基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法

1.本发明涉及光电探测器技术领域，特别是涉及一种基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法。


背景技术：

2.空间紫外探测和天文观测目标辐射强度弱，接近于单光子状态，传统的探测模式在探测灵敏度、成像速度等方面不能满足需求。基于微通道板(microchannel plate，mcp)位敏阳极光子计数成像探测器以二维方式探测光子，并在一定时间内积分实现成像，具有极高的探测效率和极低的暗噪声，是目前唯一在空间科学领域获得广泛应用的面阵成像型探测器，其成像质量好坏直接制约空间天文观测的发展。
3.我国深空紫外探测经历了“从无到有”的过程，但在基于mcp位敏阳极光子计数成像探测器研制及成像系能方面与国外仍存在较大差距，目前我国唯一被应用在深空紫外探测的楔条形(wsz)阳极空间分辨率在88μm左右，且图像存在非线性现象。面临未来空间发展需求，不可避免的问题是对更高性能的光子计数成像探测器的需求，该类探测器的优化设计必不可少。在光电探测器技术领域中，目前也存在对mcp影响探测器内空间电荷行为的一些研究，例如，1989年andy smith等采用从mcp出射电荷分别服从均匀分布和高斯分布的电荷云模拟了wsz阳极的畸变问题，得到结论：mcp增益、mcp和wsz阳极间距离均会对图像非线性产生影响。随后m.saito和g.j.price等对mcp的出射电荷云做了较多的研究，主要是测试了mcp与阳极间距离、mcp与阳极间加速电压以及mcp工作电压对电荷云尺寸的影响，进而造成解码图像的畸变。2004年j.s lapington提出从mcp出射电子轰击电荷分割型阳极时阳极金属表面产生大量二次电子，改变了原来电子云的空间电荷分布，从而产生位置的非线性和图像不稳定性，并提出用一个电阻阳极直接收集mcp出射的电子云，通过产生感应电荷来提高成像质量。2010年何玲平等建立了二维wsz阳极光子计数探测器成像模型，仿真了电子云大小与阳极电极周期长度的相互关系对成像质量的影响。从这些研究可知，影响基于mcp位敏阳极光子计数成像探测器成像性能的因素众多，但无论是mcp孔径大小、加速电压、mcp与阳极间距离还是探测器电荷读出方式等因素，最终影响的都是探测器内空间电荷行为，从根本上说空间电荷行为决定了该类探测器的成像性能。
4.目前尚无基于mcp位敏阳极光子计数成像探测器内空间电荷行为一体化仿真模型，现有模型缺乏全面性，不是缺失行为环节，就是基于单个器件模型参数对成像性能的影响，较多集中在mcp电子增益的研究及感应层薄膜扩散的研究。前者缺少了mcp出射电荷在真空室内的行为研究，忽略mcp出射电荷能量分布、运动轨迹对原静电场影响(粒子与场相互作用)及真空室壁对空间电荷运动限制，尤其是出射后的高能电荷在与真空室壁相互作用时造成的电荷积累、电荷散射(粒子与物质相互作用)等问题；后者缺少了扩散后感应层薄膜电荷造成电荷分割型阳极极间串扰的研究。这些均表明现有模型的不足，无法全面真实反应映探测器内空间电荷行为，缺乏一体化模型的指导，严重制约探测器性能的进一步优化提升。


技术实现要素：

5.本发明的一目的是，提供一基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法，能够全面系统分析探测器内空间电荷行为对图像质量的影响，实现各环节设计参数或输出特性与系统输出图像的关联，为整体探测器设计优化提供相应的理论依据，且该优化方法效率高、成本低、适用性广泛。
6.一种基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法，包括步骤：
7.s1、将基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器内的空间电荷行为情况分解为微通道板内电荷分布情况、微通道板与感应层薄膜间电荷分布情况、感应层薄膜上电荷分布情况、位敏阳极电荷分布情况，并基于所述微通道板内电荷分布情况、所述微通道板与感应层薄膜间电荷分布情况、所述感应层薄膜上电荷分布情况、所述位敏阳极电荷分布情况，构建由微通道板内空间电荷行为模型、微通道板出射端与感应层薄膜间空间电荷行为模型、感应层薄膜内空间电荷扩散行为模型以及电荷分割型阳极极间串扰模型串联构成的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的一体化仿真模型；
8.s2、统计位敏阳极面板上的电荷量，将位敏阳极收集的电荷量代入质心解码算法，获得模拟仿真图像；
9.s3、比较输入图像与仿真图像的图像分辨率与图像非线性，判断输入图像是否满足设置精度；以及
10.s4、当输入图像不满足设置精度时，迭代优化基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的一体化仿真模型参数。
11.在本发明的一实施例中，所述步骤s1包括步骤：
12.s11、构建微通道板内空间电荷行为模型；
13.s12、以微通道板内空间电荷行为模型的空间电荷分布情况结果作为输入，构建微通道板出射端与感应层薄膜间空间电荷行为模型；
14.s13、以微通道板出射端与感应层薄膜间空间电荷行为模型的空间电荷分布情况结果作为输入，构建感应层薄膜内空间电荷扩散行为模型；以及
15.s14、以感应层薄膜内空间电荷扩散行为模型的空间电荷分布情况结果作为输入，构建电荷分割型阳极极间串扰模型。
16.在本发明的一实施例中，所述步骤s11包括步骤：
17.s111、构建基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的三维模型与设定基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的空间电荷行为的初始环境；和
18.s112、构建微通道板内二次电子倍增模型，获得微通道板内二次电子倍增模型出射电荷轨迹情况结果。
19.在本发明的一实施例中，在所述步骤s111中，利用comsol multiphysics软件参数化建模模块，构建基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的三维模型，并选择comsol multiphysics软件中的静电场分析模块，对微通道板入射面、微通道板出射面、真空室壁及位敏阳极进行边界条件设定，还原基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的三维模型处于初始状态时每点空间电荷的电势值。
20.在本发明的一实施例中，在所述步骤s112中，选择comsol multiphysics软件中的带电粒子追迹模块，根据二次电子发射原理，利用monte-carlo方法模拟空间电荷在微通道
板中的运动过程或者查阅微通道板二次电子发射系数曲线，将二次电子发射系数嵌入到comsol multiphysics软件中，设定空间电荷碰撞微通道板通道壁时的边界条件，在设定的模拟时间步长
△
t内，模型内所有空间电荷的速度v(x,y,z)及位移s(x,y,z)，comsol multiphysics软件根据空间电荷运动学方程公式(1)和(2)，计算出空间任一点(x,y,z)的运动状态，完成微通道板内二次电子倍增的追迹过程，获得微通道板内二次电子倍增模型出射电荷轨迹情况结果：
[0021][0022][0023]
其中，公式(1)和(2)中，m为粒子质量，q为电荷量，e(x,y,z)为空间任意一点电场强度。
[0024]
在本发明的一实施例中，微通道板出射端与感应层薄膜间空间电荷行为模型包括在综合电磁场作用下的空间电荷运动模型和在物质作用下的空间电荷运动模型，所述步骤s12包括步骤：
[0025]
s121、继承微通道板内二次电子倍增模型出射电荷轨迹情况结果，将空间电荷运动范围扩展到整个真空室内，选择磁场分析模块与自定义方程模块，根据李纳-维谢尔势公式和任意运动带电粒子的电磁场产生的扰动电磁场公式(3)和(4)将不同时刻下微通道板出射电荷产生的电磁扰动与原始静电场进行耦合，建立在综合电磁场作用下空间电荷运动模型：
[0026][0027]
b0＝er×
e0/c (4)
[0028]
其中公式(3)和(4)中，e0为扰动电场；b0为扰动磁场；ε0真空介电常数；e为电荷量；c为光速；v＝v(t’)为粒子发出辐射时刻t’的速度，t’＝t r/c，此时粒子的位矢xe(t’)；r＝x-xe(t’)是t’时刻粒子指场点x的矢径，r是t’时刻粒子至场点距离；er是r方向的单位矢量；
[0029]
s122、根据高能粒子与物质相互理论，利用comsolmultiphysics软件后端数据处理模块统计分类微通道板边缘出射电荷碰撞真空室壁时空间电荷所有的运动状态，建立在物质作用下的空间电荷运动模型。
[0030]
在本发明的一实施例中，在所述步骤s13中，通过自定义方程模块，根据扩散fick定律，空间电荷降落在感应层上发生扩散，利用公式(5)至(7)对随时间变化的电子数密度n进行求解，即可得到每时刻空间电荷在感应层薄膜中的分布情况，并以在综合电磁场作用下空间电荷运动模型的空间电荷分布情况结果作为输入，查阅或者测试感应薄膜的扩散系数，建立每时刻t空间电荷在感应层薄膜中的扩散模型，由comsol multiphysics软件后处理功能统计成像电荷扩散分布情况：
[0031]
[0032][0033][0034]
其中在公式(5)、(6)、(7)中，d为扩散系数，热力学因子为一个常量，an材料中有效电子，d
p
是电子扩散常数，kb为玻尔兹曼常数,t为温度，μ
p
霍尔迁移率。
[0035]
在本发明的一实施例中，在所述步骤s14中，采用电荷分割型阳极极间串扰模型的离散原件分析极间串扰效应，其中位敏阳极的极间电容c
ij
利用收集的感应电荷量q
ij
进行计算：
[0036][0037]
多电极间的相互作用通过公式(9)进行表述：
[0038][0039]
其中公式(8)和公式(9)中i＝1、2、3,
··
，j＝2、3、4,
··
，vi、vj为不同电极的电势，其中c
ij
＝c
ji
。
[0040]
在本发明的一实施例中，在所述步骤s3中，设置图像分辨率与图像非线性的精度，其中，
[0041]
图像分辨率相似度记为a1，s
输
为输入图像分辨率，s
仿
为输出图像分辨率，由公式(10)计算：
[0042][0043]
图像非线性为b1，由公式(11)计算，选取输入图像m个点，计算输入图像选取两点间距离d及对应的仿真图像上两点间距离d’，则该系统的畸变值b1：
[0044][0045]
在本发明的一实施例中，在所述步骤s4中，通过迭代调整微通道板电子倍增模型参数、微通道板与感应场薄膜间运动模型参数、感应层薄膜扩散模型参数及位敏阳极极间串扰效应模型参数，对基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器进行优化。
[0046]
本发明的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法的有益效果为：
[0047]
本发明的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法提出了一种由微通道板内空间电荷行为模型、微通道板出射端与感应层薄膜间空间电荷行为模型、感应层薄膜内空间电荷扩散行为模型以及电荷分割型阳极极间串扰模型串联构成的一体化仿
真模型，能够对微通道板内空间电荷行为进行建模仿真，还原入射光子光电转换、电子倍增效应后的行为轨迹，弥补现有成像模型采用经验公式简化模拟微通道板出射电荷分布的不足，为后续环节的电荷行为建模提供精准输入。
[0048]
本发明的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法考虑了粒子与场相互作用(运动电荷造成的电磁场扰动)及粒子与物质相互作用(电荷轰击室壁造成的电荷积累等)，具体量化这些因素对图像质量退化作用，弥补了探测器内空间电荷行为仿真建模的缺失，为探测器真空室壁结构优化提供理论支撑，能够全面真实地反映探测器内空间电荷行为，有利于探测器性能的整体优化提升。
[0049]
本发明的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法建立了感应层薄膜扩散模型及电荷分割型阳极极间串扰数学模型，达到在后续质心解码算法中去除极间串扰效应的目的，为位敏阳极结构参数优化提供理论支撑。
[0050]
针对现代日地空间天文观测对高性能光子计数成像探测器的需求，本发明利用电磁场有限元分析及带电粒子追迹技术，建立空间电荷光电转换、倍增、与真空室壁相互作用、感应层薄膜扩散、阳极间串扰等一系列过程模型，并将其串联起来；在统一的输入框架内分析各环节参数对探测器图像质量的影响，实现各环节设计参数或输出特性与系统输出图像的关联。为提升现有基于微通道板电荷分割型阳极光子计数成像探测器及开发新型高分辨率探测器奠定坚实的理论基础和技术保证。
[0051]
通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
附图说明
[0052]
图1a为本发明的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的结构示意图；
[0053]
图1b为图1a所示的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的内部结构示意图；
[0054]
图2为本发明的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法的流程示意框图；
[0055]
图3a为图1a所示的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的微通道板部分被切开的立体结构示意图；
[0056]
图3b为图1a所示的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的二次电子发射原理示意图；
[0057]
图4为图1a所示的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的位敏阳极感应层薄膜扩散过程示意图；
[0058]
图5为图1a所示的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的位敏阳极结构示意图；
[0059]
图6为图1a所示的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的楔条形读出阳极等效电路图。
[0060]
附图标号说明：微通道板1；感应层薄膜2；位敏阳极结构3；成像电荷4封装外壳5。
具体实施方式
[0061]
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优
选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
[0062]
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
[0063]
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
[0064]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0065]
由于基于微通道板(microchannel plate，mcp)位敏阳极光子计数成像探测器在实际工作时处于高压的真空状态，因此很难对内部电荷进行实时观测。为了有效评估探测器内空间电荷行为对成像性能的影响，达到探测器整机优化设计的目的，模拟仿真方法成为不可或缺的工具，尤其是基于mcp位敏阳极光子计数成像探测器内空间电荷行为全过程一体化的仿真模型。因此，本发明提出一种利用带电粒子追迹技术和电磁场有限元分析技术，全面复现光子入射mcp、电子倍增、渡越、扩散及串扰动态过程，实现基于mcp位敏阳极光子计数成像探测器的三维可视化模型和优化方法，使探测器内电荷在时间与空间维度上分布情况可测化、可视化，实现各环节设计参数或输出特性与系统输出图像的关联，为整体探测器优化设计提供相应的理论依据。
[0066]
具体地，由于现有技术中的基于mcp位敏阳极光子计数成像探测器模型缺乏全面性，无法全面真实反映探测器内空间电荷行为，因此，为了克服现有基于mcp位敏阳极光子计数成像探测器模型的缺点，本发明提供了一种基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法，即提供了一种面向探测器成像电荷运动全链路仿真方法，基本内容包括：对mcp内空间电荷行为建模、mcp出射端与感应层薄膜间空间电荷行为建模、感应层薄膜内空间电荷扩散行为建模，电荷分割型阳极极间串扰建模，并把上一环节结果作为下一环节的输入，实现各环节设计参数或输出特性与系统输出图像的关联，完成基于mcp位敏阳极光子计数成像探测器的整体优化设计。
[0067]
以下将结合图1a至图6，具体说明本发明的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法包括的具体步骤和对应能够实现的技术效果。
[0068]
如图1a和图1b所示，本发明的基于mcp位敏阳极光子计数成像探测器的整体封装结构和切开部分外壳的结构被示意，所述基于mcp位敏阳极光子计数成像探测器包括封装外壳5、设置在封装外壳5内的位敏阳极结构3、覆盖在位敏阳极结构3背面的感应层薄膜2、以及间隔设置于感应层薄膜2之上的微通道板1，其中，位敏阳极结构3会收集感应电荷，同
时各阳极间会产生串扰效应，成像电荷4在感应层薄膜2上进行扩散，而且成像电荷4在微通道板1内发生二次电子倍增效应。
[0069]
具体地，如图3a所示，微通道板1为由多个空心圆柱平行排列而成的薄圆片，具有多个空心圆柱通道，每个通道内壁镀有导电特性的二次电子发射薄膜，因此微通道板具有连续电子倍增能力。
[0070]
如图3b所示，取四根通道来描述微通道板上二次电子发射原理：在mcp入射端和出射端分别施加电压-v、 v。光电子入射mcp通道(结构参数：孔直径d、斜切角θ、厚度l)，在加速电场作用下轰击内壁，会激发出多个二次电子，如此反复，实现电子倍增效应。
[0071]
进一步地，如图4所示，位敏阳极结构3的背面覆盖有感应层薄膜2，图4示意了成像电荷4在感应层薄膜2上进行扩散的过程。
[0072]
如图5所示，在本发明的这一实施例中，以wsz阳极基本结构为例，位敏阳极结构3会收集感应电荷，同时各阳极间会产生串扰效应，其中图5中w代表楔型阳极、s代表条型阳极、z代表z型阳极。
[0073]
如图1a和图1b所示，本发明以基于mcp位敏阳极光子计数成像探测器原理及组成结构为基础，利用comsol multiphysics软件中参数化建模模块、电场模块、磁场模块、带电粒子追迹模块与自定义方程模块进行探测器一体化仿真模型研究。可以理解的是，空间电荷行为是电场、磁场与带电粒子追迹等多场耦合作用下的过程。通过将探测器内空间电荷行为过程进行分解，分为mcp内电荷分布情况、mcp与感应层薄膜间电荷分布情况、感应层薄膜上电荷分布情况、位敏阳极电荷分布情况，再将位敏阳极收集的电荷量代入质心解码算法，获得模拟仿真图像。空间分辨率与图像非线性是衡量探测器性能的重要指标，通过比较输入图像与仿真图像的空间分辨率与图像非线性，迭代优化探测器成像模型参数，从而达到提高该类探测器成像性能的目的。
[0074]
如图2至图6所示，本发明的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法的具体实施方案如下：
[0075]
1、基于mcp位敏阳极光子计数成像探测器三维建模及空间电荷行为初始环境设定。利用comsol multiphysics软件参数化建模模块对基于mcp位敏阳极光子计数成像探测器建模及属性设置，如图1a和图1b所示。初始状态探测器处于高压静电场内，选择软件中的静电场分析模块，对mcp入射面、mcp出射面、真空室壁及位敏阳极进行边界条件设定，即可还原探测器模型中初始状态每点的电势值。
[0076]
2、mcp内二次电子倍增模型的实现。如图3a所示，mcp是由多根玻璃微通道并行堆放组成，内壁镀有高阻的二次电子发射材料，两个端面镀有镍铬金属膜层，如图3b所示，其内部电荷行为主要为电子倍增。选择comsol multiphysics软件中的带电粒子追迹模块，根据二次电子发射原理，利用monte-carlo方法模拟空间电荷在mcp中的运动过程或者查阅mcp二次电子发射系数曲线，将二次电子发射系数嵌入到comsol multiphysics软件中，设定空间电荷碰撞mcp通道壁时的边界条件。在设定的模拟时间步长
△
t内，模型内所有空间电荷的速度v(x,y,z)及位移s(x,y,z)，comsol multiphysics软件根据空间电荷运动学方程公式(1)和(2)，计算出空间任一点(x,y,z)的运动状态，完成微通道板内二次电子倍增的追迹过程，获得微通道板内二次电子倍增模型出射电荷轨迹情况结果：
[0077][0078][0079]
其中，公式(1)和(2)中，m为粒子质量，q为电荷量，e(x,y,z)为空间任意一点电场强度。
[0080]
可以理解的是，本发明提出的基于mcp位敏阳极光子计数成像探测器模型，对mcp内空间电荷行为进行建模仿真，还原入射光子光电转换、电子倍增效应后的行为轨迹，弥补现有成像模型采用经验公式简化模拟mcp出射电荷分布的不足，为后续环节的电荷行为建模提供精准输入。
[0081]
3、mcp出射端与感应层薄膜间空间电荷运动模型的实现，主要包括粒子与场间相互作用及粒子与物质间相互作用两部分。也就是说，微通道板出射端与感应层薄膜间空间电荷行为模型包括在综合电磁场作用下的空间电荷运动模型和在物质作用下的空间电荷运动模型。
[0082]
3.1承继mcp二次电子倍增模型出射电荷轨迹情况结果，将空间电荷运动范围扩展到整个真空室内。真空室内空间电荷的加速运动会对原始静电场产生扰动，原静电场将会变成非均匀分布情况。选择磁场分析模块与自定义方程模块，根据李纳-维谢尔势公式，任意运动带电粒子的电磁场产生的扰动电磁场见公式(3)和(4)，将不同时刻下mcp出射电荷产生的电磁扰动与原始静电场进行耦合，即可建立在综合电磁场作用下空间电荷运动模型：
[0083][0084]
b0＝er×
e0/c (4)
[0085]
其中公式(3)和(4)中，e0为扰动电场；b0为扰动磁场；ε0真空介电常数；e为电荷量；c为光速；v＝v(t’)为粒子发出辐射时刻t’的速度，t’＝t r/c，此时粒子的位矢xe(t’)；r＝x-xe(t’)是t’时刻粒子指场点x的矢径，r是t’时刻粒子至场点距离；er是r方向的单位矢量。
[0086]
3.2当mcp边缘出射电荷时，存在碰撞真空室壁的可能。在高压作用下加速电子具有较高能量。根据高能粒子与物质相互理论，利用软件后端数据处理模块统计分类碰撞真空室壁时空间电荷所有可能的运动状态，建立在物质作用下的空间电荷运动模型。
[0087]
可以理解的是，本发明的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法考虑了粒子与场相互作用(运动电荷造成的电磁场扰动)及粒子与物质相互作用(电荷轰击室壁造成的电荷积累等)，具体量化这些因素对图像质量退化作用，弥补探测器内空间电荷行为仿真建模的缺失，为探测器真空室壁结构优化提供理论支撑。
[0088]
4、感应层薄膜空间电荷扩散模型的实现(如图4所示)。通过自定义方程模块，根据扩散fick定律，感应层薄膜上电荷n随时间的扩散分布与宏观扩散电流j
p
、扩散系数d、电场e、霍尔迁移率u
p
、电荷电量e有关，关系式如(5)至(7)，空间电荷降落在感应层上发生扩散，利用公式(5)至(7)对随时间变化的电子数密度n进行求解，即可得到每时刻空间电荷在感应层薄膜中的分布情况。以3.1空间电荷分布情况结果作为本模型输入，即以在综合电磁场作用下空间电荷运动模型的空间电荷分布情况结果作为输入，查阅或者测试感应薄膜的扩
散系数等材料参数，即可建立每时刻t空间电荷在感应层薄膜中的扩散模型，由comsol软件后处理功能统计成像电荷扩散分布情况：
[0089][0090][0091][0092]
其中在公式(5)、(6)、(7)中，d为扩散系数，热力学因子为一个常量，an材料中有效电子，d
p
是电子扩散常数，kb为玻尔兹曼常数，t为温度，u
p
为霍尔迁移率。
[0093]
5、位敏阳极极间串扰模型的实现。采用离散原件分析极间串扰效应(以wsz阳极基本结构为例，如图5所示)，读出位敏阳极的电路模拟等效图如图6所示，其中位敏阳极的极间电容c
ij
利用收集的感应电荷量q
ij
进行计算：
[0094][0095]
多电极间的相互作用通过公式(9)进行表述：
[0096][0097]
其中公式(8)和公式(9)中i＝1、2、3,
··
，j＝2、3、4,
··
，vi、vj为不同电极的电势，其中c
ij
＝c
ji
。
[0098]
统计每个输出阳极面板上的电荷量，输入到后续的质心解码算法中，可输出探测器仿真图像。
[0099]
可以理解的是，本发明的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法建立了感应层薄膜扩散模型及电荷分割型阳极极间串扰数学模型，达到在后续质心解码算法中去除极间串扰效应的目的，为位敏阳极结构参数优化提供理论支撑。
[0100]
值得一提的是，本发明的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法适用于楔条形、vernier、mama、交叉线、延迟线或未来自主设计的位敏阳极，也适用于多块mcp的多种级联方式，如两块mcp“v”型级联、三块“z”型级联，也就是说，该模型适用于所有基于mcp位敏阳极光子计数成像探测器。如果改变阳极结构或者mcp级联方式，都属于本方案的保护范围。
[0101]
6、图像评价。设置图像分辨率与图像非线性的精度，根据图像分辨率相似度、图像非线性公式进行计算。如果满足输入图像满足设置精度，则系统不必进行优化。如果系统不满足图像设置精度，进入迭代优化过程。
[0102]
图像分辨率相似度记为a1，s
输
为输入图像分辨率，s
仿
为输出图像分辨率，由公式
(10)计算：
[0103][0104]
图像非线性为b1，由公式(11)计算，选取输入图像m个点，计算输入图像选取两点间距离d及对应的仿真图像上两点间距离d’，则该系统的畸变值b1：
[0105][0106]
7、迭代优化。通过迭代调整mcp电子倍增模型参数、mcp与感应场薄膜间运动模型参数、感应层薄膜扩散模型参数及位敏阳极极间串扰效应模型参数，对探测器系统进行优化。
[0107]
可以理解的是，本发明利用电磁场有限元分析及带电粒子追迹技术，建立空间电荷光电转换、倍增、与真空室壁相互作用、感应层薄膜扩散、阳极间串扰等一系列过程模型，并将其串联起来；在统一的输入框架内分析各环节参数对探测器图像质量的影响，实现各环节设计参数或输出特性与系统输出图像的关联。为提升现有基于mcp电荷分割型阳极光子计数成像探测器及开发新型高分辨率探测器奠定坚实的理论基础和技术保证。
[0108]
也就是说，本发明的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法构建的一体化仿真模型是由微通道板内空间电荷行为模型、微通道板出射端与感应层薄膜间空间电荷行为模型、感应层薄膜内空间电荷扩散行为模型以及电荷分割型阳极极间串扰模型串联构成，微通道板内空间电荷行为模型、微通道板出射端与感应层薄膜间空间电荷行为模型、感应层薄膜内空间电荷扩散行为模型以及电荷分割型阳极极间串扰模型并非独立存在，而是以上一环节的结果作为下一环节的输入来实现各环节设计参数或输出特性与系统输出图像的关联，完成基于mcp位敏阳极光子计数成像探测器的整体优化设计。
[0109]
还可以理解的是，本发明的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法采用comsol multiphysics软件进行一体化仿真模型的建模，comsol multiphysics软件提供了计算、模拟、仿真多物理场耦合作用过程的能力，通过该软件中带电粒子追迹与电磁场等物理场耦合的仿真研究已应用到磁质子反谱仪领域，使得本发明能够易于实现，具有实际的可操作性。
[0110]
值得一提的是，在本发明的一些实施例中，本发明的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法也可以采用cst软件等具有粒子追迹模块、电磁场模块以及自定义方程模块的软件进行一体化仿真模型的构建，本发明对此不作限制。
[0111]
另外，在本领域中，对于多平面极间电容值的仿真建模研究已应用到电容层析传感器，采用极间电容值对电荷分割型阳极探测器的极间串扰效应进行等效分析是切实可行的。本发明建立的一体化仿真模型每个链路环节都基于已有物理理论，易于实现，且具备一定的普适性。
[0112]
总的来讲，本发明的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法构建的一体化模型具备一定的完备性，能够弥补现有研究的不足，全面系统分析探测器内空间电荷行为对图像质量的影响，实现各环节设计参数或输出特性与系统输出图像的关联，为整体探测器设计优化提供相应的理论依据，且该优化设计方法具有效率高，成本低的优势。
本发明的基于微通道板位敏阳极光子计数成像探测器的优化方法还具备一定的普适性，适用于任何基于mcp位敏阳极光子计数成像探测器；为我国未来开展新型高分辨率阳极探测器研发提供重要理论依据，提供新的思路，提升我国电离层探测能力。
[0113]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0114]
以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。