光子计数成像探测器位置读出电路的设计

韩振伟 宋克非 陈波 张宏吉 何玲平 刘阳

摘要

空间科学领域广泛应用基于微通道板的光子计数成像探测器对目标进行成像观测。本文主要研究了低噪声电荷放大技术，脉冲信号准高斯整形技术，给出了电荷灵敏放大器和整形电路设计方案，并且计算了电荷灵敏放大器的响应时间和整形电路时间常数。

【关键词】光子计数 电荷灵敏放大器 整形电路

1引言

光子计数成像探测技术在监测太阳活动变化、空间环境变化、大气和海洋环境变化、紫外预警发挥了重要的作用。X射线脉冲星导航技术可以探测来自于宇宙空间脉冲星发出的微弱X射线辐射，为深空飞行导航;紫外预警技术可与微波、红外预警等技术相结合建立完整的预警体系;远紫外辐射成像测量技术可以有效准确监测全球电离层分布，对全球导航卫星系统具有重要意义。

2光子计数成像探测器工作原理

基于微通道板的光子计数探测器主要包括入射窗口、光电转换阴极、微通道板级联堆、位置敏感阳极和相应的位置读出电路。光子计数探测器的工作原理为：光子经过光学成像系统到达微通道板前表面的光电阴极，光子转换成光电子，光电子加速撞击到微通道板的通道内壁，实现电子倍增，在微通道板输出端形成约105-107个电子的电子云。电子云通过电容耦合感应到阳极，输出至电荷灵敏放大器和整形电路。

微通道板是一种高空间分辨和高时间分辨率的电子倍增器件，在离子、电子、紫外波段和X射线波段等探测领域具有广泛应用。微通道板通常由成千上万个微通道构成，这些微通道等效为一个具有连续打拿极的光电倍增管探测器，来实现电子倍增功能。从微通道板发射出来的电子云利用位置敏感阳极来获得感应电荷。位置敏感阳极通过位置编码算法，来获取电子云质心位置的信息。

3位置读出电路方案设计与分析

光子计数成像探测器位置读出电路包括电荷灵敏放大器和整形电路两部分，其响应时间由电荷灵敏放大器的响应时间和整形电路的时间常数决定，位置敏感阳极读出电路的噪声斜率由电荷灵敏放大器的噪声性能和整形电路的噪声性能决定。

3.1电荷灵敏放大器

电荷灵敏放大器采用具有场效应管输入的结构方案，JFET等效输入噪声为6nV/Hz，等效输入电容Cin为lOpF，跨导gm为5mA/V，漏极电阻Rd为750Ω。运算放大器选用低噪声高速放大器，等效输入噪声1.6nV/Hz，压摆率为lOOV/us，带宽为100MHz。开环增益A=60do，时间常数x=l.6Xl0。6S。反馈电容Cf为3pf，反馈电阻100M。电荷灵敏放大电路原理图如图1所示。

经过计算可知，当微通道板增益为105-107时，电荷灵敏放大器输出为16mv-1.6v。当探测器阳极电容CD为200p时，前置放大器等效输入噪声为1.9mV电荷放大器的上升时间为66ns。

3.2整形电路

电荷灵敏放大器输出的脉冲信号，经过两级整形网络变成具有一定宽度的准高斯脉冲信号。整形电路采用两级整形，原理图如图2所示。运算放大器选用低噪声高速放大器，等效输入噪声1.6nV/Hz，压摆率为lOOV/us，带宽为100MHz。

电荷灵敏放大器输出信号是随时间按指数下降的信号，为了满足后续电路的要求，需对信号进行整形处理。整形时间常数选取0.2Us，由此可得出图2中L1=70uH，C1=560pF， R4=820Ω， L2=30uH，C2=510pF， R5=470Q。

4结束语

本文给出了电荷灵敏放大器和整形电路的设计方案以及参数。光子计数成像探测系统的高空间分辨率特性，制约因素主要是在于位置读出电路噪声要低于前端探测器的噪声;探测系统的高动态范围特性，制约因素主要是在于读出电路的响应速度。

参考文献

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