一種基於微通道板拼接的大面積x射線脈衝探測裝置的製作方法

2023-05-09 15:59:51 1

專利名稱：一種基於微通道板拼接的大面積x射線脈衝探測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種大面積X射線探測器的裝置，可用於X射線脈衝星脈衝探測，採用基於微通道板MCP拼接的大面積探測器技木，是解決深空極微弱X射線脈衝探測、未來脈衝星導航的可持續性發展和工程化研究的重要方法和實驗裝置。同時，本實驗方法和裝置也可以用於其他大面積X射線脈衝探測。
背景技術：
X射線脈衝星導航是通過探測深空脈衝星的周期性X射線脈衝，來確定太空飛行器的位置、速度和姿態等的新型自主導航技木。X射線脈衝星導航能夠為近地軌道、深空和星際空間飛行器提供豐富的導航信息，實現太空飛行器全程高精度自主導航和運行管理，具有廣闊的工程應用前景，是美國和歐洲正在大力研究和積極實施的新技術和方法。我國許多單位 也開展了相關研究，並提出了我國發展X射線脈衝星自主導航的必要性和可行性。由於毫秒脈衝星的輻射主要集中於I IOkeV能段，且輻射強度非常微弱，一般在10_5ph/S/cm2的量級，最強的Crab脈衝星輻射強度也只有I. 54ph/S/cm2，為了探測這樣微弱的光子信號，就要求探測器在I IOkeV能段具有足夠高的探測靈敏度，且探測器面積足夠大，較大的探測器面積可以使系統在有限的觀測時間內獲得高的探測效率和高的信噪比。現有的X射線探測器主要有氣體正比計數管(氣體)、基於半導體的探測器(固體)和基於微通道板(MCP)的探測器(真空)其中氣體正比計數器可以做到比較大的面積，但是這種探測器需要充入惰性氣體，在空間應用中會受到空間碎片的撞擊而漏氣，嚴重製約使用壽命；基於Si的半導體探測器使用時常常需要大量的製冷劑，從而増加了太空飛行器的負荷；基於MCP探測器由於具有高靈敏度、高時間分辨的特點且可以在常溫下工作而適合於脈衝星導航應用，但是，現有的MCP探測器單塊最大尺寸只有のIOOmm左右，小的MCP探測器面積就要求極長的觀測時間，降低了整個探測系統的效率。因此為了獲得高的探測效率和高的信噪比，大面積MCP探測器的研究具有重要意義，為脈衝星導航的應用奠定基礎。
發明內容為了解決現有的採用MCP探測器探測X射線脈衝需要極長的觀測時間、整個系統的探測效率低的技術問題，本實用新型的目的是提供ー種基於微通道板MCP拼接實現大面積X射線脈衝探測裝置，克服現有技術的不足，以實現極微弱X射線脈衝的探測，為脈衝星導航提供大面積探測器探測裝置。本實用新型的技術解決方案是基於微通道板拼接的大面積X射線脈衝探測裝置，其特殊之處在於包括依次疊放的X射線光電陰極2、第一絕緣層3、MCP輸入電極壓環4、第二絕緣層5、MCP輸入電極6、第一層MCP7、中間電極8、第二層MCP9、第三絕緣層10、MCP輸出電極11、第四絕緣層12以及陽極13，所述第一層MCP和第二層MCP均為大面積MCP探測器，所述大面積MCP探測器包括探測器本體、拼接骨架以及處理電路，所述探測器本體由多個MCP探測器拼接而成。上述多個MCP探測器拼接是mXn陣列，其中m，n均為整數。上述多個MCP探測器拼接是3 X 3陣列或4 X 4陣列。上述X射線光電陰極為CsI光電陰極，所述X射線光電陰極鍍於聚醯亞胺/鋁濾光膜上。上述或門邏輯電路為mXn通道ECL或門電路。上述MCP探測器包括光電陰極、兩塊MCP組、電子接收陽極、前置放大電路和恆比定時甄別電路，所述前置放大電路的輸入端與電子接收陽極連接，所述前置放大電路的輸出端與恆比定時甄別電路的輸入端連接，所述電子接收陽極放置於拼接骨架上； 所述處理電路包括或門邏輯電路和時間數字轉換電路TDC，所述或門邏輯電路的輸入端接每ー個恆比定時甄別電路的輸出端，所述或門邏輯電路的輸出端接時間數字轉換電路TDC的輸入端，時間數字轉換電路TDC的輸出端通過USB接ロ進入計算機。上述X射線光電陰極前還設置有X射線準直器I。上述MCP探測器為正方形的MCP探測器或矩形的MCP探測器。上述兩塊MCP組為V」字型級聯，所述MCP探測器的電子接收陽極是阻抗匹配的微帶線陽極或阻抗匹配的錐形陽扱。上述拼接骨架由絕緣材料製成。本實用新型所具有的有益效果I、本實用新型的基於MCP拼接的大面積X射線探測器面積大，為X射線脈衝星導航系統提供高探測效率的探測方法和裝置。2、本實用新型的MCP拼接方案保持了 MCP探測器基本單元高時間分辨的特點，為X射線脈衝星導航提供高時間分辨和高時間精度的光子測量信息，為導航定位的高精度提供保障。3、本實用新型的MCP拼接大面積探測器使用壽命長，不需要製冷。

圖I本實用新型的MCP拼接探測器零件示意圖；圖2本實用新型的MCP拼接探測器整體結構示意圖；圖3500nm聚醯亞胺/50nm鋁膜透過率曲線；其中附圖標記為1_X射線準直器，2-X射線光電陰極，3-第一絕緣層，4-MCP輸入電極壓環，5-第二絕緣層，6-MCP輸入電極，7-第一層MCP，8-中間電極，9-第二層MCP，10-第三絕緣層，Il-MCP輸出電極，12-第四絕緣層，13-陽極。
具體實施方式
ー種基於微通道板拼接實現大面積X射線脈衝探測裝置，I採用MCP探測器作為基本単元，拼接成為mXn陣列的大面積X射線探測器；2大面積X射線探測器輸入端設置X射線準直器I和X射線濾光膜；3基本単元包含光電陰極、兩塊MCP組、電子接收陽極12 ;4每個基本単元的電子接收陽極輸出信號經過電流靈敏前置放大、恆比定時甄別電路輸出ECL電平信號；5]mXn個基本單元的mXn路ECL電平信號進入mXn個通道ECL或門電路，將上述mXn路ECL信號進行或門邏輯運算，得到I路信號，該路信號的電平高低即表示是否有光子入射至所述MCP拼接的大面積探測器；6TDC電路將所述或門邏輯運算得到的脈衝到達時間信息用標準時鐘進行時間標記，獲得X射線光子到達時間。MCP探測器拼接方案的拼接陣列可以是任意組合，矩形和正方形均可，即可以是3X3陣列，也可以是4X4陣列或者mXn陣列等。MCP探測器可以採用正方形的MCP或者矩形的MCP。MCP探測器基本單元的兩塊MCP為「V」字型級聯，所獲得的增益為IO6左右。MCP探測器基本單元的電子接收陽極可以是阻抗匹配的微帶線陽極，也可以是阻抗匹配的錐形陽極。拼接方案的拼接骨架為絕緣材料製成，要求材料在真空中放氣要小，且材料具有一定的硬度和韌性。將每個基本單元的電子接收陽極放置於拼接骨架上。在X射線光電陰極2鍍於聚醯亞胺/鋁濾光膜，濾光膜的作用是濾除紫外及低能X射線等背景輻射。MCP拼接探測器濾光膜前面為X射線準直器，該準直器可以是採用微小加工技術光刻、塑型而成的小型化LIGA準直器，也可以是由鉭片組成的體積較大的準直器筒。MCP探測器基本單元的陽極輸出信號由電流靈敏前置放大進行信號放大，並保持陽極輸出的快時間響應的特徵。電流靈敏放大的輸出信號由恆比定時甄別電路確定該脈衝的時間信息，在電流靈敏放大輸出信號幅度上升到總幅度的一定比值時輸出一個ECL電平，該ECL電平的上升沿即為脈衝的到達時刻。MCP拼接探測器的mXn個恆比定時甄別電路的ECL輸出經由mXn通道輸入的ECL或門電路進行邏輯運算，或門電路邏輯運算後的輸出信號表示整個MCP拼接探測器上是否有X射線光子入射。或門邏輯運算的輸出由TDC電路採集，得到光子到達時間信息。實施例本實用新型採用MCP-陽極作為整個探測器的基本單元。以3X3陣列拼接為例，為方便集成拼接、儘可能增大探測器有效面積，選用單塊尺寸為7cmX7cm的方形MCP，構成3 X 3的MCP陣列，總探測面積400cm2。為減小宇宙射線背景輻射，限定探測器視場，探測器輸入面安裝準直裝置。準直器由Imm厚的網格構成，如圖1-1所示，網格壁厚30iim，間距200iim，佔空比為60%。網格材料為高原子序數的Cu或者Au構成。探測器響應能譜範圍I 50keV，為有效屏蔽紫外輻射、低能X射線等背景輻射，必須選擇合適的濾光材料。因此本實用新型採用500nm厚的聚醯亞胺薄膜作為探測器的輸入窗，同時為阻擋空間宇宙射線，在聚醯亞胺薄膜上鍍50nm厚的Al膜。濾光膜透過率如圖3所示。每個MCP-陽極基本單元由光電陰極、MCP組和電子接收陽極組成，其工作原理與文獻「用於脈衝星導航的X射線光子計數探測器研究」(物理學報，2012，61(1)胡慧君等)中所描述的相同。每一個MCP基本單兀的電子輸出信號由一路陽極接收,每一路陽極對應一個前端電子學通道。前端電子學包括電流靈敏快速前置放大器和恆比定時器(CFD)。快速前置放大器對探測器的輸出脈衝進行快速的波形無畸變線性放大，這樣前放的輸出信號將保持探測器輸出信號的時間特性；CFD電路主要是在前放輸出波形的某一確定的時刻點輸出一個數位訊號，由於MCP的輸出信號幅度大小有一定的漲落，因此一般的固定閾值的定時器的輸出存在時間遊動效應，又因為探測器的輸出信號的時間特性一般相對比較穩定，而CFD恆比定時器能夠克服由於幅度漲落而帶來的時間遊動，因此採用CFD是比較好的選擇。拼接陣列輸出的9路定時甄別脈衝送入或門邏輯電路，邏輯門輸出脈衝進入TDC電路進行時間測量。TDC電路將邏輯或門輸出信號對應的時刻點相對於預先選定的參考時刻的時間差轉換為數字量，供計算機處理，記錄每個光子事件的到達時間。拼接探測器MCP-陽極基本單元安裝於拼接骨架上，拼接骨架為絕緣材料製成，要求材料在真空中放氣要小，且材料具有一定的機械強度和韌性。將每個基本單元的電子接收陽極放置於拼接骨架上。放置陽極後在拼接骨架上依次放置3X3開口的絕緣材料一層、MCP輸出電極11、絕緣材料一層、第二層MCP9、中間電極8、第一層MCP7、MCP輸入電極6、絕緣材料一層、MCP輸入電極壓環4、絕緣材料和鍍有CsI光電陰極的聚醯亞胺濾光膜。·
權利要求1.基於微通道板拼接的大面積X射線脈衝探測裝置，其特徵在於包括依次疊放的X射線光電陰極(2)、第一絕緣層(3)、MCP輸入電極壓環(4)、第二絕緣層(5)、MCP輸入電極(6)、第一層MCP (7)、中間電極(8)、第二層MCP (9)、第三絕緣層(10)、MCP輸出電極(11)、第四絕緣層(12)以及陽極(13)，所述第一層MCP和第二層MCP均為大面積MCP探測器，所述大面積MCP探測器包括探測器本體、拼接骨架以及處理電路，所述探測器本體由多個MCP探測器拼接而成。
2.根據權利要求I所述的基於微通道板拼接的大面積X射線脈衝探測裝置，其特徵在於多個MCP探測器拼接是mXn陣列，其中m，n均為整數。
3.根據權利要求2所述的基於微通道板拼接的大面積X射線脈衝探測裝置，其特徵在於^fMCP探測器拼接是3X3陣列或4X4陣列。
4.根據權利要求I或2或3所述的基於微通道板拼接的大面積X射線脈衝探測裝置，其特徵在幹所述X射線光電陰極為CsI光電陰極，所述X射線光電陰極鍍於聚醯亞胺/鋁濾光膜上。
5.根據權利要求4所述的基於微通道板拼接的大面積X射線脈衝探測裝置，其特徵在幹所述MCP探測器包括光電陰極、兩塊MCP組、電子接收陽極、前置放大電路和恆比定時甄別電路，所述前置放大電路的輸入端與電子接收陽極連接，所述前置放大電路的輸出端與恆比定時甄別電路的輸入端連接，所述電子接收陽極放置於拼接骨架上； 所述處理電路包括或門邏輯電路和時間數字轉換電路TDC，所述或門邏輯電路的輸入端接每ー個恆比定時甄別電路的輸出端，所述或門邏輯電路的輸出端接時間數字轉換電路TDC的輸入端，時間數字轉換電路TDC的輸出端通過USB接ロ進入計算機。
6.根據權利要求5所述的基於微通道板拼接的大面積X射線脈衝探測裝置，其特徵在幹所述或門邏輯電路為m X n通道ECL或門電路。
7.根據權利要求6所述的基於微通道板拼接的大面積X射線脈衝探測裝置，其特徵在幹所述X射線光電陰極前還設置有X射線準直器(I)。
8.根據權利要求7所述的基於微通道板拼接的大面積X射線脈衝探測裝置，其特徵在於所述MCP探測器為正方形的MCP探測器或矩形的MCP探測器。
9.根據權利要求8所述的基於微通道板拼接的大面積X射線脈衝探測裝置，其特徵在於所述兩塊MCP組為「V」字型級聯，所述MCP探測器的電子接收陽極是阻抗匹配的微帶線陽極或阻抗匹配的錐形陽扱。
10.根據權利要求9所述的基於微通道板拼接的大面積X射線脈衝探測裝置，其特徵在於所述拼接骨架由絕緣材料製成。
專利摘要本實用新型涉及一種基於微通道板拼接的大面積X射線脈衝探測裝置，包括依次疊放的X射線光電陰極、第一絕緣層、MCP輸入電極壓環、第二絕緣層、MCP輸入電極、第一層MCP、中間電極、第二層MCP、第三絕緣層、MCP輸出電極、第四絕緣層以及陽極，第一層MCP和第二層MCP均為大面積MCP探測器，大面積MCP探測器包括探測器本體、拼接骨架以及處理電路。本實用新型解決了現有的採用MCP探測器探測X射線脈衝需要極長的觀測時間、整個系統的探測效率低的技術問題，為X射線脈衝星導航系統提供高探測效率的探測方法和裝置、為X射線脈衝星導航提供高時間分辨和高時間精度的光子測量信息，為導航定位的高精度提供保障。
文檔編號G01T1/36GK202522706SQ201120562180
公開日2012年11月7日 申請日期2011年12月19日 優先權日2011年12月19日
發明者劉永安, 周峰, 盛立志, 賽小鋒, 趙寶升, 鄢秋榮, 韋永林 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所