基于MCP的紫外光子计数探测器关键技术研究

来源 :中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所) | 被引量 : 13次 | 上传用户:tiantian200510
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世界空间紫外天文台(WSO-UV/World Space Observatory Ultraviolet),是由俄罗斯牵头,中、德、意以及其它国家参与的空间天文项目,我国主要承担了长狭缝光谱仪(LSS/Long Slit Spectrograph)有效载荷的研制。LSS结构包括两个紫外光子计数成像探测器,其响应波长范围分别为102~170nm、160~320nm。本课题拟采用基于微通道板(MCP/Microchannel Plate)的感应读出方式紫外光子计数成像探测器。它具有信噪比高、背景噪声低、探测量子效率高、无漏电流影响和抗漂移、动态范围宽、大面阵、空间分辨和时间分辨较高以及耐辐射等优点,因此,该探测器更适合空间探测和天文观测。本文围绕近紫外探测器(NUVD/Near Ultraviolet Detector)关键技术开展研究工作。为使光电阴极在发射光电子时,电子能及时得到补充,高阻光阴极须制作在透明的导电基底上。采用真空镀膜法制备了不同厚度的Au、Al、Cr、Ni和掺锡氧化铟(ITO/Tin-doped Indium Oxide)五种薄膜导电基底,研究了其光电性能,为响应波段在160~320nm的光阴极选择合适的导电基底提供了实验依据。当面电阻为107/□左右,10nm厚的Ni薄膜在此波段的平均透过率为80%,而且性能稳定,因此,采用10nm厚的Ni薄膜为Cs2Te阴极的导电基底。通过对CsI、KBr和KI光阴极性能研究分析,确定CsI光阴极为响应102-170nm波段的光阴极,并通过查阅大量文献确定了制备CsI光阴极的制备方法、发射方式、蒸发速率、衬底温度及一些防潮措施。通过对Cs2Te和Rb2Te光阴极性能研究分析,确定Cs2Te光阴极为响应160-320nm波段的光阴极及其制备方法。分别制备了以CsI和Cs2Te为光阴极,以荧光屏为输出方式的两只样管,并通过亮度测试,检测光阴极的均匀性,证明了阴极制备工艺的可行性。当采用电荷感应读出方式时,电荷感应层Ge膜的电阻不同,电荷在膜层的扩散速度不同,从而导致成像电荷保持分布形状的时间常数不同,因此Ge膜的电阻是影响光子计数系统性能的重要参数。采用电子束真空蒸镀的方法制备了Ge膜,研究了不同衬底Ge膜晶相结构、表面形貌和各种工艺条件下的薄膜电阻,以及电阻对楔条型阳极(WSA/Wedge and StripAnode)光子计数成像系统性能的影响。实验证明,Ge膜电阻影响系统的性能,电阻较大时系统的计数率明显下降。该分析结果为采用感应读出方式光子计数成像系统的Ge膜制备提供了可靠依据。对感应读出方式成像原理进行研究,建立了感应读出电路理论模型,并通过实验证实该模型,解释了Ge膜方块电阻及衬底电容对感应读出成像性能的影响。此外,论述了电荷云尺寸对紫外光子计数系统成像性能的影响,着重研究了WSA阳极的调制和“S”畸变两种成像畸变机理。在NUVD制备过程中,已制备的Ge薄膜要经历真空烘烤除气等工艺过程,Ge薄膜的面电阻、晶格结构及表面形貌会发生变化,因此,真空热处理对Ge薄膜及光子计数成像系统性能的影响是值得关注的问题。研究了退火工艺对Ge薄膜及系统成像性能的影响,从而确定了退火工艺的关键参数——退火温度。系统成像实验的结果证实了采用陶瓷基底退火温度为250℃对系统的成像性能影响不大。因此,在器件制备工艺中,陶瓷基底以及250℃的退火温度是最佳选择。国内外文献报导的感应读出方式探测器皆采用Ge膜作为电荷感应层,首次采用Si薄膜作为电荷感应层,探讨了薄膜参数对成像性能的影响,并与采用Ge膜作为电荷感应层时系统成像性能进行了比较。实验也证明了适用感应方式光子计数成像探测器电荷感应层的薄膜不仅仅局限于一种,无论是Ge膜、Si膜或其它薄膜,若薄膜方块电阻更合适和薄膜更均匀致密,系统感应成像性能就能进一步优化。采用稳定且与实验中所用的光源(经滤光后的中心波长253.7nm)相匹配的透射式金阴极作为光电转换部件,较大地提高了感应成像系统的计数率,并将分辨率由100μm提高为75μm。通过在玻璃上蒸镀过渡金属膜的方法,提高In-Sn合金与玻璃的润湿性,并对焊料在薄膜表面的润湿性和润湿后的界面组织进行了研究分析。采用膜层结构Cr/Ni/Cu/Ag时,In-Sn合金在膜层上表现出良好的铺展性和润湿性,封接界面组织观察也表明,合金与膜层结构表层结合致密,无缝隙和孔洞出现。制作了感应读出方式微通道板NUVD样管,该样管采用了WSA阳极。简单测试了该探测器系统的探测效率及分辨率:分辨率优于350μm,计数率为1376counts/s。并针对测试中存在的问题,提出了搭建紫外探测器分辨率及线性度的测试系统的方案。
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