8值可得到不同的积分时间。在C=1 000 pF条件下,当τ2=1μs时,R8=1 kΩ;当τ2=2μs时,R8=2 kΩ;当r2=10μs时,R8=10 kΩ。实际电路中用跳线来实现对R8的选择。

极零相消电路原理图

  经极零相消电路输出的波形还不能直接采样电路,必须改善它的波形。为了满足采集卡对信号波形的需要,提高信号噪声比,准确得到脉冲峰值数据,需要进一步对信号进行滤波整形处理。通过最佳滤波器的讨论可知,对称无限宽尖顶脉冲具有最佳的信噪比,且高斯波形具有以上的特征,脉冲顶部比较平坦,所以脉冲的成型一般以高斯型或准高斯型为波形形状,采用图5所示的电路结构,使用两级有源低通滤波器。在C=1 000 pF下,对不同积分时间取值,当τ2=1μs时;当R=1 kΩ,当τ2=2μs时,R=2 kΩ;当τ2=10μs时,R=10 kΩ。同样R用跳线来实现取值。

滤波成型电路原理图


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紫外探测? Vernier? EUV? 深空探测?

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