CSTM-微通道板光子計數(shù)成像探測器性能測試方法編制說明

密級：公開CSTM團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)編制說明（征求意見稿）標(biāo)準(zhǔn)名稱微通道板光子計數(shù)成像探測器性能測試方法主編單位中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所參編單位中國科學(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)第五十五研究所《微通道板光子計數(shù)成像探測器性能測試方法》編制說明任務(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CSTMLX600100494-2020。編制說明編制原則本標(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。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：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。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。主要技術(shù)內(nèi)容的說明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?？臻g分辨力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。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。由于正離子反向運動是需要時間的，所以離子反饋所產(chǎn)生的信號與真實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際使用中帶來額外的噪聲，測試過程中工作的真空度在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。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。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?；児庾佑嫈?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。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。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：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。圖2空間分辨力測試結(jié)果暗計數(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)果序號采集時間內(nèi)得到的總計數(shù)（Counts，t=10mins）單位面積計數(shù)(Counts/cm2)平均單位面積計數(shù)(Counts/cm2)暗計數(shù)（Counts/s*cm2）14423900.8900.81.50124425901.234421900.4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)率線性度畸變?nèi)缦聢D5為采用本標(biāo)準(zhǔn)畸變測試方法測試的探測器成像畸變結(jié)果，其中探測器的有效直徑22mm，變測試靶標(biāo)采用方格陣列