延遲線陽極光子計(jì)數(shù)成像探測器研究

張亞龍，劉永安，張蕊利，楊向輝，劉哲，盛立志

（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710119）

（2 中國科學(xué)院大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100049）

0 引言

光子計(jì)數(shù)探測技術(shù)是一種極微弱光探測法，其探測的入射光的光功率在10-14W 以下，比探測器本身在自然條件下的噪聲水平還低。利用入射光在極微弱條件下經(jīng)過光子計(jì)數(shù)探測器輸出電信號自然離散的特點(diǎn)，采用脈沖甄別技術(shù)將其輸出的脈沖信號提取并數(shù)字化處理便可實(shí)現(xiàn)對光子探測的目的［1-2］。該探測技術(shù)在高分辨率的光譜測量、激光測距、熒光壽命成像及空間探測等領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用［3-6］。

基于微通道板（Microchannel Plate，MCP）的位置靈敏陽極探測器具有時(shí)間響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，該探測技術(shù)在實(shí)現(xiàn)光子計(jì)數(shù)的同時(shí)能確定出每個(gè)光子到達(dá)的時(shí)間信息和位置信息。目前，用于成像的位敏陽極主要有楔條型陽極（Wedge and Strip Anode，WSA）、延遲線陽極（Delay line Anode）、游標(biāo)陽極（Vernier Anode）、交叉條紋陽極（Cross-strip Anode，XS）和多陽極微通道板陣列（multi-anode Microchannel Array，MAMA）等［7-12］。其中WSA 陽極的空間分辨能力隨著探測面積增大會(huì)逐漸變差；MAMA 陽極的電子學(xué)設(shè)計(jì)會(huì)隨探測面積增大而變得復(fù)雜；XS 陽極每個(gè)條帶都需要一路獨(dú)立的讀出電子學(xué)，導(dǎo)致電路功耗變大；而延遲線陽極的空間分辨能力及電子學(xué)設(shè)計(jì)難度受探測面積的影響較小，故基于MCP 的延遲線位敏陽極在大面積成像探測中有著獨(dú)特的優(yōu)勢。國外在該方面相關(guān)技術(shù)已經(jīng)比較成熟［13］，而國內(nèi)對延遲線陽極探測器的研究相比國外還有一定的差距。中國科學(xué)院近代物理研究所對繞線式延遲線陽極探測器進(jìn)行了相關(guān)研究［14-15］，其探測器的平均位置分辨率優(yōu)于200 μm，最優(yōu)可達(dá)100 μm。使用纏繞在絕緣陶瓷支架上的金屬絲作為延遲線使得陽極整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大。中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所研制了一種直接收集型延遲線陽極探測器［16-17］，其陽極有效面積為23 mm×23 mm，探測器的空間分辨率最優(yōu)可達(dá)92 μm，通過一系列焊盤與過孔實(shí)現(xiàn)電荷收集，導(dǎo)致了信號傳輸時(shí)間的不確定性，增大了數(shù)字化位置解碼的誤差。與傳統(tǒng)的直接收集方式相比，電荷感應(yīng)技術(shù)可以消除次級電子重新分布引起的分布噪聲且使得陽極感應(yīng)電子云團(tuán)半徑可控，同時(shí)為真空管殼的封裝提供了條件，位置靈敏陽極位于管殼外部，便于測試。

陽極信號讀出的方式包括傳統(tǒng)的直接收集和電荷感應(yīng)收集兩種方式，目前國內(nèi)關(guān)于延遲線陽極探測器的研究大多數(shù)采用傳統(tǒng)的直接收集方式。本文以電荷感應(yīng)技術(shù)為基礎(chǔ)，對采用電荷感應(yīng)層感應(yīng)信號作為電荷收集的交叉延遲線陽極（Cross Delay line Anode，XDL）進(jìn)行了研究。該陽極采用印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）加工制作，有效探測面積為50 mm×50 mm。搭建了探測器測試系統(tǒng)，完成了對延遲線陽極探測器相關(guān)性能的測試。

1 感應(yīng)式XDL 陽極探測器設(shè)計(jì)

1.1 感應(yīng)式XDL 探測器

基于MCP 的感應(yīng)式XDL 探測器主要由輸入窗、級聯(lián)MCP、電荷感應(yīng)層、位置靈敏陽極等組件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1。當(dāng)紫外波段的光透過輸入窗照射在MCP 上，MCP 將光子轉(zhuǎn)化為電子，通常單片MCP 的增益為104，當(dāng)兩片或三片MCP 級聯(lián)時(shí)可將電子倍增輸出包含約107個(gè)電子的電子云團(tuán)。MCP 與電荷感應(yīng)層之間施加電場使得電子云團(tuán)加速向電荷感應(yīng)層移動(dòng)。由于電荷感應(yīng)層高阻的特性，當(dāng)電子云團(tuán)到達(dá)電荷感應(yīng)層時(shí)需要一定的時(shí)間才能擴(kuò)散到地，故在另一側(cè)會(huì)產(chǎn)生等量的感生電荷，位敏陽極感應(yīng)到感生電荷并對其進(jìn)行解析成像。而傳統(tǒng)的直接收集方式易引起二次電子在陽極上的重新分布，導(dǎo)致輸出圖像的不穩(wěn)定。電荷感應(yīng)技術(shù)有效地避免了這些問題，消除了不均勻電子場對電子運(yùn)動(dòng)帶來的影響。同時(shí)為真空封裝探測器的研制提供了便利（即位置靈敏陽極可以位于管殼外部），不僅降低了器件工藝的制作難度，而且便于測試。

圖1 感應(yīng)式XDL 陽極探測器示意圖Fig.1 Schematic diagram of detector with XDL anode

1.2 電荷感應(yīng)層設(shè)計(jì)

電荷感應(yīng)層為一側(cè)鍍有薄膜電阻層的基底電介質(zhì)，未鍍膜的一面靠近陽極側(cè)。電荷到達(dá)電阻層通過基底電介質(zhì)感應(yīng)到陽極。關(guān)于電荷感應(yīng)技術(shù)國內(nèi)外均有報(bào)道［18］。研制中采用半導(dǎo)體Ge 作為電阻層，Al2O3陶瓷作為襯底電介質(zhì)。電阻層與另一側(cè)陽極可以等效為一個(gè)二維RC 網(wǎng)絡(luò)，其等效結(jié)構(gòu)如圖2，圖中Ri為方塊電阻值，Ci為單位面積電容。

圖2 電阻感應(yīng)層等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of the resistive sensing layer

電子云被電荷感應(yīng)層接收后發(fā)生擴(kuò)散，其初始電荷隨時(shí)間變化逐漸覆蓋到更大的范圍。若擴(kuò)散時(shí)間太短，導(dǎo)致陽極上感應(yīng)電荷較少，若擴(kuò)散時(shí)間太長，則會(huì)造成信號脈沖堆積，影響探測器的空間分辨性能以及計(jì)數(shù)率。電子云在電阻層上擴(kuò)散時(shí)其電荷密度分布可以表示為［19］

研究中模擬了當(dāng)電子云團(tuán)初始寬度、高阻Ge 膜表面電阻一定，不同陶瓷基底厚度下陽極電荷密度隨電荷分布半徑的變化，如圖3。圖中電荷量Q=1.6 pC，電荷初始寬度σ為0.5 mm，Ge 層的表面電阻為70 MΩ/square，可以看出隨著陶瓷基底厚度的增加，電荷分布半徑增大，電荷密度迅速減小?？紤]到材料的強(qiáng)度以及延遲線陽極需要電子云大小能夠覆蓋2 個(gè)周期且感應(yīng)到的電荷量不能過小，設(shè)計(jì)陶瓷基底厚度為1 mm，確保陽極收集信號的幅度以及成像性能達(dá)到最佳。

圖3 不同基底厚度電子云團(tuán)密度分布Fig.3 Density distribution of electronic cloud cluster with different substrate thickness

1.3 XDL 陽極

二維XDL 陽極原理如圖4。以其中一維方向?yàn)槔?，感?yīng)電荷被XDL 陽極收集單元收集后產(chǎn)生的脈沖信號傳輸?shù)较路窖舆t單元，隨后向延遲線兩端傳輸，通過計(jì)算延遲線兩端的時(shí)間差，根據(jù)信號在延遲線中傳輸?shù)臅r(shí)間差正比于入射光子的位置可以還原出位置的信息。一維延遲線只能獲得信號的一維信息，同理即可得到另一維度的信息，即

圖4 XDL 陽極位置分辨原理圖Fig.4 Schematic of single photon detector based on XDL anode

式中，LX、LY分別為X方向和Y方向延遲線的等效長度，tXDL、tYDL為信號在延遲線中總延遲時(shí)間。由式（2）、（3）可知，XDL 陽極位置解碼的誤差主要由時(shí)間測量誤差與傳輸速度產(chǎn)生。為提高位敏陽極的位置解析精度，實(shí)現(xiàn)高的空間分辨率，可考慮降低信號在延遲線中的實(shí)際傳輸速度，選用高介電常數(shù)的材料。另一方面可以提高時(shí)間測量誤差的精度，其主要的影響因素包括定時(shí)電路的定時(shí)精度以及噪聲、數(shù)字轉(zhuǎn)化誤差等。

為得到入射光子的二維位置信息，需要兩組相互垂直不相交的延遲線，同時(shí)要求兩組延遲線都能接收到信號。傳統(tǒng)的XDL 陽極［21］結(jié)構(gòu)采用刻蝕的方法使用Cu 材料在陶瓷基板上制作收集單元和延遲單元，從上到下結(jié)構(gòu)依次為導(dǎo)體、絕緣體、導(dǎo)體、絕緣體。其中陶瓷作為信號之間的絕緣材料。而設(shè)計(jì)的新型XDL 陽極結(jié)構(gòu)采用PCB 電路板制作，從上到下依次為上層收集單元、地平面、下層收集單元、地平面、上層延遲單元、地平面、下層延遲單元、地平面，收集單元與延遲單元之間由過孔連接。相比于傳統(tǒng)的XDL 陽極，該設(shè)計(jì)將延遲單元放在了收集單元的背面，壓縮了陽極的尺寸，另外采用PCB 制作在降低制造成本的同時(shí)，也提高了陽極的強(qiáng)度。

由于陽極設(shè)計(jì)采用的電荷收集方式為感應(yīng)讀出方式且設(shè)計(jì)的陽極為多層結(jié)構(gòu)，則上層收集條和下層收集條之間的感應(yīng)電荷量也略有不同，為保證兩層收集條收集的電荷量接近一致，在設(shè)計(jì)中上下層的線寬也略有不同。設(shè)計(jì)中考慮到感應(yīng)電荷的電子云能夠覆蓋陽極的兩個(gè)周期且保證異層收集單元收集電荷量接近，上層收集條、下層收集條、陽極周期之間寬度之比為3∶4∶17。設(shè)計(jì)的陽極結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 延遲線陽極結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of delay line anode

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

搭建的延遲線陽極探測器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6。系統(tǒng)主要包括光源、探測器、電子學(xué)讀出和上位機(jī)四部分，其中探測器位于真空腔室內(nèi)，在真空度達(dá)到10-4Pa 后開始工作。高壓電源給MCP 提供工作電壓，單片MCP 在工作電壓為800 V 的條件下，其增益約為104，研究中采用3 片MCP 堆疊的方式確保增益能夠到達(dá)107。測試中當(dāng)光源透過輸入窗被探測器前端MCP 接收后，MCP 將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號并進(jìn)行倍增，經(jīng)倍增后的電子云團(tuán)被高阻感應(yīng)層收集并感應(yīng)到另一側(cè)位敏陽極，感應(yīng)信號最終由陽極輸出端口輸出。陽極輸出信號通過真空腔體轉(zhuǎn)接法蘭將信號引出至電子學(xué)電路，經(jīng)電子學(xué)電路處理后輸出模擬定時(shí)信號。最后通過時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路（Time-to-Digital Converter，TDC）將信號到達(dá)的模擬定時(shí)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上，通過解碼得到入射光子的二維信息實(shí)現(xiàn)成像。

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.6 Schematic of experimental system

電子學(xué)讀出系統(tǒng)主要由信號放大電路、定時(shí)甄別（Constant Fraction Timing，CFD）電路，以及時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路（TDC）等組成。由于陽極輸出的信號很微弱（mV 量級），輸出信號首先需經(jīng)過放大電路將信號進(jìn)行適當(dāng)放大以滿足后續(xù)電路處理的需求。CFD 電路對輸入的模擬信號判斷，通過調(diào)整閾值去除噪聲，甄別出光子事件，當(dāng)檢測到光子事件來臨，CFD 便輸出定時(shí)信號。TDC 對定時(shí)信號進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換將模擬信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息。最終將數(shù)字化定時(shí)信息傳遞到上位機(jī)解碼入射光子事件的位置信息。其信號處理流程如圖7。

圖7 延遲線陽極信號處理流程Fig.7 Schematic of the experiment to the XDL anode

3 結(jié)果與討論

3.1 信號測試

XDL 陽極上輸出的原始信號是一個(gè)具有快速下降沿的窄脈沖信號，如圖8（a）。X、Y方向信號寬度都在10 ns 以內(nèi)，X方向信號幅度約為40 mV，Y方向信號幅度約為30 mV，信號幅度接近但還存在差異，這是由于X、Y方向信號分別是由上層、下層收集單元感應(yīng)產(chǎn)生的，其中下層相對于上層多了一層感應(yīng)介質(zhì)ε，需進(jìn)一步優(yōu)化下層收集單元參數(shù)以得到兩個(gè)維度幅度相當(dāng)?shù)男盘枴?/p>

圖8 信號甄別特性Fig.8 Signal discrimination characteristic

陽極輸出信號在模擬電路中經(jīng)過放大和定時(shí)甄別后輸出定時(shí)信號，圖8（b）為電子學(xué)輸出的定時(shí)信號。信號的上升沿代表了一個(gè)光子事件的到達(dá)。在一次事件結(jié)束之前信號將有一定的保持時(shí)間，以防止信號引起的重復(fù)觸發(fā)。在該事件完全結(jié)束后輸出信號的下降沿。

3.2 暗計(jì)數(shù)測試

探測器的暗計(jì)數(shù)是指在沒有光源輸入的情況下，探測器輸出的偽計(jì)數(shù)，是由于MCP 產(chǎn)生的，主要來自MCP 內(nèi)部吸附的氣體發(fā)生電離以及MCP 材料本身所含的原子在電場作用下發(fā)生電位遷移。通常，微通道板的暗計(jì)數(shù)率非常低（<1 counts/(cm2?s)）。研究中進(jìn)行了沒有光源輸入，探測器與電子學(xué)均正常工作時(shí)采集成像的測試，此時(shí)探測器輸出的脈沖計(jì)數(shù)可視為暗計(jì)數(shù)，成像結(jié)果如圖9。圖中結(jié)果為MCP 工作電壓為800 V，采集時(shí)間為5 min 的計(jì)數(shù)圖像。MCP 有效尺寸為?25 mm，單位面積內(nèi)的計(jì)數(shù)率為0.23 count/s。

圖9 暗計(jì)數(shù)測試Fig.9 Dark count test

3.3 空間分辨率測試

探測器的空間分辨率是評價(jià)其性能的重要指標(biāo)。為測試探測器的空間分辨率，采用激光刻蝕的方式在不銹鋼上刻蝕小孔掩膜板，小孔孔徑為0.08 mm，孔間距為0.5 mm。將小孔掩膜板緊貼放置在MCP 輸入面。受到光照的位置產(chǎn)生小孔，圖10 中白色亮點(diǎn)為小孔成的像。從圖中每一行（列）都可以得到對應(yīng)小孔的光子計(jì)數(shù)分布圖，從而對每個(gè)小孔的半高全寬值（Full Width at Half Maxima，F(xiàn)WHM）進(jìn)行分析。從圖10 中選出指定行（*）列（#）對探測器的空間分辨率進(jìn)行分析，其光子計(jì)數(shù)密度分布如圖11。

圖10 小孔成像圖Fig.10 Pinhole mask image

圖11 空間分辨率分析結(jié)果Fig.11 Spatial resolution analysis results

圖11（a）、（b）是圖10 中指定行（*）/列（#）在X軸/Y軸對應(yīng)的光子計(jì)數(shù)密度分布圖。假定成像中小孔的質(zhì)心位置不變，根據(jù)兩小孔之間所占像素和即為小孔之間的間隔可計(jì)算出單個(gè)像素對應(yīng)的尺寸。根據(jù)光子計(jì)數(shù)分布的半高全寬值FWHM 可得到Y(jié)方向的分辨率平均為150 μm，最優(yōu)可達(dá)107 μm，X方向的分辨率平均為200 μm，最優(yōu)可達(dá)149 μm。其中Y方向的空間分辨率略優(yōu)于X方向，主要由于Y方向位置解碼由下層延遲線得到，下層延遲線其等效傳輸速度較小，因而空間分辨率略高于X方向。

4 結(jié)論

位敏陽極收集電子包括傳統(tǒng)的直接收集方式和采用電荷感應(yīng)技術(shù)耦合讀出兩種方式。將電荷感應(yīng)收集引入交叉延遲線位敏陽極，制備了基于PCB 工藝的延遲線位敏陽極。利用搭建的測試系統(tǒng)對感應(yīng)式交叉延遲線陽極的性能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明探測器在MCP 正常工作電壓下輸出兩個(gè)維度的原始信號不同，這是由于下層信號相對上層信號多了一層感應(yīng)介質(zhì)導(dǎo)致的。利用搭建的系統(tǒng)對研制的交叉延遲線陽極進(jìn)行了成像測試，測試表明其空間分辨率最好可達(dá)107 μm。相比傳統(tǒng)的延遲線陽極設(shè)計(jì)，基于PCB 制備的陽極具有強(qiáng)度高、制備成本低等優(yōu)點(diǎn)。接下來的研究重點(diǎn)是進(jìn)一步優(yōu)化陽極電荷感應(yīng)層，調(diào)整兩個(gè)維度方向延遲線相關(guān)參數(shù)，從而更好地提高探測器的空間分辨能力。