【摘 要】
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近年来,空间科学领域对近地空间、深空等紫外目标的高分辨率和高计数率观测需求日益增长。由于紫外目标产生的辐射强度微弱,因此探测系统需要具有极高的灵敏度,甚至能够进行单光子探测。此外,在紫外目标活跃爆发期间,辐射强度快速增加,探测系统还需要具备相应的快速处理能力。基于微通道板（Microchannel Plate,MCP）的光子计数成像技术可以充分利用MCP的高增益、高空间和时间分辨率等优势,在空间紫
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【基金项目】
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“FY-3（08）星广角极光成像仪”项目；
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近年来,空间科学领域对近地空间、深空等紫外目标的高分辨率和高计数率观测需求日益增长。由于紫外目标产生的辐射强度微弱,因此探测系统需要具有极高的灵敏度,甚至能够进行单光子探测。此外,在紫外目标活跃爆发期间,辐射强度快速增加,探测系统还需要具备相应的快速处理能力。基于微通道板（Microchannel Plate,MCP）的光子计数成像技术可以充分利用MCP的高增益、高空间和时间分辨率等优势,在空间紫外观测领域得到了广泛应用。然而,用于二维成像的位置灵敏阳极和信号读出技术以及空间辐射防护技术仍然限制了系统性能的进一步提高。因此,全文主要从光子计数成像系统的位置灵敏阳极设计和制备、电子学读出噪声分析方法、计数误差机理、空间辐射防护材料以及局部防护方法等关键技术开展研究工作,主要研究内容及成果如下:（1）对交叉条形（Cross Strip,XS）阳极建立三维结构模型,通过有限元分析方法得到阳极极间电容与阳极材料和图形之间的变化规律,用互电容矩阵表示极间电荷串扰以及修正方法;提出一种三层叠加结构的XS阳极设计方法,并且采用印刷电路板（Printed Circuit Board,PCB）工艺制备得到了具有32×32组电极的XS阳极样片,实验结果表明,极间电容与仿真结果相比偏差小于9%,X方向和Y方向层间电极之间的串扰小于层内相邻电极之间的串扰,三层结构形式有利于实现空间应用的高可靠性,XS阳极总计数率达到600kcps,X方向峰值半高宽度可以达到0.8mm;（2）将阳极与读出电子学联合建立模型,推导了电子学读出等效噪声电荷（Equivalent Noise Charge,ENC）的计算方法;分别设计了复共轭极点和实极点两种类型成形器,计算得到不同阶数下的ENC最优值,复共轭极点成形器ENC性能优于实极点成形器。以此为依据优化了电荷灵敏放大器（Charge Sensitive Amplifier,CSA）输入端参数以及成形器的阶数和时间常数,实现了一种低噪声探测系统,实验结果表明,优化后的电子学读出ENC降低到220 e-,远低于探测器输出电荷量,达到了高信噪比的目标;调节复共轭极点成形器的时间常数至500ns,空间分辨率可以提高到5.657lp/mm;（3）通过对阳极和读出电子学建立时域和复频域电路模型,分析电荷感应读出时间、CSA响应时间以及成形器时间常数的影响因素,给出整个系统的计数误差表示方法,实验验证了阳极电容、晶体管跨导以及成形器时间常数对系统响应时间和计数误差的影响规律。进一步讨论了高计数率下模拟成形器的基线稳定性,对基于梯形函数的脉冲成形方法进行了仿真分析。提出一种自适应梯形成形宽度的方法,通过仿真验证,当输入平均计数率为500kcps时,成形宽度跟随输入脉冲间隔动态调整,可以减小计数和幅度提取误差。最后,对光子计数探测系统进行了性能测试,结果表明,系统计数率线性度可以达到900kcps,在入射光强400kcps情况下,空间分辨率可以达到4.490lp/mm;（4）基于Geant4蒙特卡罗应用软件包模拟了电子和质子与铝（Aluminum,ALU）、高密度聚乙烯（High-Density Polyethylene,HDPE）、钽（Tantalum,TA）三种材料相互作用过程,结果表明,在相同质量下,TA和HDPE分别对入射电子和质子具有较好的屏蔽作用;进一步仿真了三层材料组合屏蔽特性,结果表明,当总的等效铝厚度为7mm（其中,ALU为0.7mm、TA等效铝厚度为2.8mm、HDPE等效铝厚度为3.5mm）时,目标受到的总电离剂量（Total Ionizing Dose,TID）最低,比最高剂量降低了71%,三层材料组合屏蔽效果显著优于单层材料;此外,提出了一种有限边界外沿的局部防护结构,结合带电粒子在PCB中的等效射程,实现了局部箱体内部每个点的全方向准均匀厚度防护;最后,研究了探测器的辐射防护结构,在探测器输入端侧壁的最敏感区域增加额外的屏蔽环,可以实现轻量化的防护效果。研究结果表明,三层叠加结构XS阳极不仅制备工艺简单,而且其低分布电容特性使得电子学读出ENC最优设计变得容易实现,完善的系统计数误差表示方法可以进一步提高系统计数能力,多层材料组合屏蔽和局部防护结构有助于光子计数成像技术在空间科学领域应用更加广泛。
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