X射線全向探測器的製造方法

2023-06-01 00:40:06

X射線全向探測器的製造方法
【專利摘要】X射線全向探測器，涉及X射線探測、X射線脈衝星導航以及天文觀測領域。它是為了解決現有X射線探測器存在體積大、功耗大的問題。本發明包括n個敏感單元檢測電路，n為正整數，每個敏感單元檢測電路包括第一nMOS管、光敏二極體、非門放大電路、門限檢測電路和OD電路。本發明主要針對高精度的脈衝星信號到達時間測量而提出X射線探測器，利用CsI閃爍體將X射線光子轉換為可見光，通過光電二極體實現光電信號轉換，將電信號經放大後作為X光信號的檢測輸出。本發明適用於X射線探測、X射線脈衝星導航以及天文觀測領域。
【專利說明】X射線全向探測器

【技術領域】
[0001]本發明涉及X射線探測、X射線脈衝星導航以及天文觀測領域。

【背景技術】
[0002]太空飛行器自主導航具有極其重要的工程應用價值和戰略研究意義，不僅可以減輕地面測控系統的工作負擔，而且可以減少太空飛行器對地面測控系統的依賴，增加系統的抗幹擾和自主生存能力。X射線脈衝星能夠為各類太空飛行器提供位置，速度，時間和姿態等高精度導航參數信息，因此基於X射線脈衝星導航具有很大的工程應用價值，成為國內外研究的熱點領域。X射線脈衝星導航系統是通過單粒子探測器探測脈衝星輻射的X射線光子，測量脈衝到達時間等信息，經過相應的信號與數據處理，太空飛行器可自主確定軌道，獲得時間和姿態等導航參數。從以上分析可知，單粒子探測器是X射線脈衝星導航系統的基礎部件，相比於X射線脈衝星導航算法的研究，適合於小衛星的體積小，重量輕，功耗低的X射線探測器的研究發展相對緩慢，目前X射線探測器的類型主要包括有計數型探測器、微通道板探測器、微條探測器、CCD及CMOS探測器等。由於計數型探測器和微通道板探測器可以實現納秒級的信號探測，所以在脈衝星導航應用中主要採用這兩種探測器。
[0003]通常，計數型探測器和微通道板探測器需要在高電壓下工作，其體量、質量及功耗較大。作為星載設備應用受到一定限制；微條探測器及CCD電路均需要外圍電路支持，時間解析度低，也不適合於脈衝星導航應用。


【發明內容】

[0004]本發明是為了解決現有X射線探測器存在體積大、功耗大的問題，從而提供了一種X射線全向探測器。
[0005]X射線全向探測器，它包括η個敏感單元檢測電路，η為正整數，每個敏感單元檢測電路彼此並聯；
[0006]每個敏感單元檢測電路包括第一 nMOS管1、光敏二極體2、非門放大電路、門限檢測電路和OD電路；
[0007]光敏二極體2的正極接地，光敏二極體2的負極同時連接第一 nMOS管I的源極和非門放大電路的信號輸入端，非門放大電路的信號輸出端同時連接門限檢測電路的信號輸入端和第一 nMOS管I的柵極，第一 nMOS管I的漏極連接電源，門限檢測電路的信號輸出端連接OD電路的信號輸入端；
[0008]非門放大電路包括第一非門電路3、第二非門電路4和第三非門電路5，第一非門電路3的信號輸入端為非門放大電路的信號輸入端，第一非門電路3的信號輸出端連接第二非門電路4的信號輸入端，第二非門電路4的信號輸出端連接第三非門電路5的信號輸入端，第三非門電路5的信號輸出端為非門放大電路的信號輸出端；
[0009]門限檢測電路包括第四非門電路6和第五非門電路7，第四非門電路6的信號輸入端為門限檢測電路的信號輸入端，第四非門電路6的信號輸出端連接第五非門電路7的信號輸入端，第五非門電路7的信號輸出端為門限檢測電路的信號輸出端；
[0010]OD電路包括第二 nMOS管9，OD電路的信號輸入端為第二 nMOS管9的柵極，第二nMOS管9的源極接地，第二 nMOS管9的漏極為OD電路的信號輸出端，OD電路的信號輸出端為敏感單元檢測電路的信號輸出端。
[0011]本發明的有益效果是:本發明提供的X射線探測器，能夠實現X射線光子的高靈敏度探測，可對大於IkeV的X射線光子實現單光子探測，時間解析度達到納秒量級。適用於X射線脈衝星導航應用。本發明為小衛星提供一種功耗低，同比降低20%，體積小，同比縮小10%，結構簡單並可以精確探測X射線脈衝星信號單粒子到達時刻的裝置。
[0012]脈衝星信號極其微弱，約為lph/s.cm2，並且用於X射線脈衝星導航系統特殊性，其探測器不同傳統的探測器，即不需要區分X射線粒子能量高低，沒有成像需求，但是對每次X射線光子到達時間的測量精度要求較高。
[0013]本發明主要針對高精度的脈衝星信號到達時間測量而提出X射線探測器，利用CsI閃爍體將X射線光子轉換為可見光，通過光電二極體實現光電信號轉換，將電信號經放大後作為X光信號的檢測輸出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為敏感單元檢測電路的結構圖；
[0015]圖2為敏感單元檢測電路輸出連接的結構圖；
[0016]圖3為X射線全向探測器的結構圖。

【具體實施方式】
[0017]【具體實施方式】一:下面結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述的X射線全向探測器，它包括η個敏感單元檢測電路，η為正整數，每個敏感單元檢測電路彼此並聯；
[0018]每個敏感單元檢測電路包括第一 nMOS管1、光敏二極體2、非門放大電路、門限檢測電路和OD電路；
[0019]光敏二極體2的正極接地，光敏二極體2的負極同時連接第一 nMOS管I的源極和非門放大電路的信號輸入端，非門放大電路的信號輸出端同時連接門限檢測電路的信號輸入端和第一 nMOS管I的柵極，第一 nMOS管I的漏極連接電源，門限檢測電路的信號輸出端連接OD電路的信號輸入端；
[0020]非門放大電路包括第一非門電路3、第二非門電路4和第三非門電路5，第一非門電路3的信號輸入端為非門放大電路的信號輸入端，第一非門電路3的信號輸出端連接第二非門電路4的信號輸入端，第二非門電路4的信號輸出端連接第三非門電路5的信號輸入端，第三非門電路5的信號輸出端為非門放大電路的信號輸出端；
[0021 ] 門限檢測電路包括第四非門電路6和第五非門電路7，第四非門電路6的信號輸入端為門限檢測電路的信號輸入端，第四非門電路6的信號輸出端連接第五非門電路7的信號輸入端，第五非門電路7的信號輸出端為門限檢測電路的信號輸出端；
[0022]OD電路包括第二 nMOS管9，OD電路的信號輸入端為第二 nMOS管9的柵極，第二nMOS管9的源極接地，第二 nMOS管9的漏極為OD電路的信號輸出端，OD電路的信號輸出端為敏感單元檢測電路的信號輸出端。
[0023]工作原理:
[0024]用CsI閃爍體薄膜覆蓋CMOS器件表面，CsI閃爍體將X射線光子轉化為可見光脈衝信號。
[0025]用光電二極體將可見光脈衝信號轉換為光電流，並利用PN結電容將光電流轉換為脈衝電壓信號，光電敏感區(即PN結)的面積設計為lOOumX10um，一個X射線光子大約可以產生0.1uV脈衝電壓信號。
[0026]對於0.1uV脈衝電壓需經過放大電路進行放大，以利於對X射線信號的檢測。利用非門的線性工作區實現對脈衝信號放大，一般一級非門可以實現20到30倍放大，經三級非門放大後，脈衝電壓信號可由0.1uV放大到0.8?2.7mV，將該信號與門限0.SmV進行比較，超過門限輸出為1，低於門限輸出O。由此形成了對X射線光子的信號檢測。
[0027]—個X射線光子信號使光電二極體PN結產生一個負脈衝電壓變化，該電壓變化在非門放大器輸出產生一個正脈衝電壓信號，作為一個X射線光子信號的檢測輸出。
[0028]非門放大器輸出的電壓信號經過射隨電路轉換為反饋電流，對光電二極體充電，使光電二極體電壓再次恢復的工作點狀態，可進行下次X射線光子的信號檢測。
[0029]經過門限電路的信號輸出驅動OD電路，形成檢測單元電路的輸出，直接將所有檢測單元的OD輸出進行「線或」作為X射線全向探測器的輸出。
[0030]【具體實施方式】二:本實施方式對【具體實施方式】一所述的X射線全向探測器作進一步限定，本實施方式中，非門放大電路與射隨反饋電路構成負反饋放大器，使非門電路工作在線性區，並使光敏二極體2電壓穩定在工作點上。
[0031]【具體實施方式】三:本實施方式對【具體實施方式】一所述的X射線全向探測器作進一步限定，本實施方式中，X光子入射到每個敏感單元檢測電路後，將導致敏感單元檢測電路產生一次脈衝信號輸出或ο-l信號輸出。
[0032]【具體實施方式】四:本實施方式對【具體實施方式】一所述的X射線全向探測器作進一步限定，本實施方式中，所有敏感單元檢測電路的OD電路直接進行線或運算作為X射線全向探測器輸出。
[0033]根據圖3所示，X射線全向探測器(XGD)由碘化銫晶體及CMOS工藝IC集成，碘化銫晶體厚度200 μ m，用於將X射線轉換為550nm的可見光。碘化銫晶體轉化率為56000ph/MeV,對於1-1OkeV譜段的X射線光子，其光子數量大於56個光子(56ph)。
[0034]在碘化銫晶體下面設計了光電敏感單元陣列，每個敏感單元尺寸為100 μ mX 100 μ m，採用CMOS工藝，敏感單元檢測電路如圖1所示。
[0035]單元電路由光電二極體、非門放大電路、射隨反饋電路、門限檢測電路及OD電路組成。光電二極體敏感區電容設計值為34.5pf，單個X射線光子激發的56個光子可產生56個電子-空穴對,在電場作用下形成電流,並在光電二極體上產生電壓脈衝信號。產生的電壓信號為
「 n T, Q 56χ1.6χ!0 μ).^ in—7τ,
[0036]Vr — — —--- = 2.6x10 = 0.26//F
c C 34.5x10 13
[0037]該電壓信號經過3級非門電路的放大，輸出26mV脈衝信號，放大器增益100dB。經過脈衝檢測電路及OD電路輸出脈衝信號，完成對X射線脈衝信號的檢測。
[0038]脈衝檢測電路門限設計為1mV,對於大於1mV的電壓可以產生信號輸出，小於1mV的電壓變化無輸出。
[0039]根據仿真分析，探測單元的靈敏度可達22個電子電荷，考慮到轉換效率，其探測靈敏度預計值為50個電子電荷。
[0040]單元電路採用了射隨電路，形成了深度的負反饋，在沒有X射線脈衝信號時，其工作點穩定在Vcc/2處，對於緩慢變化的暗電流，當暗電流導致Vi下降時，3級非門放大電路將使Vf上升，射隨器充電電流增加，抵消了暗電流變化的影響。仿真分析表明:暗電流從O?10pA範圍變化時，非門輸出電壓小於10mV，小於脈衝檢測電路門限，不產生有效的信號輸出。
[0041]56個電子電荷基本在Ins時間內產生，等效電流為8.9nA，而脈衝檢測電路可以容忍的電流為3.4nA。因此，只要外界引起的光電流不超過3.4nA，就不會產生有效的信號輸出。而IkeV的X射線產生8.9nA的電流脈衝，可以導致有效的脈衝信號輸出。
[0042]如圖2所示，X射線全向探測器輸出為各敏感單元輸出的「線或」連接。探測器輸出與各敏感單元的關係為F = F01+ F02+ +V01。
【權利要求】
1.X射線全向探測器，其特徵在於:它包括η個敏感單元檢測電路，η為正整數，每個敏感單元檢測電路彼此並聯； 每個敏感單元檢測電路包括第一 nMOS管(I)、光敏二極體(2)、非門放大電路、門限檢測電路和OD電路； 光敏二極體(2)的正極接地，光敏二極體(2)的負極同時連接第一 nMOS管(I)的源極和非門放大電路的信號輸入端，非門放大電路的信號輸出端同時連接門限檢測電路的信號輸入端和第一 nMOS管(I)的柵極，第一 nMOS管⑴的漏極連接電源，門限檢測電路的信號輸出端連接OD電路的信號輸入端； 非門放大電路包括第一非門電路(3)、第二非門電路(4)和第三非門電路(5)，第一非門電路(3)的信號輸入端為非門放大電路的信號輸入端，第一非門電路(3)的信號輸出端連接第二非門電路⑷的信號輸入端，第二非門電路⑷的信號輸出端連接第三非門電路(5)的信號輸入端，第三非門電路(5)的信號輸出端為非門放大電路的信號輸出端； 門限檢測電路包括第四非門電路(6)和第五非門電路(7)，第四非門電路(6)的信號輸入端為門限檢測電路的信號輸入端，第四非門電路(6)的信號輸出端連接第五非門電路(7)的信號輸入端，第五非門電路(7)的信號輸出端為門限檢測電路的信號輸出端； OD電路包括第二 nMOS管(9)，OD電路的信號輸入端為第二 nMOS管(9)的柵極，第二nMOS管(9)的源極接地，第二 nMOS管(9)的漏極為OD電路的信號輸出端，OD電路的信號輸出端為敏感單元檢測電路的信號輸出端。
2.根據權利要求1所述的X射線全向探測器，其特徵在於:非門放大電路與射隨反饋電路構成負反饋放大器，使非門電路工作在線性區，並使光敏二極體(2)電壓穩定在工作點上。
3.根據權利要求1所述的X射線全向探測器，其特徵在於:X光子入射到每個敏感單元檢測電路後，將導致敏感單元檢測電路產生一次脈衝信號輸出或0-1信號輸出。
4.根據權利要求1所述的X射線全向探測器，其特徵在於:所有敏感單元檢測電路的OD電路直接進行線或運算作為X射線全向探測器輸出。
【文檔編號】G01T1/00GK104267424SQ201410577965
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】徐國棟, 李鵬飛, 董立珉, 陳健, 齊琪, 宋佳凝 申請人:哈爾濱工業大學