空间科学仪器广泛使用基于四象限光电探测器的太阳导行镜指向跟踪系统来实现对日精确指向控制。为满足对日指向高精度高稳定性需求，提出面向空间应用的四象限光电探测器筛选方法，研制针对四象限光电探测器的筛选系统。通过对比筛选试验前后四象限探测器的暗电流、响应度及象限响应度均匀性等参数变化，依据判别准则分析探测器的空间环境适应性，剔除可能存在的早期失效或性能差异变化较大的探测器。试验结果表明：研制的筛选系统具有高准确度，系统前端等效输入电流噪声为 0.58 fArms，通过筛选试验后依据评估标准最终优选的四象限光电探测器各通道暗电流绝对值最大值为 6.08 pA，各通道的响应度变化最大值为 0.716%，各象限响应度非一致性筛选前后变化最大值为 1.24%。最终将该四象限探测器应用至太阳导行镜指向跟踪系统上，满足航天环境条件的使用要求。该筛选装置及筛选方法可实现对面向空间应用的四象限光电探测器的筛选，且对其他光电器件筛选具有借鉴意义。

太阳是地球能量的主要来源, 太阳活动和变化对地球影响极大。为了满足天文学家对太阳观测和研究的需求, 设计一种新型Lyman α和可见光双波段内掩式日冕仪(SCI日冕仪), 能够在121.6 nm和700 nm两个波段同时对日冕进行高分辨率成像观测。根据太阳在121.6 nm和700 nm日面与日冕的辐射特性确定仪器的参数, 给出了日冕仪的初始结构, 建立评价函数对初始结构进行优化。分析了日冕仪光学系统的成像性能和各个光学元件产生杂散光对成像性能的影响, 确定影响系统杂散光抑制水平的主要光学元件和机械结构, 提出了对光学元件表面粗糙度的要求, 给出了里奥光阑的位置和通光口径。还设计了日冕仪光学反射镜和光学分色镜的膜系结构, 实现了对内日冕在121.6 nm和700 nm两个波段的同时成像。实验结果表明: SCI日冕仪视场覆盖1.1~25个太阳半径(Rs, 取1 Rs=0.267°), 空间分辨率优于4.8″, 杂散光抑制水平在1.1Rs处优于10-6量级, 在2.5Rs处优于10-8量级, 满足观测需求。

本文提出了一种基于电荷电容分割位置分辨原理的光子位置读出阳极, 能够大幅提高该类探测器的空间分辨率和光子计数率。首先, 介绍了影响现有光子计数成像探测器成像性能的关键因素, 分析了采用电容分割位置分辨方法的优势; 其次, 对电荷电容分割原理展开了理论推导, 分析了光子位置与阳极读出信号变化的空间位置的相关性; 再次, 在理论推导的基础上, 分析了电容分割读出阳极相关物理参数对其空间位置分辨能力的影响; 然后, 提出了电容分割位置分辨阳极的优化设计原则, 并设计了一种新型的基于电容分割的二维光子位置读出阳极。最后, 利用有限元仿真工具COMSOL建立了该电容阳极的模型, 进行了位置分辨原理仿真, 并评估了空间分辨的准确性。仿真结果表明: 阳极的位置分辨误差小于50 μm, 中心区域的位置分辨误差小于5 μm, 阳极的位置分辨性能优良。

为实现极光光谱中远紫外波段N₂ LBH(140~180 nm)辐射成像探测的需求,采用远紫外光子计数成像探测器对其进行探测。探测器主要由CsI光电阴极、V形叠加微通道板堆、感应式楔条形位敏阳极等构成。首先构建远紫外波段辐射定标测量装置,其主要由真空室、真空位移台、标准传递探测器、远紫外掠入射单色仪、真空紫外光源、信号处理地检设备等组成;然后测试探测器的量子效率、分辨率、暗噪声、极限计数率等;最后分析测试数据。实测结果表明,探测器在工作波段的量子效率最高可达12.9%,空间分辨率为88.3 μm,暗计数率为0.87 counts/(s·cm ²),探测器系统计数率有效测试范围为0~350000 counts/s,能够满足探测极光的N₂ LBH辐射成像需求。

为消除微通道板光子计数探测器系统中电子噪声的干扰，研究了探测器分割噪声的来源，并提出利用COMSOL软件仿真计算分割噪声的方法.利用有限元方法对基于Vernier阳极探测器的成像过程进行三维建模，实现了一组5×5针孔阵列的模拟成像，计算出Vernier阳极分割噪声所产生的电子云质心位置的偏移量，验证了Vernier阳极探测器成像编码的正确性与仿真研究分割噪声的可行性.通过分析不同参量的阳极面板，利用数值拟合方法，得到电子云质心偏移量与阳极面板设计参量之间的关系.在固定面板参量的前提下，可以通过提高微通道板增益来有效降低分割噪声对质心位置偏移影响.

考虑极紫外波段空间相机尚无合适的辐射定标方法和装置, 本文提出了适用于该波段的小目标成像辐射定标方法并基于该方法在实验室建立了辐射定标装置。提出的标定方法首先使用标准传递探测器标定小目标的辐射亮度; 然后, 用待定标相机中心视场对该小目标成像, 获得中心视场部分的辐射强度响应度; 最后, 通过调整转动结构使不同视场对该小目标成像, 得到不同区域的辐射强度响应度。构建的辐射定标装置由光源系统、标准传递探测器、真空罐及四维运动转台等组成。光源系统包括空心阴极光源、极紫外掠入射单色仪、准直反射镜, 能够出射工作波段的准直光束; 标准传递探测器标定出光束照度并计算得到小目标的辐射强度; 运动平台使相机能够以不同视场角对小目标成像, 测得不同视场的辐射强度响应度。利用该装置对一台极紫外相机进行了辐射定标实验, 并进行了误差源分析。实验结果表明该装置的定标精度优于15%, 能够实现整机状态下的辐射定标。

微通道板(MCP)在X 射线的会聚成像方面有视场大、重量轻、对装调精度要求低等优点。基于全反射理论，研究了平面圆孔MCP对X 射线的聚光特性，计算了MCP的像面光照度增益和点扩散函数与微通道板结构参数之间的关系。使用TracePro 软件对直径为25 μm 的圆孔MCP 的聚光效果进行了仿真，仿真结果与计算结果基本吻合。结果表明，MCP 的相对光照度增益与光源距离ls近似成正比，而与MCP 的最大孔径无关，当光源距离为110 mm 时，相对光照度增益大约可达到18 倍。进一步研究了MCP 离轴、俯仰、倾斜等装调误差对像面光斑的影响，结果表明，MCP的离轴对像面光斑影响很小；而角度偏差将影响光斑的位置和形状。

针对基于感应位敏阳极的光子计数成像探测器中非晶态Ge(α-Ge)膜的方块电阻对探测器成像性能的影响, 研究了方块电阻的选配范围和方法。由于方块电阻的大小会影响Ge膜上的电子云的扩散特性从而影响探测器的计数率和分辨率, 故本文根据菲克(Fick)扩散定律分析了吸收边界条件下非晶态薄膜上电子云的扩散特性。确定了电子云扩散时间与Ge膜方块电阻之间的数学关系, 推导获得了探测器高质量成像时非晶态Ge膜方块电阻的阻值为30~2 700 MΩ/□。采用具有不同方块电阻的感应位敏阳极进行了实际成像实验, 结果表明: 当Ge膜方块电阻在上述范围时, 光子计数探测器在计数率为53 kc/s时分辨率可以达到0.5 mm。实验结果证明了推导得出的方块电阻选配范围的正确性。

为改善光子计数成像探测器电荷感应层的性能，提高光子计数成像系统的成像质量，分别用直流磁控溅射法(DC)与射频磁控溅射法(RF)制备了不同厚度的Ge薄膜。利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、表面轮廓仪、四探针表面电阻测试仪对两种方法所制备的薄膜进行了结构特征与电学性能的表征。结果表明：两种方法所制备的薄膜均为非晶态结构，DC制备的Ge薄膜比RF制备的Ge薄膜稀疏，其不同膜厚下的电阻率均大于RF所制备的薄膜。实验显示，薄膜越厚其电学性能受氧化影响越小，电学性能越稳定。实验对比了不同方阻下Ge薄膜应用于探测器的成像性能，结果表明：方阻在百兆级范围内时成像效果较好，且方阻变化时成像效果变化不大，但方阻大到2 GΩ/□时会导致系统分辨率下降。

微通道板作为二维位置灵敏阳极光子计数探测器中的电子倍增器件，其增益特性直接影响探测器的成像性能。搭建了系统测试平台，测量了微通道板的增益随电压变化曲线，并获得了3块微通道板叠加后的脉冲高度分布曲线。根据测试结果以及脉冲高度分布曲线的能量分辨率与探测器增益的均匀性之间的物理关系，选择合适电压值和增益对探测器的性能进行优化，探测器分辨率由3.56 lp/mm 提高到4.49 lp/mm ，获得了清晰图像，为探测器的研制提供了技术支持。