光子計數(shù)成像探測器位置讀出電路的設(shè)計

韓振偉 宋克非 陳波 張宏吉 何玲平 劉陽

摘要

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

【關(guān)鍵詞】光子計數(shù) 電荷靈敏放大器 整形電路

1引言

光子計數(shù)成像探測技術(shù)在監(jiān)測太陽活動變化、空間環(huán)境變化、大氣和海洋環(huán)境變化、紫外預(yù)警發(fā)揮了重要的作用。X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)可以探測來自于宇宙空間脈沖星發(fā)出的微弱X射線輻射，為深空飛行導(dǎo)航;紫外預(yù)警技術(shù)可與微波、紅外預(yù)警等技術(shù)相結(jié)合建立完整的預(yù)警體系;遠紫外輻射成像測量技術(shù)可以有效準(zhǔn)確監(jiān)測全球電離層分布，對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)具有重要意義。

2光子計數(shù)成像探測器工作原理

基于微通道板的光子計數(shù)探測器主要包括入射窗口、光電轉(zhuǎn)換陰極、微通道板級聯(lián)堆、位置敏感陽極和相應(yīng)的位置讀出電路。光子計數(shù)探測器的工作原理為：光子經(jīng)過光學(xué)成像系統(tǒng)到達微通道板前表面的光電陰極，光子轉(zhuǎn)換成光電子，光電子加速撞擊到微通道板的通道內(nèi)壁，實現(xiàn)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(yīng)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(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。微通道板通常由成千上萬個微通道構(gòu)成，這些微通道等效為一個具有連續(xù)打拿極的光電倍增管探測器，來實現(xiàn)電子倍增功能。從微通道板發(fā)射出來的電子云利用位置敏感陽極來獲得感應(yīng)電荷。位置敏感陽極通過位置編碼算法，來獲取電子云質(zhì)心位置的信息。

3位置讀出電路方案設(shè)計與分析

光子計數(shù)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(yīng)時間由電荷靈敏放大器的響應(yīng)時間和整形電路的時間常數(shù)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(yīng)管輸入的結(jié)構(gòu)方案，JFET等效輸入噪聲為6nV/Hz，等效輸入電容Cin為lOpF，跨導(dǎo)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(huán)增益A=60do，時間常數(shù)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(jīng)過計算可知，當(dāng)微通道板增益為105-107時，電荷靈敏放大器輸出為16mv-1.6v。當(dāng)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(jīng)過兩級整形網(wǎng)絡(luò)變成具有一定寬度的準(zhǔn)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(shù)下降的信號，為了滿足后續(xù)電路的要求，需對信號進行整形處理。整形時間常數(shù)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(jié)束語

本文給出了電荷靈敏放大器和整形電路的設(shè)計方案以及參數(shù)。光子計數(shù)成像探測系統(tǒng)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(tǒng)的高動態(tài)范圍特性，制約因素主要是在于讀出電路的響應(yīng)速度。

參考文獻

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