CN103163549A

CN103163549A - 一种基于微通道板拼接的大面积x射线脉冲探测装置

Info

Publication number: CN103163549A
Application number: CN2011104490307A
Authority: CN
Inventors: 盛立志; 赵宝升; 刘永安; 鄢秋荣; 赛小锋; 韦永林; 周峰
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-06-19

Abstract

本发明涉及一种基于微通道板拼接的大面积X射线脉冲探测装置，包括依次叠放的X射线光电阴极、第一绝缘层、MCP输入电极压环、第二绝缘层、MCP输入电极、第一层MCP、中间电极、第二层MCP、第三绝缘层、MCP输出电极、第四绝缘层以及阳极，第一层MCP和第二层MCP均为大面积MCP探测器，大面积MCP探测器包括探测器本体、拼接骨架以及处理电路。本发明解决了现有的采用MCP探测器探测X射线脉冲需要极长的观测时间、整个系统的探测效率低的技术问题，为X射线脉冲星导航系统提供高探测效率的探测方法和装置、为X射线脉冲星导航提供高时间分辨和高时间精度的光子测量信息，为导航定位的高精度提供保障。

Description

一种基于微通道板拼接的大面积X射线脉冲探测装置

技术领域

本发明涉及一种大面积X射线探测器的装置，可用于X射线脉冲星脉冲探测，采用基于微通道板MCP拼接的大面积探测器技术，是解决深空极微弱X射线脉冲探测、未来脉冲星导航的可持续性发展和工程化研究的重要方法和实验装置。同时，本实验方法和装置也可以用于其他大面积X射线脉冲探测。

背景技术

X射线脉冲星导航是通过探测深空脉冲星的周期性X射线脉冲，来确定航天器的位置、速度和姿态等的新型自主导航技术。X射线脉冲星导航能够为近地轨道、深空和星际空间飞行器提供丰富的导航信息，实现航天器全程高精度自主导航和运行管理，具有广阔的工程应用前景，是美国和欧洲正在大力研究和积极实施的新技术和方法。我国许多单位也开展了相关研究，并提出了我国发展X射线脉冲星自主导航的必要性和可行性。

由于毫秒脉冲星的辐射主要集中于1～10keV能段，且辐射强度非常微弱，一般在10^-5ph/s/cm²的量级，最强的Crab脉冲星辐射强度也只有1.54ph/s/cm²，为了探测这样微弱的光子信号，就要求探测器在1～10keV能段具有足够高的探测灵敏度，且探测器面积足够大，较大的探测器面积可以使系统在有限的观测时间内获得高的探测效率和高的信噪比。

现有的X射线探测器主要有气体正比计数管(气体)、基于半导体的探测器(固体)和基于微通道板(MCP)的探测器(真空)：

其中气体正比计数器可以做到比较大的面积，但是这种探测器需要充入惰性气体，在空间应用中会受到空间碎片的撞击而漏气，严重制约使用寿命；基于Si的半导体探测器使用时常常需要大量的制冷剂，从而增加了航天器的负荷；基于MCP探测器由于具有高灵敏度、高时间分辨的特点且可以在常温下工作而适合于脉冲星导航应用，但是，现有的MCP探测器单块最大尺寸只有Φ100mm左右，小的MCP探测器面积就要求极长的观测时间，降低了整个探测系统的效率。

因此为了获得高的探测效率和高的信噪比，大面积MCP探测器的研究具有重要意义，为脉冲星导航的应用奠定基础。

发明内容

为了解决现有的采用MCP探测器探测X射线脉冲需要极长的观测时间、整个系统的探测效率低的技术问题，本发明的目的是提供一种基于微通道板MCP拼接实现大面积X射线脉冲探测装置，克服现有技术的不足，以实现极微弱X射线脉冲的探测，为脉冲星导航提供大面积探测器探测装置。

本发明的技术解决方案是：

基于微通道板拼接的大面积X射线脉冲探测装置，其特殊之处在于：包括依次叠放的X射线光电阴极2、第一绝缘层3、MCP输入电极压环4、第二绝缘层5、MCP输入电极6、第一层MCP7、中间电极8、第二层MCP9、第三绝缘层10、MCP输出电极11、第四绝缘层12以及阳极13，所述第一层MCP和第二层MCP均为大面积MCP探测器，所述大面积MCP探测器包括探测器本体、拼接骨架以及处理电路，所述探测器本体由多个MCP探测器拼接而成。

上述多个MCP探测器拼接是m×n阵列，其中m，n均为整数。

上述多个MCP探测器拼接是3×3阵列或4×4阵列。

上述X射线光电阴极为CsI光电阴极，所述X射线光电阴极镀于聚酰亚胺/铝滤光膜上。

上述或门逻辑电路为m×n通道ECL或门电路。

上述MCP探测器包括光电阴极、两块MCP组、电子接收阳极、前置放大电路和恒比定时甄别电路，所述前置放大电路的输入端与电子接收阳极连接，所述前置放大电路的输出端与恒比定时甄别电路的输入端连接，所述电子接收阳极放置于拼接骨架上；

所述处理电路包括或门逻辑电路和时间数字转换电路TDC，所述或门逻辑电路的输入端接每一个恒比定时甄别电路的输出端，所述或门逻辑电路的输出端接时间数字转换电路TDC的输入端，时间数字转换电路TDC的输出端通过USB接口进入计算机。

上述X射线光电阴极前还设置有X射线准直器1。

上述MCP探测器为正方形的MCP探测器或矩形的MCP探测器。

上述两块MCP组为V”字型级联，所述MCP探测器的电子接收阳极是阻抗匹配的微带线阳极或阻抗匹配的锥形阳极。

上述拼接骨架由绝缘材料制成。

本发明所具有的有益效果：

1、本发明的基于MCP拼接的大面积X射线探测器面积大，为X射线脉冲星导航系统提供高探测效率的探测方法和装置。

2、本发明的MCP拼接方案保持了MCP探测器基本单元高时间分辨的特点，为X射线脉冲星导航提供高时间分辨和高时间精度的光子测量信息，为导航定位的高精度提供保障。

3、本发明的MCP拼接大面积探测器使用寿命长，不需要制冷。

附图说明

图1本发明的MCP拼接探测器零件示意图；

图2本发明的MCP拼接探测器整体结构示意图；

图3500nm聚酰亚胺/50nm铝膜透过率曲线；

其中附图标记为：1-X射线准直器，2-X射线光电阴极，3-第一绝缘层，4-MCP输入电极压环，5-第二绝缘层，6-MCP输入电极，7-第一层MCP，8-中间电极，9-第二层MCP，10-第三绝缘层，11-MCP输出电极，12-第四绝缘层，13-阳极。

具体实施方式

一种基于微通道板拼接实现大面积X射线脉冲探测装置，

1】采用MCP探测器作为基本单元，拼接成为m×n阵列的大面积X射线探测器；2】大面积X射线探测器输入端设置X射线准直器1和X射线滤光膜；3】基本单元包含光电阴极、两块MCP组、电子接收阳极12；4】每个基本单元的电子接收阳极输出信号经过电流灵敏前置放大、恒比定时甄别电路输出ECL电平信号；5】m×n个基本单元的m×n路ECL电平信号进入m×n个通道ECL或门电路，将上述m×n路ECL信号进行或门逻辑运算，得到1路信号，该路信号的电平高低即表示是否有光子入射至所述MCP拼接的大面积探测器；6】TDC电路将所述或门逻辑运算得到的脉冲到达时间信息用标准时钟进行时间标记，获得X射线光子到达时间。

MCP探测器拼接方案的拼接阵列可以是任意组合，矩形和正方形均可，即可以是3×3阵列，也可以是4×4阵列或者m×n阵列等。

MCP探测器可以采用正方形的MCP或者矩形的MCP。

MCP探测器基本单元的两块MCP为“V”字型级联，所获得的增益为106左右。

MCP探测器基本单元的电子接收阳极可以是阻抗匹配的微带线阳极，也可以是阻抗匹配的锥形阳极。

拼接方案的拼接骨架为绝缘材料制成，要求材料在真空中放气要小，且材料具有一定的硬度和韧性。将每个基本单元的电子接收阳极放置于拼接骨架上。在X射线光电阴极2镀于聚酰亚胺/铝滤光膜，滤光膜的作用是滤除紫外及低能X射线等背景辐射。

MCP拼接探测器滤光膜前面为X射线准直器，该准直器可以是采用微小加工技术光刻、塑型而成的小型化LIGA准直器，也可以是由钽片组成的体积较大的准直器筒。

MCP探测器基本单元的阳极输出信号由电流灵敏前置放大进行信号放大，并保持阳极输出的快时间响应的特征。

电流灵敏放大的输出信号由恒比定时甄别电路确定该脉冲的时间信息，在电流灵敏放大输出信号幅度上升到总幅度的一定比值时输出一个ECL电平，该ECL电平的上升沿即为脉冲的到达时刻。MCP拼接探测器的m×n个恒比定时甄别电路的ECL输出经由m×n通道输入的ECL或门电路进行逻辑运算，或门电路逻辑运算后的输出信号表示整个MCP拼接探测器上是否有X射线光子入射。或门逻辑运算的输出由TDC电路采集，得到光子到达时间信息。

实施例：

本发明采用MCP-阳极作为整个探测器的基本单元。以3×3阵列拼接为例，为方便集成拼接、尽可能增大探测器有效面积，选用单块尺寸为7cm×7cm的方形MCP，构成3×3的MCP阵列，总探测面积400cm²。

为减小宇宙射线背景辐射，限定探测器视场，探测器输入面安装准直装置。准直器由1mm厚的网格构成，如图1-1所示，网格壁厚30μm，间距200μm，占空比为60％。网格材料为高原子序数的Cu或者Au构成。探测器响应能谱范围1～50keV，为有效屏蔽紫外辐射、低能X射线等背景辐射，必须选择合适的滤光材料。因此本发明采用500nm厚的聚酰亚胺薄膜作为探测器的输入窗，同时为阻挡空间宇宙射线，在聚酰亚胺薄膜上镀50nm厚的Al膜。滤光膜透过率如图3所示。

每个MCP-阳极基本单元由光电阴极、MCP组和电子接收阳极组成，其工作原理与文献“用于脉冲星导航的X射线光子计数探测器研究”(物理学报，2012，61(1)胡慧君等)中所描述的相同。每一个MCP基本单元的电子输出信号由一路阳极接收，每一路阳极对应一个前端电子学通道。前端电子学包括电流灵敏快速前置放大器和恒比定时器(CFD)。快速前置放大器对探测器的输出脉冲进行快速的波形无畸变线性放大，这样前放的输出信号将保持探测器输出信号的时间特性；CFD电路主要是在前放输出波形的某一确定的时刻点输出一个数字信号，由于MCP的输出信号幅度大小有一定的涨落，因此一般的固定阈值的定时器的输出存在时间游动效应，又因为探测器的输出信号的时间特性一般相对比较稳定，而CFD恒比定时器能够克服由于幅度涨落而带来的时间游动，因此采用CFD是比较好的选择。拼接阵列输出的9路定时甄别脉冲送入或门逻辑电路，逻辑门输出脉冲进入TDC电路进行时间测量。TDC电路将逻辑或门输出信号对应的时刻点相对于预先选定的参考时刻的时间差转换为数字量，供计算机处理，记录每个光子事件的到达时间。

拼接探测器MCP-阳极基本单元安装于拼接骨架上，拼接骨架为绝缘材料制成，要求材料在真空中放气要小，且材料具有一定的机械强度和韧性。将每个基本单元的电子接收阳极放置于拼接骨架上。放置阳极后在拼接骨架上依次放置3×3开口的绝缘材料一层、MCP输出电极11、绝缘材料一层、第二层MCP9、中间电极8、第一层MCP7、MCP输入电极6、绝缘材料一层、MCP输入电极压环4、绝缘材料和镀有CsI光电阴极的聚酰亚胺滤光膜。

Claims

1.基于微通道板拼接的大面积X射线脉冲探测装置，其特征在于：包括依次叠放的X射线光电阴极(2)、第一绝缘层(3)、MCP输入电极压环(4)、第二绝缘层(5)、MCP输入电极(6)、第一层MCP(7)、中间电极(8)、第二层MCP(9)、第三绝缘层(10)、MCP输出电极(11)、第四绝缘层(12)以及阳极(13)，所述第一层MCP和第二层MCP均为大面积MCP探测器，所述大面积MCP探测器包括探测器本体、拼接骨架以及处理电路，所述探测器本体由多个MCP探测器拼接而成。

2.根据权利要求1所述的基于微通道板拼接的大面积X射线脉冲探测装置，其特征在于：多个MCP探测器拼接是m×n阵列，其中m，n均为整数。

3.根据权利要求2所述的基于微通道板拼接的大面积X射线脉冲探测装置，其特征在于：多个MCP探测器拼接是3×3阵列或4×4阵列。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于微通道板拼接的大面积X射线脉冲探测装置，其特征在于：所述X射线光电阴极为CsI光电阴极，所述X射线光电阴极镀于聚酰亚胺/铝滤光膜上。

5.根据权利要求4所述的基于微通道板拼接的大面积X射线脉冲探测装置，其特征在于：所述或门逻辑电路为m×n通道ECL或门电路。

6.根据权利要求5所述的基于微通道板拼接的大面积X射线脉冲探测装置，其特征在于：所述MCP探测器包括光电阴极、两块MCP组、电子接收阳极、前置放大电路和恒比定时甄别电路，所述前置放大电路的输入端与电子接收阳极连接，所述前置放大电路的输出端与恒比定时甄别电路的输入端连接，所述电子接收阳极放置于拼接骨架上；

7.根据权利要求6所述的基于微通道板拼接的大面积X射线脉冲探测装置，其特征在于：所述X射线光电阴极前还设置有X射线准直器(1)。

8.根据权利要求7所述的基于微通道板拼接的大面积X射线脉冲探测装置，其特征在于：所述MCP探测器为正方形的MCP探测器或矩形的MCP探测器。

9.根据权利要求8所述的基于微通道板拼接的大面积X射线脉冲探测装置，其特征在于：所述两块MCP组为V”字型级联，所述MCP探测器的电子接收阳极是阻抗匹配的微带线阳极或阻抗匹配的锥形阳极。

10.根据权利要求9所述的基于微通道板拼接的大面积X射线脉冲探测装置，其特征在于：所述拼接骨架由绝缘材料制成。