CSTM-微通道板光子计数成像探测器性能测试方法编制说明

密级：公开CSTM团体标准编制说明（征求意见稿）标准名称微通道板光子计数成像探测器性能测试方法主编单位中国科学院西安光学精密机械研究所参编单位中国科学院高能物理研究所中国建筑材料科学研究总院有限公司中国电子科技集团第五十五研究所《微通道板光子计数成像探测器性能测试方法》编制说明任务来源及计划要求经中国材料与试验团体标准委员会（CSTM标准委员会）光电材料及产品领域委员会审查，CSTM标准委员会批准CSTM标准《微通道板光子计数成像探测器性能测试方法》由中国科学院西安光学精密机械研究所牵头，项目公告文件号：材试标字[2020]179号，归口管理委员会为CSTM/FC60光电材料及产品领域委员会，标准计划编号为CSTMLX600100494-2020。编制说明编制原则本标准符合国家有关法规和政策，贯彻贯彻执行国家标准、国家军用标准和行业标准的有关规定，充分吸收适用于本技术要求的相关国家标准、国家军用标准的内容，与相关标准协调一致。本标准的构成、内容、文字的表述、条文的编排、文件的引用等符合GB/T1.1—2020给出的规则要求。编制出的标准应具有先进性、适用性、科学性和可操作性。工作分工本标准由中国科学院西安光学精密机械研究所牵头，中国科学院高能物理研究所、中国建筑材料科学研究总院有限公司、中国电子科技集团公司第五十五研究所为联合承研单位。具体分工如下：1）中科院西安光学精密机械研究所负责标准项目研制申请报告、测试方法的确定，标准的起草及编制；2）中国科学院高能物理研究所负责大纲的汇总、征求意见的组织和归纳。3）中国建筑材料科学研究总院有限公司、中国电子科技集团第五十五研究所负责标准草案的校核、测试方法的修正。自接到标准任务后，根据中国科学院西安光学精密研究所朱香平研究员的提议，根据计划要求成立了由中国科学院西安光学精密研究所、中国科学院高能物理研究所、中国建筑材料科学研究总院有限公司和中国电子科技集团公司第五十五研究所的相关技术人员和标准化人员共同组成的项目编制组,并编制了标准编制计划表，按照计划表开展具体工作。结合中国科学院西安光学精密研究所长期积累的经验及调研情况进行分析，征询了中国科学院高能物理研究所、中国建筑材料科学研究总院有限公司和中国电子科技集团公司第五十五研究所、长春理工大学等专业技术人员的意见，并结合这些单位的科研及生产实际情况，确定了微通道板光子计数成像探测器的性能测试方法，并进行了标准草案的编写。标准草案完成后，与中国科学院高能物理研究所、中国建筑材料科学研究总院有限公司和中国电子科技集团公司第五十五研究所组织项目组进行了讨论，确定了修改原则，并对标准草案进行了修改完善，最终形成标准征求意见稿初稿。2020年下半年，在行业内进行了充分的征求意见，共返回意见37条，其中采纳37条。2020年通过中国材料与试验团体标准委员会光电材料及产品领域委员会（CSTM/FC60）审查，并根据审查意见，对照国标GB/T1.1梳理了标准的框架结构，按照测试项目、测试方法、测试原理、测试设备、测试步骤来编写，对照国标GB/T26332.1梳理了标准中公式和符号，增加了测试条件和测试仪器及设备的具体要求。审查会后，根据专家组给出的修改意见进行了修改，并再一次进行了审核，确认无修改建议后形成了征求意见稿。主要技术内容的说明微通道板电流增益微通道板的增益主要取决于微通道板输入面与输出面的电势差和微通道板的输入电流密度。通过增加施加于微通道板端面间的电势差及通道内电子的撞击能量,可以获得更多的二次电子,从而使微通道获得更大的增益。微通道板由于特殊的制造过程，使得通道内部通常吸附着大量的参与气体，如H2、H2O、CO2和NO2等，所以在实际应用过程中，微通道板要经过烘烤除气和一定剂量的电子淸刷等处理。电子淸刷过程会降低微通道板通道内壁工作面的二次电子发射能力，从而降低微通道板的增益。淸刷后的通道内壁还会有一定量的气体分子残留，一些吸附在靠近出射端的残余气体在电场或者电子撞击作用下会产生电离或脱附，形成背景噪声。为了降低微通道板产生的背景噪声，除了尽量烘烤除气和电子淸刷外，微通道板的最大工作电压不超过1200V。空间分辨力空间分辨力是微通道板与荧光屏联用时的一个非常重要的性能指标，单片微通道板与荧光屏联用时分辨力能达到40-50μm，而两片微通道板叠加时分辨力一般能够达到80-100μm。在使用两级微通道板会比使用一级为通道板的分辨力低，原因是：1.从第一级微通道板中的一个微通道出来的电子可能会进入第二及微通道板的几个通道中；2.两级微通道板输出的倍增电子会更多，电子之间互斥会导致出射角度变大，降低分辨力。本标准中给出的空间分辨力测试方法适用于所有成像系统的空间分辨力测试。通过观察分辨力测试板，找到成像系统所能区分的最细的一组直线所对应的分辨力值，即可认为成像系统的空间分辨力值优于此数值。暗计数暗计数又称为暗噪声，是无任何光照条件下探测器正常工作时产生的计数率，微通道板光子计数成像探测器的暗噪声主要来源于场发射，宇宙射线产生的暗计数以及微通道板中含有的40K放射性衰减产生的暗计数。微通道板本身的暗计数是比较低的，在使用过程中主要考虑的噪声来源是离子反馈，虽然微通道板工作在真空中，但总不可避免的有残余气体分子。当微通道板输出的倍增电子和残余气体分子碰撞时，会产生正离子。这些正离子在电场中会与倍增电子呈反向运动，再次轰击微通道内壁产生电子，这个过程就称为离子反馈。由于正离子反向运动是需要时间的，所以离子反馈所产生的信号与真实信号本身并不会叠加，反而成为了噪声/杂峰的重要来源。所以真空度不够时，残余气体分子过多会在实际使用中带来额外的噪声，测试过程中工作的真空度在1.3×10-4Pa以下，同时为避免宇宙射线等产生的暗计数的影响，测试过程中的暗室环境照度应尽可能低。光谱响应光子计数成像探测器的光谱响应是光电探测器对单色入射辐射的响应能力，是表征光电探测器性能的重要参数指标。光子探测器的光谱响应具有明显的选择性，一般情况下，以波长为横坐标，以探测器接受的等能量单色辐射所产生的电信号的相对大小为纵坐标，绘出光电探测器的相对光谱响应曲线。测量光电探测器的光谱响应通常用单色仪对辐射源的辐射功率进行分光来得到不同波长的单色辐射，然后测量在各种波长辐射照射下的光电探测器输出的电信号，由于实际光源的辐射功率是波长的函数，因此在相对测量中要确定单色辐射功率需要利用参考探测器，即基准探测器。由基准探测器的电信号输出可得单色辐射功率。再通过计算即可得到待测探测器的光谱响应度。如本标准中图4中光谱响应测试系统图。线性度线性度是描述探测器的光电特性或光照特性曲线输出信号与输入信号保持线性关系的程度。即在规定的范围内，探测器的输出光量精确地正比于输入光量的性能。在这规定的范围内探测器的响应度是常数，这一规定的范围为线性区。线性区的下限一般由器件的暗电流和噪声因素决定，上限由饱和效应或过载决定。其次，线性区还随偏置、辐射调制及调制频率等条件的变化而变化。在本标准中微通道板光子成像探测器的线性度测量采用叠加法的测量原理进行测量。叠加法的基本原理是利用光束的叠加性质，即部分光强之和等于全部光强，叠加法测量得到的线性结果一致性较好。实验处在暗室之中，避免了杂散光的影响，利用转动双孔转盘实现单束光、两束光叠加的输出信号，如果部分光强之和等于全部光强，则探测器是线性的；如果部分光强之和不等于全部光强，则探测器是非线性的，可通过公式（3）计算探测器的线性度。畸变光子计数成像探测器工作于光子计数模式，能够探测单个光子及带电粒子的空间位置，通过长时间曝光实现对其微弱目标成像。光子计数成像探测器在工作时，光子从光学输入窗进入探测器，打在光阴极上激发光电子，光电子经过联级的微通道板倍增，输出光电子形成电子云团，被阳极收集，但是会出现漂移电场引起静的电场畸变和电子云偏差较大的缺点。电子云的大小受到微通道板增益、阳极加速电压等多因素的影响没有精确的计算公式。电子云较小时，会导致成像出现调制畸变,而当电子云较大时，会导致成像出现“S”畸变。所以需要对成像探测器进行畸变校正。试验验证的情况和结果中国科学院西安光学精密机械研究所一直从事真空光电成像器件与技术等方面的研究工作，已研制成功国内第一个微通道板、第二代微光像增强器、Φ50～Φ100X射线像增强器、Φ25～Φ45紫外像增强器等各种不同类型的光电成像探测器，在微通道板、微通道板探测器，单光子探测器的设计和研制方面积累了丰富的经验，同时西安光机所也拥有完备的测试设备与测试经验。对微通道板光子计数成像探测器采用本标准的测试方法的几项性能测试结果如下：微通道板电流增益采用本标准的测试方法对单片微通道板的探测器的电流增益进行测试，其中微通道板的直径为φ25mm，微孔直径为6μm，将采集到的输出端的电流值与输入电流，通过公式（1）计算，得到的微通道板电流增益特性曲线如下图1所示，此探测器单片微通道板的电流增益为104（@1000V）。图1微通道板电流增益特性曲线空间分辨力采用本标准的测试方法对探测器的空间分辨力进行测试，图2为通过计算机采集软件采集到了成像分辨力板图像。通过观察分辨力板上可区分的线对，可以测得此探测器的空间分辨率。图2空间分辨力测试结果暗计数采用本标准测试方法对探测器的暗计数进行了测试，其中测试用的探测器的有效直径为φ25mm，有效面积4.91cm2，共测试3次，每次测试的时间为10分钟，测试结果如下表1所示，测得此探测器的暗计数为1.501Counts/s*cm2。表1探测器暗计数测试结果序号采集时间内得到的总计数（Counts，t=10mins）单位面积计数(Counts/cm2)平均单位面积计数(Counts/cm2)暗计数（Counts/s*cm2）14423900.8900.81.50124425901.234421900.4光谱响应图3为采用本标准测试方法测得的探测器的光谱响应曲线。图3探测器光谱响应曲线线性度依据光叠加原理，采用本测试方法，以高稳定度氙灯光源，卤钨灯光源，中性滤光片轮改变光束强度、双孔转盘及光学呈成像系统实现光流叠加组成测试装置测试探测器线性度。如图4所示。图4探测器系统计数率线性度畸变如下图5为采用本标准畸变测试方法测试的探测器成像畸变结果，其中探测器的有效直径22mm，变测试靶标采用方格阵列