基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置，包括有多像素光子計(jì)數(shù)器，多像素光子計(jì)數(shù)器通過同軸電纜依次與電荷靈敏前置放大器、主放大器連接，電荷靈敏前置放大器通過同軸電纜連接有電壓源，主放大器通過同軸電纜分別連接有示波器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，多像素光子計(jì)數(shù)器通過光纖依次與光衰減器、短脈沖光源發(fā)射裝置、門和延遲產(chǎn)生器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器連接，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器通過同軸電纜與微型計(jì)算機(jī)連接。本實(shí)用新型的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置能直接繪制出脈沖高度分布譜進(jìn)行光子數(shù)分辨，還能根據(jù)譜圖和脈沖計(jì)數(shù)換算出入射光子數(shù)。
【專利說明】基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于微弱光探測計(jì)數(shù)裝置【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)有光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)系統(tǒng)中，用來探測光子的器件主要是光電倍增管PMT和超導(dǎo)光子探測器，PMT具有很高的靈敏度和暗計(jì)數(shù)，能夠響應(yīng)單個光子，但是PMT存在體積較大、難以集成、對磁場敏感、成本高、易損壞、易曝光及光子數(shù)分辯能力不好的缺點(diǎn)?’另一方面，利用PMT作為光子探測器，在工作時，其倍增打拿極的增益具有較大的統(tǒng)計(jì)漲落，使得輸出的脈沖幅度也具有很大的不確定性，使得PMT幾乎無法分辨每個光脈沖中的光子個數(shù)。
[0003]而對于超導(dǎo)光子探測器，則有較好的光子數(shù)分辨能力和探測效率。然而，其通常要工作在液氮的沸點(diǎn)甚至更低的溫度下。使用這種探測器，需要配備低溫制冷設(shè)備，使得裝置復(fù)雜，不易操作，成本昂貴，并且有一定的危險(xiǎn)性。
[0004]近年來，一種在常溫下就具有光子數(shù)分辨能力的單光子探測器-多像素光子計(jì)數(shù)器(Mult1-Pixel Photon Counters, MPPC)得到較快發(fā)展。它由數(shù)百至數(shù)萬個直徑為幾到幾十微米的雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode, APD)單元陣列集成在同一個單晶娃片上構(gòu)成，每個Aro單元串聯(lián)著數(shù)百千歐的電阻，用于及時淬滅雪崩擊穿產(chǎn)生的大電流，所有APD單元共用一個取信號電極，并且工作在蓋革模式下。在這種模式下，APD單元的偏置電壓高于擊穿電壓若干伏，當(dāng)某一個APD單元接收到一個光子時，所產(chǎn)生的光生載流子將有一定概率觸發(fā)雪崩擊穿，雪崩擊穿后的光電轉(zhuǎn)換增益可達(dá)IO5~107。由于每一個APD單元具有完全相同的結(jié)構(gòu)和淬滅電阻，在發(fā)生雪崩時，雪崩放電的增益，即輸出信號的幅度均相同。當(dāng)光強(qiáng)較弱時，MPPC總`的輸出信號幅度正比與同時發(fā)生雪崩擊穿的Aro單元的數(shù)目，可在示波器上看到雪崩脈沖有清晰的倍數(shù)層次關(guān)系，由于這種器件可像光電倍增管一樣進(jìn)行單光子探測，所以也被稱作娃光電倍增器(Silicon Photomultiplier, SiPM)。
[0005]MPPC具有比光電倍增管好得多的光子數(shù)分辨能力、無需工作在低溫下、結(jié)實(shí)耐用、不易曝光、體積小、易于集成、工作電壓低、不受磁場干擾、可靠性好、成本低廉，在高能物理、天體物理、核醫(yī)學(xué)成像及生命科學(xué)等很多弱光信號的檢測領(lǐng)域已經(jīng)成為PMT的替代品，并有望全面取代PMT。利用MPPC作為光子數(shù)分辨系統(tǒng)的光子探測器有好的應(yīng)用前景。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置，能繪制出脈沖高度分布譜進(jìn)行光子數(shù)分辨，還能根據(jù)脈沖高度分布譜與脈沖計(jì)數(shù)換算出入射光子數(shù)。
[0007]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是，基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置，包括有多像素光子計(jì)數(shù)器，多像素光子計(jì)數(shù)器通過同軸電纜依次與電荷靈敏前置放大器、主放大器連接，電荷靈敏前置放大器通過同軸電纜連接有電壓源，主放大器通過同軸電纜分別連接有示波器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，多像素光子計(jì)數(shù)器通過光纖依次與光衰減器、短脈沖光源發(fā)射裝置、門和延遲產(chǎn)生器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器連接，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器通過同軸電纜與微型計(jì)算機(jī)連接。
[0008]本實(shí)用新型的特點(diǎn)還在于，
[0009]多像素光子計(jì)數(shù)器的型號為S10362-11-025U。
[0010]電壓源為高電壓低紋波穩(wěn)壓電源，型號為Model3002。
[0011]光衰減器為標(biāo)準(zhǔn)FC可調(diào)式光纖法蘭盤；光纖為FC/PC多模光纖。
[0012]示波器的型號為TDS1012。
[0013]電荷靈敏前置放大器的型號為142A。
[0014]主放大器的型號為673。
[0015]模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的型號為Multiport II。
[0016]短脈沖光源裝置為F1DL-SOOD半導(dǎo)體皮秒激光器。
[0017]門和延遲產(chǎn)生器型號為416A。
[0018]本實(shí)用新型的有益效果在于:
[0019]I)本實(shí)用新型的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置中采用了多像素光子計(jì)數(shù)器，具有光子數(shù)分辨能力強(qiáng)、無需低溫制冷，在常溫下即可分辨光子數(shù)、操作安全、結(jié)實(shí)耐用、體積小、易于集成、工作電壓低、不受磁場干擾、可靠性好、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)；
[0020]2)本實(shí)用新型的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置可直接繪制出脈沖高度分布譜進(jìn)行光子數(shù)分辨，還能根據(jù)脈沖高度分布譜與脈沖計(jì)數(shù)換算出入射光子數(shù)，測量速度快，使用起來非常方便；
[0021]3)本實(shí)用新型的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置適用范圍廣，尤其適用于需要準(zhǔn)確得知脈沖光子數(shù)的場合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本實(shí)用新型的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置的示意圖；
[0023]圖2是利用本實(shí)用新型的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置測出的脈沖高度分布譜。
[0024]圖中，1.多像素光子計(jì)數(shù)器，2.電壓源，3.光衰減器，4.示波器，5.電荷靈敏前置放大器，6.主放大器，7.模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，8.短脈沖光源發(fā)射裝置，9.門和延遲產(chǎn)生器，10.微型計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0026]本實(shí)用新型的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)包括有多像素光子計(jì)數(shù)器1，多像素光子計(jì)數(shù)器I通過同軸電纜依次與電荷靈敏前置放大器5、主放大器6連接，電荷靈敏前置放大器5通過同軸電纜連接有電壓源2，主放大器6通過同軸電纜分別連接有示波器4和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器7，多像素光子計(jì)數(shù)器I通過光纖依次與光衰減器3、短脈沖光源發(fā)射裝置8、門和延遲產(chǎn)生器9、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器7連接，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器7通過數(shù)據(jù)連接線與微型計(jì)算機(jī)10連接。
[0027]多像素光子計(jì)數(shù)器I (MPPC)的型號為S10362-11-025U，為日本濱松公司(Hamamastu)生產(chǎn)。
[0028]電壓源2為高電壓低紋波穩(wěn)壓電源，型號為Model3002, Canberra, Inc.。
[0029]光衰減器3為標(biāo)準(zhǔn)FC可調(diào)式光纖法蘭盤。
[0030]示波器4 的型號為 TDS1012，Tektronix Inc.。
[0031]電荷靈敏前置放大器5的型號為142A，Canberra, Inc.。
[0032]主放大器6 的型號為 673, Canberra, Inc.。
[0033]模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器7 (Analog to Digital Converter, ADC)的型號為 MultiportII, Canberra, Inc.。
[0034]短脈沖光源裝置8為TOL-SOOD半導(dǎo)體皮秒激光器，生產(chǎn)于美國頤光科技公司。
[0035]門和延遲產(chǎn)生器9型號為416A, Canberra, Inc.。
[0036]光纖型號為FC/PC多模光纖。
[0037]微型計(jì)算機(jī)10即PC機(jī)。
[0038]本實(shí)用新型的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置的工作原理是:
[0039]將多像素光子計(jì)數(shù)器I通過電荷靈敏前置放大器8加偏壓，使多像素光子計(jì)數(shù)器I工作在蓋革模式；
[0040]短脈沖光源裝置8發(fā)出的光經(jīng)過光衰減器3強(qiáng)烈衰減至單光子量級后，通過光纖耦合至多像素光子計(jì)數(shù)器1，多像素光子計(jì)數(shù)器I產(chǎn)生的雪崩脈沖電信號經(jīng)電荷靈敏前置放大器放大后，再通入主放大器6進(jìn)行整形和放大；從主放大器6輸出的信號一路通入示波器4進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)和波形監(jiān)測，另一路通入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器7進(jìn)行脈沖幅度分析，同時進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，最后由微型計(jì)算機(jī)10進(jìn)行實(shí)時的數(shù)據(jù)分析，既能繪制出脈沖高度分布譜進(jìn)行光子數(shù)分辨，又能根據(jù)分布譜和脈沖計(jì)數(shù)換算出入射光子數(shù)。
[0041]圖2即為利用本實(shí)用新型的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置測出的脈沖高度分布譜，由圖2可以看出，單個光電子峰清晰可辨，可清晰分辨出12個光電子峰，說明本實(shí)用新型的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置具有優(yōu)秀的光子數(shù)分辨能力。圖2中，p.e.是photon equivalent光子等效的縮寫,表示等效光子數(shù)。
【權(quán)利要求】
1.基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，包括有多像素光子計(jì)數(shù)器(1)，所述多像素光子計(jì)數(shù)器(I)通過同軸電纜依次與電荷靈敏前置放大器(5)、主放大器(6)連接，所述電荷靈敏前置放大器(5)通過同軸電纜連接有電壓源(2)，所述主放大器(6 )通過同軸電纜分別連接有示波器(4 )和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(7 )，所述多像素光子計(jì)數(shù)器(I)通過光纖依次與光衰減器(3)、短脈沖光源發(fā)射裝置(8)、門和延遲產(chǎn)生器(9)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(7 )連接，所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(7 )通過同軸電纜與微型計(jì)算機(jī)(10 )連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，所述多像素光子計(jì)數(shù)器(I)的型號為S10362-11-025U。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，所述電壓源(2)為高電壓低紋波穩(wěn)壓電源，型號為Model3002。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，所述光衰減器(3)為標(biāo)準(zhǔn)FC可調(diào)式光纖法蘭盤；所述光纖為FC/PC多模光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，所述示波器(4)的型號為TDS1012。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，所述電荷靈敏前置放大器(5)的型號為142A。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，所述主放大器(6)的型號為673。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(7)的型號為Multiport II。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，所述短脈沖光源裝置(8)為TOL-SOOD半導(dǎo)體皮秒激光器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多像素光子計(jì)數(shù)器的光子數(shù)分辨與計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，所述門和延遲產(chǎn)生器(9)型號為416A。
【文檔編號】G01J1/42GK203385483SQ201320487868
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年8月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月9日
【發(fā)明者】張國青, 劉麗娜, 宋立勛, 朱長軍, 劉漢臣, 張英堂, 翟學(xué)軍 申請人:西安工程大學(xué)