Vernier陽(yáng)極探測(cè)器及其電子讀出電路的設(shè)計(jì)

0 引言
    紫外探測(cè)技術(shù)是繼紅外和激光探測(cè)技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的又一軍民兩用光電探測(cè)技術(shù)。早在20世紀(jì)50年代，人們就開(kāi)始了對(duì)紫外探測(cè)技術(shù)的研究。EUV探測(cè)器是利用30．4 nm波長(zhǎng)的極紫外成像技術(shù)對(duì)地球等離子體層成像，可以得到地球周圍整個(gè)磁層的分布，用來(lái)進(jìn)行空間環(huán)境探測(cè)和研究太陽(yáng)擾動(dòng)期間的變化。
    2007年10月24日，我國(guó)“嫦娥”一號(hào)衛(wèi)星成功發(fā)射，標(biāo)志著我國(guó)進(jìn)入具有深空探測(cè)能力的國(guó)家行列。目前，“嫦娥探月計(jì)劃”二期工程中開(kāi)展月基地球等離子體層EUV成像實(shí)驗(yàn)，研究地球空間環(huán)境變化，為災(zāi)害性環(huán)境變化提供觀測(cè)數(shù)據(jù)。
    本課題組對(duì)極紫外成像探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)研究，并在陽(yáng)極設(shè)計(jì)和電路信號(hào)處理方面取得了較好的成績(jī)。

1 Vernier陽(yáng)極探測(cè)器的結(jié)構(gòu)
    陽(yáng)極探測(cè)器按照位置敏感方式可分為兩種：一種是單元型，如MAMA型；一種是連續(xù)性，如電阻陽(yáng)極、WSA、Delay-line、Vernier等。其中Vernier陽(yáng)極相比于其他陽(yáng)極具有較高的光子計(jì)數(shù)率和位置分辨率，因此，本文主要介紹Vernier陽(yáng)極。

    陽(yáng)極探測(cè)器主要由光陰極、MCP、位敏陽(yáng)極和電子讀出電路組成。陽(yáng)極探測(cè)器基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。單光子光源通過(guò)輸入窗口到達(dá)光電陰極產(chǎn)生電子，再通過(guò)V型級(jí)聯(lián)的MCP倍增產(chǎn)生電子云，在加速電場(chǎng)作用下到達(dá)Vernier陽(yáng)極，形成多路的電子脈沖。多路信號(hào)通過(guò)電子讀出電路處理后，經(jīng)軟件解碼形成灰度圖像。

    用來(lái)收集電子云的陽(yáng)極面板結(jié)構(gòu)如圖2所示，共有6個(gè)電極收集電荷，它們之間相互絕緣。在橫向，每個(gè)電極的面積按正弦變化，且它們之間相差120°，正弦曲線的相位隨著橫向線性變化。每個(gè)電極上收集到的電荷量大小Q也隨位置按正弦變化，且電荷量Q正比于收集電荷的電極面積SQ，由于正弦曲線波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于電極寬度，在電子云覆蓋的每個(gè)電極面積內(nèi)，使得電子云質(zhì)心位置與電極寬度成正比，因此可以得到電極上質(zhì)心位置的相位值θ，通過(guò)θ值可以得到橫坐標(biāo)x值，當(dāng)兩組電極的x值相同，就可以得到光子在陽(yáng)極面板上的坐標(biāo)位置。

2 Vernier陽(yáng)極電子讀出電路設(shè)計(jì)
    電子讀出電路主要由電荷靈敏前置放大器、濾波整形放大電路及峰值保持電路組成。電荷靈敏前置放大器主要用于將陽(yáng)極輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；濾波整形電路是使信號(hào)的形狀滿足準(zhǔn)高斯波形，以滿足后續(xù)處理的需要及提高信號(hào)的信噪比；峰值保持電路是將信號(hào)的峰值展寬，以提高獲得的峰值準(zhǔn)確率。結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖3。

    在前置放大電路中，為了提高輸入阻抗和降低噪聲，采用了低噪音的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管作為電荷靈敏前置放大器的輸入級(jí)，例如2SKl52，2N4416。反饋的電阻、電容設(shè)為Rf=500 MΩ，Cf=1 pF，所以τ=500×106×10-12=500μs，輸出波形的尾部較長(zhǎng)，容易產(chǎn)生脈沖堆積。為了提高計(jì)數(shù)率，需要進(jìn)行CR微分處理，如圖4所示。它的傳遞函數(shù)為，式中，在設(shè)計(jì)中，τ1=τ時(shí)達(dá)到極零相消的目的。圖4中C5=1 000 pF，R6=1 MΩ，W2=50 kΩ，入射到系統(tǒng)的不同光子速率對(duì)積分時(shí)間有不同的要求。選擇不同的R8值可得到不同的積分時(shí)間。在C=1 000 pF條件下，當(dāng)τ2=1μs時(shí)，R8=1 kΩ；當(dāng)τ2=2μs時(shí)，R8=2 kΩ；當(dāng)r2=10μs時(shí)，R8=10 kΩ。實(shí)際電路中用跳線來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)R8的選擇。

    經(jīng)極零相消電路輸出的波形還不能直接采樣電路，必須改善它的波形。為了滿足采集卡對(duì)信號(hào)波形的需要，提高信號(hào)噪聲比，準(zhǔn)確得到脈沖峰值數(shù)據(jù)，需要進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波整形處理。通過(guò)最佳濾波器的討論可知，對(duì)稱無(wú)限寬尖頂脈沖具有最佳的信噪比，且高斯波形具有以上的特征，脈沖頂部比較平坦，所以脈沖的成型一般以高斯型或準(zhǔn)高斯型為波形形狀，采用圖5所示的電路結(jié)構(gòu)，使用兩級(jí)有源低通濾波器。在C=1 000 pF下，對(duì)不同積分時(shí)間取值，當(dāng)τ2=1μs時(shí)；當(dāng)R=1 kΩ，當(dāng)τ2=2μs時(shí)，R=2 kΩ；當(dāng)τ2=10μs時(shí)，R=10 kΩ。同樣R用跳線來(lái)實(shí)現(xiàn)取值。
    峰值保持電路基本原理如圖6所示。當(dāng)輸入信號(hào)比閾值大時(shí)，比較器1輸出高電平觸發(fā)觸發(fā)器1輸出Q為高電平，觸發(fā)器2輸出為高電平，去控制LF398的邏輯電平，使LF398處于采用狀態(tài)。

    當(dāng)信號(hào)到達(dá)峰值時(shí)，比較器2輸出高電平，使與門電路輸出低電平，這時(shí)LF398處于保持狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)信號(hào)峰值進(jìn)行保持。控制電路主要由兩級(jí)單穩(wěn)態(tài)完成，當(dāng)比較器1輸出高電平時(shí)，上升沿觸發(fā)1級(jí)單穩(wěn)態(tài)，輸出的暫穩(wěn)時(shí)間可通過(guò)外接電阻調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)短。暫穩(wěn)態(tài)的下降沿觸發(fā)2級(jí)單穩(wěn)態(tài)，輸出的高電平觸發(fā)模擬開(kāi)關(guān)，使LF398的保持電壓電容迅速放電。

3 結(jié)論
    測(cè)試電路時(shí)，將電路接入本課題組自己搭建的紫外單光子計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)中，用Tek DPO 4104示波器觀察每路電路的輸出波形，滿足準(zhǔn)高斯分布，并使用系統(tǒng)對(duì)4孔掩模板成像。圖7(a)為4孔掩模板實(shí)物圖，各孔之間的距離分別是7 mm，9 mm，15 mm，孔徑約為2 mm。實(shí)驗(yàn)條件：光源用的是低壓汞燈，兩塊MCP加電壓2 280 V，MCP與陽(yáng)極間加電壓300 V，兩塊MCP的間距為50μm，MCP與陽(yáng)極間距為15 mm。在真空度達(dá)到1．0×10-4Pa時(shí)，把陽(yáng)極輸出的脈沖信號(hào)連接到電子讀出電路。本次實(shí)驗(yàn)使用的電路參數(shù)為：前置放大器的靈敏度A=1 V／pc，脈沖整形時(shí)間為2μs，電壓放大倍數(shù)為4倍，用示波器測(cè)量脈沖輸出的脈沖半峰全寬為5μs，電壓幅度滿足采集卡的量程為0～10 V。經(jīng)采集卡采集電壓峰值，軟件解碼后得到的灰度圖像如圖7(b)所示，可以看出所得圖像與實(shí)物一致。

4 結(jié)語(yǔ)
    設(shè)計(jì)了一種Vernier陽(yáng)極探測(cè)器的信號(hào)處理電路，用該電路處理的信號(hào)電壓幅度、信噪比達(dá)到了陽(yáng)極探測(cè)器的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，能夠滿足單光子探測(cè)成像系統(tǒng)的需求，驗(yàn)證了電子讀出電路的可行性。