太阳X射线成像望远镜低噪声信号采集系统

目前世界各国都在积极开展对空间天气的研究,因为太阳是影响地球空间天气的干扰源,所以对太阳的观测成为其中的重点。而太阳活动在日冕层表现剧烈,日冕层辐射集中在X射线波段,所以太阳X射线成像数据是空间天气研究的必需资料。国际上已经发射了很多进行太阳X射线成像的航天器,取得了丰硕成果,最著名的就是美日合作1991年发射的YOK-OH卫星和2006年发射的HINODE卫星。相机是太阳X射线成像望远镜的核心,包括成像传感器和信号采集系统,其质量决定着最终成像数据的质量。目前国际普遍采用CCD作为成像传感器来研制相机,CCD作为一种数字成像器件已广泛应用于空间科学领域,比如AS-CA,AXAF,XMM等卫星上的成像仪器。但普通CCD的响应范围一般从紫外到远红外波段,不能直接对X射线成像,所以一些X射线望远镜采用MCP(微通道板)和可见光CCD结合作为成像传感器,如GOES卫星上的SXI。但这种结构不仅调节复杂,而且降低了可靠性。随着制造工艺的发展,出现了背照射式全耗尽型CCD,可以直接对X射线成像,而且具有很高的可靠性。因为太阳活动变化剧烈,需要相机具有大的动态范围。这种CCD本身的噪声已经很低,为充分利用它的动态范围,需要后续信号采集系统也有足够低的噪声。国际上针对地面应用的天文观测望远镜研制了不同的信号采集系统,采用了各种降噪手段,达到了小于5个电子的较高水平。但空间望远镜因为受限于元器件、结构和外来干扰,其低噪声信号采集系统一直是各国科研人员重点研究的对象。CCD信号采集系统一般包括前置放大器、相关双采样、主放大器、AD变换各个部分。本文介绍了一种适用于宇航级背入射式全耗尽型X射线CCD的低噪声信号采集系统,在分析CCD输出信号特点的基础上,介绍了信号采集系统各个组成部分针对低噪声应用采取的方法,详细说明设计思路和依据,为相关的研究提供借鉴。

1　CCD结构

信号采集系统的设计必须依据CCD的特点,根据不同的CCD读出结构设计不同的信号采集电路结构,不同的CCD性能参数决定信号采集系统的设计指标,所以首先分析CCD的结构特点。X射线CCD不同于一般可见光CCD,一般采用背照射式结构,X光从背面进入到Si耗尽层,减少正面电极对入射光的影响,提高CCD在X射线波段的量子效率。成像时,每个像素将接收到的光信号转化为电信号,然后由驱动电路将每个像素中的电荷按行列依次转移出来,由信号采集系统对电荷信号进行放大,去噪声和AD变换,形成成像数据。太阳X射线成像望远镜选用这种结构的宇航级CCD,其主要参数如下[1]:

(1)有效像素1056×1027;

(2)量子效率(在0.4~10nm波段):≥40%;

(3)势阱容量:100ke-/像元;