CN215865490U - 一种超快高分辨并行读出单光子探测器 - Google Patents
一种超快高分辨并行读出单光子探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种超快高分辨并行读出单光子探测器，以解决现有的位敏阳极探测器空间分辨率较低，且无法处理重叠事件的问题。该探测器包括管壳壳体、带有光电阴极的输入窗、微通道板组件、半导体阳极组件及图像处理单元。半导体阳极组件包括像素电荷收集电极、像素电荷读出电子器件、绝缘基底和引线电极；像素电荷读出电子器件包括阵列排布的多个像素电荷读出单元，像素电荷收集电极包括阵列排布的多个像敏单元，像敏单元为像素化单片；每个像敏单元通过凸点焊球与相应的像素电荷读出单元连接，每个像素电荷读出单元与相应的引线电极一端连接，引线电极另一端穿出绝缘基底并与图像处理单元连接。
Description
技术领域
本实用新型涉及微光探测、成像领域，具体涉及一种超快高分辨并行读出单光子探测器。
背景技术
近年来，低照度条件下的微弱信号探测成像技术凭借其广泛的应用背景，成为世界各国争相研究的热点，与微弱信号探测成像技术相关的仪器设备也成为前沿科学和尖端领域不可或缺的研究工具和手段，基于微通道板(MCP)的位敏阳极探测器就是其中之一。
基于微通道板(MCP)的位敏阳极探测器将微弱光信号转换成电信号进行放大，通过具有二维位置分辨的位敏阳极读出，探测到的光子数反映目标信号的强度，位敏阳极的空间分辨率决定图像的分辨率。位敏阳极按照解码方式的不同，可以分为阻抗型阳极、电荷分割型阳极、延时线阳极和交叉阳极。阻抗型阳极因热电荷噪声的影响、电荷分割型阳极因阳极分割数量有限、延时线阳极因电极间串扰严重等因素，限制了探测器空间分辨率，且上述位敏阳极设备一次只能处理一个事件，不能记录同时发生的事件。
申请号为201320307734.5的中国专利公开了一种适用于微通道板探测器的交叉位敏阳极以及探测系统，其中，接收阳极由上、下正交的矩形交叉导电条组成，每个矩形导电条独立输出电荷信号，且每一个分立电极条的信号均需通过一个引线穿过绝缘衬底引出。随着探测面积的增大，引线数量会变得巨大，相应地读出电路也会变得庞大复杂，因此读出通道的数量受限，只能对少量同时发生的事件进行探测，降低了探测器的空间分辨率。另外，在电荷收集以及信号处理时间内的重叠事件也不能被解码，导致探测器计数率下降。
实用新型内容
为了解决现有的位敏阳极探测器空间分辨率较低，且无法处理重叠事件的问题，本实用新型现提供一种超快高分辨并行读出单光子探测器。
为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：
一种超快高分辨并行读出单光子探测器，包括管壳壳体、输入窗、微通道板组件、半导体阳极组件以及图像处理单元；所述输入窗和半导体阳极组件分别设置在管壳壳体的两端开口处，形成真空密封腔；所述输入窗的内侧设置有光电阴极；所述微通道板组件设置在真空密封腔内；其特殊之处在于：
所述半导体阳极组件包括像素电荷收集电极、像素电荷读出电子器件、绝缘基底和引线电极；
所述绝缘基底与管壳壳体密封连接；
所述像素电荷读出电子器件设置在绝缘基底内侧，包括阵列排布的多个像素电荷读出单元；
所述像素电荷收集电极设置在像素电荷读出电子器件内侧，包括阵列排布的多个像敏单元；所述像敏单元为像素化单片；
每个像敏单元通过凸点焊球与相应的像素电荷读出单元连接；每个像素电荷读出单元与相应的引线电极一端连接，引线电极另一端穿出绝缘基底并与图像处理单元连接。
进一步地，所述像素电荷读出单元包括依次连接的模拟电路和数字电路；
所述模拟电路包括电荷灵敏放大电路和比较器；所述电荷灵敏放大电路用于对像敏单元收集到的电荷积分得到电荷量；所述比较器用于将电荷量与门限值进行比较，得到超过门限值的电压脉冲，所述电压脉冲的宽度正比于收集到的电荷量；
所述数字电路包括同步控制逻辑电路、计数器、高精度时钟及像素读出电路；所述同步控制逻辑电路根据比较器的电压脉冲产生触发信号，触发信号有效时，所述计数器根据高精度时钟对比较器输出的电压脉冲时间信息进行计数；所述像素读出电路用于读取计数结果并输出至图像处理单元。
进一步地，所述图像处理单元包括至少一个接口板、数字处理板和PC计算机；
所述接口板的输入端与引线电极连接，用于将像素电荷读出单元输出的数字信号转换成低压差分信号，并传输至数字处理板；
所述数字处理板用于对低压差分信号进行重新配置，并通过以太网接口传输到PC计算机进行成像。
进一步地，所述像素化单片为硅、砷化镓或碲化镉单片；
所述像素电荷收集电极包括N*N个像敏单元；
所述凸点焊球的材料为钎。
进一步地，所述管壳壳体包括同轴依次连接的铟封环、第一陶瓷环、MCP输入电极环、第二陶瓷环、MCP输出电极环、第三陶瓷环及阳极封接环；
所述铟封环上开设有铟封槽，所述输入窗固定于铟封槽内；
所述微通道板组件安装在MCP输入电极环和MCP输出电极环之间，且微通道板组件的输入面和MCP输入电极环之间设有MCP压环；
所述绝缘基底通过阳极定位封接环与阳极封接环固连。
进一步地，所述光电阴极的阴极面与微通道板组件的输入面之间距离为0.1-0.2mm；
所述微通道板组件包括单个微通道板、“V”型级联的两块微通道板或“Z”型级联的三块微通道板。
进一步地，所述输入窗材质为光纤面板、石英、氟化镁或K9玻璃；
所述光电阴极为S20阴极、S25阴极、CsTe阴极或金属阴极。
本实用新型相比现有技术的有益效果是：
(1)本实用新型提供的超快高分辨并行读出单光子探测器，通过半导体阳极组件中像素电荷收集电极和像素电荷读出电子器件的组合设计，使得每个像敏单元与相应的像素电荷读出单元形成一个独立的计数器，在事件计数模式下可以达到GHZ的速率，具有更高的计数能力。该探测器可对同时发生的多个事件进行探测，通过像素电荷读出电子器件进行直接编码，并行读出，每次可探测104以上的事件。
(2)像素电荷读出单元中的电荷灵敏放大电路噪声水平相对较低(通常为75e-rms)，约104个电子的输出电荷值足以对单个粒子进行低噪声探测，相比WSA阳极、delay-line阳极探测器输出噪声低10-1000倍。低噪声像素电荷读出单元使得入射粒子所需微通道板的增益大幅度降低，增益的降低使得探测器局部计数能力显著增加，也有利于延长微通道板组件的使用寿命。
附图说明
图1是本实用新型超快高分辨并行读出单光子探测器实施例的结构示意图(未示出图像处理单元)；
图中，1-管壳壳体，11-铟封环，12-第一陶瓷环，13-MCP输入电极环，14-第二陶瓷环，15-MCP输出电极环，16-第三陶瓷环，17-阳极封接环，18-阳极定位封接环，2-输入窗，3-光电阴极，4-微通道板组件，5-半导体阳极组件，51-像素电荷收集电极，52-凸点焊球53-像素电荷读出电子器件，54-绝缘基底，55-引线电极。
图2是使用本实用新型超快高分辨并行读出单光子探测器进行探测的原理示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种超快高分辨并行读出单光子探测器作进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型提出的超快高分辨并行读出单光子探测器，包括管壳壳体1、输入窗2、微通道板组件4、半导体阳极组件5以及图像处理单元。输入窗2和半导体阳极组件5分别设置在管壳壳体1的两端开口处，形成真空密封腔，真空密封腔的真空度为10-6Pa量级。输入窗2的内侧设置有光电阴极3，微通道板组件4设置在真空密封腔内，且位于光电阴极3和半导体阳极组件5之间。
具体来说，管壳壳体1包括同轴依次连接的铟封环11、第一陶瓷环12、MCP输入电极环13、第二陶瓷环14、MCP输出电极环15、第三陶瓷环16及阳极封接环17。
铟封环11上开设有铟封槽，输入窗2密封固定于铟封槽内。输入窗2的材质为光纤面板、石英、氟化镁或K9玻璃。光电阴极3为S20阴极、S25阴极、CsTe阴极或金属阴极，可根据探测器的波长选择。光电阴极3的绝缘基底54采用95％Al2O3陶瓷。
微通道板组件4安装在MCP输入电极环13和MCP输出电极环15之间，且微通道板组件4的输入面和MCP输入电极环13之间设有MCP压环。光电阴极3的阴极面与微通道板组件4的输入面之间的距离为0.1-0.2mm。微通道板组件4包括单个微通道板、“V”型级联的两块微通道板或“Z”型级联的三块微通道板，采用多片级联的微通道板主要用于提高探测器的增益。
半导体阳极组件5包括像素电荷收集电极51、像素电荷读出电子器件53、绝缘基底54和引线电极55。
绝缘基底54采用95％Al2O3陶瓷，通过阳极定位封接环18与阳极封接环17焊接固定。像素电荷读出电子器件53设置在绝缘基底54内侧，包括阵列排布的N*N个像素电荷读出单元。像素电荷收集电极51设置在像素电荷读出电子器件53内侧，包括阵列排布的N*N个像敏单元，像敏单元为微米级的像素化单片(硅、砷化镓或碲化镉单片)。每个像敏单元通过凸点焊球52(bump-bonds球)与相应的像素电荷读出单元连接，即通过钎材料键合在一起。每个像素电荷读出单元与相应的引线电极55一端连接，引线电极55另一端穿出绝缘基底54并与图像处理单元连接。每个像敏单元与相应的像素电荷读出单元形成一个独立的计数器，能够进行待测物体的计量、统计光子能量或计算出检测到的量子时间。
微通道板组件4的输出面与半导体阳极组件5的像素电荷收集电极51之间的距离以及它们之间的电场决定了几个像素之间的电荷分布。在微通道板组件4的输出面，电荷通常位于约6-30微米的范围内，能够以1-2像素的精度进行事件编码。
像素电荷读出单元是将模拟电路和数字电路集成在一起的电子芯片。模拟电路包括电荷灵敏放大电路和比较器，电荷灵敏放大电路用于对像敏单元收集到的电荷积分得到电荷量，比较器用于将电荷量与门限值进行比较，得到超过门限值的电压脉冲，该电压脉冲的宽度正比于收集到的电荷量。数字电路包括同步控制逻辑电路、计数器、高精度时钟及像素读出电路，同步控制逻辑电路根据比较器的电压脉冲产生触发信号，触发信号有效时，计数器根据高精度时钟对比较器输出的电压脉冲时间信息进行计数，像素读出电路用于读取计数结果并输出至图像处理单元。
图像处理单元包括至少一个接口板、数字处理板和PC计算机。
接口板采用现场可编程门阵列板，其输入端与引线电极55连接，用于将像素电荷读出单元输出的CMOS数字信号转换成低压差分信号(LVDS)，并通过同轴电缆传输至数字处理板(FPGA板)。数字处理板用于对低压差分信号进行重新配置，并通过Gb以太网接口传输到PC计算机进行成像。
使用上述超快高分辨并行读出单光子探测器进行微光探测和成像，其原理如图2所示，具体包括以下步骤：
1)入射光子进入探测器的输入窗2后，经光电阴极3转化为电子；
2)电子在光电阴极3和半导体阳极组件5形成的外电场作用下，加速进入微通道板组件4；微通道板对电子进行倍增后形成高能电子；
3)在外电场的约束下，高能电子轰击在上层的像素电荷收集电极51上，生成电子-空穴对，电子或空穴被邻近的像素电荷收集电极51收集，经过凸点焊球52键合到下层的像素电荷读出电子器件53上；
4)像素电荷读出电子器件53的每个像素电荷读出单元对像素电荷进行光子计数，并以KHZ/帧速率读取整个图像；
4.1)每个像素电荷读出单元的电荷灵敏放大电路对相应的像敏单元收集到的电荷进行积分得到电荷量；
4.2)将电荷量与比较器的门限值进行比较，得到超过门限值且宽度正比于电荷量的电压脉冲；
4.3)在同步控制逻辑电路的触发信号有效时，计数器根据高精度时钟对比较器输出的电压脉冲时间信息进行计数；
4.4)像素读出电路读取计数结果并输出至图像处理单元；
5)计数结果通过引线电极55传输到真空之外的图像处理单元进行处理成像；
5.1)计数结果通过引线电极55传输到接口板，接口板将接收到的数字信号转换成低压差分信号，并传输至数字处理板；
5.2)数字处理板对低压差分信号进行重新配置，并通过以太网接口传输到PC计算机进行成像。
较高的微通道板增益会导致电荷在几个像素上扩散，随着更多低增益事件出现在读出阈值之上，它会提高检测效率，从而提升探测器的计数率。但是较高的微通道板增益会导致打到像素电荷收集电极51上的电子云团面积较大，从而降低探测器的空间分辨率。因此，微通道板增益和半导体阳极读出阈值(比较器的门限值)水平应在高计数率和高空间分辨率操作模式之间进行调整。同时，持续时间采集帧需要针对给定的输入事件速率进行调整，防止单个帧内的事件重叠。
Claims (7)
1.一种超快高分辨并行读出单光子探测器，包括管壳壳体(1)、输入窗(2)、微通道板组件(4)、半导体阳极组件(5)以及图像处理单元；所述输入窗(2)和半导体阳极组件(5)分别设置在管壳壳体(1)的两端开口处，形成真空密封腔；所述输入窗(2)的内侧设置有光电阴极(3)；所述微通道板组件(4)设置在真空密封腔内；其特征在于：
所述半导体阳极组件(5)包括像素电荷收集电极(51)、像素电荷读出电子器件(53)、绝缘基底(54)和引线电极(55)；
所述绝缘基底(54)与管壳壳体(1)密封连接；
所述像素电荷读出电子器件(53)设置在绝缘基底(54)内侧，包括阵列排布的多个像素电荷读出单元；
所述像素电荷收集电极(51)设置在像素电荷读出电子器件(53)内侧，包括阵列排布的多个像敏单元；所述像敏单元为像素化单片；
每个像敏单元通过凸点焊球(52)与相应的像素电荷读出单元连接；每个像素电荷读出单元与相应的引线电极(55)一端连接，引线电极(55)另一端穿出绝缘基底(54)并与图像处理单元连接。
2.根据权利要求1所述的超快高分辨并行读出单光子探测器，其特征在于：所述像素电荷读出单元包括依次连接的模拟电路和数字电路；
所述模拟电路包括电荷灵敏放大电路和比较器；所述电荷灵敏放大电路用于对像敏单元收集到的电荷积分得到电荷量；所述比较器用于将电荷量与门限值进行比较，得到超过门限值的电压脉冲，所述电压脉冲的宽度正比于收集到的电荷量；
所述数字电路包括同步控制逻辑电路、计数器、高精度时钟及像素读出电路；所述同步控制逻辑电路根据比较器的电压脉冲产生触发信号，触发信号有效时，所述计数器根据高精度时钟对比较器输出的电压脉冲时间信息进行计数；所述像素读出电路用于读取计数结果并输出至图像处理单元。
3.根据权利要求2所述的超快高分辨并行读出单光子探测器，其特征在于：所述图像处理单元包括至少一个接口板、数字处理板和PC计算机；
所述接口板的输入端与引线电极(55)连接，用于将像素电荷读出单元输出的数字信号转换成低压差分信号，并传输至数字处理板；
所述数字处理板用于对低压差分信号进行重新配置，并通过以太网接口传输到PC计算机进行成像。
4.根据权利要求1至3任一所述的超快高分辨并行读出单光子探测器，其特征在于：所述像素化单片为硅、砷化镓或碲化镉单片；
所述像素电荷收集电极(51)包括N*N个像敏单元；
所述凸点焊球(52)的材料为钎。
5.根据权利要求4所述的超快高分辨并行读出单光子探测器，其特征在于：所述管壳壳体(1)包括同轴依次连接的铟封环(11)、第一陶瓷环(12)、MCP输入电极环(13)、第二陶瓷环(14)、MCP输出电极环(15)、第三陶瓷环(16)及阳极封接环(17)；
所述铟封环(11)上开设有铟封槽，所述输入窗(2)固定于铟封槽内；
所述微通道板组件(4)安装在MCP输入电极环(13)和MCP输出电极环(15)之间，且微通道板组件(4)的输入面和MCP输入电极环(13)之间设有MCP压环；
所述绝缘基底(54)通过阳极定位封接环(18)与阳极封接环(17)固连。
6.根据权利要求5所述的超快高分辨并行读出单光子探测器，其特征在于：所述光电阴极(3)的阴极面与微通道板组件(4)的输入面之间距离为0.1-0.2mm；
所述微通道板组件(4)包括单个微通道板、“V”型级联的两块微通道板或“Z”型级联的三块微通道板。
7.根据权利要求6所述的超快高分辨并行读出单光子探测器，其特征在于：所述输入窗(2)材质为光纤面板、石英、氟化镁或K9玻璃；
所述光电阴极(3)为S20阴极、S25阴极、CsTe阴极或金属阴极。
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| CN113532640B (zh) * | 2021-07-06 | 2025-01-07 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种超快高分辨并行读出单光子探测器及探测方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
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| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
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| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20220218 Effective date of abandoning: 20250107 |
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| AV01 | Patent right actively abandoned |
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