0 引言

　　紫外探測" title="紫外探測">紫外探測技術(shù)是繼紅外和激光探測技術(shù)之后發(fā)展起來的又一軍民兩用光電探測技術(shù),。早在20世紀50年代,，人們就開始了對紫外探測技術(shù)的研究。EUV" title="EUV">EUV探測器是利用30．4 nm波長的極紫外成像技術(shù)對地球等離子體層成像,，可以得到地球周圍整個磁層的分布,，用來進行空間環(huán)境探測和研究太陽擾動期間的變化。

　　2007年10月24日,，我國“嫦娥”一號衛(wèi)星成功發(fā)射,，標志著我國進入具有深空探測" title="深空探測">深空探測能力的國家行列。目前,，“嫦娥探月計劃”二期工程中開展月基地球等離子體層EUV成像實驗,，研究地球空間環(huán)境變化，為災(zāi)害性環(huán)境變化提供觀測數(shù)據(jù),。

　　本課題組對極紫外成像探測系統(tǒng)進行了技術(shù)研究,，并在陽極設(shè)計和電路信號處理方面取得了較好的成績。

　　1 Vernier" title="Vernier">Vernier陽極探測器的結(jié)構(gòu)

　　陽極探測器按照位置敏感方式可分為兩種：一種是單元型,，如MAMA型,；一種是連續(xù)性，如電阻陽極,、WSA,、Delay-line、Vernier等,。其中Vernier陽極相比于其他陽極具有較高的光子計數(shù)率和位置分辨率,，因此，本文主要介紹Vernier陽極,。

　　陽極探測器主要由光陰極,、MCP、位敏陽極和電子讀出電路組成,。陽極探測器基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,。單光子光源通過輸入窗口到達光電陰極產(chǎn)生電子，再通過V型級聯(lián)的MCP倍增產(chǎn)生電子云，在加速電場作用下到達Vernier陽極,，形成多路的電子脈沖,。多路信號通過電子讀出電路處理后，經(jīng)軟件解碼形成灰度圖像,。

　　用來收集電子云的陽極面板結(jié)構(gòu)如圖2所示,，共有6個電極收集電荷，它們之間相互絕緣,。在橫向，每個電極的面積按正弦變化,，且它們之間相差120°,，正弦曲線的相位隨著橫向線性變化,。每個電極上收集到的電荷量大小Q也隨位置按正弦變化，且電荷量Q正比于收集電荷的電極面積SQ,，由于正弦曲線波長遠大于電極寬度，在電子云覆蓋的每個電極面積內(nèi),，使得電子云質(zhì)心位置與電極寬度成正比，因此可以得到電極上質(zhì)心位置的相位值θ,，通過θ值可以得到橫坐標x值，當兩組電極的x值相同,，就可以得到光子在陽極面板上的坐標位置。

　　2 Vernier陽極電子讀出電路設(shè)計

　　電子讀出電路主要由電荷靈敏前置放大器,、濾波整形放大電路及峰值保持電路組成。電荷靈敏前置放大器主要用于將陽極輸出的信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,；濾波整形電路是使信號的形狀滿足準高斯波形，以滿足后續(xù)處理的需要及提高信號的信噪比,；峰值保持電路是將信號的峰值展寬，以提高獲得的峰值準確率,。結(jié)構(gòu)框圖見圖3,。

　　在前置放大電路中,，為了提高輸入阻抗和降低噪聲，采用了低噪音的結(jié)型場效應(yīng)管作為電荷靈敏前置放大器的輸入級,，例如2SKl52，2N4416,。反饋的電阻、電容設(shè)為Rf=500 MΩ,，Cf=1 pF,，所以τ=500×106×10-12=500μs,，輸出波形的尾部較長，容易產(chǎn)生脈沖堆積,。為了提高計數(shù)率，需要進行CR微分處理,，如圖4所示,。它的傳遞函數(shù)為,，式中，在設(shè)計中,，τ1=τ時達到極零相消的目的。圖4中C5=1 000 pF,，R6=1 MΩ，W2=50 kΩ,，入射到系統(tǒng)的不同光子速率對積分時間有不同的要求,。選擇不同的R8值可得到不同的積分時間,。在C=1 000 pF條件下，當τ2=1μs時,，R8=1 kΩ；當τ2=2μs時，R8=2 kΩ,；當r2=10μs時,，R8=10 kΩ,。實際電路中用跳線來實現(xiàn)對R8的選擇。

　　經(jīng)極零相消電路輸出的波形還不能直接采樣電路,，必須改善它的波形。為了滿足采集卡對信號波形的需要,，提高信號噪聲比，準確得到脈沖峰值數(shù)據(jù),，需要進一步對信號進行濾波整形處理。通過最佳濾波器的討論可知,，對稱無限寬尖頂脈沖具有最佳的信噪比,，且高斯波形具有以上的特征,，脈沖頂部比較平坦，所以脈沖的成型一般以高斯型或準高斯型為波形形狀,，采用圖5所示的電路結(jié)構(gòu)，使用兩級有源低通濾波器,。在C=1 000 pF下,，對不同積分時間取值，當τ2=1μs時,；當R=1 kΩ,，當τ2=2μs時,，R=2 kΩ；當τ2=10μs時,，R=10 kΩ。同樣R用跳線來實現(xiàn)取值。

　　峰值保持電路基本原理如圖6所示,。當輸入信號比閾值大時，比較器1輸出高電平觸發(fā)觸發(fā)器1輸出Q為高電平,，觸發(fā)器2輸出Q為高電平，去控制LF398的邏輯電平,，使LF398處于采用狀態(tài),。

　　當信號到達峰值時,，比較器2輸出高電平，使與門電路輸出低電平,，這時LF398處于保持狀態(tài)，進而對信號峰值進行保持,?？刂齐娐分饕蓛杉墕畏€(wěn)態(tài)完成,，當比較器1輸出高電平時，上升沿觸發(fā)1級單穩(wěn)態(tài),，輸出的暫穩(wěn)時間可通過外接電阻調(diào)節(jié)時間長短。暫穩(wěn)態(tài)的下降沿觸發(fā)2級單穩(wěn)態(tài),，輸出的高電平觸發(fā)模擬開關(guān)，使LF398的保持電壓電容迅速放電,。

　　3 結(jié)論

　　測試電路時,，將電路接入本課題組自己搭建的紫外單光子計數(shù)成像系統(tǒng)中,，用Tek DPO 4104示波器觀察每路電路的輸出波形，滿足準高斯分布,，并使用系統(tǒng)對4孔掩模板成像。圖7(a)為4孔掩模板實物圖,，各孔之間的距離分別是7 mm,，9 mm，15 mm,，孔徑約為2 mm,。實驗條件：光源用的是低壓汞燈,，兩塊MCP加電壓2 280 V，MCP與陽極間加電壓300 V,，兩塊MCP的間距為50μm，MCP與陽極間距為15 mm,。在真空度達到1．0×10-4Pa時,，把陽極輸出的脈沖信號連接到電子讀出電路。本次實驗使用的電路參數(shù)為：前置放大器的靈敏度A=1 V／pc,，脈沖整形時間為2μs，電壓放大倍數(shù)為4倍,，用示波器測量脈沖輸出的脈沖半峰全寬為5μs,，電壓幅度滿足采集卡的量程為0～10 V,。經(jīng)采集卡采集電壓峰值，軟件解碼后得到的灰度圖像如圖7(b)所示,，可以看出所得圖像與實物一致。

　　4 結(jié)語

　　設(shè)計了一種Vernier陽極探測器的信號處理電路,，用該電路處理的信號電壓幅度、信噪比達到了陽極探測器的設(shè)計要求,。通過對所設(shè)計的電路進行實驗測試,，能夠滿足單光子探測成像系統(tǒng)的需求，驗證了電子讀出電路的可行性,。