電荷云尺寸對紫外光子計數(shù)成像探測器性能的影響*

劉永安 鄢秋榮 盛立志 趙菲菲2) 胡慧君2) 趙寶升

1)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室，西安 710119)2)(中國科學(xué)院研究生院，北京 100049)(2009年12月22日收到;2010年6月2日收到修改稿)

電荷云尺寸對紫外光子計數(shù)成像探測器性能的影響*

劉永安1)鄢秋榮1)盛立志1)趙菲菲1)2)胡慧君1)2)趙寶升1)

1)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室，西安 710119)2)(中國科學(xué)院研究生院，北京 100049)(2009年12月22日收到;2010年6月2日收到修改稿)

微通道板出射電荷云尺寸與微通道板增益、微通道板輸出面和楔條形陽極間距離以及陽極加速電壓等因素有關(guān).到達(dá)陽極的電荷云尺寸對紫外光子計數(shù)探測器的成像性能有重要影響.本文研究了電荷云尺寸對紫外光子計數(shù)成像系統(tǒng)成像性能的影響，論述了調(diào)制畸變和“S”畸變兩種圖像畸變及其產(chǎn)生的原因，采用蒙特卡洛方法模擬了不同尺寸的電荷云對陽極解碼的影響.實驗測試了微通道板和陽極間距離、微通道板增益以及陽極加速電壓對紫外光子計數(shù)成像系統(tǒng)成像性能的影響，并給出了實際解決調(diào)制畸變和“S”畸變的有效方法.

光子計數(shù)成像，楔條形陽極，微通道板，陽極探測器

PACS:85.60.Bt，85.60.Ha，29.40.Gx

1.引 言

近年來，基于微通道板(micro-channel plate，MCP)的位置靈敏探測器發(fā)展較為迅速，由于具有探測靈敏度高、背景噪聲低、信噪比高等優(yōu)點，特別適用于一些特定微弱光的成像探測.這類探測器采用的位敏陽極主要有電阻陽極(resistive anode)、楔條形陽極(wedge and strip anode，WSA)，游標(biāo)陽極(vernier anode)，延時線(delay-line)以及交叉條紋陽極(cross strip anode)等［1］.其中，WSA 具有制作簡單、分辨率和線性性能好等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于深空探測、生物微弱發(fā)光、環(huán)境輻射檢測等領(lǐng)域［2—4］.

WSA為基于電荷分割原理的器件，要求陽極收集到的電荷云覆蓋多個陽極周期以保證位置解碼的精確度，若電荷云尺寸過小或過大均會對系統(tǒng)的成像性能產(chǎn)生不利影響.文中論述了電荷云尺寸對紫外光子計數(shù)系統(tǒng)成像性能的影響，著重研究了WSA的調(diào)制畸變和“S”畸變兩種成像畸變機(jī)理，對不同尺寸的電荷云解碼進(jìn)行了蒙特卡洛方法模擬.測試了陽極和MCP間距離、MCP增益和加速電壓對成像性能的影響，這些對于優(yōu)化探測器設(shè)計和提高探測器的性能提供了理論依據(jù)和實踐參考.

2.紫外光子計數(shù)成像系統(tǒng)的組成和工作原理

紫外單光子成像系統(tǒng)的組成如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括:紫外光源，減光和濾光系統(tǒng)，MCP，WSA，電荷靈敏前置放大器，整形放大器以及數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的圖像處理軟件.由紫外光源出射的光經(jīng)過衰減、濾光后通過掩模板入射到MCP表面，在MCP表面經(jīng)光電效應(yīng)激發(fā)出光電子，然后光電子進(jìn)入MCP通道倍增.從MCP出射的倍增電子在空間電荷效應(yīng)作用下擴(kuò)散形成電荷云團(tuán)，經(jīng)陽極加速電場被WSA收集.WSA(如圖2所示)各電極收集到的電荷經(jīng)電荷靈敏前置放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過整形放大器整形為高斯型脈沖信號并被采集卡采集，最后由圖像處理軟件實現(xiàn)圖像的可視化.該系統(tǒng)的具體工作原理和性能參數(shù)指標(biāo)請參考文獻(xiàn)［5—7］.

3.電荷云尺寸對紫外光子計數(shù)成像探測器的影響

WSA的工作原理是基于楔形(W)，條紋(S)和

圖1 紫外光子計數(shù)成像系統(tǒng)的組成框圖

“之”字形電極(Z)間分割得到的電荷量與電荷云中心在陽極上的相應(yīng)位置成線性關(guān)系.但由于陽極在水平方向呈周期性結(jié)構(gòu)，每一電荷云團(tuán)不可能正好覆蓋整數(shù)倍的陽極周期，多余部分的電荷量在各電極間的分布是隨機(jī)的，它就會產(chǎn)生一個誤差.電荷云尺寸越大，由多余部分的電荷量引起的解碼誤差越小.一般情況下，電荷云要覆蓋多個陽極周期以保證精確的解碼.若電荷云尺寸不合適，會對光子計數(shù)成像系統(tǒng)的成像性能造成影響.電荷云越過WSA的有效收集區(qū)域會造成圖像的“S”畸變，并且“S”畸變隨電荷云尺寸增加變得更嚴(yán)重，電荷云尺寸過小會引起圖像的調(diào)制畸變.

圖2 WSA原理以及調(diào)制畸變和“S”畸變成因示意圖

3.1.調(diào)制畸變和“S”畸變

調(diào)制畸變和“S”畸變均是由于WSA各個電極上收集到的電荷量與該電荷云中心在陽極上的位置成非線性關(guān)系，進(jìn)而對光子計數(shù)成像系統(tǒng)的成像性能造成影響.

若電荷云尺寸過小，會導(dǎo)致某一個電極過多的收集到電荷量，由解碼公式解碼出的電荷云質(zhì)心位置與電荷云的實際中心位置會有一個偏差.當(dāng)電子束團(tuán)大小可以與陽極周期尺寸相比擬時(如圖2中電荷云1和2)，將電子束團(tuán)從左向右移動，WSA讀出的束團(tuán)中心位置會偏向于鄰近的S電極位置，在圖像上就會表現(xiàn)為周期性的條紋，即調(diào)制畸變.Smith等［8］采用分別服從均勻分布和高斯分布的電荷云模擬研究了 WSA的調(diào)制作用，并得到結(jié)論:MCP增益、MCP和WSA間距等均會對調(diào)制作用產(chǎn)生影響;隨著電荷云團(tuán)尺寸的增加，調(diào)制效應(yīng)逐漸減小.

若到達(dá)WSA的電荷云越過WSA的有效收集區(qū)域，用于連接W電極和S電極的公共電極部分將會收集到電荷，同樣會造成某一個電極過多的收集到電荷量.如圖2中所示，在條形電極的底部，電荷云團(tuán)4超出了電極的有效收集區(qū)域，S電極的公共電極部分收集到了電荷，從而S電極過多收集了電荷云團(tuán)的電荷量，解碼出的電荷云的中心位置將向右(S電極增加的方向)偏移;在楔形電極的底部，電荷云團(tuán)3覆蓋到了W電極的公共電極部分，解碼出的電荷云的中心位置將會向上(W電極增加的方向)偏移，這就是發(fā)生了“S”畸變.

3.2.不同電荷云尺寸對WSA解碼精確度的影響

電荷云尺寸過小會引起調(diào)制畸變，電荷云越過陽極的有效收集區(qū)域會引起“S”畸變.采用類似Smith的方法，利用蒙特卡洛投點法來模擬不同尺寸的電荷云對陽極解碼精確度的影響.模擬中采用的陽極為圖2所示的矩形WSA，陽極周期P為1.5 mm，收集面積為40 mm×40 mm，公共電極寬度為1 mm.為簡化模型，設(shè)定陽極絕緣溝道為一直線，分別采用均勻分布和高斯分布模擬MCP出射電荷云團(tuán)的電子分布，不過研究認(rèn)為MCP出射電子云服從高斯分布［9］.模擬采用的高斯分布電荷云的分布函數(shù)為

它為截去了2.75倍標(biāo)準(zhǔn)差以外的二維高斯分布函數(shù).模擬方法為:首先給定一事件的位置(x，y)，以該位置為中心產(chǎn)生一系列不同尺寸的電荷云團(tuán)，使該電荷云團(tuán)覆蓋到WSA上.在電荷云團(tuán)內(nèi)通過分布函數(shù)依一定概率產(chǎn)生一個事件中的電子分布，然后對每個電子所在的電極進(jìn)行判斷，并統(tǒng)計落在各個電極上的最終電子數(shù).其中每一個電子代表1個單位電荷量，而每一電極收集到的電荷量可以用落到該電極上的總的電子個數(shù)來表示，然后根據(jù)WSA的解碼公式得到解碼出的事件位置坐標(biāo)(x′，y′).圖3為分別由服從均勻分布和高斯分布的不同尺寸電荷云解碼出的各坐標(biāo)位置，模擬中采用的電荷云質(zhì)心坐標(biāo)為(20，12).隨著電荷云尺寸的增加，首先超出有效收集區(qū)域的電荷云會被S公共電極收集.模擬中假定以(20，12)為中心的電荷云超出 S電極有效收集區(qū)域部分全部被S公共電極收集，超出W電極有效收集區(qū)域部分全部被W公共電極收集.

圖3 固定電荷云中心，不同尺寸和服從不同分布的電荷云經(jīng)WSA解碼的模擬結(jié)果 (a)均勻分布，解碼出的x′坐標(biāo)位置隨電荷云尺寸變化;(b)均勻分布，解碼出的y′坐標(biāo)位置隨電荷云尺寸變化;(c)高斯分布，解碼出的x′坐標(biāo)位置隨電荷云尺寸變化;(d)高斯分布，解碼出的y′坐標(biāo)位置隨電荷云尺寸變化

由圖可見，對于服從均勻分布的電荷云，位置解碼偏差較大.電荷云尺寸較小(即 r/P小，r為電荷云半徑，p為陽極周期)時，解碼出的位置坐標(biāo)偏差比較嚴(yán)重，隨著電荷云半徑的擴(kuò)大，偏差不斷減小并逐漸趨于真實值.但隨著電荷云進(jìn)一步增加以致超出陽極的有效收集區(qū)域，S電極過多的收集了電荷，解碼出的 x′坐標(biāo)偏大，也就是出現(xiàn)了“S”畸變.對于服從高斯分布的電荷云，電荷云尺寸較小時同樣偏差較大，當(dāng)電荷云的峰值半高寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)大于2P(P為陽極的周期)時基本穩(wěn)定在一固定的偏差范圍內(nèi)，解碼出的坐標(biāo)值比較接近真實值，當(dāng)電荷云超出了陽極有效收集區(qū)域時同樣出現(xiàn)了”S”畸變.

采用紫外光子計數(shù)成像系統(tǒng)實際測試了調(diào)制圖像和“S”畸變圖像，測試時均未加掩模板，紫外光源入射到整個MCP輸入面，成像結(jié)果如圖4所示.圖4(a)為測試得到的調(diào)制圖像，可以看到，解碼出的圖像沿S電極增加方向發(fā)生了周期性的調(diào)制畸變，該震蕩周期與S電極的變化周期相同.圖4(c)為實際測試得到的“S”畸變圖像，圖像右下角向 S增加的方向偏移，這是由于該處部分電荷云超出了陽極的有效收集區(qū)域，S電極的公共電極部分收集到電荷造成的，這與理論分析和模擬結(jié)果也比較符合.

圖4 調(diào)制畸變和“S”畸變圖像 (a)調(diào)制圖像;(b)(a)圖歸一化后y=0.49處在 x軸上的柱狀密度圖;(c)發(fā)生“S”畸變的暗計數(shù)圖像

4.實驗結(jié)果與分析

4.1.電荷云尺寸的影響因素及其對探測器成像性能的影響

MCP出射后被WSA收集的電荷云尺寸主要與MCP同陽極間距離、MCP與陽極間加速電壓、MCP增益以及 MCP間的間距等因素有關(guān)［9］.MCP出射電荷云的分布及其尺寸是一個極其復(fù)雜的問題，Saito［9］，Price［10］和 Tremsin［11］等對 MCP 的出射電荷云都做了較多的研究.實驗中，主要測試了MCP與陽極間距離、MCP與陽極間加速電壓以及 MCP工作電壓對電荷云尺寸的影響，進(jìn)而會造成解碼圖像的調(diào)制扭曲和“S”畸變.

MCP出射電荷云尺寸的經(jīng)驗公式為［12］

式中D為電荷云直徑，d為MCP和陽極間距離，V0為橫向電子能量，e=2.718，Va為陽極加速電壓.由該公式可以看出，MCP與陽極間距離d和加速電壓Va的改變對到達(dá)WSA的電荷云尺寸影響較為明顯.

4.1.1.MCP與WSA間距d的影響

實驗采用兩塊MCP“V”形級聯(lián)并且MCP輸入面前放有分辨率測試板，兩MCP間加一厚50 μm的 Al電極環(huán)，該電極環(huán)主要用來增加MCP的出射電荷云半徑并提高增益.MCP直徑為50 mm，長徑比為40∶1，孔徑為25 μm，有效輸出面積為42 mm.WSA的收集面積為48 mm，周期為1.2 mm.MCP工作電壓大小為1800 V，MCP和陽極間加速電壓為300 V且均保持不變，測試了 MCP與 WSA間距離分別為10，18和21 mm時的成像性能，結(jié)果如圖5所示.

由圖5可見，當(dāng)MCP與陽極間距為18 mm時，成像結(jié)果正常，圖像沒有出現(xiàn)調(diào)制和“S”扭曲變形.隨著MCP與陽極間距的減小，電荷云半徑相應(yīng)減小，間距為10 mm出現(xiàn)了較嚴(yán)重的調(diào)制畸變，圖像中沿S電極增加方向的直線以S電極的周期為周期發(fā)生了振蕩，垂直方向的直線發(fā)生了偏移和扭曲.MCP和陽極間距為21 mm時，到達(dá) WSA的電荷云尺寸過大，導(dǎo)致邊緣部分的電荷云超出了陽極有效收集區(qū)域，圖像出現(xiàn)了“S”扭曲變形.

4.1.2.加速電壓Va的影響

圖5 不同MCP和WSA間距的成像結(jié)果 (a)d=10 mm;(b)d=18 mm;(c)d=21 mm

圖6 MCP工作電壓1800 V，不同陽極加速電壓時的成像結(jié)果 (a)Va=300 V;(b)Va=500 V;(c)Va=700 V;(d)Va=900 V

4.1.3.MCP工作電壓Vmcp的影響

MCP工作電壓大小直接決定了 MCP的增益，受空間電荷效應(yīng)的作用，MCP增益越高，空間電荷效應(yīng)的作用越明顯，電荷云的分布半徑就越大，成像電荷能覆蓋的周期數(shù)就越多，相應(yīng)的事件質(zhì)心位置的計算精度也就越高.對于通過光子計數(shù)方式成像的探測器，為提高空間分辨率并減小圖像畸變，MCP必須工作于飽和增益模式，這樣才能有效的減小事件質(zhì)心位置的計算誤差.關(guān)于MCP的增益特性對探測器性能的影響，文獻(xiàn)［13］有較詳細(xì)的介紹.實驗測試了MCP和陽極間距離為12 mm，加速電壓為700 V且保持不變時兩塊MCP不同工作電壓下的成像性能.圖7為實驗結(jié)果，由圖可見，隨著MCP工作電壓的提高，MCP增益越來越大，由于空間電荷效應(yīng)的作用，電荷云尺寸逐步增大，結(jié)果使相同加速電壓時的調(diào)制效應(yīng)變得越來越弱.

圖7 加速電壓為700 V，不同MCP工作電壓時的成像結(jié)果 (a)Vmcp=1600 V;(b)Vmcp=1700 V;(c)Vmcp=1800 V;(d)Vmcp=1900 V

4.2.解決調(diào)制畸變和“S”畸變的方法

調(diào)制畸變和“S”畸變產(chǎn)生的原因都比較復(fù)雜，它們與電荷云尺寸及陽極的設(shè)計參數(shù)均有關(guān).調(diào)制產(chǎn)生的主要原因是由于WSA收集到的電荷云尺寸過小，因此需要增大電荷云尺寸來消除調(diào)制的出現(xiàn).一般可通過增加MCP和陽極間距、適當(dāng)減小加速電壓以及提高M(jìn)CP增益等措施來解決，較有效的方法為增加MCP和陽極間距離.

“S”畸變產(chǎn)生的原因是由于到達(dá)WSA的電荷云超出了WSA的有效收集區(qū)域，用于連接楔形和條紋電極的公共電極部分收集到了電荷，導(dǎo)致其中一個電極過多的收集到了電荷量.解決“S”畸變的方法主要有:1)用絕緣材料(如聚四氟乙烯)將WSA的公共電極部分遮擋到可收集電荷云的區(qū)域之外;2)減小 MCP的有效探測面積;3)適當(dāng)減小到達(dá)WSA的電荷云尺寸，主要通過減小MCP和WSA間距離來實現(xiàn);4)在MCP探測面積不變的情況下增加WSA的有效收集面積，一般來說，WSA的有效收集區(qū)域要大于MCP的探測面積.不過WSA的收集面積也不能過大，過大的話會導(dǎo)致三個電極間極間電容的增加，從而會導(dǎo)致探測器性能的下降，所以這是一個在設(shè)計時需要綜合考慮的問題.

5.結(jié) 論

實驗和蒙特卡洛模擬結(jié)果表明，電荷云尺寸過小會引起圖像的調(diào)制畸變，電荷云越過WSA陽極的有效收集區(qū)域會引起“S”畸變，并且“S”畸變隨電荷云尺寸增加變得更嚴(yán)重.在不引起“S”畸變的情況下，到達(dá)WSA上的電荷云要覆蓋盡量多的陽極周期以保證位置解碼的精確度.MCP和WSA間距、加速電壓以及MCP工作電壓等都會對電荷云尺寸造成影響，進(jìn)而影響探測器的性能.影響電荷云尺寸的幾個因素是相互制約的，根據(jù)大量實驗總結(jié)得出:對于兩塊 MCP和周期為1.2與1.5 mm的 WSA，MCP和WSA間距為18 mm左右，加速電壓為300 V左右即可，并且兩塊MCP應(yīng)加足夠的工作電壓(一般至少應(yīng)為1800 V)以保證MCP工作在飽和狀態(tài).另外，WSA的有效收集面積要比MCP的探測面積稍大以有效抑制“S”畸變.

［1］ Jagutzki O，Barnstedt J，Spillmann U，Spielberger L，Mergel V，Ullmann-Pfleger K，Grewing M，Schmidt-Bocking H 2000 Proc.SPIE 3764 61

［2］ Lapington J S，Chakrabarti S，Cook T，Gsell J C，Gsell V T 2003 Nucl.Instr.and Meth.A 513 159

［3］ Barnstedt J，Grewing M 2002 Nucl.Instr.and Meth.A 477 268

［4］ Lapington J S 2003 Proc.SPIE 4854 191

［5］ Liu Y A，Zhao B S，Zhu X P，Miao Z H，Zhang X H，Zou W 2009 Acta Phot.Sin.38 750(in Chinese)［劉永安、趙寶升、朱香平、繆震華、張興華、鄒 瑋 2009光子學(xué)報 38 750］

［6］ Zhang X H，Zhao B S，Miao Z H，Zhu X P，Liu Y A，Z W 2008 Acta Phys.Sin.57 4238(in Chinese)［張興華、趙寶升、繆震華、朱香平、劉永安、鄒 瑋 2008物理學(xué)報 57 4238］

［7］ Miao Z H，Zhao B S，Liu Y A，Zhu X P，Zhang X H 2007 Acta Phot.Sin.36 2215(in Chinese)［繆震華、趙寶升、劉永安、朱香平、張興華 2007光子學(xué)報36 2215］

［8］ Smith A，Kessel R，Lapington J S，Walton D M 1989 Rev.Sci.Instrum.60 3509

［9］ Saito M，Saito Y，Asamura K，Mukai T 2007 Rev.Sci.Instrum.78 023302

［10］ Price G J，F(xiàn)raser G W 2001 Nucl.Instr.and Meth.A 474 188

［11］ Tremsin A S，Siegmund O H W 1999 Rev.Sci.Instrum.70 3282

［12］ Grantham S E，Miesak E J，Reese P C T，Richardson M C 1994 Proc.SPIE 2273 108

［13］ Zhang X H，Zhao B S，Liu Y A，Miao Z H，Zhu X P，Zhao F F 2009 Acta Phys.Sin.58 1779(in Chinese)［張興華、趙寶升、劉永安、繆震華、朱香平、趙菲菲2009物理學(xué)報58 1779］

PACS:85.60.Bt，85.60.Ha，29.40.Gx

Influence of charge cloud size on performance of UV photon-counting imaging detector*

Liu Yong-An1)Yan Qiu-Rong1)Sheng Li-Zhi1)Zhao Fei-Fei1)2)Hu Hui-Jun1)2)Zhao Bao-Sheng1)
1)(State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics，Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Xi’an 710119，China)2)(Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)(Received 22 December 2009;revised manuscript received 2 June 2010)

The size of charge cloud is examined as a function of acceleration voltage，distance between MCP and anode，and MCP gain.The performance of photon counting imaging detector is significantly affected by charge cloud size.In this paper，the influence of charge cloud size on the performance of UV photon-counting imaging systems is investigated.Modulation distortion，“S”distortion and their cause are discussed.Then，Monte Carlo simulations for anode decode with different charge cloud sizes are carried out.And finally，the effects of acceleration voltage，distance between MCP and WSA，and MCP gain on the system performance are tested and some practical solutions of modulation and“S”distortion are suggested.

photon-counting imaging，wedge-and-strip anode，micro-channel plate，anode detector

*國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:10878005)資助的課題.

E-mail:liuan86@126.com

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.10878005).

E-mail:liuan86@126.com