基于EMCCD的二维天文光子计数成像技术

近年来一种新的CCD- - EMCCD的出现，为AO波前传感和极暗天体的高分辨率成像、光谱观测、光干涉观测等领域所必需的微光高速极低噪声探测器研制开辟了一条新的途径。国外研究人员使用L3Vision CCD研制的相机，取得了极好的天文观测结果，并进行了光子计数成像实验。目前国内对EMCCD相机的研制处于起步阶段；基于EMCCD的光子计数成像技术方面的研究，更无任何进展。.本项目拟研究基于IMPACTRON CCD的成像系统特性并探讨将其用于二维光子计数成像的技术方法。我们拟借助于高速电路设计与仿真软件，先搭建一个基于EMCCD的高速低噪声相机实验系统，在该系统上进行一系列的实验后，采用统计分析方法，建立电荷倍增过程的蒙特卡罗模型，进而研究将其用于光子计数成像的策略和技术方案，最终形成一个基于EMCCD的光子计数成像实验系统，为将来研制实用的天文光子计数成像系统积累理论知识、实验数据和技术经验。

EMCCD是新世纪微光成像领域最重大的进步之一。国外同行以e2v公司的EMCCD器件为研究对象，围绕其天文观测应用，进行了大量卓有成效的研究和实验工作。国内目前对其在天文领域的理论和实验研究都相对较少。本项目以TI 公司的EMCCD器件为研究对象，研究其系统结构、性能、实验方法和光子计数模式的成像策略。完成了计划研究任务，获得了预期的结果。具体内容和结果如下：.1、进行了EMCCD相机关键的高压倍增时钟电路的定性分析和设计，通过PSpice仿真，获得了高压时钟电路的基本特性。制作的实验电路板即使在40MH频率下都工作良好。.2、完成了基于TC253和TC285的两种EMCCD器件相机的总体技术方案设计和设计了各分电路，制作了两套基于一个实验液氮杜瓦瓶的相机硬件电路板。通过实测和PSpice仿真分析证明，通过传统真空插头连接的相机可在10MHz或以下的读出频率下成像。.3、用VHDL语言设计了两种EMCCD器件的时序发生器，配置了Nios II CPU及其组件，编写了Nios C控制程序。在图像工作站上，使用VC++和Sapera LT进行了基于Camera Link接口的成像系统软件编制，实现了相机的控制和图像的采集。.4、研制了一个独立的EMCCD制冷温度控制的单片机系统。在使用液氮杜瓦情况下，EMCCD冷指温度能够控制在-100±0.03ºC。.5、通过对EMCCD独特的电荷倍增机制的分析，建立了低温下EMCCD电荷倍增过程的增益计算模型。该模型在室温下的拟合度可达0.98以上，低温度下甚至达到0.99。.6、研究了TC285电子倍增这一随机过程，特别是在不同光电子输入时的概率分布。建立了Monte Carlo仿真模型，计算结果和理论非常吻合。探讨了TC285电荷倍增过程在模拟模式和光子计数模式下的输入-输出特性，并总结了光子计数模式的阈值选取原则和成像策略。.这些研究工作的完成，为研制天文用EMCCD光子计数相机的积累了一定的的技术经验。他日该相机工程化后，可为我国天文界开拓暗弱天体的探索和高时间分辨率观测研究选题提供强有力的新手段。