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详析像增强器的构造及作用——专为微弱信号探测而生

详析像增强器的构造及作用——专为微弱信号探测而生

CCDCMOS相机常备用来拍摄发光影像。然而受到效率、噪声的限制,在微弱光环境下,普通相机很难实现有效的成像,这些场景包括:

 - 微光夜视,即环境光照很低的场合;

 - 微弱发光,如单颗粒发光、单粒子探测、生物自荧光等;

 - 高速成像,因为曝光时间很短而导致信号微弱

 ......那么;是否有办法将影像增强呢?

 

 

如何解决微弱信号探测?

像增强器可以有效增强影像,并可以实现单光子计数探测

 

 

简述像增强器的用途:


1顾名思义,像增强器能实现光放大,可提供高达10^3 - 10^7的光增益,实现微光环境成像、高速成像、单个粒子探测等微弱信号探测的功能;

但绝不仅仅是增强光信号而已,还可以实现:
2.选通(超高速快门)功能,可达纳秒量级甚至更低;
3结合闪烁体用于探测X-Ray,带电粒子以及中性粒子等。

同时值得一提的是,在增强信号的同时,本君极少产生干扰,在厘米量级的靶面上,暗计数每秒不超过10个!

 

像增强器的构造:

 

此部分我们介绍像增强器的构造,器件中各个部分的功能,像增强器的结构决定了其可以对微弱信号进行检测。

简单来讲像增强器由阴极微通道板、荧光屏构成,下面一一为您剖析:

 

1)光电阴极:

像增强器的阴极的作用是将光子转换成电子,阴极材料可以是金属或半导体。通常二代像增强器采用双碱或多碱光电阴极,对紫外-可见光较为敏感(日盲型仅对紫外敏感)。描述光电阴极的主要参数包括量子效率,峰值响应波长,暗电流等。

2)微通道板:

像增强器的的增强功能是通过微通道板(MCP)实现的,微通道板是阵列式微细玻璃管,玻璃管的直径可以小几个微米,内壁镀有二次电子发射材料。当微通道板被加上高压后,电子碰撞内壁会进行倍增,形成雪崩式反应,实现信号的放大。像增强器根据增益的要求不同,分为单MCP,双MCP和三MCP,增益也从10^3 10^7不等,在单光子成像的成像系统中,采用双MCP,由于具有高的增益,会很好的剔除模拟噪声。

通常情况下对MCP进行描述有如下个性能: 长径比,同等情况下,长径比大的MCP增益能力强;开口面积比,这个参数决定MCP的探测效率;增益,MCP通过加上高压实现雪崩放大,电压越高增益越强,但是高压是有限制的,通常情况下这个高压不能超过1000V;均匀性,MCP的均匀性一定程度上决定了像增强器的均匀性

 

3荧光屏

像增强器的荧光屏是将电子再次转换成光信号的器件,荧光屏上加有5000-6000V的高压,可以将一个电子转换成转换成多个光子。荧光屏要求屏层强度和导通性良好,以免被静电击穿铝膜层,表面质量优良以免产生针尖放电,发光效率良好,MTF曲线优良。

描述荧光屏4主要参数:空间分辨率,高的空间分辨率才会让图像效果更好;电子转换效率,荧光屏根据材质的不同光子的转换效率可以为55-320个光子不等;发光光谱,荧光品的发光光谱主要集中于400nm - 550nm之间;湮灭寿命,荧光屏的荧光湮灭寿命根据实验重频要求来选择不同荧光材料的湮灭寿命在ns~ms量级。

选通功能

光电子从阴极到达MCP需要一个正电压(通常为200V左右)导引及加速,而如果施加一个负电压(约-50V),电子无法抵达MCP,像增强器无输出,为关断状态。因此可以通过对光电阴极-MCP之间的电压施加脉冲电压来实现超快的快门,实现低至纳秒的选通;

MCP本身如果采用脉冲高压来驱动,也可实现选通,MCP的选通时间一般比像增强器略慢。

附件及拓展功能

像增强器工作时需要高压电源提供增益电压;选通(门控)功能需要门控脉冲发生器。这些器件现在都可以做成很小的模块,甚至集成在像增强器外周。

同时本君还具备相当灵活的变身功能:输入面加闪烁体可以实现高能光子、粒子成像;无光电阴极的像增强器可以直接用于探测电子,离子,X射线等能量较高的粒子。

Photek公司强大研发背景:

Photek 公司成立于1991年,由英国Bristol University从事空间光电探测器研发的科学家创建,公司位于英国East Sussex郡,该地曾是英国著名的显像管生产中心。基于完善的电真空器件生产测试设备、人才和经验,Photek提供基于真空光电技术的光电探测器,包括像增强器、超快光电倍增管、真空粒子探测器、条纹管,配套的高压、快电子学设备,以及单光子计数相机、微光探测相机等。Photek具备光电阴极蒸镀、荧光粉蒸镀、陶瓷/玻璃/金属超高真空密封等设计和制造工艺,具备高压电源、纳秒高压高速脉冲发生器、数字控制电路与软件开发、光学设计以及成像评价测试的完整研发、生产、质检体系。Photek 专长于大面积、高速光电探测器以及先进光子计数探测器,并在特种探测器(如宇航级探测器、军标探测器)领域有丰富的实际经验。


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