¹重庆光电技术研究所，重庆

²中国科学院高能物理研究所，北京

收稿日期：2020年9月3日；录用日期：2020年9月17日；发布日期：2020年9月24日

摘要

在核科学、深空探测、脉冲星导航等领域需要探测X射线光子，识别其能量大小及到达探测器的时间。探测器对X射线到达时间的分辨精度关系到脉冲星导航精度，以及对一些频率较高的脉冲星的利用，是器件的关键指标，对探测面积较大的探测器来说，采用普通的帧转移结构，典型时间分辨精度约为20 ms，不能满足要求。高时间分辨X射线探测器采用新型结构，做有128 × 128个探测区，单个探测区包括8个CCD单元，CCD单元尺寸为14 μm × 102 μm。各探测区的信号通过CCD转移“汇集”后以“并联”的方式同时到达输出端。当器件以典型频率500 kHz工作时，器件的时间分辨精度为16 μs，测得能量分辨率为130 eV@5.9 keV。器件工作时X射线的光子数很少，X射线光子信号的叠加是小概率事件，在统计时忽略不计。

关键词

探测器，X射线，高时间分辨，CCD

The Development of X-Ray Detector with High Temporal Resolution

Chaomin Wang¹, Yong Chen², XiaodongWang¹, Da He¹, Lian Liu¹, Bole Li¹, Changlin Liu¹

¹Chongqing Optoelectronics Research Institute, Chongqing

²Institute of High Energy Physics Chinese Academy of Sciences, Beijing

Received: Sep. 3^rd, 2020; accepted: Sep. 17^th, 2020; published: Sep. 24^th, 2020

ABSTRACT

X-Ray photons need to be detected in order to recognize the energy size and the time that the photons arrived at the detector surface into the domain of nuclear science deep space exploration and X-ray pulsar navigation. The resolution accuracy of X-Ray detector is the key performance which is related to the use of high frequency pulsars and the accuracy of pulsar navigation. As traditional X-Ray detectors with large detect area do not match the need of tine resolution accuracy with the structure of frame transfer and a typically 20 ms tine resolution. A new structure of X-Ray detector with high temporal resolution has been developed with a total detect area array of 128 (V) × 128 (H) and 8 cells including in a single detect area except the cell size is 14 μm × 102 μm. The signals that come from each detect cell area will combine with each other by means of transferring gate driving timing, and the combined signals from deferent parts of detect array will reach to the output port in parallel. The X-Ray detector has a performance of 130 eV@5.9 keV resolution and 16 μs temporal resolution under the frequency drive of 500 kHz. As well, there will be a few number of photon arriving at the surface of the X-Ray detector when it works, and therefore it will be very small probability event that the X-Ray photons superpose with each other, and the event will be ignored in statistic of X-Ray photons.

Keywords:Detector, X-Ray, High Temporal Resolution, CCD

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1. 引言

开展X射线探测技术研究，其研究成果可用于航天器自主导航试验领域，更好地开发利用脉冲星信息资源 [1]。同时还能促进核科学、现代天文学、空间物理学和天体测量学等学科领域的发展 [2]。 2016 年 11 月 10 日 ，航天科技集团第五研究院发射了脉冲星导航试验卫星(XPNAV-1)，其目的是实测脉冲星发射的X射线信号，尝试验证脉冲星导航技术体制的可行性，搭载了两种类型的探测器载荷：一个是准直型微通道板探测器，探测面积为2400 cm²；另一个是聚焦型SDD探测器，聚焦镜头口径为17 cm。 2017 年 6 月 15 日 ，X射线空间天文卫星“慧眼”成功发射，探索利用X射线脉冲星进行航天器自主导航的技术和原理并开展在轨实验，使用的X射线探测器为CCD，最高时间分辨精度为400 μs。为了提高探测器的时间分辨精度，本文采用首创的新型结构，研制的高时间分辨X射线探测器的时间分辨精度达到了16 μs。

2. 器件结构

传统的帧转移CCD结构见图1，信号电荷转移路径如图中箭头所示，典型时间分辨精度为20 ms [3] [4]。高时间分辨X射线探测器由128 × 128个探测区构成，一个探测区由8个CCD单元构成，CCD单元尺寸为14 μm × 102 μm，采用f1、f2两相结构，一个探测区的结构如图2所示，图中的箭头表示信号的转移方向；两个探测区通过一个CCD单元相连，实现信号汇集。汇集后的信号通过CCD单元跟另外的两个相连；4个探测区的结构如图3所示，探测区增加的形式以此类推。各探测区之间的位置关系好比树枝末端之间的关系，信号向树干汇集，各探测区的信号同时到达输出放大器，实现X光子到达探测器的高时间分辨。在实际使用时，X射线的光子数很少，多光子信号的叠加是小概率事件，不会对数据统计结果造成影响。高时间分辨X射线探测器识别X射线光子到达时间，分辨光子能量大小，不分辨空间位置。

为了使器件为方形，探测区数量只能以4为倍数往上翻，比如32 × 32之后是64 × 64，64 × 64之后是128 × 128，探测区的数量不是连续可调，因此要调整芯片的尺寸较为困难，需要调整探测区的尺寸或探测区的数量 [5] [6]，参见图4~图6。

图1. 传统的帧转移CCD结构示意图

图2. 一个探测区的结构示意图

图3. 四个探测区信号转移路径示意图

图4. 16个探测区信号转移路径示意图

图5. 高时间分辨X射线探测器实物照片

图6. 驱动及信号处理电路实物照片

3. X射线高灵敏的宽耗尽区结构

宽耗尽区设计技术关系到器件对X射线的响应，是高时间分辨X射线探测器的关键技术之一。普通CCD使用的衬底电阻率为30 Ω∙cm，工作时当埋沟最大电势为12伏时，衬底耗尽区深度为6微米，这样的耗尽区宽度对X射线的响应是不够的，因为能量为500 eV~10 keV的X射线在硅里的穿透深度为0.5 μm~105 μm。需要大幅度增加衬底的电阻率，以提高器件对X光的响应，最终采用的衬底电阻率为3000 Ω∙cm。当埋沟最大电势为12伏时，衬底耗尽区深度为60微米，较传统的6微米提高了一个数量级。

$V=\frac{q{N}_A{x}_p^2}{2{\epsilon }_{si}}$ (1)

根据泊松方程可得衬底耗尽区深度x_p与埋沟最大电势V及衬底掺杂浓度N_A的关系，见公式(1)。式中q为电子电量，ε_Si为硅的介电常数。

4. 测试结果

器件可工作在探测模式或调试模式，由器件的驱动脉冲决定。图7是探测模式下高时间分辨X射线探测器的输出波形，实际探测X光子时，由于X光子数很少，大部分时候输出只有极小的暗电流，偶尔有一个X光子的信号输出，图中的信号幅度是调试时对可见光的响应，正式用于探测X光子时需要屏蔽可见光。图8是调试模式下高时间分辨X射线探测器的输出波形，由于在探测模式下，CCD持续转移，持续输出，CCD转移效率难以评判，调试模式下，CCD时钟先停下来积分，之后再转移，可根据拖尾的情况评判CCD的转移效率。一个X射线光子在硅里可产生多个信号电子，每3.65 eV的能量产生一个信号电子，5.9 keV的X射线光子可产生1616个信号电子，每次实际产生的电子数存在一定的涨落，图9是对⁵⁵Fe发出的5.9 keV的X射线的探测，FWHM (半波宽度)为130 eV。器件的转移效率、暗电流、噪声的测试结果见表1；由于器件实际工作时信号电荷包很小，转移效率测试时电荷包也较小，约为2000 e−，接近器件应用时的典型状态；器件实际使用时环境温度为−20℃，为了低的暗电流，低的噪声，高的能量分辨率。

图7. 探测模式下输出波形

图8. 调试模式下输出波形

图9. 对⁵⁵Fe发出的X射线能谱的探测

表1. 高时间分辨X射线探测器实测参数

5. 结论

基于完整的CCD工艺线，采用专利技术“一种高时间分辨的CCD探测器结构”，研制的器件在应用单位中国科学院高能物理研究所粒子天体物理实验室模拟典型环境下进行了试用，时间分辨精度为16 μs，能量分辨率为130 eV@5.9 keV，器件将用于后期的脉冲星导航试验 [7] [8] [9]。

文章引用

汪朝敏,陈 勇,王小东,何 达,刘 恋,李博乐,刘昌林. 高时间分辨X射线探测器的研制
The Development of X-Ray Detector with High Temporal Resolution[J]. 光电子, 2020, 10(03): 98-104. https://doi.org/10.12677/OE.2020.103013

参考文献