《微通道板光子計數(shù)成像探測器性能測試方法》編制說明

《微通道板光子計數(shù)成像探測器性能測試方

法》編制說明

一、任務(wù)來源及計劃要求

經(jīng)中國材料與試驗團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會（CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員會）光電材料

及產(chǎn)品領(lǐng)域委員會審查，CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員會批準(zhǔn)CSTM標(biāo)準(zhǔn)《微通道板

光子計數(shù)成像探測器性能測試方法》由中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械

研究所牽頭，項目公告文件號：材試標(biāo)字[2020]179號，歸口管理委

員會為CSTM/FC60光電材料及產(chǎn)品領(lǐng)域委員會，標(biāo)準(zhǔn)計劃編號為CSTM

LX600100494-2020。

二、編制說明

1.編制原則

本標(biāo)準(zhǔn)符合國家有關(guān)法規(guī)和政策，貫徹貫徹執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)、國家

軍用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，充分吸收適用于本技術(shù)要求的相關(guān)

國家標(biāo)準(zhǔn)、國家軍用標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)一致。

本標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)成、內(nèi)容、文字的表述、條文的編排、文件的引用等

符合GB/T1.1—2020給出的規(guī)則要求。

編制出的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有先進(jìn)性、適用性、科學(xué)性和可操作性。

2.工作分工

本標(biāo)準(zhǔn)由中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所牽頭，中國科學(xué)院

高能物理研究所、中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司、中國電子科

技集團(tuán)公司第五十五研究所為聯(lián)合承研單位。具體分工如下：

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1）中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)項目研制申請報告、

測試方法的確定，標(biāo)準(zhǔn)的起草及編制；

2）中國科學(xué)院高能物理研究所負(fù)責(zé)大綱的匯總、征求意見的組織

和歸納。

3）中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司、中國電子科技集團(tuán)第五

十五研究所負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)草案的校核、測試方法的修正。

自接到標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)后，根據(jù)中國科學(xué)院西安光學(xué)精密研究所朱香平

研究員的提議，根據(jù)計劃要求成立了由中國科學(xué)院西安光學(xué)精密研究

所、中國科學(xué)院高能物理研究所、中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公

司和中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所的相關(guān)技術(shù)人員和標(biāo)準(zhǔn)化

人員共同組成的項目編制組,并編制了標(biāo)準(zhǔn)編制計劃表，按照計劃表開

展具體工作。結(jié)合中國科學(xué)院西安光學(xué)精密研究所長期積累的經(jīng)驗及

調(diào)研情況進(jìn)行分析，征詢了中國科學(xué)院高能物理研究所、中國建筑材

料科學(xué)研究總院有限公司和中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所、

長春理工大學(xué)等專業(yè)技術(shù)人員的意見，并結(jié)合這些單位的科研及生產(chǎn)

實(shí)際情況，確定了微通道板光子計數(shù)成像探測器的性能測試方法，并

進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)草案的編寫。標(biāo)準(zhǔn)草案完成后，與中國科學(xué)院高能物理研

究所、中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司和中國電子科技集團(tuán)公司

第五十五研究所組織項目組進(jìn)行了討論，確定了修改原則，并對標(biāo)準(zhǔn)

草案進(jìn)行了修改完善，最終形成標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿初稿。

2020年下半年，在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行了充分的征求意見，共返回意見37

條，其中采納37條。

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2020年通過中國材料與試驗團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會光電材料及產(chǎn)品領(lǐng)

域委員會（CSTM/FC60）審查，并根據(jù)審查意見，對照國標(biāo)GB/T1.1

梳理了標(biāo)準(zhǔn)的框架結(jié)構(gòu)，按照測試項目、測試方法、測試原理、測試

設(shè)備、測試步驟來編寫，對照國標(biāo)GB/T26332.1梳理了標(biāo)準(zhǔn)中公式和

符號，增加了測試條件和測試儀器及設(shè)備的具體要求。

審查會后，根據(jù)專家組給出的修改意見進(jìn)行了修改，并再一次進(jìn)

行了審核，確認(rèn)無修改建議后形成了征求意見稿。

三、主要技術(shù)內(nèi)容的說明

1.微通道板電流增益

微通道板的增益主要取決于微通道板輸入面與輸出面的電勢差和

微通道板的輸入電流密度。通過增加施加于微通道板端面間的電勢差

及通道內(nèi)電子的撞擊能量,可以獲得更多的二次電子,從而使微通道

獲得更大的增益。微通道板由于特殊的制造過程，使得通道內(nèi)部通常

吸附著大量的參與氣體，如H2、H2O、CO2和NO2等，所以在實(shí)際應(yīng)

用過程中，微通道板要經(jīng)過烘烤除氣和一定劑量的電子淸刷等處理。

電子淸刷過程會降低微通道板通道內(nèi)壁工作面的二次電子發(fā)射能力，

從而降低微通道板的增益。淸刷后的通道內(nèi)壁還會有一定量的氣體分

子殘留，一些吸附在靠近出射端的殘余氣體在電場或者電子撞擊作用

下會產(chǎn)生電離或脫附，形成背景噪聲。為了降低微通道板產(chǎn)生的背景

噪聲，除了盡量烘烤除氣和電子淸刷外，微通道板的最大工作電壓不

超過1200V。

2.空間分辨力

3

空間分辨力是微通道板與熒光屏聯(lián)用時的一個非常重要的性能指

標(biāo)，單片微通道板與熒光屏聯(lián)用時分辨力能達(dá)到40-50μm，而兩片微

通道板疊加時分辨力一般能夠達(dá)到80-100μm。在使用兩級微通道板

會比使用一級為通道板的分辨力低，原因是：1.從第一級微通道板中

的一個微通道出來的電子可能會進(jìn)入第二及微通道板的幾個通道中；2.

兩級微通道板輸出的倍增電子會更多，電子之間互斥會導(dǎo)致出射角度

變大，降低分辨力。本標(biāo)準(zhǔn)中給出的空間分辨力測試方法適用于所有

成像系統(tǒng)的空間分辨力測試。通過觀察分辨力測試板，找到成像系統(tǒng)

所能區(qū)分的最細(xì)的一組直線所對應(yīng)的分辨力值，即可認(rèn)為成像系統(tǒng)的

空間分辨力值優(yōu)于此數(shù)值。

3.暗計數(shù)

暗計數(shù)又稱為暗噪聲，是無任何光照條件下探測器正常工作時產(chǎn)

生的計數(shù)率，微通道板光子計數(shù)成像探測器的暗噪聲主要來源于場發(fā)

射，宇宙射線產(chǎn)生的暗計數(shù)以及微通道板中含有的40K放射性衰減產(chǎn)生

的暗計數(shù)。微通道板本身的暗計數(shù)是比較低的，在使用過程中主要考

慮的噪聲來源是離子反饋，雖然微通道板工作在真空中，但總不可避

免的有殘余氣體分子。當(dāng)微通道板輸出的倍增電子和殘余氣體分子碰

撞時，會產(chǎn)生正離子。這些正離子在電場中會與倍增電子呈反向運(yùn)動，

再次轟擊微通道內(nèi)壁產(chǎn)生電子，這個過程就稱為離子反饋。由于正離

子反向運(yùn)動是需要時間的，所以離子反饋所產(chǎn)生的信號與真實(shí)信號本

身并不會疊加，反而成為了噪聲/雜峰的重要來源。所以真空度不夠時，

殘余氣體分子過多會在實(shí)際使用中帶來額外的噪聲，測試過程中工作

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的真空度在1.3×10-4Pa以下，同時為避免宇宙射線等產(chǎn)生的暗計數(shù)的

影響，測試過程中的暗室環(huán)境照度應(yīng)盡可能低。

4.光譜響應(yīng)

光子計數(shù)成像探測器的光譜響應(yīng)是光電探測器對單色入射輻射的

響應(yīng)能力，是表征光電探測器性能的重要參數(shù)指標(biāo)。光子探測器的光

譜響應(yīng)具有明顯的選擇性，一般情況下，以波長為橫坐標(biāo)，以探測器

接受的等能量單色輻射所產(chǎn)生的電信號的相對大小為縱坐標(biāo)，繪出光

電探測器的相對光譜響應(yīng)曲線。測量光電探測器的光譜響應(yīng)通常用單

色儀對輻射源的輻射功率進(jìn)行分光來得到不同波長的單色輻射，然后

測量在各種波長輻射照射下的光電探測器輸出的電信號，由于實(shí)際光

源的輻射功率是波長的函數(shù)，因此在相對測量中要確定單色輻射功率

需要利用參考探測器，即基準(zhǔn)探測器。由基準(zhǔn)探測器的電信號輸出可

得單色輻射功率。再通過計算即可得到待測探測器的光譜響應(yīng)度。如

本標(biāo)準(zhǔn)中圖4中光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)圖。

5.線性度

線性度是描述探測器的光電特性或光照特性曲線輸出信號與輸入

信號保持線性關(guān)系的程度。即在規(guī)定的范圍內(nèi)，探測器的輸出光量精

確地正比于輸入光量的性能。在這規(guī)定的范圍內(nèi)探測器的響應(yīng)度是常

數(shù)，這一規(guī)定的范圍為線性區(qū)。線性區(qū)的下限一般由器件的暗電流和

噪聲因素決定，上限由飽和效應(yīng)或過載決定。其次，線性區(qū)還隨偏置、

輻射調(diào)制及調(diào)制頻率等條件的變化而變化。在本標(biāo)準(zhǔn)中微通道板光子

成像探測器的線性度測量采用疊加法的測量原理進(jìn)行測量。疊加法的

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基本原理是利用光束的疊加性質(zhì)，即部分光強(qiáng)之和等于全部光強(qiáng)，疊

加法測量得到的線性結(jié)果一致性較好。實(shí)驗處在暗室之中，避免了雜

散光的影響，利用轉(zhuǎn)動雙孔轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)單束光、兩束光疊加的輸出信號，

如果部分光強(qiáng)之和等于全部光強(qiáng)，則探測器是線性的；如果部分光強(qiáng)

之和不等于全部光強(qiáng)，則探測器是非線性的，可通過公式（3）計算探

測器的線性度。

6.畸變

光子計數(shù)成像探測器工作于光子計數(shù)模式，能夠探測單個光子及

帶電粒子的空間位置，通過長時間曝光實(shí)現(xiàn)對其微弱目標(biāo)成像。光子

計數(shù)成像探測器在工作時，光子從光學(xué)輸入窗進(jìn)入探測器，打在光陰

極上激發(fā)光電子，光電子經(jīng)過聯(lián)級的微通道板倍增，輸出光電子形成

電子云團(tuán)，被陽極收集，但是會出現(xiàn)漂移電場引起靜的電場畸變和電

子云偏差較大的缺點(diǎn)。電子云的大小受到微通道板增益、陽極加速電

壓等多因素的影響沒有精確的計算公式。電子云較小時，會導(dǎo)致成像

出現(xiàn)調(diào)制畸變,而當(dāng)電子云較大時，會導(dǎo)致成像出現(xiàn)“S”畸變。所以需

要對成像探測器進(jìn)行畸變校正。

四、試驗驗證的情況和結(jié)果

中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所一直從事真空光電成像器件

與技術(shù)等方面的研究工作，已研制成功國內(nèi)第一個微通道板、第二代

微光像增強(qiáng)器、Φ50～Φ100X射線像增強(qiáng)器、Φ25～Φ45紫外像增

強(qiáng)器等各種不同類型的光電成像探測器，在微通道板、微通道板探測

器，單光子探測器的設(shè)計和研制方面積累了豐富的經(jīng)驗，同時西安光

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機(jī)所也擁有完備的測試設(shè)備與測試經(jīng)驗。

對微通道板光子計數(shù)成像探測器采用本標(biāo)準(zhǔn)的測試方法的幾項性

能測試結(jié)果如下：

1.微通道板電流增益

采用本標(biāo)準(zhǔn)的測試方法對單片微通道板的探測器的電流增益

進(jìn)行測試，其中微通道板的直徑為φ25mm，微孔直徑為6μm，將

采集到的輸出端的電流值與輸入電流，通過公式（1）計算，得到

的微通道板電流增益特性曲線如下圖1所示，此探測器單片微通道

板的電流增益為104（@1000V）。

圖1微通道板電流增益特性曲線

2.空間分辨力

采用本標(biāo)準(zhǔn)的測試方法對探測器的空間分辨力進(jìn)行測試，圖2

為通過計算機(jī)采集軟件采集到了成像分辨力板圖像。通過觀察分辨

力板上可區(qū)分的線對，可以測得此探測器的空間分辨率。

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圖2空間分辨力測試結(jié)果

3.暗計數(shù)

采用本標(biāo)準(zhǔn)測試方法對探測器的暗計數(shù)進(jìn)行了測試，其中測試

用的探測器的有效直徑為φ25mm，有效面積4.91cm2，共測試3

次，每次測試的時間為10分鐘，測試結(jié)果如下表1所示，測得此

探測器的暗計數(shù)為1.501Counts/s*cm2。

表1探測器暗計數(shù)測試結(jié)果

采集時間內(nèi)得

單位面積計平均單位面積

到的總計數(shù)暗計數(shù)

序號數(shù)計數(shù)

（Counts，t=10（Counts/s*cm2）

(Counts/cm2)(Counts/cm2)

mins）

14423900.8

24425901.2900.81.501

34421900.4

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4.光譜響應(yīng)

圖3為采用本標(biāo)準(zhǔn)測試方法測得的探測器的光譜響應(yīng)曲線。

圖3探測器光譜響應(yīng)曲線

5.線性度

依據(jù)光疊加原理，采用本測試方法，以高穩(wěn)定度氙燈光源，鹵

鎢燈光源，中性濾光片輪改變光束強(qiáng)度、雙孔轉(zhuǎn)盤及光學(xué)呈成像系

統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光流疊加組成測試裝置測試探測器線性度。如圖4所示。

圖4探測器系統(tǒng)計數(shù)率線性度

6.畸變