申请/专利权人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

申请日：2019-06-25

公开（公告）日：2020-10-13

公开（公告）号：CN110361100B

主分类号：G01J11/00(20060101)

分类号：G01J11/00(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.10.13#授权;2019.11.15#实质审查的生效;2019.10.22#公开

摘要：本发明提供的光子计数成像探测器，包括多个层叠设置的微通道板、位于所述微通道板下方的位置编码阳极，所述位置编码阳极包括位置编码阳极电子团接收层、位置编码阳极电荷感应层及位置编码阳极电容传导层，所述位置编码阳极电子团接收层和所述位置编码阳极电荷感应层之间及所述位置编码阳极电荷感应层和所述位置编码阳极电容传导层之间均设置有绝缘介质，所述微通道板、所述位置编码阳极电子团接收层、所述位置编码阳极电荷感应层及所述位置编码阳极电容传导层均设置于真空室中，本发明提供的光子计数成像探测器能够同时实现高成像分辨率和高光子计数率。

主权项：1.一种光子计数成像探测器，其特征在于，包括多个层叠设置的微通道板、位于所述微通道板下方的位置编码阳极，所述位置编码阳极包括位置编码阳极电子团接收层、位置编码阳极电荷感应层及位置编码阳极电容传导层，所述位置编码阳极电子团接收层和所述位置编码阳极电荷感应层之间及所述位置编码阳极电荷感应层和所述位置编码阳极电容传导层之间均设置有绝缘介质，所述微通道板、所述位置编码阳极电子团接收层、所述位置编码阳极电荷感应层及所述位置编码阳极电容传导层均设置于小型真空封装室中，所述小型真空封装室的前端开设有真空窗口，所述位置编码阳极电荷感应层为金属方片阵列设置，所述金属方片阵列与所述位置编码阳极电子团接收层形成平板电容，所述位置编码阳极电容传导层为金属方片阵列设置，所述位置编码阳极电荷感应层与所述位置编码阳极电子团接收层之间距离可调，所述位置编码阳极电荷感应层的金属方片阵列与所述位置编码阳极电容传导层为金属方片阵列错位重叠以形成等量互电容。

全文数据：一种光子计数成像探测器技术领域本发明涉及微弱、极微弱目标成像探测技术领域，特别涉及一种光子计数成像探测器。背景技术在空间天文学、粒子探测、生物荧光成像等重要领域，研究者对微弱目标或粒子的探测需求越来越到，越来越迫切。这类目标的成像都需要使用基于光子计数模式的成像探测器。光子计数成像探测器能够记录单个光子或带电粒子的空间位置信息，并通过计数累积的方式实现目标辐射量的探测。它兼具超低噪声和超高灵敏度的优点，可以通过长时间的光子计数成像对微弱目标进行成像探测。光子计数成像探测器一般由光电转换-电子倍增作用的微通道板、对光子位置编码的位置编码阳极及对光子位置解码对成像电子学组成。根据位置编码阳极原理不同，可分为电荷信号编码测量型和光子到达时间编码型光子计数探测器；其中电荷信号编码阳极又分为电荷信号电阻编码和电荷信号几何编码。电荷信号编码阳极的缺点在于阻抗、容抗较大，影响电荷信号的测量信噪比和时间响应速度，导致成像探测器的空间分辨率和计数率都不高，成像性能不够理想。基于到达时间编码阳极的光子计数成像探测器能通过测量电荷往阳极四个端点传播的时间解码光子的空间位置；由于它是基于时间测量原理，可以同时测量光子的位置和到达时间；目前的到达时间编码光子计数探测器如常用的延迟线等，其阳极的阻抗与电容也较大，同样存在噪声较大和时间响应较慢的缺点，一般计数率也只能做到100Kcps。因此，目前这些基于不同位置编码原理的探测器中存在两个问题：1基于电荷信号编码的探测器的计数率与成像分辨率存在矛盾，探测器的计数率存在瓶颈，一般不超过100kcps；同时，这类探测器不能提供光子的到达时间信息；2目前基于到达时间编码的探测器虽然能够同时测量到达光子的位置与时间信息，但同样存在噪声较大和时间响应较慢的缺点，探测器的空间分辨率和计数率性能存在明显制约。发明内容有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种能够同时实现、空间分辨、目标辐射强度探测及光子到达时间探测的快速光子计数成像探测器的光子计数成像探测器。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种光子计数成像探测器，包括多个层叠设置的微通道板、位于所述微通道板下方的位置编码阳极，所述位置编码阳极包括位置编码阳极电子团接收层、位置编码阳极电荷感应层及位置编码阳极电容传导层，所述位置编码阳极电子团接收层和所述位置编码阳极电荷感应层之间及所述位置编码阳极电荷感应层和所述位置编码阳极电容传导层之间均设置有绝缘介质，所述微通道板、所述位置编码阳极电子团接收层、所述位置编码阳极电荷感应层及所述位置编码阳极电容传导层均设置于小型真空封装室中，所述真空室的前端开设有小型真空封装窗口。在一些较佳的实施例中，所述位置编码阳极电荷感应层为金属方片阵列，所述金属方片阵列与所述位置编码阳极电子团接收层形成平板电容。在一些较佳的实施例中，所述位置编码阳极电容传导层为金属方片阵列。在一些较佳的实施例中，所述位置编码阳极电荷感应层与所述位置编码阳极电子团接收层之间距离可调。在一些较佳的实施例中，所述位置编码阳极电荷感应层的方片阵列与所述位置编码阳极电容传导层为金属方片阵列错位重叠以形成等量互电容。在一些较佳的实施例中，所述位置编码阳极电荷感应层中的金属方片阵列每一个方块单元与其周围的八个方块单元之间都存在一个等量的互电容，以使所述位置编码阳极电荷感应层与所述位置编码阳极电容传导层形成一个由独立电容单元并联而成的电容阵列。在一些较佳的实施例中，所述电容阵列中，所述位置编码阳极电容传导层的四个读出电极间的电容和读出电极与所述位置编码阳极电荷感应层中每个方块单元的距离成线性关系。在一些较佳的实施例中，所述位置编码阳极电荷感应层中每个方块单元与所述读出电极之间的电容在0.1pf到5pf的范围。本发明采用上述技术方案的优点是：本发明提供的光子计数成像探测器，包括多个层叠设置的微通道板、位于所述微通道板下方的位置编码阳极，所述位置编码阳极包括位置编码阳极电子团接收层、位置编码阳极电荷感应层及位置编码阳极电容传导层，所述位置编码阳极电子团接收层和所述位置编码阳极电荷感应层之间及所述位置编码阳极电荷感应层和所述位置编码阳极电容传导层之间均设置有绝缘介质，所述微通道板、所述位置编码阳极电子团接收层、所述位置编码阳极电荷感应层及所述位置编码阳极电容传导层均设置于真空室中，所述真空室的侧边开设有真空窗口，光子透过真空窗口进入真空室中，撞击微通道板的微细孔内壁转化为电子，在加速电压的作用下在微细孔内多次撞击内壁产生雪崩效应，形成电子团并从微细孔另一端出射，降落在位置编码阳极上，能够大幅降低位置解码阳极在成像电子学中产生的噪声，同时大幅提高信号传输链路的时间响应特性，同时实现高成像分辨率和高光子计数率；另外，针对阳极的快速时间响应特性，采用新的成像电子学测量方法，实现快速的光子位置-到达时间同时探测。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为本发明实施例提供的光子计数成像探测器的结构示意图。图2为本发明实施例提供的所述位置编码阳极的原理示意图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。请参阅图1，为本发明实施例提供的光子计数成像探测器100的结构示意图，包括：包括多个层叠设置的微通道板110、位于所述微通道板110下方的位置编码阳极120，所述位置编码阳极120包括位置编码阳极电子团接收层121、位置编码阳极电荷感应层122及位置编码阳极电容传导层123，所述位置编码阳极电子团接收层121和所述位置编码阳极电荷感应层122之间及所述位置编码阳极电荷感应层122和所述位置编码阳极电容传导层123之间均设置有绝缘介质130，所述微通道板110、所述位置编码阳极电子团接收层121、所述位置编码阳极电荷感应层122及所述位置编码阳极电容传导层123均设置于真空室140中，所述真空室140的前端开设有真空窗口150。以下详细说明光子计数成像探测器各个部件的结构及其组成。在一些较佳的实施例中，所述多个层叠设置的微通道板110形成Z形通道。可以理解，光子透过真空窗口150进入探测器真空室140，撞击微通道板110的微细孔内壁转化为电子，在加速电压的作用下在微细孔内多次撞击微通道板110的内壁产生雪崩效应，形成电子团并从微细孔另一端出射，降落在位置编码阳极120上。在一些较佳的实施例中，真空窗口150的前端窗口采用MgF2玻璃。请参阅图2，为本发明实施例提供的所述位置编码阳极120的原理示意图。在一些较佳的实施例中，所述位置编码阳极电子团接收层121为高阻值的锗层。在一些较佳的实施例中，所述位置编码阳极电荷感应层122为金属方片阵列1设置，所述金属方片阵列1与所述位置编码阳极电子团接收层121形成平板电容，从而可产生感应电荷。在一些较佳的实施例中，所述位置编码阳极电容传导层123为金属方片阵列2，在所述位置编码阳极电容传导层123与位置编码阳极电荷感应层122的作用下，产生的感应电荷传导至读出电极3。可以理解，所述位置编码阳极电荷感应层122与所述位置编码阳极电子团接收层121之间距离可调，通过调整两者之间的距离，可以改变感应电荷的电量和空间范围。在一些较佳的实施例中，所述位置编码阳极电荷感应层122的金属方片阵列1与所述位置编码阳极电容传导层123为金属方片阵列2错位重叠以形成等量互电容。可以理解，由于所述位置编码阳极电荷感应层122的金属方片阵列1与所述位置编码阳极电容传导层123为金属方片阵列2错位重叠，使得位置编码阳极电荷感应层122中金属方块阵列中每一个方块单元与其周围的八个方块单元之间都存在一个等量的互电容，因此位置编码阳极电荷感应层122与位置编码阳极电容传导层123形成一个由独立电容单元并联而成的电容阵列，在该阵列中，位置编码阳极电荷感应层122中金属方块阵列中每个单元与位置编码阳极电容传导层123的四个读出电极3间的电容与读出电极与位置编码阳极电荷感应层122中金属方块阵列中每个单元之间的距离成线性关系。由于存在这种电容线性关系，当电子云团降落在某一电荷感应层方块单元时，每个读出电极的读出信号也和该方块单元与读出电极间的距离成线性关系，因此使得电容阵列具备位置分辨能力。可以理解，感应电荷在经过位置编码阳极电荷感应层122某一金属方块阵列单元后，会被位置编码阳极电容传导层四个读出电极3按照它们与该方块阵列单元的电容关系而分割，每个读出电极分配的感应电荷量与空间位置也呈线性关系，通过测量读出电极的分配电荷量，可以计算得到对应光子的入射位置。所述位置编码阳极电荷感应层122中每个方块单元与所述读出电极3之间的电容在0.1pf到5pf的范围，因此位置编码阳极120相对测量电路的输入电容也在这个范围内，相比其他阳极极大降低了输入噪声，提高电荷信号的测量信噪比，从而为大幅提高测量电路的时间响应特性提供可能。可以理解，位置编码阳极120的位置编码阳极电子团接收层121收集电子团，并在降落位置的位置编码阳极电荷感应层122约等量的电荷，被按照一定的规律被位置编码阳极电容传导层123上的读出电极线性分割。本发明提供的光子计数成像探测器，其工作原理如下：光子透过真空窗口150进入探测器真空室140，撞击微通道板110的微细孔内壁转化为电子，在加速电压的作用下在微细孔内多次撞击微通道板110的内壁产生雪崩效应，形成电子团并从微细孔另一端出射，降落在位置编码阳极120上，所述位置编码阳极电子团接收层121收集电子团，并在所述位置编码阳极电荷感应层122产生约等量的电荷，这些电荷按照一定的规律被所述位置编码阳极电容传导层123的读出电极线性分割后，输入至前置放大器4并积分输出电压信号，由充放电电容5快速充电后按照固定时间放电，输出一个按时间等比例衰减电压信号；将该电压信号与比较器6的阈值信号比较，如果电压信号大于阈值信号时，比较器7即输出高电平信号，否则输出低电平信号，因此将电压信号转化为一个一定宽度的脉冲信号；由快速晶振和FPGA计数模块8测量该脉冲信号的时间宽度，并记录每个脉冲信号的上升沿时间戳；最后，将四路读出电极产生的脉冲时间宽度由计算单元9按位置解码算法计算，可以解码得到光子的位置，而对一个光子产生的四路脉冲上升沿的时间戳求平均值，可得到光子的到达时间。本发明提供的光子计数成像探测器，光子透过真空窗口进入真空室中，撞击微通道板的微细孔内壁转化为电子，在加速电压的作用下在微细孔内多次撞击内壁产生雪崩效应，形成电子团并从微细孔另一端出射，降落在位置编码阳极上，能够大幅降低位置解码阳极在成像电子学中产生的噪声，同时大幅提高信号传输链路的时间响应特性，同时实现高成像分辨率和高光子计数率；另外，针对阳极的快速时间响应特性，采用新的成像电子学测量方法，实现快速的光子位置-到达时间同时探测。当然本发明的光子计数成像探测器还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

权利要求：1.一种光子计数成像探测器，其特征在于，包括多个层叠设置的微通道板、位于所述微通道板下方的位置编码阳极，所述位置编码阳极包括位置编码阳极电子团接收层、位置编码阳极电荷感应层及位置编码阳极电容传导层，所述位置编码阳极电子团接收层和所述位置编码阳极电荷感应层之间及所述位置编码阳极电荷感应层和所述位置编码阳极电容传导层之间均设置有绝缘介质，所述微通道板、所述位置编码阳极电子团接收层、所述位置编码阳极电荷感应层及所述位置编码阳极电容传导层均设置于小型真空封装室中，所述小型真空封装室的前端开设有真空窗口。2.如权利要求1所述的光子计数成像探测器，其特征在于，所述位置编码阳极电荷感应层为金属方片阵列设置，所述金属方片阵列与所述位置编码阳极电子团接收层形成平板电容。3.如权利要求2所述的光子计数成像探测器，其特征在于，所述位置编码阳极电容传导层为金属方片阵列设置。4.如权利要求3所述的光子计数成像探测器，其特征在于，所述位置编码阳极电荷感应层与所述位置编码阳极电子团接收层之间距离可调。5.如权利要求4所述的光子计数成像探测器，其特征在于，所述位置编码阳极电荷感应层的金属方片阵列与所述位置编码阳极电容传导层为金属方片阵列错位重叠以形成等量互电容。6.如权利要求4所述的光子计数成像探测器，其特征在于，所述位置编码阳极电荷感应层中的金属方片阵列每一个方块单元与其周围的八个方块单元之间都存在一个等量的互电容，以使所述位置编码阳极电荷感应层与所述位置编码阳极电容传导层形成一个由独立电容单元并联而成的电容阵列。7.如权利要求6所述的光子计数成像探测器，其特征在于，所述电容阵列中，所述位置编码阳极电容传导层的四个读出电极间的电容和读出电极与所述位置编码阳极电荷感应层中每个方块单元的距离成线性关系。8.如权利要求7所述的光子计数成像探测器，其特征在于，所述位置编码阳极电荷感应层中每个方块单元与所述读出电极之间的电容在0.1pF到5pF的范围。

百度查询： 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种光子计数成像探测器

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