CN112484849A - 集成化空间远紫外辐射探测器及其量子效率测试系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供集成化空间远紫外辐射探测器及其量子效率测试系统，包括本体及信号采集电路，本体包括屏蔽壳及固定在屏蔽壳内的微通道板组件；微通道板组件包括三层结构层，分别为依次设置的光学窗层、双极联微通道层及微通道板阳极层；光学窗层的底面镀制光阴极，光学窗层采用BaF2晶体材料；三层结构层之间连接有环形绝缘套管；双极联微通道层的一侧分别设延伸至屏蔽壳外侧的输入端及输出端；微通道板阳极层中部设有延伸至屏蔽壳外侧的微通道板阳极，微通道板阳极与信号采集电路连接。本申请的有益效果是：在远紫外探测波段光学窗层材料的选择可以更好地抑制130nm以下的杂散光，在光学窗层的底面镀制光阴极可提高光子利用率降低能量损耗。
Description
技术领域
本公开涉及远紫外信号测量技术领域，具体涉及集成化空间远紫外辐射探测器及其量子效率测试系统。
背景技术
当无线电信号在地球电离层传播时，受地球电离层影响，传播路径和传播速度会发生改变，从而减弱无线电信号传播效果。而电离层对无线电信号的影响主要来自于地球电离层的电子总含量，表现在电离层折射效应引起的延迟带来的误差。电离层对于卫星通讯、GPS导航等方面有着重要影响。
国外IMAGE、TIMED以及COSMIC等卫星实验，证实了电离层中的O+与电子的复合过程产生的135.6nm夜气辉与电离层电子浓度有关，因此135.6nm夜气辉光探测有助于研究夜间电离层结构变化，进而对电离层卫星通讯、GPS导航等方面的影响进行预判，减少损失。
由于高层大气实时变化很快，辐射波段信号微弱且完全被低大气吸收，且除了135.6nm波段，还存在130.4nm、120.6nm的远紫外辐射，以及200nm以上的散射光，所以集成化空间远紫外辐射探测器设计的目标是可探测抑制130.4nm及以下的短波辐射和200nm以上的长波辐射，并在其余远紫外波段获得高灵敏度的稳定信号。
微通道板(microchannel plate，简称MCP)是一种大面阵的通道电子倍增器，由大量空芯通道组成，电子由MCP输入端进入后通道内进行二次电子倍增，经过双极联输出电子增益数量可达106倍，而且MCP表面或者光窗上可以镀光阴极层，根据材料不同可以对特定波段的光响应完成光电转换，由于MCP有电子倍增功能，在探测弱光信号的时候有一定的优势已在天体探测等领域得到广泛地应用，该探测器具有分辨率好、增益高、噪声低等许多优点，配合远紫外波段的光电阴极即可成为集成化空间远紫外辐射探测器。在电离层探测任务中还需要在地面测试中获得探测器准确的光谱量子效率，同时解决弱信号传输易被干扰的问题。
发明内容
本申请的目的是针对以上问题，提供集成化空间远紫外辐射探测器及量子效率测试系统。
第一方面，本申请提供集成化空间远紫外辐射探测器，包括本体及信号采集电路，所述本体包括屏蔽壳以及固定在所述屏蔽壳内的微通道板组件；所述微通道板组件包括三层结构层，分别为依次设置的光学窗层、双极联微通道层及微通道板阳极层；所述光学窗层靠近所述双极联微通道层一侧的表面镀制光阴极，所述光学窗层采用BaF2晶体材料；所述双极联微通道层包括两片叠加的微通道板；三层结构层之间连接有环形绝缘套管；所述双极联微通道层的一侧对应两片所述微通道板分别设置穿过所述绝缘套管延伸至屏蔽壳外侧的输入端及输出端，所述输入端及输出端均采用金属电极；所述光阴极对应输入端的一侧设置穿过所述绝缘套管并延伸至屏蔽壳外侧，伸出至屏蔽壳外侧的光阴极设有金属电极；所述微通道板阳极层远离双极联微通道层的一侧中部设有延伸至屏蔽壳外侧的接线端子，所述微通道板阳极与所述信号采集电路连接。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述信号采集电路包括依次电连接的电荷灵敏前放模块、线性驱动模块、鉴别器及PXI示波器，所述电荷灵敏前放模块与所述微通道板阳极电连接；电荷灵敏前放模块采集微通道板阳极的信号，通过线性驱动模块放大信号和鉴别器判断后将其转换成脉冲信号，并被PXI示波器实时采集存储。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述光学窗层直径为30mm，厚度为3mm。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述微通道板电阻为150MΩ、直径为30mm。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述光阴极采用CsI材料。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述屏蔽壳采用Cu材料，所述屏蔽壳包括壳体和上盖，所述上盖中心设有光线进入的通光孔；所述屏蔽壳内侧底面垫设绝缘层，所述微通道板阳极层设置在绝缘层表面。
第二方面，本申请提供集成化空间远紫外辐射探测器的量子效率测试系统，包括远紫外光源、单色仪、真空系统、匀化准直系统、标准辐照度计、真空转台、数据采集系统以及集成化空间远紫外辐射探测器；所述匀化准直系统及真空转台设置在所述真空系统内，辐射探测器及标准辐照度计设置在所述真空转台内，所述辐射探测器的中心轴线及标准辐照度计的中心轴线垂直相交于真空转台的中心；所述远紫外光源、单色仪、匀化准直系统、真空转台依次设置，所述数据采集系统包括第一采集系统及第二采集系统，所述第一采集系统与所述标准辐照度计信号连接，第二采集系统与所述辐射探测器信号连接。
根据本申请实施例提供的技术方案，还包括设置在真空系统外部对应辐射探测器设置的分压电路，所述分压电路包括第一电阻R1、三个第二电阻R2-1、R2-2及R2-3、第三电阻R3；所述第一电阻R1并联在辐射探测器的光阴极与输入端之间，作为光阴极分压电阻；输入端与输出端之间连接有并联连接的三条分压支路，三条分压支路上分别设有开关，三条分压支路上分别设置R2-1、R2-2及R2-3，作为输入端与输出端的高压分压电阻；所述第三电阻R3一端连接输出端，另一端接地，作为微通道板阳极分压电阻。
根据本申请实施例提供的技术方案，R1：R2-1：R3的阻值比例设置为1:10:1，R1：R2-2：R3的阻值比例设置为1:11:1，R1：R2-3：R3的阻值比例设置为1:12:1。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述匀化准直系统采用离轴两反光学结构，用于获取准直均匀光束，包括一片平面反射镜和一片非球面反射镜。
本申请提供集成化空间远紫外辐射探测器及其量子效率测试系统相较于现有技术，具有以下特点：
1.光学窗层采用BaF2晶体材料，可对130nm以下波长的杂散光具有更好的抑制能力；
2.在光学窗层底面镀制光阴极可提高光子利用率，降低能量损耗，提高信号质量，从而使得双极联微通道层的两端获得更高的增益。
附图说明
图1为本申请第一种实施例的结构示意图；
图2为本申请第二种实施例的结构原理示意图；
图3为本申请第二种实施例中分压电路的电路示意图；
图中所述文字标注表示为：100、辐射探测器；111、光阴极；112、光学窗层；113、微通道板；114、输入端；115、绝缘套管；116、输出端；117、微通道板阳极；120、屏蔽壳；130、第一采集系统；131、电荷灵敏前放模块；132、线性驱动模块；133、鉴别器；134、PXI示波器；200、远紫外光源；300、单色仪；400、真空系统；500、匀化准直系统；600、标准辐照度计；700、真空转台；800、第二采集系统。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。
如图1所示为本申请的第一种实施例的示意图，包括本体及信号采集电路，所述本体包括屏蔽壳120以及固定在所述屏蔽壳120内的微通道板组件；所述微通道板组件包括三层结构层，分别为依次设置的光学窗层112、双极联微通道层及微通道板阳极层。本实施例中，双极联微通道层作为增益器件，光学窗层112、双极联微通道层及微通道板阳极层在屏蔽壳120内由上至下依次设置，并通过绝缘套管115密封固连，固连时保证三层平行并在层间留有绝缘间隙，并对间隙进行抽真空密封。微通道板阳极层采用不锈钢材质。
优选地，所述屏蔽壳120采用Cu材料，所述屏蔽壳120包括壳体和上盖，所述上盖中心设有光线进入的通光孔；所述屏蔽壳120内侧底面垫设绝缘层，所述微通道板阳极层设置在绝缘层表面。在上盖中心开有通光孔用于光线进入辐射屏蔽壳120，屏蔽壳120内底面垫放绝缘层，用于隔离微通道板阳极层和屏蔽壳120。本优选实施方式中，微通道阳极层对应微通道板的一侧表面是裸露的，对应屏蔽壳一侧的表面设置为绝缘层。所述光学窗层112靠近所述双极联微通道层一侧的表面镀制光阴极111，所述光学窗层112采用BaF2晶体材料。优选地，所述光阴极111采用CsI材料，光学窗层112直径为30mm，厚度为3mm。本实施例中在光学窗层112的表面镀制光阴极111以满足在远紫外波段具有较高的量子效率，同时配合BaF2光学窗层112可抑制130nm以下的杂散光。现有技术中光学窗层112一般采用MaF等材料，因此在115nm-130nm具有一定的透过率。
本实施例中微通道板阳极层的设置目的是收集双极联微通道层增益后的电子云电荷。
所述双极联微通道层包括两片叠加的微通道板113。本实施例中，两片微通道板113组成V型结构。优选地，每片所述微通道板113电阻为150MΩ、直径为30mm。
三层结构层之间连接有环形绝缘套管115。绝缘套管115设置在相邻结构层之间，并通过胶粘剂与结构层连接，微通道板组件通过绝缘套管115进行真空封装。
所述双极联微通道层的一侧对应两片所述微通道板113分别设置穿过所述绝缘套管115延伸至屏蔽壳120外侧的输入端114及输出端116，所述输入端114及输出端116均采用金属电极；所述光阴极111对应输入端114的一侧设置穿过所述绝缘套管115并延伸至屏蔽壳120外侧，伸出至屏蔽壳120外侧的光阴极111设有金属电极。本实施例中，输入端114及输出端116分别设置在两片微通道板113上。
本实施中，屏蔽壳120体的侧壁上对应输入端114、输出端116以及光阴极111分别开设第一通孔，绝缘套管115上对应第一通孔分别开设第二通孔，绝缘套管115上对应各个第二通孔的位置分别做密封处理，以保证微通道板组件封装的真空性。
所述微通道板阳极层远离双极联微通道层的一侧中部设有延伸至屏蔽壳120外侧的微通道板阳极117，所述微通道板阳极117与所述信号采集电路连接。
优选地，伸出屏蔽壳120的微通道板阳极117的端部连接有同轴电缆，同轴电缆作为信号线，金属外皮作为辐射探测器100整体的地线并与电荷灵敏前放模块131的地引脚连接，同轴电缆的长度不长于2cm。
本实施例中，所述信号采集电路包括依次电连接的电荷灵敏前放模块131、线性驱动模块132、鉴别器133及PXI示波器134，所述电荷灵敏前放模块131与所述微通道板阳极117电连接；电荷灵敏前放模块131采集微通道板阳极117的信号，通过线性驱动模块132放大信号和鉴别器133判断后将其转换成脉冲信号，并被PXI示波器134实时采集存储。
本实施例中，采用高压源为辐射探测器100提供高压，信号采集电路采用光子计数法对辐射探测器100的输出进行测量。本实施例中，微通道板阳极117接收到的光能量信号通过光电转换并进行信号阈值判定后得到总电子计数值。
如图2所示，为本申请的第二种实施例的示意图，本实施例是对第一种实施例的辐射探测器100进行量子效率测试，包括远紫外光源200、单色仪300、真空系统400、匀化准直系统500、标准辐照度计600、真空转台700、数据采集系统以及第一种实施例的辐射探测器100。
所述匀化准直系统500及真空转台700设置在所述真空系统400内，辐射探测器100及标准辐照度计600设置在所述真空转台700内，所述辐射探测器100的中心轴线及标准辐照度计600的中心轴线垂直相交于真空转台700的中心；所述远紫外光源200、单色仪300、匀化准直系统500、真空转台700依次设置，所述数据采集系统包括第一采集系统130及第二采集系统800，所述第一采集系统130与所述标准辐照度计600信号连接，第二采集系统800与所述辐射探测器100信号连接。
本实施例中，通过调整真空转台700使得标准辐照度计600及辐射探测器100分别正对匀化准直系统500的平行出光口，确保标准辐照度计600及辐射探测器100接收平行光的高度一致。
本实施例的工作原理为：
启动真空系统400获取真空，待真空度优于6×10-3Pa后，开启远紫外光源200，并设置单色仪300选择测试谱线，光线进入匀化准直系统500形成准直均匀光束，并进入正对均匀光束的标准辐照度计600中，由第一采集系统130记录电流信号，本实施例中的第一采集系统130即为本申请第一种实施例中的信号采集电路；然后转动真空转台700将辐射探测器100对准均匀光束，使得辐射探测器100及标准辐照度计600对同一位置的平行光进行采集，并由第二采集系统800记录计数值，经该计数值和电流信号进行处理后比对，即可获得集成化空间远紫外辐射探测器100的量子效率。
本实施例中，远紫外光源200采用120W氘灯，主要辐射波长范围在115nm-400nm；单色仪300采用McPHERSON真空紫外单色仪，用于选择集成化空间远紫外辐射探测器100的波长，波长为135.6nm，波长带宽1nm-10nm可调；真空系统400，由真空舱体及抽气系统组成，用于提供真空度优于10-3Pa的真空环境；匀化准直系统500，由一片平面反射镜和一片非球面反射镜构成，对单色仪300出光进行准直匀化处理，形成平行的光束，对于远紫外光反射率优于50％；集成化空间远紫外辐射探测器100是需要测试的产品；第二采集系统800采用电荷灵敏前放配合示波器和电脑，计数率优于2.5MHz；标准辐照度计600选用美国IRD公司AXUV-100型硅光电二极管，在116nm～254nm波段范围的光谱响应率数据可以从美国NIST进行量值溯源；第一采集系统130采用keithley6517B型静电计，电流读数精度优于10fA。
本实施例进行操作时，首先将标准辐照度计600与辐射探测器100放置在真空转台700对应位置，标准辐照度计600通光孔与匀化准直系统500出光口保持平行；开启真空系统400，使舱内气压小于6×10-3Pa；开启远紫外光源200，预热至少20min，使光源光辐射稳定；调整单色仪300，使单色仪300出光波长为需要测试的远紫外波长；开启第一采集系统130和第二采集系统800。
远紫外光源200的光经过单色仪300配套的汇聚镜，将远紫外光源200的光能量汇聚在单色仪300的入射狭缝处，再经过单色仪300内的光栅进行衍射分光，在单色仪300出射狭缝处得到所选远紫外波长的光。
从单色仪300出射的光，经过匀化准直系统500，形成准直的均匀光束，照射标准辐照度计600，由第一采集系统130获得测量的电流值；转动真空转台700使光线垂直照射进辐射探测器100，在第二采集系统800中经过整形得到每个光子对应一个幅值4v持续时间400ns的脉冲信号，使用PXI示波器134进行采集，该板卡分辨率12-bit，采样速率60MS/s，采集程序使用labview编制。采集具体方法按照以下步骤，根据采集对象要求已知波形信号幅值为4v，所以将程序触发阈值设为3.5V以便判断波形上升沿，程序计数规则为当信号经过上升沿后开始计数，计数5次，每次的波形幅值皆大于触发阈值，记录完毕后开始等待下降沿，当波形经过波峰到达下降沿触发阈值以下后开始计数，计数5次，每次的波形幅值皆小于触发阈值，此时计数流程结束，下一步进行判定，自动判定计数时间是否小于200ns如果超过则认为此信号为一个有效计数，反之则无效，由此准确获得测量的计数值。
本实施例中，高分辨率的PXI示波器134检测电荷灵敏前放的数字信号，引入触发阈值作为判断依据，当信号上升沿达到阈值5次后又转入触发阈值以下5次记为一个计数的判断逻辑采集光子计数，脉冲信号宽度在200-500ns之间脉冲高度2.5-4.5V，对比常规数据计数器采集，降低了错误信号的风险，提高了数据采集的有效性。
光谱辐照度值可以通过公式(1)进行计算，
其中：
Ee(λ)—波长λ处光谱辐射照度(W/m2)；
N—接收到的电子个数；
λ—入射光线波长(nm)；
S—探测器有效面积(m2)。
t—探测器探测记录时间(s)
同时光谱辐照度值也可以通过公式(2)进行计算，
其中：
Ee(λ)—波长λ处光谱辐射照度(W/m2)；
I(λ)—波长λ处标准辐照度计600电流值(A)；
R(λ)—波长λ处标准辐照度计600响应度(A/W)；
S—探测器有效面积(m2)。
第一采集系统130采集的标准辐照度计600电流值通过公式(2)计算可得辐射照度Ee(λ)，将Ee(λ)代入公式(1)可计算得到标准辐照度计600采集的电子个数N1，第二采集系统800采集的辐射探测器100采集的电子个数N2，N2与N1的比值即为辐射探测器100的量子效率。
如图3所示，本实施例还包括设置在真空系统400外部对应辐射探测器100设置的分压电路，所述分压电路包括第一电阻R1、三个第二电阻R2-1、R2-2及R2-3、第三电阻R3；所述第一电阻R1并联在辐射探测器的光阴极111与输入端114之间，作为光阴极分压电阻；输入端114与输出端116之间连接有并联连接的三条分压支路，三条分压支路上分别设有开关，三条分压支路上分别设置R2-1、R2-2及R2-3，通过开关控制阻值调节，可在一定范围内调节微通道板增益；所述第三电阻R3一端连接输出端116，另一端接地，使得输出端116与微通道板阳极117之间形成电压差，作为微通道板阳极117分压电阻。
本实施例中，通过不同开关选择R2-1、R2-2或R2-3，可在一定范围内调节双极联微通道层的增益，从而使得测试得到不同增益下的响应数据，提高了测试效率，增加测试的可靠性。
本实施例中，在辐射探测器100对平行光进行数据采集时可调整选用分压支路上的不同电阻以获取不同的输出增益，从而获得适宜的响应数据。
在一优选实施方式中，R1：R2-1：R3的阻值比例设置为1:10:1，R1：R2-2：R3的阻值比例设置为1:11:1，R1：R2-3：R3的阻值比例设置为1:12:1。优选地，R1选择1MΩ，R2-1、R2-2、R2-3联用选择12MΩ，R3选择1MΩ，高压VH为-1500至-2000V可调。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将申请的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.集成化空间远紫外辐射探测器，其特征在于，包括本体及信号采集电路，所述本体包括屏蔽壳以及固定在所述屏蔽壳内的微通道板组件；
所述微通道板组件包括三层结构层，分别为依次设置的光学窗层、双极联微通道层及微通道板阳极层；所述光学窗层靠近所述双极联微通道层一侧的表面镀制光阴极，所述光学窗层采用BaF2晶体材料；所述双极联微通道层包括两片叠加的微通道板；三层结构层之间连接有环形绝缘套管；
所述双极联微通道层的一侧对应两片所述微通道板分别设置穿过所述绝缘套管延伸至屏蔽壳外侧的输入端及输出端，所述输入端及输出端均采用金属电极；所述光阴极对应输入端的一侧设置穿过所述绝缘套管并延伸至屏蔽壳外侧，伸出至屏蔽壳外侧的光阴极设有金属电极；
所述微通道板阳极层远离双极联微通道层的一侧中部设有延伸至屏蔽壳外侧的微通道板阳极，所述微通道板阳极与所述信号采集电路连接。
2.根据权利要求1所述的集成化空间远紫外辐射探测器，其特征在于，所述信号采集电路包括依次电连接的电荷灵敏前放模块、线性驱动模块、鉴别器及PXI示波器，所述电荷灵敏前放模块与所述微通道板阳极电连接；电荷灵敏前放模块采集微通道板阳极的信号，通过线性驱动模块放大信号和鉴别器判断后将其转换成脉冲信号，并被PXI示波器实时采集存储。
3.根据权利要求1所述的集成化空间远紫外辐射探测器，其特征在于，所述光学窗层直径为30mm，厚度为3mm。
4.根据权利要求1所述的集成化空间远紫外辐射探测器，其特征在于，所述微通道板电阻为150MΩ、直径为30mm。
5.根据权利要求1所述的集成化空间远紫外辐射探测器，其特征在于，所述光阴极采用CsI材料。
6.根据权利要求1所述的集成化空间远紫外辐射探测器，其特征在于，所述屏蔽壳采用Cu材料，所述屏蔽壳包括壳体和上盖，所述上盖中心设有光线进入的通光孔；所述屏蔽壳内侧底面垫设绝缘层，所述微通道板阳极层设置在绝缘层表面。
7.集成化空间远紫外辐射探测器的量子效率测试系统，其特征在于，包括远紫外光源、单色仪、真空系统、匀化准直系统、标准辐照度计、真空转台、数据采集系统以及权利要求1-6中任一项所述的集成化远紫外辐射探测器；
所述匀化准直系统及真空转台设置在所述真空系统内，辐射探测器及标准辐照度计设置在所述真空转台内，所述辐射探测器的中心轴线及标准辐照度计的中心轴线垂直相交于真空转台的中心；
所述远紫外光源、单色仪、匀化准直系统、真空转台依次设置，所述数据采集系统包括第一采集系统及第二采集系统，所述第一采集系统与所述标准辐照度计信号连接，第二采集系统与所述辐射探测器信号连接。
8.根据权利要求7所述的集成化空间远紫外辐射探测器的量子效率测试系统，其特征在于，还包括设置在真空系统外部对应辐射探测器设置的分压电路，所述分压电路包括第一电阻R1、三个第二电阻R2-1、R2-2及R2-3、第三电阻R3；所述第一电阻R1并联在辐射探测器的光阴极与输入端之间，作为光阴极分压电阻；输入端与输出端之间连接有并联连接的三条分压支路，三条分压支路上分别设有开关，三条分压支路上分别设置R2-1、R2-2及R2-3，作为输入端与输出端的高压分压电阻；所述第三电阻R3一端连接输出端，另一端接地，作为微通道板阳极分压电阻。
9.根据权利要求8所述的集成化空间远紫外辐射探测器的量子效率测试系统，其特征在于，R1：R2-1：R3的阻值比例设置为1:10:1，R1：R2-2：R3的阻值比例设置为1:11:1，R1：R2-3：R3的阻值比例设置为1:12:1。
10.根据权利要求7所述的集成化空间远紫外辐射探测器的量子效率测试系统，其特征在于，所述匀化准直系统采用离轴两反光学结构，用于获取准直均匀光束，包括一片平面反射镜和一片非球面反射镜。
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| CN202011321959.7A CN112484849A (zh) | 2020-11-23 | 2020-11-23 | 集成化空间远紫外辐射探测器及其量子效率测试系统 |
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