应用于中子照相的热中子敏感微通道板

介绍了中子成像探测技术的应用。由于直接在微通道板(MCP)玻璃中掺加中子灵敏核素可使MCP对热中子敏感,从而可将MCP事件计数成像探测器的优势成功地应用于以中子为探针的成像探测技术,本文开展了热中子敏感微通道板的研究。通过在MCP玻璃中掺摩尔百分比为3%的Gd2O3,并沿用MCP的制作方法,完成了直径为50mm和106mm的大面阵热中子敏感MCP的制作,并进行了基于这种大面阵热中子敏感MCP的中子事件计数成像探测器的中子成像实验。理论和实验结果都验证了掺摩尔百分比为3%的Gd2O3 MCP可取得对热、冷中子30%~50%的探测效率。最后,进一步介绍了目前开展的封装式中子敏感MCP增强管的研制工作。基于掺Gd2O3的MCP增强管并经光学耦合到CCD或CMOS相机的紧凑混合传感器结构是实现高时空分辨能力的中子照相无损检测技术的有效途径。     

使用感应电荷位敏阳极的极紫外单光子计数成像系统

研制了用于月基极紫外成像相机的二维极紫外位敏阳极光子计数成像探测器原型样机,该探测器系统主要由工作在脉冲计数模式下的微通道板堆、楔条形感应位敏阳极及相关的模拟和数据处理电路组成。设计和制备了周期为1.5mm,有效直径为47 mm的三电极楔条形位敏阳极,研制了最高计数率为200 kHz的前端模拟和数字电路。测量了探测器的暗计数率、脉冲高度分布、增益、线性及空间分辨率等工作特性。测量结果表明,探测器的空间分辨率为7.13 lp/mm(即0.14 mm),满足月基极紫外相机对空间分辨率的要求。     

紫外ICCD的辐射定标

为保证紫外探测所得数值结果的准确性并为电力电晕探测等应用提供直接的技术支持,对UV-ICCD的辐射定标技术进行了研究,以建立靶面输入辐照度和探测器数字化输出之间的响应特性关系.推导了辐射定标的原理,并基于标准氘灯对UV-ICCD探测器进行了辐射定标,其标准光源由美国国家标准和技术研究所(NIST)标定,不确定度为5%.在固定积分时间和固定MCP增益情况下,实验标定了UV-ICCD探测器的响应以及UV-ICCD探测器响应与MCP增益之间的关系.初步的定标数据显示,UV-ICCD探测器的响应是线性的,MCP增益与输出图像的平均灰度值成正比.最后,对影响定标结果不确定度的来源进行了分析,结果表明,辐射定标的最大不确定度约为7.94%,满足＜10%的定标要求.     

用于电离层探测的远紫外成像光谱仪研究

电离层成像探测一直是我国大气遥感的一个薄弱环节.根据大气成像光谱探测原理,针对应用要求设计和研制了电离层探测成像光谱仪原理样机.样机采用一片离轴抛物镜与改进的Czerny-Turner光谱仪匹配的光学结构形式,工作波段为120～180 nm的远紫外波段.探测器选用了接收平面为微通道板(MCP)的光子计数型楔形阳极位敏探测器,在真空下实现对远紫外波段的探测.样机质量6.8 kg,体积360 mm×210 mm×250 mm.利用实验室真空系统与氘灯搭建了样机检测系统,获得了样机的基本性能参数.与国外方案结果对比表明,样机光谱分辨率为2.4 nm,空间分辨率75 μm,对应地面分辨率约0.6 km,除传输效率略低外,其他各项指标均接近或达到先进水平,该成果对空间和大气遥感具有重要的研究和应用价值.     

基于 MCP / sCMOS 的单光子成像探测系统及算法研究

针对单光子计数成像技术探测目标信号微弱信噪比低、所得图像目标区域不清楚、背景噪声严重等问题。 本文利用 270±5 nm 的日盲紫外滤光片、图像增益 710 5 的微通道板像增强器(MCP)、荧光屏和最大分辨率为 1 504×1 504 的科学级互补金属 氧化物半导体(sCMOS)等器件,设计了日盲紫外单光子探测系统,并通过时序控制获取了单光子光斑图像。 为了突出图像中的目 标区域,本文利用改进的形态学高帽变换算法,对光斑目标区域进行增强处理;随后利用三角阈值法对图像进行二值化处理,同时 利用连通域对目标区域的坐标进行提取;最后运用区域极值算法在原图中的目标区域进行单光子计数。 对紫外光源进行了单次 曝光时间为 80~100 ns 的系列成像和数据处理实验,实验结果验证了所设计的单光子成像探测系统和光子计数算法的可行性。     

基于阻抗变换的非接触电压测量自校准方法

电容耦合式非接触电压测量在实际测量中,探头-导线之间的耦合电容受导线线径、绝缘材质、相对位置偏差的影响,造成分压关系难以确定从而无法准确重构电压。本文提出一种基于阻抗变换的非接触电压测量自校准方法,以实现在实际测量中传感器增益的自标定。首先介绍电容耦合电压测量的基本原理,从中凝练存在的问题并提出基于阻抗变换的自校准方法,随后通过仿真对系统参数进行校准精度影响分析并给出参数选取原则。在此基础上,开发传感器探头及电路拓扑。最后进行传感器样机精度测试、抗干扰能力测试、场景适应性测试,精度测试显示电压幅值最大相对误差为0.59%,相位相对误差为0.76%,抗干扰能力测试表明同轴探头对周围耦合电场具有良好的屏蔽作用。场景适应性测试显示在进行不同类型线路的测试中,最大相对误差为1.24%。     

汽车B柱加强板软硬部过渡特性的磁巴克豪森噪声检测方法

汽车B柱加强板软硬部过渡特性评价的常规方法是通过破坏性取样对局部硬度进行检测，无法直接面向零部件进行便捷、快速的无损测试，且耗时、耗费成本。为克服传统方法的不足，研究利用磁巴克豪森噪声检测方法实现过渡特性的无损评价。利用自主研发的多功能微磁检测仪器开展标定试验，提出过渡区域起止位置及长度范围的估算方法，并建立过渡区域的表面硬度定量预测模型。研究结果表明，磁巴克豪森噪声、切向磁场强度信号的大部分特征参量可以有效评估软、硬部过渡范围，参量x₁、x₅和x₁₇对起始点的估计误差范围处于±14 mm，长度估算的相对误差小于10%。利用单一参量x₁₇建立的线性表征模型对硬度的预测RMSE值为12.38 HV10，融合多项磁参量建立的BP神经网络模型的预测精度更高，RMSE值小于6 HV10。提出一种汽车关键部件软硬部过渡特性的微磁评估方法，研究磁巴克豪森噪声特征参量与硬度的关系，实现汽车B柱软硬区表面硬度和软硬部过渡范围的定量表征，具有重要的工程应用前景。     

基于SiPM的线阵式X射线背散射探测器设计与性能评估

为了实现现场快速安全检查过程中敏感物质的细分,探讨了一种通过X射线背散射信号求取物质密度的方法,并完成了实现该方法的核心部件——一种基于硅光电倍增管（SiPM）的的线阵式闪烁体探测器的设计和功能验证。该探测器具有能量分辨的能力,能够分析不同物质在不同能量下的散射衰减。在环境温度-10℃～50℃条件下,该探测器输出的脉冲幅值稳定,能量分辨率在221%～257%变化（室温条件时能量分辨率为236%@595 KeV）。其线阵的结构为实现散射与透视图像空间上的一一对应,进而实现散射信息与透视信息的融合打下了基础。不同材料的散射能谱测量结果表明,该探测器所探测的能量曲线能够反映物质的密度特性,验证了其用于散射能谱探测以实现物质分类的可行性,在现场查缉装备的智能识别方面极具应用前景。     

无人机巡检电力线放电的紫外探测及定位

鉴于输电设施污秽、裂化等问题引起的放电故障一直威胁着输电网的安全,本文对放电紫外探测技术进行了研究,使用光电倍增管(PMT)作为探测器设计放电紫外探测方案,提出一种无人机巡检电力线放电的紫外探测及定位方法。通过舵机的摆动带动PMT进行多角度探测,记录当前的探测位置和探测角度,利用测向交叉定位法求解得到放电点的初步定位坐标;为了精确定位放电点,对n组数据进行求解得到n(n-1)/2个放电点的初步定位坐标,剔除放电点的初步定位坐标中的异常点后,导入到K-means聚类算法中进行二次解算得到放电点的精确坐标。通过实验测试了PMT探测角度与放电紫外信号的关系,选取θ=90°作为舵机的摆动角度,实验结果表明,18m,30m和50m的放电巡检中,放电点的定位误差均在9.0%以内。该方法能够在无人机巡检电力线时满足放电点快速定位的需求。     

基于电导率测量的水纯度检测系统设计

针对生活及工业中对水质纯度的需求,设计了一种基于电导率测量的水纯度检测系统。传感探头采用四环电极结构,可防止因为电极的电容效应和极化效应所带来的影响,提高准确度。探测头后侧金属壁内置Pt100温度传感器,进行温度采集和补偿。该系统用FPGA和AD9708实现波形频率可调输出,作为系统激励信号源。设计了差分电路接收传感器输出信号,并通过调理电路和滤波电路得到关键的幅值信息,通过A/D采集后传输给上位机,进行数据的分析处理。测试结果表明,该系统能够实时测量电导率,电导率测量的相对误差低于0.6%,具备较高的实用价值。     

热电离质谱法测定铀同位素过程中铼灯丝氧化对目标铀离子形成的影响

采用热电离质谱法(thermal ionization mass spectrometry, TIMS)测定铀同位素过程中,质量分馏效应会引起同位素比值测量值偏离真值,一般采用外标校正法对质量分馏效应进行校正,这要求测量过程中标准物质和样品产生一致的质量分馏行为。因此,除考虑点样的一致性外,测量过程中产生单一的目标离子也非常重要。本研究采用热电离质谱技术考察了铼灯丝氧化对铀同位素测定的影响。将1 μg铀以硝酸盐溶液的形式点于铼样品带上,通过监测铀及其氧化物的离子流强度,发现铀主要存在U⁺和UOx⁺(x=1或2)的电离形态,并且灯丝表面氧化程度越高,UOx⁺的产率越高（UOx⁺/U⁺可达到1）。实验结果表明,灯丝去气过程过早使灯丝暴露于大气或点样过程中,以及使用较高的样品蒸干电流都会加剧灯丝的氧化。控制灯丝表面氧化或点样过程中加入石墨,可有效降低UOx⁺的产率,提高目标离子的电离效率。全蒸发测量结果表明,UOx⁺离子流强度大小对测量结果无明显影响,但通过降低UOx⁺的离子流强度,可提高测量结果的重现性,进而提高测量过程中分馏行为的一致性。该研究可为提高铀同位素测定过程中样品的利用率提供理论依据。     

Monte Carlo simulations of microchannel plate detectors. II. Pulsed voltage results

This paper is the second part of a continuing study of straight-channel microchannel plate (MCP)-based x-ray detectors. Such detectors are a useful diagnostic tool for two-dimensional, time-resolved imaging and time-resolved x-ray spectroscopy. To interpret the data from such detectors, it is critical to develop a better understanding of the behavior of MCPs biased with subnanosecond voltage pulses. The subject of this paper is a Monte Carlo computer code that simulates the electron cascade in a MCP channel under an arbitrary pulsed voltage, particularly those pulses with widths comparable to the transit time of the electron cascade in the MCP under DC voltage bias. We use this code to study the gain as a function of time (also called the gate profile or optical gate) for various voltage pulse shapes, including pulses measured along the MCP. In addition, experimental data of MCP behavior in pulsed mode are obtained with a short-pulse UV laser. Comparisons between the simulations and experimental data show excellent agreement for both the gate profile and the peak relative sensitivity along the MCP strips. We report that the dependence of relative gain on peak voltage is larger in pulsed mode when the width of the high-voltage waveform is smaller than the transit time of cascading electrons in the MCP.     

Spatial charge cloud size of microchannel plates

We examine the spatial evolution of charge clouds emitted by microchannel plates (MCPs). A model of this evolution is presented, along with a comparison to experimental results. We also present an experimental method to measure the charge cloud radius in which the radial charge cloud distribution is assumed to be Gaussian. When a charge cloud is released from the MCP, its initial size is determined by the number and distribution of excited channels. The size of the charge cloud is examined as a function acceleration voltage, distance between MCP and anode, and MCP bias voltage. Since electrons released from the MCP have various initial energies and angular divergence, the charge cloud size increases as it travels away from the MCP. Space charge effects also contribute to the growth of the charge cloud. The experimental results are in close agreement with our model, which includes these effects. From experiment, we also derive an approximate expression for charge cloud radius as a function of acceleration voltage and distance between MCP and anode. This expression can be used for the practical design and optimization of a position sensing system comprised of multiple anodes.     

A study of a short-term instability and aging of ΦЭУ-115M photomultiplier tubes

Results of studying the instability of the gain of ΦЭУ-115M photomultiplier tubes (PMTs) at a varying count rate corresponding to the range of the anode current of 0.02–120 μA are presented. It is shown that the behavior and value of the gain instability for different specimens of this PMT type substantially differs when the count rate changes. The relative change in the gain of some PMTs reaches 23%. Results of the study of the long-term behavior of the PMT gain in high-rate conditions (PMT aging study) are given. The relative gain drop is 30% after an anode charge of ～600 C is accumulated.     

水相中酒石酸铀酰形态的电喷雾串联质谱研究

铀的水溶液化学形态是高放废物处置研究的重要内容之一。本实验采用电喷雾串联质谱（ESI-MS/MS）研究酒石酸-硝酸铀酰水溶液中铀酰形态,共分析出14种酒石酸铀酰和5种无机铀酰形态。每个铀酰基团可紧密结合1个酒石酸阴离子,并继续以较弱的形式络合1~2个酒石酸分子。实验中还发现了［(UO₂HTarH₂Tar)₂］²⁺、［(UO₂)₃Tar(HTar)₂(H₂Tar)₂］²⁺等酒石酸铀酰团簇形态。酒石酸铀酰形态中各络合键解离所需能量大小顺序为：铀酰间结合键＞酒石酸阴离子-铀酰结合键＞酒石酸分子-铀酰结合键。该研究对实际条件下铀与有机酸的水溶液形态研究具有指导意义。     

Operating a triple stack microchannel plate-phosphor assembly for single particle counting in the 12-300 K temperature range

An assembly consisting of a stack of three microchannel plates (MCPs) and a phosphor screen anode has been operated over the temperature range from 300 to 12 K. We report on measurements at 6.4 kHz (using an alpha source) and with dark counts only (15 Hz). Without any particle source, the MCP bias current decreased by a factor of 2.1 x 10(3) when the temperature was lowered from 300 to 12 K. Using the alpha source, and a photomultiplier tube (PMT) to monitor the phosphor screen anode, we first observed an increase in the decay time of the phosphor from 12 to 45 mus when the temperature was decreased from 300 to 100 K while the decay time then decreased and reached a value of 5 mus at 12 K. The pulse height distribution from the PMT was measured between 300 and 12 K and shows a spectrum typical for a MCP phosphor setup at 300 K and 12 K but is strongly degraded for intermediate temperatures. We conclude that the present MCP-phosphor detector assembly is well suited for position-sensitive particle counting operation at temperatures down to at least 12 K even for count rates beyond 6 kHz. This result is crucial and an important part of ongoing developments of new instrumentation for investigations of, e.g., interactions involving complex molecular ions with internal quantum state control.     

光栅复制拼接光路中入射光角度对拼接误差的影响

设计了一种基于干涉检验法的复制拼接光栅测量光路。针对光栅复制拼接光路中入射光角度难以精确测量的问题,分析了光栅拼接实验中入射光角度对光栅拼接的影响。建立了光栅拼接误差模型,分析了五维拼接误差的容限要求。按照光栅复制拼接光路的要求,设计了一种干涉仪角度调节装置。根据误差模型和拼接光路分析了500mm×500mm大尺寸中阶梯光栅复制拼接光路中入射光角度误差与拼接误差的关系。结果显示:入射光角度误差为1°,拼接光路中绕x轴,y轴的转动误差Δθx,Δθy和沿z轴的位移误差Δz的计算值与实际值之间分别相差0.002 1μrad,0.003 3μrad和0.348 2nm时,引起波前差为2.590 1nm。根据这一计算结果,给出了干涉仪角度调节装置的设计指标,即设置角度调节分度为0.1°时,可满足大尺寸光栅复制拼接要求。     

丙酮-辅助光电离离子迁移谱检测TATP炸药的研究

三过氧化三丙酮(TATP)是一种新型过氧化物炸药,由于制备原料易得、制备方法简单,常被恐怖分子用于恐怖袭击等犯罪活动中。本工作以25mg/L丙酮作为掺杂剂,发展了一种基于丙酮-辅助光电离离子迁移谱检测TATP的方法。对电场强度和进样口温度等参数进行优化后,TATP的线性范围为5~100ng,检测限可达1.2ng。利用飞行时间质谱对反应试剂离子和产物离子进行分析,确定反应试剂离子主要是丙酮二聚体离子[(CH3)2CO]2H+,产物离子为TATP的碎片离子m/z91[(CH3)2C(O)OO]H+。实验结果表明,这种新型非放射性电离源离子迁移谱能够实现痕量TATP过氧化物爆炸物的高灵敏检测。