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像增强器,是何种成像利器?

导读: CCD、CMOS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。

CCD、CMOS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。

像增强器,是何种成像利器?

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;

但本君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。

像增强器,是何种成像利器?

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到几个微米,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,最好采用双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进行描述有如下四个性能: 长径比,同等情况下,长径比大的MCP增益能力强;开口面积比,这个参数决定了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。

像增强器,是何种成像利器?

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个主要参数: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。

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