CN104267424B - X射线全向探测器 - Google Patents
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Abstract
X射线全向探测器，涉及X射线探测、X射线脉冲星导航以及天文观测领域。它是为了解决现有X射线探测器存在体积大、功耗大的问题。本发明包括n个敏感单元检测电路，n为正整数，每个敏感单元检测电路包括第一nMOS管、光敏二极管、非门放大电路、门限检测电路和OD电路。本发明主要针对高精度的脉冲星信号到达时间测量而提出X射线探测器，利用CsI闪烁体将X射线光子转换为可见光，通过光电二极管实现光电信号转换，将电信号经放大后作为X光信号的检测输出。本发明适用于X射线探测、X射线脉冲星导航以及天文观测领域。
Description
技术领域
本发明涉及X射线探测、X射线脉冲星导航以及天文观测领域。
背景技术
航天器自主导航具有极其重要的工程应用价值和战略研究意义，不仅可以减轻地面测控***的工作负担，而且可以减少航天器对地面测控***的依赖，增加***的抗干扰和自主生存能力。X射线脉冲星能够为各类航天器提供位置，速度，时间和姿态等高精度导航参数信息，因此基于X射线脉冲星导航具有很大的工程应用价值，成为国内外研究的热点领域。X射线脉冲星导航***是通过单粒子探测器探测脉冲星辐射的X射线光子，测量脉冲到达时间等信息，经过相应的信号与数据处理，航天器可自主确定轨道，获得时间和姿态等导航参数。从以上分析可知，单粒子探测器是X射线脉冲星导航***的基础部件，相比于X射线脉冲星导航算法的研究，适合于小卫星的体积小，重量轻，功耗低的X射线探测器的研究发展相对缓慢，目前X射线探测器的类型主要包括有计数型探测器、微通道板探测器、微条探测器、CCD及CMOS探测器等。由于计数型探测器和微通道板探测器可以实现纳秒级的信号探测，所以在脉冲星导航应用中主要采用这两种探测器。
通常，计数型探测器和微通道板探测器需要在高电压下工作，其体量、质量及功耗较大。作为星载设备应用受到一定限制；微条探测器及CCD电路均需要***电路支持，时间分辨率低，也不适合于脉冲星导航应用。
发明内容
本发明是为了解决现有X射线探测器存在体积大、功耗大的问题，从而提供了一种X射线全向探测器。
X射线全向探测器，它包括n个敏感单元检测电路，n为正整数，每个敏感单元检测电路彼此并联；
每个敏感单元检测电路包括第一nMOS管1、光敏二极管2、非门放大电路、门限检测电路和OD电路；
光敏二极管2的正极接地，光敏二极管2的负极同时连接第一nMOS管1的源极和非门放大电路的信号输入端，非门放大电路的信号输出端同时连接门限检测电路的信号输入端和第一nMOS管1的栅极，第一nMOS管1的漏极连接电源，门限检测电路的信号输出端连接OD电路的信号输入端；
非门放大电路包括第一非门电路3、第二非门电路4和第三非门电路5，第一非门电路3的信号输入端为非门放大电路的信号输入端，第一非门电路3的信号输出端连接第二非门电路4的信号输入端，第二非门电路4的信号输出端连接第三非门电路5的信号输入端，第三非门电路5的信号输出端为非门放大电路的信号输出端；
门限检测电路包括第四非门电路6和第五非门电路7，第四非门电路6的信号输入端为门限检测电路的信号输入端，第四非门电路6的信号输出端连接第五非门电路7的信号输入端，第五非门电路7的信号输出端为门限检测电路的信号输出端；
OD电路包括第二nMOS管9，OD电路的信号输入端为第二nMOS管9的栅极，第二nMOS管9的源极接地，第二nMOS管9的漏极为OD电路的信号输出端，OD电路的信号输出端为敏感单元检测电路的信号输出端。
本发明的有益效果是：本发明提供的X射线探测器，能够实现X射线光子的高灵敏度探测，可对大于1keV的X射线光子实现单光子探测，时间分辨率达到纳秒量级。适用于X射线脉冲星导航应用。本发明为小卫星提供一种功耗低，同比降低20％，体积小，同比缩小10％，结构简单并可以精确探测X射线脉冲星信号单粒子到达时刻的装置。
脉冲星信号极其微弱，约为1ph/s.cm2，并且用于X射线脉冲星导航***特殊性，其探测器不同传统的探测器，即不需要区分X射线粒子能量高低，没有成像需求，但是对每次X射线光子到达时间的测量精度要求较高。
本发明主要针对高精度的脉冲星信号到达时间测量而提出X射线探测器，利用CsI闪烁体将X射线光子转换为可见光，通过光电二极管实现光电信号转换，将电信号经放大后作为X光信号的检测输出。
附图说明
图1为敏感单元检测电路的结构图；
图2为敏感单元检测电路输出连接的结构图；
图3为X射线全向探测器的结构图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的X射线全向探测器，它包括n个敏感单元检测电路，n为正整数，每个敏感单元检测电路彼此并联；
每个敏感单元检测电路包括第一nMOS管1、光敏二极管2、非门放大电路、门限检测电路和OD电路；
光敏二极管2的正极接地，光敏二极管2的负极同时连接第一nMOS管1的源极和非门放大电路的信号输入端，非门放大电路的信号输出端同时连接门限检测电路的信号输入端和第一nMOS管1的栅极，第一nMOS管1的漏极连接电源，门限检测电路的信号输出端连接OD电路的信号输入端；
非门放大电路包括第一非门电路3、第二非门电路4和第三非门电路5，第一非门电路3的信号输入端为非门放大电路的信号输入端，第一非门电路3的信号输出端连接第二非门电路4的信号输入端，第二非门电路4的信号输出端连接第三非门电路5的信号输入端，第三非门电路5的信号输出端为非门放大电路的信号输出端；
门限检测电路包括第四非门电路6和第五非门电路7，第四非门电路6的信号输入端为门限检测电路的信号输入端，第四非门电路6的信号输出端连接第五非门电路7的信号输入端，第五非门电路7的信号输出端为门限检测电路的信号输出端；
OD电路包括第二nMOS管9，OD电路的信号输入端为第二nMOS管9的栅极，第二nMOS管9的源极接地，第二nMOS管9的漏极为OD电路的信号输出端，OD电路的信号输出端为敏感单元检测电路的信号输出端。
工作原理：
用CsI闪烁体薄膜覆盖CMOS器件表面，CsI闪烁体将X射线光子转化为可见光脉冲信号。
用光电二极管将可见光脉冲信号转换为光电流，并利用PN结电容将光电流转换为脉冲电压信号，光电敏感区(即PN结)的面积设计为100umX100um，一个X射线光子大约可以产生0.1uV脉冲电压信号。
对于0.1uV脉冲电压需经过放大电路进行放大，以利于对X射线信号的检测。利用非门的线性工作区实现对脉冲信号放大，一般一级非门可以实现20到30倍放大，经三级非门放大后，脉冲电压信号可由0.1uV放大到0.8～2.7mV，将该信号与门限0.8mV进行比较，超过门限输出为1，低于门限输出0。由此形成了对X射线光子的信号检测。
一个X射线光子信号使光电二极管PN结产生一个负脉冲电压变化，该电压变化在非门放大器输出产生一个正脉冲电压信号，作为一个X射线光子信号的检测输出。
非门放大器输出的电压信号经过射随反馈电路转换为反馈电流，对光电二极管充电，使光电二极管电压再次恢复的工作点状态，可进行下次X射线光子的信号检测。
经过门限电路的信号输出驱动OD电路，形成检测单元电路的输出，直接将所有检测单元的OD输出进行“线或”作为X射线全向探测器的输出。
具体实施方式二：本实施方式对具体实施方式一所述的X射线全向探测器作进一步限 定，本实施方式中，非门放大电路与射随反馈电路构成负反馈放大器，使非门电路工作在线性区，并使光敏二极管2电压稳定在工作点上。
具体实施方式三：本实施方式对具体实施方式一所述的X射线全向探测器作进一步限定，本实施方式中，X光子入射到每个敏感单元检测电路后，将导致敏感单元检测电路产生一次脉冲信号输出或0-1信号输出。
具体实施方式四：本实施方式对具体实施方式一所述的X射线全向探测器作进一步限定，本实施方式中，所有敏感单元检测电路的OD电路直接进行线或运算作为X射线全向探测器输出。
根据图3所示，X射线全向探测器(XGD)由碘化铯晶体及CMOS工艺IC集成，碘化铯晶体厚度200μm，用于将X射线转换为550nm的可见光。碘化铯晶体转化率为56000ph/MeV，对于1-10keV谱段的X射线光子，其光子数量大于56个光子(56ph)。
在碘化铯晶体下面设计了光电敏感单元阵列，每个敏感单元尺寸为100μm×100μm，采用CMOS工艺，敏感单元检测电路如图1所示。
单元电路由光电二极管、非门放大电路、射随反馈电路、门限检测电路及OD电路组成。光电二极管敏感区电容设计值为34.5pf，单个X射线光子激发的56个光子可产生56个电子-空穴对，在电场作用下形成电流，并在光电二极管上产生电压脉冲信号。产生的电压信号为
该电压信号经过3级非门电路的放大，输出26mV脉冲信号，放大器增益100dB。经过脉冲检测电路及OD电路输出脉冲信号，完成对X射线脉冲信号的检测。
脉冲检测电路门限设计为10mV，对于大于10mV的电压可以产生信号输出，小于10mV的电压变化无输出。
根据仿真分析，探测单元的灵敏度可达22个电子电荷，考虑到转换效率，其探测灵敏度预计值为50个电子电荷。
单元电路采用了射随电路，形成了深度的负反馈，在没有X射线脉冲信号时，其工作点稳定在Vcc/2处，对于缓慢变化的暗电流，当暗电流导致Vi下降时，3级非门放大电路将使Vf上升，射随器充电电流增加，抵消了暗电流变化的影响。仿真分析表明：暗电流从0～100pA范围变化时，非门输出电压小于10mV，小于脉冲检测电路门限，不产生有效的信号输出。
56个电子电荷基本在1ns时间内产生，等效电流为8.9nA，而脉冲检测电路可以容忍的电流为3.4nA。因此，只要外界引起的光电流不超过3.4nA，就不会产生有效的信号输出。而1keV的X射线产生8.9nA的电流脉冲，可以导致有效的脉冲信号输出。
如图2所示，X射线全向探测器输出为各敏感单元输出的“线或”连接。探测器输出与各敏感单元的关系为
Claims (4)
1.X射线全向探测器，其特征在于：它包括n个敏感单元检测电路，n为正整数，每个敏感单元检测电路彼此并联；
每个敏感单元检测电路包括第一nMOS管(1)、光敏二极管(2)、非门放大电路、门限检测电路和OD电路；
光敏二极管(2)的正极接地，光敏二极管(2)的负极同时连接第一nMOS管(1)的源极和非门放大电路的信号输入端，非门放大电路的信号输出端同时连接门限检测电路的信号输入端和第一nMOS管(1)的栅极，第一nMOS管(1)的漏极连接电源，门限检测电路的信号输出端连接OD电路的信号输入端；
非门放大电路包括第一非门电路(3)、第二非门电路(4)和第三非门电路(5)，第一非门电路(3)的信号输入端为非门放大电路的信号输入端，第一非门电路(3)的信号输出端连接第二非门电路(4)的信号输入端，第二非门电路(4)的信号输出端连接第三非门电路(5)的信号输入端，第三非门电路(5)的信号输出端为非门放大电路的信号输出端；
门限检测电路包括第四非门电路(6)和第五非门电路(7)，第四非门电路(6)的信号输入端为门限检测电路的信号输入端，第四非门电路(6)的信号输出端连接第五非门电路(7)的信号输入端，第五非门电路(7)的信号输出端为门限检测电路的信号输出端；
OD电路包括第二nMOS管(9)，OD电路的信号输入端为第二nMOS管(9)的栅极，第二nMOS管(9)的源极接地，第二nMOS管(9)的漏极为OD电路的信号输出端，OD电路的信号输出端为敏感单元检测电路的信号输出端。
2.根据权利要求1所述的X射线全向探测器，其特征在于：非门放大电路与射随反馈电路构成负反馈放大器，使非门电路工作在线性区，并使光敏二极管(2)电压稳定在工作点上。
3.根据权利要求1所述的X射线全向探测器，其特征在于：X光子入射到每个敏感单元检测电路后，将导致敏感单元检测电路产生一次脉冲信号输出或0-1信号输出。
4.根据权利要求1所述的X射线全向探测器，其特征在于：所有敏感单元检测电路的OD电路直接进行线或运算作为X射线全向探测器输出。
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