月基极紫外相机光子计数成像探测器Ge膜的空间质子辐照稳定性

光子计数成像探测器是月基极紫外相机等空间成像载荷的核心成像器件。Ge膜作为探测器的电荷感应层,在空间质子辐照环境下的稳定性直接影响系统的成像质量。采用Monte-Carlo法仿真了500 nm Ge膜被10、50和100 keV高能质子辐照后,Ge膜内部的质子浓度分布与空位缺陷分布。仿真结果表明,50 keV质子在Ge膜内部产生的空位缺陷对膜层内部损伤最大。对100、230、350和500 nm厚度Ge膜分别进行50 keV质子辐照实验,经方阻仪测试显示,越厚的薄膜辐照后方阻变化越大,500 nm比100 nm Ge膜方阻增加量高约500 MΩ/。通过原子力显微镜(AFM)表征发现,500 nm Ge膜辐照后出现膜层凸起与分离,均方根表面粗糙度由1.63 nm增至约10 nm。研究结果表明,在满足方阻要求的前提下,通过对Ge膜厚度的合理设计,可以有效减小高能质子辐照带来的损伤。

使用感应电荷位敏阳极的极紫外单光子计数成像系统

研制了用于月基极紫外成像相机的二维极紫外位敏阳极光子计数成像探测器原型样机,该探测器系统主要由工作在脉冲计数模式下的微通道板堆、楔条形感应位敏阳极及相关的模拟和数据处理电路组成。设计和制备了周期为1.5mm,有效直径为47 mm的三电极楔条形位敏阳极,研制了最高计数率为200 kHz的前端模拟和数字电路。测量了探测器的暗计数率、脉冲高度分布、增益、线性及空间分辨率等工作特性。测量结果表明,探测器的空间分辨率为7.13 lp/mm(即0.14 mm),满足月基极紫外相机对空间分辨率的要求。

极紫外位置灵敏阳极光子计数成像探测器研究

研制出了应用于月基极紫外成像仪的二维极紫外位置灵敏阳极光子计数成像探测器原形样机,该探测器主要由工作在脉冲计数模式下的微通道板堆、楔条形位置灵敏阳极及相关的模拟和数据处理电路组成。设计和制备了周期为1mm,直径为30mm的三电极楔条形位置灵敏阳极,研制了最高计数率为200kHz的前端模拟和数字电路。测量了探测器的暗计数率、脉冲高度分布及空间分辨率等工作特性。测量结果表明,该探测器的空间分辨率为0.28mm,满足月基极紫外成像仪对空间分辨率的要求。

紫外单光子成像系统研究获重要进展

西安光机所紫外单光子成像系统研究组经过3年的努力，采用微通道板和特殊结构的WSA阳极收集器，通过相应的电子读出系统，实现了单光子成像探测，而且还研发出一套完全具有自主知识产权的极紫外成像探测器原理样机，并获得了模拟太空极微弱紫外目标图像的重要研究成果。

基于SiC APD的日盲紫外单光子计数读出电路设计与应用

针对宽禁带半导体SiC APD紫外单光子探测器,本文提出了一种1×8线阵型单光子计数读出电路.根据光强条件并通过合适的时序控制,可选取固定门控或互补门控探测方式,实现宽动态范围紫外光子信号的探测计数.读出电路采用TSMC 0.18μm CMOS工艺制备,测试结果表明,读出电路具备单光子探测功能,性能与仿真分析预期结果吻合.最终,借助微动系统二维转台完成对日盲紫外单波长光子的探测与成像,实现对多个独立紫外光源的准确区分与目标定位.

光子计数探测器感应位敏阳极的电子云扩散

针对基于感应位敏阳极的光子计数成像探测器中非晶态Ge(α-Ge)膜的方块电阻对探测器成像性能的影响,研究了方块电阻的选配范围和方法。由于方块电阻的大小会影响Ge膜上的电子云的扩散特性从而影响探测器的计数率和分辨率,故本文根据菲克(Fick)扩散定律分析了吸收边界条件下非晶态薄膜上电子云的扩散特性。确定了电子云扩散时间与Ge膜方块电阻之间的数学关系,推导获得了探测器高质量成像时非晶态Ge膜方块电阻的阻值为30～2 700MΩ/□。采用具有不同方块电阻的感应位敏阳极进行了实际成像实验,结果表明:当Ge膜方块电阻在上述范围时,光子计数探测器在计数率为53kc/s时分辨率可以达到0.5mm。实验结果证明了推导得出的方块电阻选配范围的正确性。

极紫外微通道板光子计数成像探测器性能研究

基于CE-3极紫外（EUV）相机最高工作温度为70 ℃的要求，对EUV相机的微通道板（MCP）位置灵敏阳极光子计数成像探测器实验件在70 ℃时的性能进行了研究，该探测器主要由工作在脉冲计数模式下的MCP堆、楔条形感应电荷阳极及相关的模拟和数据处理电路组成。为了获得稳定的MCP堆电子增益及较小的暗计数率，对MCP堆进行了预处理，包括380 ℃条件下真空高温烘烤18 h，以及电子清刷100 μA·h，并测量了预处理前后暗计数率；测量了探测器工作在室温和70 ℃时的暗计数率、空间分辨率、增益，测量结果表明探测器的空间分辨率为5.66 lp/mm，与室温下空间分辨率相同，暗计数率虽然小于1 counts/（s·cm2），但70 ℃暗计数率是室温的2~5倍；对探测器的使用寿命进行了初步分析。实验结果和分析表明探测器在空间分辨率、暗计数率、使用寿命等方面均满足EUV相机的要求。

远紫外光子计数成像探测器分辨率及计数率的优化

基于远紫外（FUV）成像光谱仪对所用光子计数成像探测器高计数率、高空间分辨率的要求,研制出使用感应电荷位置灵敏阳极的FUV波段二维光子计数成像探测器原理样机,该探测器主要由工作在脉冲计数模式下的微通道板（MCP）堆、楔条形（WSA）感应位敏阳极及相关的模拟和数据处理电路组成。感应电荷WSA阳极探测器的分辨率主要由前端模拟电路的信噪比决定,而信噪比与整形放大器的整形时间有关,整形时间越长,信噪比越高,模拟电路的输出计数率越低。测量了整形时间分别为0.25、0.5、1、2、4μs条件下探测器的分辨率及计数率,测量结果表明探测器的分辨率为3～9lp/mm,最高计数率为11～105kcounts/s,只有0.5μs整形时间放大器能满足FUV成像光谱仪对分辨率和最高计数率的要求。

分子生物光子学的进展

随着分子生物学和标记技术的进步,光学成像和分析有了很快的发展,无论是从理论上还是应用上都有所突破,展现了良好的前景。本文综述了近年来在分子生物探测中光子学的情况,简介了几种突破光学衍射极限的探测方法,着重阐明了与生化技术密切相关的荧光共振能量转移和荧光相关光谱显微术及其在分子生物学中的应用。

远紫外光子计数成像探测器检测方法及分析

为实现极光光谱中远紫外波段N2LBH(140~180nm)辐射成像探测的需求,采用远紫外光子计数成像探测器对其进行探测。探测器主要由CsI光电阴极、V形叠加微通道板堆、感应式楔条形位敏阳极等构成。首先构建远紫外波段辐射定标测量装置,其主要由真空室、真空位移台、标准传递探测器、远紫外掠入射单色仪、真空紫外光源、信号处理地检设备等组成;然后测试探测器的量子效率、分辨率、暗噪声、极限计数率等;最后分析测试数据。实测结果表明,探测器在工作波段的量子效率最高可达12.9%,空间分辨率为88.3μm,暗计数率为0.87counts/(s·cm2),探测器系统计数率有效测试范围为0~350000counts/s,能够满足探测极光的N2LBH辐射成像需求。

Vernier阳极设计与成像模拟

光子计数成像探测器作为探测微弱光的重要手段,由微通道板,解码阳极以及后续的读出电路组成,其中解码阳极的性能直接影响着探测器的成像质量。作为一种电荷分割型阳极,Vernier阳极利用周期性的正弦电极区域替代了楔条形阳极(WSA)的线性电极,可获得高的成像分辨率和大的电极活动区域。根据Vernier阳极的设计原理对Vernier阳极进行了仿真和设计,首先,介绍了矢量形式的阳极解码,确定了阳极设计参量为阳极周期长度,电极振幅及电极波长;其次,分析了各阳极设计参量对探测器成像的影响,利用Labview软件分别模拟了电子云,Vernier阳极板以及其相互作用成像情况,确定了Vernier阳极周期长度与粗调波长之间的关系以及设计参数一定时,成像达到最佳的电子云大小,依照模拟结果和实际的加工条件,设计和制备了周期为891μm,绝缘沟道为25μm,振幅为50μm,粗调数为5的九路Vernier阳极。

30．4nm极紫外成像探测器的实验研究

报导了最新研制的30.4 nm极紫外成像探测器的实验研究结果。该探测器采用了楔条形阳极(WSA)、高增益V型级联微通道板组件、低噪声电子读出系统等先进技术,利用单光子计数成像技术在实验室成功获得了模拟图像。搭建了相应的实验系统,对探测器成像的线性度、空间分辨率、暗计数等性能进行了实验研究。结果表明,该探测器具有45 nm的有效面积,空间分辨率优于100μm,暗计数率低[0.4 count/(cm2.s)]、成像线性度好、结构简单等优点。

具备单光子灵敏度的单像素显微成像系统研究

单像素成像技术的出现为光学成像带来了新的突破,特别是在克服传统光学显微成像技术的局限性方面展现出独特优势。本文针对传统显微成像在弱光条件下难以获得高质量图像的问题,开展了基于单像素成像技术的显微成像系统研究。该研究采用模块化的光机系统设计,结合Alternating Projection、Differential Ghost Imaging、Gradient Descent等6种先进算法,评估了单像素显微成像系统的性能。实验结果表明,在0.9M CPS光子计数率的极低光照条件下,该系统可实现25%采样率的单像素显微成像,具有39.37μm的分辨率,视场范围可在22.09 mm^(2)至231.04 mm^(2)之间调节。与显微成像领域中常用的增强光源和荧光标记等手段相比,本文采用单光子探测技术和压缩感知图像处理算法,能够在极低光照条件下实现高质量显微成像,不会对样品造成光漂白或光毒性,有效避免了对样品的光损伤。本文的单像素显微成像方法为极弱光环境下的显微成像提供了一种创新且高效的解决方案。

压缩感知理论(CS)在弱信号量子测量与蛋白质结构计算中的应用

压缩感知(Compressive Sensing,CS)理论自2006年被提出至今已15年有余,在许多领域如单像素相机、CT扫描成像、雷达等经典系统中获得了成功应用与充分的发展,但在量子和生物系统中还有很大的发展空间.本文首先简单回顾了CS的基本知识及其应用的发展历史,然后重点介绍了北京理工大学量子技术研究中心多年来将CS(以及它的新发展理论)应用于量子精密测量和生物系统上取得的研究成果,具体包括极微弱光信号下的测量与成像、利用CS理论进行多体量子态层析密度矩阵的计算以及根据由CS理论发展的矩阵填充理论进行蛋白质结构计算等方面,说明CS理论不论是在弱信号探测还是量子计算甚至在生物大分子研究方面都具有极大的应用前景和优势,最后对CS理论的应用和发展进行总结和展望.