X射線全向探測器的制造方法
【專利摘要】X射線全向探測器，涉及X射線探測、X射線脈沖星導(dǎo)航以及天文觀測領(lǐng)域。它是為了解決現(xiàn)有X射線探測器存在體積大、功耗大的問題。本發(fā)明包括n個(gè)敏感單元檢測電路，n為正整數(shù)，每個(gè)敏感單元檢測電路包括第一nMOS管、光敏二極管、非門放大電路、門限檢測電路和OD電路。本發(fā)明主要針對(duì)高精度的脈沖星信號(hào)到達(dá)時(shí)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(zhuǎn)換為可見光，通過光電二極管實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，將電信號(hào)經(jīng)放大后作為X光信號(hào)的檢測輸出。本發(fā)明適用于X射線探測、X射線脈沖星導(dǎo)航以及天文觀測領(lǐng)域。
【專利說明】X射線全向探測器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及X射線探測、X射線脈沖星導(dǎo)航以及天文觀測領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]航天器自主導(dǎo)航具有極其重要的工程應(yīng)用價(jià)值和戰(zhàn)略研究意義，不僅可以減輕地面測控系統(tǒng)的工作負(fù)擔(dān)，而且可以減少航天器對(duì)地面測控系統(tǒng)的依賴，增加系統(tǒng)的抗干擾和自主生存能力。X射線脈沖星能夠?yàn)楦黝惡教炱魈峁┪恢茫俣?，時(shí)間和姿態(tài)等高精度導(dǎo)航參數(shù)信息，因此基于X射線脈沖星導(dǎo)航具有很大的工程應(yīng)用價(jià)值，成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)是通過單粒子探測器探測脈沖星輻射的X射線光子，測量脈沖到達(dá)時(shí)間等信息，經(jīng)過相應(yīng)的信號(hào)與數(shù)據(jù)處理，航天器可自主確定軌道，獲得時(shí)間和姿態(tài)等導(dǎo)航參數(shù)。從以上分析可知，單粒子探測器是X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件，相比于X射線脈沖星導(dǎo)航算法的研究，適合于小衛(wèi)星的體積小，重量輕，功耗低的X射線探測器的研究發(fā)展相對(duì)緩慢，目前X射線探測器的類型主要包括有計(jì)數(shù)型探測器、微通道板探測器、微條探測器、CCD及CMOS探測器等。由于計(jì)數(shù)型探測器和微通道板探測器可以實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的信號(hào)探測，所以在脈沖星導(dǎo)航應(yīng)用中主要采用這兩種探測器。
[0003]通常，計(jì)數(shù)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(zhì)量及功耗較大。作為星載設(shè)備應(yīng)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(shí)間分辨率低，也不適合于脈沖星導(dǎo)航應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)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(gè)敏感單元檢測電路，η為正整數(shù)，每個(gè)敏感單元檢測電路彼此并聯(lián)；
[0006]每個(gè)敏感單元檢測電路包括第一 nMOS管1、光敏二極管2、非門放大電路、門限檢測電路和OD電路；
[0007]光敏二極管2的正極接地，光敏二極管2的負(fù)極同時(shí)連接第一 nMOS管I的源極和非門放大電路的信號(hào)輸入端，非門放大電路的信號(hào)輸出端同時(shí)連接門限檢測電路的信號(hào)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(hào)輸出端連接OD電路的信號(hào)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(hào)輸入端為非門放大電路的信號(hào)輸入端，第一非門電路3的信號(hào)輸出端連接第二非門電路4的信號(hào)輸入端，第二非門電路4的信號(hào)輸出端連接第三非門電路5的信號(hào)輸入端，第三非門電路5的信號(hào)輸出端為非門放大電路的信號(hào)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(hào)輸入端為門限檢測電路的信號(hào)輸入端，第四非門電路6的信號(hào)輸出端連接第五非門電路7的信號(hào)輸入端，第五非門電路7的信號(hào)輸出端為門限檢測電路的信號(hào)輸出端；
[0010]OD電路包括第二 nMOS管9，OD電路的信號(hào)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(hào)輸出端，OD電路的信號(hào)輸出端為敏感單元檢測電路的信號(hào)輸出端。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供的X射線探測器，能夠?qū)崿F(xiàn)X射線光子的高靈敏度探測，可對(duì)大于IkeV的X射線光子實(shí)現(xiàn)單光子探測，時(shí)間分辨率達(dá)到納秒量級(jí)。適用于X射線脈沖星導(dǎo)航應(yīng)用。本發(fā)明為小衛(wèi)星提供一種功耗低，同比降低20%，體積小，同比縮小10%，結(jié)構(gòu)簡單并可以精確探測X射線脈沖星信號(hào)單粒子到達(dá)時(shí)刻的裝置。
[0012]脈沖星信號(hào)極其微弱，約為lph/s.cm2，并且用于X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)特殊性，其探測器不同傳統(tǒng)的探測器，即不需要區(qū)分X射線粒子能量高低，沒有成像需求，但是對(duì)每次X射線光子到達(dá)時(shí)間的測量精度要求較高。
[0013]本發(fā)明主要針對(duì)高精度的脈沖星信號(hào)到達(dá)時(shí)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(zhuǎn)換為可見光，通過光電二極管實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，將電信號(hào)經(jīng)放大后作為X光信號(hào)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(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖2為敏感單元檢測電路輸出連接的結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖3為X射線全向探測器的結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]【具體實(shí)施方式】一:下面結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的X射線全向探測器，它包括η個(gè)敏感單元檢測電路，η為正整數(shù)，每個(gè)敏感單元檢測電路彼此并聯(lián)；
[0018]每個(gè)敏感單元檢測電路包括第一 nMOS管1、光敏二極管2、非門放大電路、門限檢測電路和OD電路；
[0019]光敏二極管2的正極接地，光敏二極管2的負(fù)極同時(shí)連接第一 nMOS管I的源極和非門放大電路的信號(hào)輸入端，非門放大電路的信號(hào)輸出端同時(shí)連接門限檢測電路的信號(hào)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(hào)輸出端連接OD電路的信號(hào)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(hào)輸入端為非門放大電路的信號(hào)輸入端，第一非門電路3的信號(hào)輸出端連接第二非門電路4的信號(hào)輸入端，第二非門電路4的信號(hào)輸出端連接第三非門電路5的信號(hào)輸入端，第三非門電路5的信號(hào)輸出端為非門放大電路的信號(hào)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(hào)輸入端為門限檢測電路的信號(hào)輸入端，第四非門電路6的信號(hào)輸出端連接第五非門電路7的信號(hào)輸入端，第五非門電路7的信號(hào)輸出端為門限檢測電路的信號(hào)輸出端；
[0022]OD電路包括第二 nMOS管9，OD電路的信號(hào)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(hào)輸出端，OD電路的信號(hào)輸出端為敏感單元檢測電路的信號(hào)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(zhuǎn)化為可見光脈沖信號(hào)。
[0025]用光電二極管將可見光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為光電流，并利用PN結(jié)電容將光電流轉(zhuǎn)換為脈沖電壓信號(hào)，光電敏感區(qū)(即PN結(jié))的面積設(shè)計(jì)為lOOumX10um，一個(gè)X射線光子大約可以產(chǎn)生0.1uV脈沖電壓信號(hào)。
[0026]對(duì)于0.1uV脈沖電壓需經(jīng)過放大電路進(jìn)行放大，以利于對(duì)X射線信號(hào)的檢測。利用非門的線性工作區(qū)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)放大，一般一級(jí)非門可以實(shí)現(xiàn)20到30倍放大，經(jīng)三級(jí)非門放大后，脈沖電壓信號(hào)可由0.1uV放大到0.8?2.7mV，將該信號(hào)與門限0.SmV進(jìn)行比較，超過門限輸出為1，低于門限輸出O。由此形成了對(duì)X射線光子的信號(hào)檢測。
[0027]—個(gè)X射線光子信號(hào)使光電二極管PN結(jié)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖電壓變化，該電壓變化在非門放大器輸出產(chǎn)生一個(gè)正脈沖電壓信號(hào)，作為一個(gè)X射線光子信號(hào)的檢測輸出。
[0028]非門放大器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過射隨電路轉(zhuǎn)換為反饋電流，對(duì)光電二極管充電，使光電二極管電壓再次恢復(fù)的工作點(diǎn)狀態(tài)，可進(jìn)行下次X射線光子的信號(hào)檢測。
[0029]經(jīng)過門限電路的信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)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(jìn)行“線或”作為X射線全向探測器的輸出。
[0030]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述的X射線全向探測器作進(jìn)一步限定，本實(shí)施方式中，非門放大電路與射隨反饋電路構(gòu)成負(fù)反饋放大器，使非門電路工作在線性區(qū)，并使光敏二極管2電壓穩(wěn)定在工作點(diǎn)上。
[0031]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述的X射線全向探測器作進(jìn)一步限定，本實(shí)施方式中，X光子入射到每個(gè)敏感單元檢測電路后，將導(dǎo)致敏感單元檢測電路產(chǎn)生一次脈沖信號(hào)輸出或ο-l信號(hào)輸出。
[0032]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述的X射線全向探測器作進(jìn)一步限定，本實(shí)施方式中，所有敏感單元檢測電路的OD電路直接進(jìn)行線或運(yùn)算作為X射線全向探測器輸出。
[0033]根據(jù)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，用于將X射線轉(zhuǎn)換為550nm的可見光。碘化銫晶體轉(zhuǎn)化率為56000ph/MeV,對(duì)于1-1OkeV譜段的X射線光子，其光子數(shù)量大于56個(gè)光子(56ph)。
[0034]在碘化銫晶體下面設(shè)計(jì)了光電敏感單元陣列，每個(gè)敏感單元尺寸為100 μ mX 100 μ m，采用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管、非門放大電路、射隨反饋電路、門限檢測電路及OD電路組成。光電二極管敏感區(qū)電容設(shè)計(jì)值為34.5pf，單個(gè)X射線光子激發(fā)的56個(gè)光子可產(chǎn)生56個(gè)電子-空穴對(duì),在電場作用下形成電流,并在光電二極管上產(chǎn)生電壓脈沖信號(hào)。產(chǎn)生的電壓信號(hào)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(hào)經(jīng)過3級(jí)非門電路的放大，輸出26mV脈沖信號(hào)，放大器增益100dB。經(jīng)過脈沖檢測電路及OD電路輸出脈沖信號(hào)，完成對(duì)X射線脈沖信號(hào)的檢測。
[0038]脈沖檢測電路門限設(shè)計(jì)為1mV,對(duì)于大于1mV的電壓可以產(chǎn)生信號(hào)輸出，小于1mV的電壓變化無輸出。
[0039]根據(jù)仿真分析，探測單元的靈敏度可達(dá)22個(gè)電子電荷，考慮到轉(zhuǎn)換效率，其探測靈敏度預(yù)計(jì)值為50個(gè)電子電荷。
[0040]單元電路采用了射隨電路，形成了深度的負(fù)反饋，在沒有X射線脈沖信號(hào)時(shí)，其工作點(diǎn)穩(wěn)定在Vcc/2處，對(duì)于緩慢變化的暗電流，當(dāng)暗電流導(dǎo)致Vi下降時(shí)，3級(jí)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范圍變化時(shí)，非門輸出電壓小于10mV，小于脈沖檢測電路門限，不產(chǎn)生有效的信號(hào)輸出。
[0041]56個(gè)電子電荷基本在Ins時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生，等效電流為8.9nA，而脈沖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(huì)產(chǎn)生有效的信號(hào)輸出。而IkeV的X射線產(chǎn)生8.9nA的電流脈沖，可以導(dǎo)致有效的脈沖信號(hào)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(guān)系為F = F01+ F02+ +V01。
【權(quán)利要求】
1.X射線全向探測器，其特征在于:它包括η個(gè)敏感單元檢測電路，η為正整數(shù)，每個(gè)敏感單元檢測電路彼此并聯(lián)； 每個(gè)敏感單元檢測電路包括第一 nMOS管(I)、光敏二極管(2)、非門放大電路、門限檢測電路和OD電路； 光敏二極管(2)的正極接地，光敏二極管(2)的負(fù)極同時(shí)連接第一 nMOS管(I)的源極和非門放大電路的信號(hào)輸入端，非門放大電路的信號(hào)輸出端同時(shí)連接門限檢測電路的信號(hào)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(hào)輸出端連接OD電路的信號(hào)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(hào)輸入端為非門放大電路的信號(hào)輸入端，第一非門電路(3)的信號(hào)輸出端連接第二非門電路⑷的信號(hào)輸入端，第二非門電路⑷的信號(hào)輸出端連接第三非門電路(5)的信號(hào)輸入端，第三非門電路(5)的信號(hào)輸出端為非門放大電路的信號(hào)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(hào)輸入端為門限檢測電路的信號(hào)輸入端，第四非門電路(6)的信號(hào)輸出端連接第五非門電路(7)的信號(hào)輸入端，第五非門電路(7)的信號(hào)輸出端為門限檢測電路的信號(hào)輸出端； OD電路包括第二 nMOS管(9)，OD電路的信號(hào)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(hào)輸出端，OD電路的信號(hào)輸出端為敏感單元檢測電路的信號(hào)輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線全向探測器，其特征在于:非門放大電路與射隨反饋電路構(gòu)成負(fù)反饋放大器，使非門電路工作在線性區(qū)，并使光敏二極管(2)電壓穩(wěn)定在工作點(diǎn)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線全向探測器，其特征在于:X光子入射到每個(gè)敏感單元檢測電路后，將導(dǎo)致敏感單元檢測電路產(chǎn)生一次脈沖信號(hào)輸出或0-1信號(hào)輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線全向探測器，其特征在于:所有敏感單元檢測電路的OD電路直接進(jìn)行線或運(yùn)算作為X射線全向探測器輸出。
【文檔編號(hào)】G01T1/00GK104267424SQ201410577965
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】徐國棟, 李鵬飛, 董立珉, 陳健, 齊琪, 宋佳凝 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)