解密光的轨迹：微通道板(MCP)单光子成像在空间探测中的应用

 

01 捕捉光的“指纹”：高精度光子特征探测

在空间探测的微观战场上，每个光子都是携带宇宙秘密的信使——其空间位置（x, y）和精确抵达时间（t），分别作为物体空间坐标和物理过程进程的关键特征参量，共同承载着揭示宇宙奥秘的关键信息。

当某科研团队试图同时锁定光子“何时来、何处落”，需要搭建MCP1单光子成像系统，面临诸多挑战：

• 位置精度瓶颈：需同步处理数十通道位置信号，通过重心法进行位置重建，飞库量级电荷测量精度至关重要；
• 定时精度获取：需实现电荷信号的快速成形及皮秒级精确定时；
• 时间同步难题：需实现位置采集通道及时间采集通道的时钟同源及时间同步。

 

 

02 破局之道：中科采象MCP单光子成像方案
 

中科采象的微通道板（MCP）单光子成像电子学解决方案，通过集成MCP组件与高性能电子学系统，基于高精度的能量及时间获取技术，联合ASIC/Liroc前端芯片的协同处理能力，实现了光子事件的高精度能量提取、时间标记及空间定位。

中科采象MCP单光子成像方案示意图

 

位置测量ADC方案

该方案基于ASIC芯片实现的FAM前置放大模块,性能核心优势可总结为以下两点:

• 超高密度通道集成：基于专用ASIC芯片，实现单片高密度多通道集成。通过精巧的模块化设计，将大量输入信号有效整合，最终通过少量高密度线缆输出，显著简化系统布线。
• 微弱电荷高速精密测量：波形数字化技术联合采用电荷-电压变换链核心技术，能够稳定检测极其微弱的电荷信号。同时可支持高频计数，可覆盖MCP探测器的主流应用场景的事例率范围。

 

图1 FAM实测成形波形（客户现场实测图）

 

时间测量TDC方案

该方案基于Liroc芯片的技术特性，时间测量转换模块TAM在激光雷达应用中具备以下两大核心优势：

• 高精度多通道采集：实现全通道同步测量架构，解决了高事件率场景下的同步性、效率与稳定性矛盾，为精密测量与实时控制提供技术支持。
• 宽量程皮秒级时间分辨率：实现超宽动态范围与皮秒级时间分辨率，满足高速瞬态信号的定时需求。

 

图2 TAM实测波形（客户现场实测图）

 

03 应用场景：拓展核领域边界

核技术应用：核辐射监测与防护

核医学成像与治疗：医学影像诊断、放射治疗与药物研发

核能与核聚变：核反应堆监控、核聚变实验

特殊核环境监测：空间辐射探测、核废料处理与环境监测

核物理基础研究：高能粒子探测、放射性衰变与核反应监测

 

注释：

1. 微通道板(MCP)：可以被用于检测电子、离子、高能粒子、中子、紫外线、X射线等各种粒子和能量较高的电磁波。