基于位敏阳极的单光子成像关键技术研究
发布时间：2022-12-10 23:32
在高能粒子追踪、日地空间探测、生物医学发展等研究中,携带事件信息的往往是一些照度极弱、持续时间非常短（ns、ps量级）的光信号,这些光信号仅包含有限个光子,因而单光子成像探测已经成为这些领域的研究热点。基于位敏阳极的单光子成像技术,能够在一定的积分时间内重建微弱辐射目标的像,具有很高的时间和空间分辨率,被广泛应用于深空紫外、X射线及高能粒子的探测。国内位敏阳极研究起步较晚,在成像空间分辨率、计数率方面与国外相比仍有较大差距。为改善国内位敏阳极单光子成像技术落后局面,基于国内地球电离层探测需求,本文对电容阳极单光子探测器的成像机理与相关技术进行研究,首先从理论上研究了电容阳极电荷感应及电容分割电荷的物理机制,其次设计、加工了电容阳极,对电荷感应及位置判别等关键技术进行了实验验证,最终利用该电容阳极实现了单光子成像,具体研究内容如下:1.建立了带有反射式光阴极的微通道板（Microchannel Plate,MCP）仿真模型,利用该模型对光电子的运动轨迹进行仿真分析。基于光电子运动轨迹分析结果,提出一种测量反射式光阴极MCP电子增益的方法,利用该方法对不同参数MCP电子增益进行了实验测试,...
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 单光子成像技术概述
1.2.1 雪崩光电二极管
1.2.2 超导单光子探测器
1.2.3 光电子倍增型探测器
1.3 本课题的提出
1.4 本文的研究内容
第2章 MCP电子倍增特性研究
2.1 MCP特性介绍
2.1.1 MCP工作原理
2.1.2 MCP工作特征
2.2 阴极浸入深度对MCP增益影响
2.2.1 通道内电场
2.2.2 不同阴极浸入深度光电子收集概率
2.3 MCP增益测量
2.3.1 增益测量方法
2.3.2 增益随工作电压的变化
2.3.3 增益及暗电流随长径比的变化
2.3.4 级联MCP的增益及暗电流
2.3.5 测量误差分析
2.4 本章小结
第3章 感应读出技术研究
3.1 感应读出原理
3.1.1 概述
3.1.2 电荷感应原理
3.2 阳极电荷分布理论分析
3.2.1 感应层工艺参数
3.2.2 半导体层电荷扩散理论分析
3.2.3 阳极电荷分布
3.3 电阻层电阻对阳极输出信号的影响
3.4 阳极感应电流计算
3.5 本章小结
第4章 电容阳极优化设计
4.1 电容阳极电荷分割原理
4.1.1 理想情况
4.1.2 实际情况
4.1.3 阳极结构
4.2 阳极空间分辨率影响因素
4.3 阳极线性度理论分析
4.3.1 线性度分析理论基础
4.3.2 阳极电容比例对图像线性度的影响
4.3.3 实验验证
4.4 阳极电容值与结构的关系
4.5 本章小结
第5章 电容阳极单光子探测器的制备及性能测试
5.1 信号读出电子学
5.1.1 前置放大器
5.1.2 放大器
5.1.3 模数转换
5.1.4 FPGA数据处理
5.2 实验平台搭建
5.2.1 阳极传输特性
5.2.2 实验平台
5.3 实验结果与分析
5.3.1 不加感应电阻层系统性能测试
5.3.2 MCP输出面与Ge膜电势差UM-a对系统性能影响
5.3.3 MCP工作电压对成像性能的影响
5.4 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 全文总结
6.2 下一步工作展望
参考文献
致谢
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于单光子的星载激光水下目标探测深度研究[J]. 彭志兴,周保琢,陈华,张志,谭平. 激光与红外. 2018(07)
[2]单光子探测在量子通信中的应用[J]. 马子程. 通讯世界. 2017(21)
[3]Modeling the encoding structure and spatial resolution of photon counting imagers with Vernier anode readout[J]. 杨颢,赵宝升,鄢秋荣,刘永安. Chinese Optics Letters. 2016(12)
[4]超导单光子探测器暗计数对激光测距距离的影响[J]. 张森,陶旭,冯志军,吴淦华,薛莉,闫夏超,张蜡宝,贾小氢,王治中,孙俊,董光焰,康琳,吴培亨. 物理学报. 2016(18)
[5]Vernier阳极设计与成像模拟[J]. 赵爱荣,尼启良,宋克非. 光谱学与光谱分析. 2015(12)
[6]使用曲面微通道板和感应电荷位置灵敏阳极的软X射线-极紫外光子计数成像探测器研究[J]. 尼启良. 中国光学. 2015(05)
[7]利用OI135.6nm夜气辉辐射探测电离层峰值电子密度及电子总含量的研究[J]. 江芳,毛田,李小银,付利平,王咏梅,余涛. 地球物理学报. 2014(11)
[8]电离层不规则结构对GPS性能的影响[J]. 李婧华,马冠一. 空间科学学报. 2013(02)
[9]Imaging properties of a tetra wedge readout[J]. 刘永安,鄢秋荣,赛小锋,韦永林,盛立志,杨颢,胡慧君,赵宝升. Chinese Physics B. 2011(06)
[10]使用感应电荷位敏阳极的极紫外单光子计数成像系统[J]. 尼启良,何玲平,刘世界,董宁宁,陈波. 光学精密工程. 2010(12)
博士论文
[1]单光子成像探测关键技术研究[D]. 罗韩君.华中科技大学 2013
[2]基于游标阳极的光子计数探测器研究[D]. 杨颢.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2012
[3]基于MCP的紫外光子计数探测器关键技术研究[D]. 赵菲菲.中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所) 2010
[4]APD光子计数成像技术研究[D]. 寇松峰.南京理工大学 2010
[5]电离层综合探测系统总体设计及其关键技术研究[D]. 杨国斌.武汉大学 2009
[6]位置敏感探测器的研究[D]. 黄梅珍.浙江大学 2001
硕士论文
[1]具有双32路电极的交叉条形阳极光子成像探测器研究[D]. 刘修富.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]交叉条形位敏阳极极紫外光子计数积分成像探测器性能研究[D]. 邓国宝.西安电子科技大学 2014
本文编号：3717719
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 单光子成像技术概述
1.2.1 雪崩光电二极管
1.2.2 超导单光子探测器
1.2.3 光电子倍增型探测器
1.3 本课题的提出
1.4 本文的研究内容
第2章 MCP电子倍增特性研究
2.1 MCP特性介绍
2.1.1 MCP工作原理
2.1.2 MCP工作特征
2.2 阴极浸入深度对MCP增益影响
2.2.1 通道内电场
2.2.2 不同阴极浸入深度光电子收集概率
2.3 MCP增益测量
2.3.1 增益测量方法
2.3.2 增益随工作电压的变化
2.3.3 增益及暗电流随长径比的变化
2.3.4 级联MCP的增益及暗电流
2.3.5 测量误差分析
2.4 本章小结
第3章 感应读出技术研究
3.1 感应读出原理
3.1.1 概述
3.1.2 电荷感应原理
3.2 阳极电荷分布理论分析
3.2.1 感应层工艺参数
3.2.2 半导体层电荷扩散理论分析
3.2.3 阳极电荷分布
3.3 电阻层电阻对阳极输出信号的影响
3.4 阳极感应电流计算
3.5 本章小结
第4章 电容阳极优化设计
4.1 电容阳极电荷分割原理
4.1.1 理想情况
4.1.2 实际情况
4.1.3 阳极结构
4.2 阳极空间分辨率影响因素
4.3 阳极线性度理论分析
4.3.1 线性度分析理论基础
4.3.2 阳极电容比例对图像线性度的影响
4.3.3 实验验证
4.4 阳极电容值与结构的关系
4.5 本章小结
第5章 电容阳极单光子探测器的制备及性能测试
5.1 信号读出电子学
5.1.1 前置放大器
5.1.2 放大器
5.1.3 模数转换
5.1.4 FPGA数据处理
5.2 实验平台搭建
5.2.1 阳极传输特性
5.2.2 实验平台
5.3 实验结果与分析
5.3.1 不加感应电阻层系统性能测试
5.3.2 MCP输出面与Ge膜电势差UM-a对系统性能影响
5.3.3 MCP工作电压对成像性能的影响
5.4 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 全文总结
6.2 下一步工作展望
参考文献
致谢
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于单光子的星载激光水下目标探测深度研究[J]. 彭志兴,周保琢,陈华,张志,谭平. 激光与红外. 2018(07)
[2]单光子探测在量子通信中的应用[J]. 马子程. 通讯世界. 2017(21)
[3]Modeling the encoding structure and spatial resolution of photon counting imagers with Vernier anode readout[J]. 杨颢,赵宝升,鄢秋荣,刘永安. Chinese Optics Letters. 2016(12)
[4]超导单光子探测器暗计数对激光测距距离的影响[J]. 张森,陶旭,冯志军,吴淦华,薛莉,闫夏超,张蜡宝,贾小氢,王治中,孙俊,董光焰,康琳,吴培亨. 物理学报. 2016(18)
[5]Vernier阳极设计与成像模拟[J]. 赵爱荣,尼启良,宋克非. 光谱学与光谱分析. 2015(12)
[6]使用曲面微通道板和感应电荷位置灵敏阳极的软X射线-极紫外光子计数成像探测器研究[J]. 尼启良. 中国光学. 2015(05)
[7]利用OI135.6nm夜气辉辐射探测电离层峰值电子密度及电子总含量的研究[J]. 江芳,毛田,李小银,付利平,王咏梅,余涛. 地球物理学报. 2014(11)
[8]电离层不规则结构对GPS性能的影响[J]. 李婧华,马冠一. 空间科学学报. 2013(02)
[9]Imaging properties of a tetra wedge readout[J]. 刘永安,鄢秋荣,赛小锋,韦永林,盛立志,杨颢,胡慧君,赵宝升. Chinese Physics B. 2011(06)
[10]使用感应电荷位敏阳极的极紫外单光子计数成像系统[J]. 尼启良,何玲平,刘世界,董宁宁,陈波. 光学精密工程. 2010(12)
博士论文
[1]单光子成像探测关键技术研究[D]. 罗韩君.华中科技大学 2013
[2]基于游标阳极的光子计数探测器研究[D]. 杨颢.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2012
[3]基于MCP的紫外光子计数探测器关键技术研究[D]. 赵菲菲.中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所) 2010
[4]APD光子计数成像技术研究[D]. 寇松峰.南京理工大学 2010
[5]电离层综合探测系统总体设计及其关键技术研究[D]. 杨国斌.武汉大学 2009
[6]位置敏感探测器的研究[D]. 黄梅珍.浙江大学 2001
硕士论文
[1]具有双32路电极的交叉条形阳极光子成像探测器研究[D]. 刘修富.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2018
[2]交叉条形位敏阳极极紫外光子计数积分成像探测器性能研究[D]. 邓国宝.西安电子科技大学 2014
本文编号：3717719
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