專利名稱：單光子計數(shù)成像儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種極微弱光信號探測的光子計數(shù)成像儀，具體涉及一種 用于空間極微弱紫外光信息探測的單光子計數(shù)成像儀。
背景技術(shù)：
目前，在很多領(lǐng)域?qū)τ跇O微弱光測量的要求不斷增強，微弱光探測技術(shù)越 來越受到重視。微弱光像增強技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)取得了一些發(fā)展，例如像增強 器可以實現(xiàn)低照度目標(biāo)探測；但是對于更低照度領(lǐng)域的應(yīng)用，這些儀器的性能 滿足不了要求，例如天文觀測、空間極微弱光探測、生物熒光發(fā)光等極弱光 現(xiàn)象的研究。在這些極微弱光探測中，需要通過探測單個光子的成像位置，通 過一定時間積分和處理后才能獲得完整的圖像。這些領(lǐng)域應(yīng)用的需求促成了光 子計數(shù)成像計數(shù)技術(shù)的誕生和發(fā)展。
目前，用常規(guī)的弱光成像器件，例如像增強器，ICCD等，沒有單光子計 數(shù)模式，所以探測不到極微弱的光信號；用光電倍增管(PMT)只能實現(xiàn)單光子 計數(shù)；而用陣列光電倍增管實現(xiàn)單光子計數(shù)成像的方式很復(fù)雜，分辨率也不高; 而對于用光子計數(shù)型電荷耦合器件(CCD)，采樣了多個像元，每個象素對應(yīng)一 個入射光子相應(yīng)產(chǎn)生計數(shù)，通常采用多幀疊加，要求高幀速，否則計數(shù)率低， 并且需要需要復(fù)雜的內(nèi)部電路，實用性不好。 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種單光子計數(shù)成像儀。
本實用新型可以實現(xiàn)單個電子、離子、帶電粒子、光子的探測，通過對每 個電子、離子、帶電粒子、光子事件的位置解碼后，既可以用作到達(dá)時刻的時 間標(biāo)記讀出，也可以將一個周期內(nèi)積分的總圖像一并讀出，實現(xiàn)極微弱目標(biāo)單 光子計數(shù)及二維成像探測，不僅具有單光子計數(shù)功能，而且能夠?qū)O微弱發(fā)光 目標(biāo)進(jìn)行二維成像的特點。本實用新型的技術(shù)解決方案是
一種單光子計數(shù)成像探測裝置，包括殼體1，設(shè)置于殼體1內(nèi)的光學(xué)窗口 2、
微光像增強管3、前置放大器5、放大整形電路6、數(shù)據(jù)采集裝置7、圖像處理 裝置8、計算機9;顯示器IO、打印機ll、高壓電源12;所述的高壓電源12 通過高壓引線33與微光像增強管3連接；所述的顯示器IO、圖像處理裝置8、 打印機11分別與計算機9連接，其特殊之處在于所述的微光像增強管3與前 置放大器5之間還設(shè)置有陽極收集器4,所述的陽極收集器4包括石英玻璃襯底 42、鍍在襯底42上的陽極41以及信號引線43,所述的陽極41通過信號引線 43與前置放大器5連接；所述的微光像增強管3包括沿光路依次設(shè)置的光電陰 極31以及與光電陰極31連接的微通道板32。
上述的陽極收集器4包括W、 S、 Z三個電極，上述的三個電極相互絕緣， 絕緣線寬度為20 30um。
上述的微通道板32為兩塊或三塊級聯(lián)為佳。
上述的陽極41以金電極為宜。
上述的金電極的導(dǎo)電層厚度為2 p m。
上述的襯底42為石英玻璃或陶瓷，厚度2mm 3mm.
還包括支架13，上述的微通道板32與陽極收集器4固定于支架13上。 上述的微通道板32與陽極收集器4之間的距離為7 11mm。 上述的前置放大器5和放大整形電路6電磁屏蔽后，緊密排列并置于殼體1 之后。
上述的殼體1為屏蔽金屬殼體，所述的屏蔽金屬殼體具有一個真空內(nèi)腔。 本實用新型具有如下優(yōu)點
1) 大面陣。傳統(tǒng)CCD焦平面通常為1/3， 1/2， 2/3英寸，需要大面陣CCD通 常要采取拼接方案，而本儀器中的陽極收集器根據(jù)需求，可以任意設(shè)計和加工， 無需拼接。
2) 高靈敏度、大動態(tài)范圍。本系統(tǒng)采用2塊或3塊微通道板32級聯(lián)，增 益達(dá)到IO 6 108，可以大大提高靈敏度和動態(tài)范圍。3) 暗計數(shù)低。采用微通道板32級聯(lián)方案，有效降低離子反饋，從而有效 降低暗計數(shù)，目前暗計數(shù)低于0. 2counts. cm—2 . s—1 。
4) 分辨率高。本單光子計數(shù)成像儀采用連續(xù)陽極解碼光子事件，空間分辨 率主要受到電子讀出系統(tǒng)的電子噪聲影響，采用低噪聲電荷靈敏前置放大器對 信號進(jìn)行放大，通過電子讀出系統(tǒng)的優(yōu)化，可以大大降低電子噪聲的影響，從 而有效提高空間分辨率，目前空間分辨率可達(dá)30 50um。
5) 成像線性度好，實時測量處理。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)原理示意圖； 圖2陽極收集器結(jié)構(gòu)示意圖； 附圖標(biāo)號說明-
l一殼體；2—光學(xué)窗口； 3—微光像增強管；31—光電陰極；32—微通道板; 33—高壓引線；4一陽極收集器；41一陽極；42—襯底；43—信號引線；5—前 置放大器；6—放大整形電路；7—數(shù)據(jù)采集裝置；8—圖像處理裝置；9一計算 機；IO—顯示器；ll一打印機；12—高壓電源；13—支架。
具體實施方式

本實用新型原理及工作過程
單光子計數(shù)法利用在弱光下光電信號自然離散化的特點，采用精密的脈沖 幅度甄別技術(shù)和數(shù)字計數(shù)技術(shù)，可把淹沒在背景噪聲中的弱光信號提取出來。 具體地當(dāng)弱光照射到光電子陰極時，每個入射光子以一定的概率(即量子效率) 使光電陰極31發(fā)射一個電子，這個光電子經(jīng)倍增系統(tǒng)的倍增最后在陽極回路中 形成一個電流脈沖，通過負(fù)載電阻形成一個電壓脈沖，這個脈沖稱為單光子脈 沖。
經(jīng)微通道板32倍增后的電子云(電子束團)被陽極收集器4收集，陽極收 集器4面板共有W， S， Z三個電極，參見附圖2。
在陽極W， S， Z三個電極引線分別連接有前置放大器5，前置放大器5輸出 信號經(jīng)過主放大器成形后通過數(shù)字采集裝置7采集，在計算機9上存儲處理。通過計算輸出電荷比例決定電子云在陽極面板上的質(zhì)心位置。 位置解碼算法為-
x =込- ^",。汰0z 》.=。^ - Zto汰込
x^是串?dāng)_的修正系數(shù)，它和電子收集區(qū)之間的電容耦合相關(guān)。
陽極收集器4的設(shè)計采用微電子平面工藝，在石英玻璃基片上鍍金，通過 光刻得到金電極。為了提高靈敏度，陽極收集器4陽極導(dǎo)電層采用金。陽極收 集器4陽極制作需要先在經(jīng)過處理的基板(石英玻璃、陶瓷)上涂敷光刻膠， 然后將基片進(jìn)行前烘，再用輻射源曝光，曝光后經(jīng)顯影、漂洗、后烘、蝕刻、 去膠等加工工序。經(jīng)過這一整套工序后就可以在基片上形成與掩模具有相同圖 像信息的幾何線條圖形。
參見圖l，光學(xué)窗口2，用于輸入來自目標(biāo)的光子，微光像增強管3用作光 電轉(zhuǎn)換及電子增強，通過所述光學(xué)窗口 2接收所述光子；光電子經(jīng)級聯(lián)微通道 板32組件倍增形成電子云，由陽極收集器4收集，再通過信號電極將信號引出， 電極將獲取的信號輸出；通過前置放大器5將信號放大、再通過放大整形電路6 將信號做進(jìn)一步放大整形；數(shù)據(jù)采集裝置7負(fù)責(zé)把3路信號進(jìn)行采集，并把結(jié) 果數(shù)字化，得到三路數(shù)字信號，傳給計算機9進(jìn)行存儲、顯示、通過圖像處理 裝置8進(jìn)行實時處理，將三路結(jié)果相加，得到一個數(shù)據(jù)作為閾置，判斷數(shù)據(jù)是 否是事件，如果是事件，則進(jìn)行有效處理，通過位置解碼算出該事件的幾何位 置X， Y坐標(biāo)，映射到圖像對應(yīng)象素，賦予相應(yīng)的灰度；這樣， 一定時間的積分 (曝光)就實現(xiàn)了單光子計數(shù)和成像。
微光像增強管安裝在殼體1中，殼體1抽成真空，外部用金屬材料作為屏 蔽。微通道板32通過電極和提供高壓，2塊微通道板32高壓一般為1800V。前 置放大器5用于放大從陽極收集器4輸出的信號，通過信號引線43與之連接。 為了保證處理電路的高頻特性，又有效降低噪聲水平，將前置放大器34和放大 整形電路35盡可能緊湊的方式裝在殼體1的后面，并做好電磁屏蔽。
微通道板32在一定的高壓下才能工作，單塊微通道板32的工作電壓一般為S00 1000V，陽極收集器4陽極相對微通道板32輸出面也必須具有一定的電 位，這樣才能使微通道板32出來的電子云正常地打在上面，有利于陽極收集電 子，不使電子云中心發(fā)生畸變。本新型采用2塊微通道板32級聯(lián)，因此需要微 通道板32正常工作需要1800V 2000V左右的直流穩(wěn)壓電源，穩(wěn)壓電源采用模 塊化微型高壓電源12，要求電源穩(wěn)定性高，紋波系數(shù)小。將高壓電源12各部分 功能電路分別封裝，做了高壓絕緣及屏蔽處理后，組裝在機箱里，輸出電壓值 由前面板數(shù)字表頭直接顯示。
放大器的功能是把光電子脈沖和噪聲脈沖線性放大，從雙微通道板32出來 的電子脈沖上升時間《3ns，這就要求放大大器的通頻帶寬達(dá)到100MHz，并且有 較寬的線性動態(tài)范圍和較低的熱噪聲。
該成像儀要設(shè)計一個合理的支架13用來固定兩塊V型級聯(lián)微通道板32和 陽極收集器4，主要要求有
1) 機械固定的松緊合適，既要保證微通道板32和陽極收集器4的位置固 定牢靠，電極接觸良好，又不要壓得太緊或者太松，壓得太緊會把微通道板32 壓裂，太松會造成電極接觸不好，局部電流過大甚至放電而損壞MCP;
2) 結(jié)構(gòu)緊湊對信號有屏蔽功能，尤其是對快信號。不過WSZ陽極和MCP之 間的距離要適當(dāng)，太遠(yuǎn)會影響分辨率，太近會增大WSZ陽極和微通道板32之間 的分布電容，影響快信號質(zhì)量，它們之間的距離一般保持在7 llmm為好；
3) 微通道板32容易損壞，需要更換，所以拆裝要方便重復(fù)性要好，另外 與微通道板32接觸的電極要光滑，有彈性，保證導(dǎo)電性能良好，兩塊微通道板 32之間有出氣的縫隙，以及安裝過程要在很干凈的環(huán)境中進(jìn)行，以防空氣中的 灰塵落在微通道板32表面上嚴(yán)重影響使用或引起局部擊穿。
通過探測三路電極輸出電荷量的比例確定電子云的質(zhì)心位置，因此電子讀出 系統(tǒng)的關(guān)鍵是如何得到準(zhǔn)確的三路信號的電荷量。由于探測器輸出的信號幅度 較小(幾十毫伏)，需要對信號進(jìn)行放大，然后再進(jìn)行處理測量。探測器與放 大器連接的傳輸線越長，分布電容就越大，信噪比越小。此外，也容易受到外 界的干擾，為了減少探測器輸出端到放大器輸入端之間分布電容的影響以及信號在這段路程傳輸過程中受到外界的干擾，提高信噪比，通常把信號放大部分
分為前置放大器5和放大整形電路6兩部分。
本實用新型單光子計數(shù)成像儀能探測單個電子/離子/帶電粒子/光子，通過 對每個電子/離子/帶電粒子/光子事件的位置解碼后，既可以用作到達(dá)時刻的時 間標(biāo)記讀出，也可以將一個周期內(nèi)積分的總圖像一并讀出。實現(xiàn)對弱光成像和 紫外、極紫外波段等的成像探測。
單本領(lǐng)域中的技術(shù)人員知道，可以根據(jù)本實用新型的設(shè)計思路做出不同的 變形，例如采用不同的光電陰極，可以衍生出紫外單光子計數(shù)成像儀、可見光 單光子計數(shù)成像儀、紅外單光子計數(shù)成像儀等，而不受所公布的實施例子的限 制，這些變形都沒有超出本發(fā)明的權(quán)利要求請求保護的范圍。
權(quán)利要求1. 一種單光子計數(shù)成像儀，包括殼體(1)，設(shè)置于殼體(1)內(nèi)的光學(xué)窗口(2)、微光像增強管(3)、前置放大器(5)、放大整形電路(6)、數(shù)據(jù)采集裝置(7)、圖像處理裝置(8)、計算機(9)；顯示器(10)、打印機(11)、高壓電源(12)；所述的高壓電源(12)通過高壓引線(33)與微光像增強管(3)連接；所述的顯示器(10)、圖像處理裝置(8)、打印機(11)分別與計算機(9)連接，其特征在于所述的微光像增強管(3)與前置放大器(5)之間還設(shè)置有陽極收集器(4)，所述的陽極收集器(4)包括襯底(42)、鍍在襯底(42)上的陽極(41)以及信號引線(43)，所述的陽極(41)通過信號引線(43)與前置放大器(5)連接；所述的微光像增強管(3)包括沿光路依次設(shè)置的光電陰極(31)以及與光電陰極(31)連接的微通道板(32)。
2. 根據(jù)權(quán)利1所述的單光子計數(shù)成像儀，其特征在于所述的陽極收集器 (4)包括W、 S、 Z三個電極，所述的三個電極相互絕緣，絕緣線寬度為20 30u m。
3. 根據(jù)權(quán)利1所述的單光子計數(shù)成像儀，其特征在于所述的微通道板(32) 為兩塊或三塊。
4. 根據(jù)權(quán)利1 3任一所述的單光子計數(shù)成像儀，其特征在于所述的陽 極(41)為金電極。
5. 根據(jù)權(quán)利4所述的單光子計數(shù)成像儀，其特征在于所述的金電極的導(dǎo) 電層厚度為2iim。
6. 根據(jù)權(quán)利5所述的單光子計數(shù)成像儀，其特征在于所述的襯底(42) 為石英玻璃或陶瓷等。
7. 根據(jù)權(quán)利6所述的單光子計數(shù)成像儀，其特征在于還包括支架(13)， 所述的微通道板(32)與陽極收集器(4)固定于支架(13)上。
8. 根據(jù)權(quán)利7所述的單光子計數(shù)成像儀，其特征在于:所述的微通道板(32) 與陽極收集器(4)之間的距離為3 5mm。
9. 根據(jù)權(quán)利8所述的單光子計數(shù)成像儀，其特征在于所述的前置放大器 (5)和放大整形電路(6)電磁屏蔽后，緊密排列并置于殼體(1)之后。
10. 根據(jù)權(quán)利9所述的單光子計數(shù)成像儀，其特征在于所述的殼體(1) 為屏蔽金屬殼體，所述的屏蔽金屬殼體具有一個真空內(nèi)腔。
專利摘要一種單光子計數(shù)成像探測裝置，其高壓電源通過高壓引線與微光像增強管連接；顯示器、圖像處理裝置、打印機分別與計算機連接，微光像增強管與前置放大器之間還設(shè)置有陽極收集器，陽極收集器包括襯底鍍在襯底上的電極以及信號引線，陽極通過信號引線與前置放大器連接；微光像增強管包括沿光路依次設(shè)置的光電陰極以及與光電陰極連接的微通道板。本實用新型既可以用作到達(dá)時刻的時間標(biāo)記讀出，也可以將一個周期內(nèi)積分的總圖像一并讀出，實現(xiàn)極微弱目標(biāo)單光子計數(shù)及二維成像探測，不僅具有單光子計數(shù)功能，而且能夠?qū)O微弱發(fā)光目標(biāo)進(jìn)行二維成像的特點。本實用新型具有大面陣、高靈敏度、暗計數(shù)低、分辨率高、成像線性度好，實時測量處理的優(yōu)點。
文檔編號G01J1/42GK201262572SQ20072003270
公開日2009年6月24日 申請日期2007年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月11日
發(fā)明者劉永安, 張興華, 朱香平, 繆振華, 趙寶升, 瑋 鄒 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所