紫外天文学高速光子计数成像探测器研究

Ultraviolet astronomy is one of the most important research content of modern astrophysics, high-rate photon-counting imaging detector is the key to imaging many ultraviolet astronomy observation. In order to improve the existing photon counting detector photon-counting rate, imaging different intensity target , we intends to study photon-counting detector based on the capacitive charge-division technique: using of finite element analysis software, set up position-resolution simulation model of capacitive charge-division anode, to optimize the design of the capacitive charge-division anode; studying Coating process of capacitive charge-division anode’s charge collection layer and anode layer , manufacturing some anode with different spatial structure, testing their key parameters , to determine the best fabrication process of capacitive charge-division anode; to take the advantage of the low capacitance and high bandwidth of capacitive charge-division anode , developing an high speed pulse signal processing and acquisition system, with the photon pulse acquisition response time “dead time” less than 250 ns; Finally, integrate the capacitive charge-division photon-counting detector and test detector’s imaging performance , ensure that this detectors’ highest count rate is better than 400K cps with the expected resolution and noise.

紫外天文学是现代天体物理学的重要研究内容之一,高速光子计数成像探测器是实现众多紫外天文目标观测的关键器件及技术.为了提高现有光子计数探测器光子计数速率,满足不同强度目标观测需求,本研究拟研究基于电容电荷分割技术的光子计数探测器:使用有限元分析软件，建立电容电荷分割阳极位置分辨的仿真模型,使用该模型优化电容阳极的设计参数;探索电容阳极的电荷收集层和电荷分割阳极层的膜层镀膜工艺,加工不同空间结构的阳极,进行相关关键参数测试,确定最佳的阳极制备工艺;充分利用电容阳极的低电容和高带宽的特点,设计并研制高速脉冲信号处理及采集系统，确保光子脉冲采集响应死时间小于250ns；最后,进行探测器系统集成和成像性能测试,确保电容阳极光子计数探测器在保证分辨率和暗噪声性能不下降情况下满足计数率优于400kcps的要求。

为了满足现代紫外天文学观测需求，提高紫外观测仪器的探测能力，对该类仪器的核心关键器件-紫外高速光子计数探测器展开了研究。为提高现有光子探测器的计数率和成像性能，研究了基于电荷电容分割原理的光子成像探测器。建立电容阳极的数学模型，推导了电容阳极位置分辨原理，确定影响阳极性能的设计参数，确定优化设计原则；根据优化设计原则设计了基于互电容阵列的电容分割阳极，使用COMSOL有限元分析软件，对基于该设计的阳极的位置分辨过程进行仿真，仿真结果表明，基于电容分割原理的位置分辨阳极的位置分辨性能优于50μm。研究了使用锗层感应、互电容阵列电极的形式的电容分割阳极，进行电荷收集、感应、信号分割及读出；得出了优化的锗膜、互电容阵列片的制备工艺，制备了基于这种形式的电容分割阳极。 研制低噪声、低死时间的高速电荷灵敏放大器，高速整形放大电路，以及图像数据采集软件；电荷灵敏放大器的响应时间优于10ns，整形放大电路响应时间优于250ns。在电容分割阳极、高速电子学系统的研制基础上组建了一套完整的基于电容分割阳极的光子计数探测器，进行不同计数率下分辨力测试，测试结果显示在400kcps 计数率条件下分辨率优于70μm。