Vernier阳极探测器及其电子读出电路的设计

最新更新时间:2010-07-24来源: 现代电子技术 关键字:紫外探测器  游标阳极  光子计数器  信号处理电路 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

  0 引言

  紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军民两用光电探测技术。早在20世纪50年代,人们就开始了对紫外探测技术的研究。EUV探测器是利用30.4 nm波长的极紫外成像技术对地球等离子体层成像,可以得到地球周围整个磁层的分布,用来进行空间环境探测和研究太阳扰动期间的变化。

  2007年10月24日,我国“嫦娥”一号卫星成功发射,标志着我国进入具有深空探测能力的国家行列。目前,“嫦娥探月计划”二期工程中开展月基地球等离子体层EUV成像实验,研究地球空间环境变化,为灾害性环境变化提供观测数据。

  本课题组对极紫外成像探测系统进行了技术研究,并在阳极设计和电路信号处理方面取得了较好的成绩。

  1 Vernier阳极探测器的结构

  阳极探测器按照位置敏感方式可分为两种:一种是单元型,如MAMA型;一种是连续性,如电阻阳极、WSA、Delay-line、Vernier等。其中Vernier阳极相比于其他阳极具有较高的光子计数率和位置分辨率,因此,本文主要介绍Vernier阳极。

  阳极探测器主要由光阴极、MCP、位敏阳极和电子读出电路组成。阳极探测器基本结构示意图如图1所示。单光子光源通过输入窗口到达光电阴极产生电子,再通过V型级联的MCP倍增产生电子云,在加速电场作用下到达Vernier阳极,形成多路的电子脉冲。多路信号通过电子读出电路处理后,经软件解码形成灰度图像。

阳极探测器基本结构示意图

  用来收集电子云的阳极面板结构如图2所示,共有6个电极收集电荷,它们之间相互绝缘。在横向,每个电极的面积按正弦变化,且它们之间相差120°,正弦曲线的相位随着横向线性变化。每个电极上收集到的电荷量大小Q也随位置按正弦变化,且电荷量Q正比于收集电荷的电极面积SQ,由于正弦曲线波长远大于电极宽度,在电子云覆盖的每个电极面积内,使得电子云质心位置与电极宽度成正比,因此可以得到电极上质心位置的相位值θ,通过θ值可以得到横坐标x值,当两组电极的x值相同,就可以得到光子在阳极面板上的坐标位置。

用来收集电子云的阳极面板结构

  2 Vernier阳极电子读出电路设计

  电子读出电路主要由电荷灵敏前置放大器、滤波整形放大电路及峰值保持电路组成。电荷灵敏前置放大器主要用于将阳极输出的信号转换为电压信号;滤波整形电路是使信号的形状满足准高斯波形,以满足后续处理的需要及提高信号的信噪比;峰值保持电路是将信号的峰值展宽,以提高获得的峰值准确率。结构框图见图3。

Vernier阳极电子读出电路设计

  在前置放大电路中,为了提高输入阻抗和降低噪声,采用了低噪音的结型场效应管作为电荷灵敏前置放大器的输入级,例如2SKl52,2N4416。反馈的电阻、电容设为RF=500 MΩ,Cf=1 pF,所以τ=500×106×10-12=500μs,输出波形的尾部较长,容易产生脉冲堆积。为了提高计数率,需要进行CR微分处理,如图4所示。它的传递函数为公式,式中公式,在设计中,τ1=τ时达到极零相消的目的。图4中C5=1 000 pF,R6=1 MΩ,W2=50 kΩ,入射到系统的不同光子速率对积分时间有不同的要求。选择不同的R8值可得到不同的积分时间。在C=1 000 pF条件下,当τ2=1μs时,R8=1 kΩ;当τ2=2μs时,R8=2 kΩ;当r2=10μs时,R8=10 kΩ。实际电路中用跳线来实现对R8的选择。

极零相消电路原理图

  经极零相消电路输出的波形还不能直接采样电路,必须改善它的波形。为了满足采集卡对信号波形的需要,提高信号噪声比,准确得到脉冲峰值数据,需要进一步对信号进行滤波整形处理。通过最佳滤波器的讨论可知,对称无限宽尖顶脉冲具有最佳的信噪比,且高斯波形具有以上的特征,脉冲顶部比较平坦,所以脉冲的成型一般以高斯型或准高斯型为波形形状,采用图5所示的电路结构,使用两级有源低通滤波器。在C=1 000 pF下,对不同积分时间取值,当τ2=1μs时;当R=1 kΩ,当τ2=2μs时,R=2 kΩ;当τ2=10μs时,R=10 kΩ。同样R用跳线来实现取值。

滤波成型电路原理图

  峰值保持电路基本原理如图6所示。当输入信号比阈值大时,比较器1输出高电平触发触发器1输出Q为高电平,触发器2输出Q为高电平,去控制LF398的逻辑电平,使LF398处于采用状态。

峰值保持电路基本原理

  当信号到达峰值时,比较器2输出高电平,使与门电路输出低电平,这时LF398处于保持状态,进而对信号峰值进行保持。控制电路主要由两级单稳态完成,当比较器1输出高电平时,上升沿触发1级单稳态,输出的暂稳时间可通过外接电阻调节时间长短。暂稳态的下降沿触发2级单稳态,输出的高电平触发模拟开关,使LF398的保持电压电容迅速放电。

  3 结论

  测试电路时,将电路接入本课题组自己搭建的紫外单光子计数成像系统中,用Tek DPO 4104示波器观察每路电路的输出波形,满足准高斯分布,并使用系统对4孔掩模板成像。图7(a)为4孔掩模板实物图,各孔之间的距离分别是7 mm,9 mm,15 mm,孔径约为2 mm。实验条件:光源用的是低压汞灯,两块MCP加电压2 280 V,MCP与阳极间加电压300 V,两块MCP的间距为50μm,MCP与阳极间距为15 mm。在真空度达到1.0×10-4Pa时,把阳极输出的脉冲信号连接到电子读出电路。本次实验使用的电路参数为:前置放大器的灵敏度A=1 V/pc,脉冲整形时间为2μs,电压放大倍数为4倍,用示波器测量脉冲输出的脉冲半峰全宽为5μs,电压幅度满足采集卡的量程为0~10 V。经采集卡采集电压峰值,软件解码后得到的灰度图像如图7(b)所示,可以看出所得图像与实物一致。

实验结果

  4 结语

  设计了一种Vernier阳极探测器的信号处理电路,用该电路处理的信号电压幅度、信噪比达到了阳极探测器的设计要求。通过对所设计的电路进行实验测试,能够满足单光子探测成像系统的需求,验证了电子读出电路的可行性。

关键字:紫外探测器  游标阳极  光子计数器  信号处理电路 编辑:金海 引用地址:Vernier阳极探测器及其电子读出电路的设计

上一篇:基于Matlab GUI的模拟带通滤波器的设计
下一篇:接触式图像传感器的信号读取与补偿技术

推荐阅读最新更新时间:2023-10-12 20:17

压力传感器信号处理电路原理图
压力传感器用DG通用系列标准型全不锈钢焊接结构压力变送器,精确度最高可达0.1%FS,具有小体积、高性能、高性价比、高稳定性、高灵敏度等特点。差压传感器电压信号经滤波及正向跟随后接分压电阻。 压力传感器 信号处理电路原理图:
[模拟电子]
压力传感器<font color='red'>信号处理</font><font color='red'>电路</font>原理图
红外焦平面阵列用信号处理电路
    摘要: 介绍了红外焦平面阵列信号处理电路的发展概况。重点描述了CCD多路传输器(CCD-MUX)、时间延迟积分CCD(TDI-CCD)、MOSFET、CMOS多路传输器(CMOS-MUX)的基本结构、工作方式及应用领域。最后给出了多路传输器件的两种应用电路。     关键词: 多路传输器 红外探测器 红外焦平面阵列 信号处理电路 未来红外系统(如热成像系统、导引系统、监视系统)中的信号探测几乎都将建立在红外探测器焦平面阵列的基础上。利用红外焦平面阵列(IRFPA)可简化或取消光机扫描以改善系统性能。红外焦平面阵列器件是把包含大量敏感元且需恒低温操作的器件封装起来的新型结构。在这种新式结构中,由红外
[应用]
一种 SAW RFID阅读器的信号处理电路设计
0 引言 RFID(Radio Frequency Identification)技术由于优秀的识别性能而被认为是二十一世纪最有应用潜力的十大技术之一,它可以应用到工业生产、国防军事、日常生活等社会的各个方面。在我国,倡导科技奥运的北京奥运会在门票、地铁、食品安全管理中已被试用。基于SAW(Surface Acoustic Wave)标签的RFID系统采用了先进微电子加工技术制造的SAW器件,具有体积小、重量轻、批量成本低、可靠性高、识别距离远、多功能等优点,与基于IC标签的RFID系统有很好的互补性,尤其在基于IC标签的RFID系统应用于带有金属物体、高温、强电磁干扰等恶劣环境无能为力时,基于SAW标签的RFID系统就显示了它
[单片机]
一种 SAW RFID阅读器的<font color='red'>信号处理</font><font color='red'>电路</font>设计
小广播
最新模拟电子文章
换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved