CN104677511B - 一种具有阀值自动控制功能的单光子计数鉴别器电路 - Google Patents

Abstract

本发明的具有阀值自动控制功能的单光子计数鉴别器电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、变阻器W1，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、二极管D1、比较器IC1和运算放大器IC2。电阻R1、电阻R3、电容C1、电容C4、电容C5、电容C6、比较器IC1和变阻器W1组成阀值可调的比较器。电阻R2、电阻R4、电阻R5、二极管D1、电容C2、电容C3和运算放大器IC2组成动态调节比较器比较阀值的积分电路。本发明利用积分电路对鉴别器输岀的噪声触脉冲进行积分，并根据积分值对比较器的比较阀值进行实时动态调整，使***获得最佳探测灵敏度。本发明具有结构简单、成本低、功耗小、实时控制性好等优点，可有效减少***环境变化的影响。

Description

一种具有阀值自动控制功能的单光子计数鉴别器电路

技术领域

本发明涉及一种具有阀值自动控制功能的单光子计数鉴别器电路。

背景技术

单光子探测技术是一种极微弱光探测技术，在高分辨光谱测量、生物发光、量子通信、大气污染检测、非破坏性物质分析、放射探测、天文测光、光时域反射、光纤分布传感等领域有着广泛的应用。单光子探测技术采用的光电接收器件主要有光电倍增管、雪崩光电二极管以及超导纳米线单光子探测器件。在采用这些光电接收器件的单光子探测***中，噪声脉冲会产生伪计数，从而对***的探测灵敏度造成影响。单光子探测***的伪计数主要来源于暗计数和后脉冲计数。暗计数主要来源于热激发、隧道贯穿和掺杂缺陷处的势阱，热激发会使电子从满带跃迁到空带，同时会在满带中产生空穴，这些电子空穴经雪崩倍增后，会产生伪计数，即所谓的暗计数。后脉冲和信号光子有关系，由于光电器件的掺杂缺陷处形成势阱，在雪崩信号期间势阱捕获到载流子并在后续时间释放出来，在下一个雪崩电压脉冲触发时可能触发雪崩信号，造成伪计数。

对于后脉冲计数，***可以通过增加雪崩脉冲电压的触发间隔来消除，当雪崩脉冲电压的触发间隔应足够大（几µs以上），后脉冲计数的影响就很小了，***的伪计数主要取决于暗计数。传统降低暗计数的方法主要是通过采用致冷技术降低光电器件的温度来实现，但这无疑会增加***的功耗、成本和体积。另一种方法是通过给单光子探测***中的鉴别器电路设定一个固定的最佳比较阀值来获得最佳暗计数脉冲发生率，以获得最佳的探测灵敏度。但由于***的暗噪声状态会随环境状况的变化而变化，这就意味着比较阀值也需根据不同的噪声状态作相应的实时调整，因此，固定阀值法显然是无法满足这一要求的。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、成本低、具有阀值自动控制功能的单光子计数鉴别器电路。

本发明的具有阀值自动控制功能的单光子计数鉴别器电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、变阻器W1，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、、电容C5、电容C6、二极管D1、比较器IC1和运算放大器IC2；电容C5的一端为输入端，另一端与比较器IC1的正相端相连，电容C1和电容C4并联后的一端与比较器IC1的电源端及电阻R1的一端共同连接直流电源，电容C1和电容C4并联后的另一端与地相连，电阻R1的另一端与变阻器W1的一端、变阻器W1的可变端、电容C6的一端以及电阻R5的一端相连后再与比较器IC1的反相端相连，变阻器W1的另一端以及电容C6的另一端和比较器IC1的接地端均与地相连，电阻R3的一端与电阻R2的一端及比较器IC1的输出端相连，电阻R3的另一端为输出端，电阻R2的另一端与二极管D1的正相端相连，电阻R4和电容C2并联后的一端与二极管D1的反相端以及运算放大器IC2的正相端相连，电阻R4和电容C2并联后的另一端、电容C3的一端以及运算放大器IC2的接地端均与地相连，运算放大器IC2的反相端与运算放大器IC2的输岀端以及电阻R5的另一端相连，电容C3的另一端与运算放大器IC2的电源端相连后与直流电源相连。

本发明的有益效果在于：

本发明的具有阀值自动控制功能的单光子计数鉴别器电路利用合适的积分电路对鉴别器输岀的噪声计数脉冲进行积分，并根据积分值对鉴别器的比较阀值进行实时动态调整，从而使***获得最佳信噪比。该本发明和传统的致冷技术相比，具有结构简单、成本低、功耗小等优点；和传统的固定阀值法相比，本发明电路实时控制性好，可有效减少***环境变化的影响，使***获得最佳探测灵敏度。在探测环境严劣，噪声计数比例高的情况下，该发明产生的效果尤其显著。

附图说明

图1是本发明的具有阀值自动控制功能的单光子计数鉴别器电路原理图。

图2是本发明在单光子探测器***中应用原理框图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

参照图1，本发明的具有阀值自动控制功能的单光子计数鉴别器电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、变阻器W1，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、、电容C5、电容C6、二极管D1、比较器IC1和运算放大器IC2；电容C5的一端为输入端IN，另一端与比较器IC1的正相端相连，电容C1和电容C4并联后的一端与比较器IC1的电源端及电阻R1的一端共同连接直流电源Vcc，电容C1和电容C4并联后的另一端与地相连，电阻R1的另一端与变阻器W1的一端、变阻器W1的可变端、电容C6的一端以及电阻R5的一端相连后再与比较器IC1的反相端相连，变阻器W1的另一端以及电容C6的另一端和比较器IC1的接地端均与地相连，电阻R3的一端与电阻R2的一端及比较器IC1的输出端相连，电阻R3的另一端为输出端OUT，电阻R2的另一端与二极管D1的正相端相连，电阻R4和电容C2并联后的一端与二极管D1的反相端以及运算放大器IC2的正相端相连，电阻R4和电容C2并联后的另一端、电容C3的一端以及运算放大器IC2的接地端均与地相连，运算放大器IC2的反相端与运算放大器IC2的输岀端以及电阻R5的另一端相连，电容C3的另一端与运算放大器IC2的电源端相连后与直流电源Vcc相连。

图1中，IN为信号输入端，在使用时和单光子探测***的放大器的输出端相连。电容C5为隔直电容，用于隔离直流信号。电阻R1和变阻器W1组成分压网络，为比较器IC1的反相输出端提供可调的初始比较电压。电容C6用于滤除比较器IC1反相端的交流信号。电容C1和电容C4组成的并联网络主要为比较器的电源端提供一个良好的交流接地通道，以防止地线反弹信号以及其它噪声的干扰。电阻R3作为比较器的输出隔离电阻。在使用时，输岀端OUT需和单光子探测***中的计数器输入端相连。电阻R2、二极管D1、电容C2、电阻R4和运算放大器IC2组成一个积分电路，该积分电路可对比较器IC2输出的计数触发脉冲信号进行积分，并输出和噪声脉冲发生率大小相关的电压值，经匹配电阻R5送给比较器IC1的反相端，以实时改变比较器IC1的反相端的比较阀值电压Vc，使鉴别器输出一个最佳的噪声脉冲发生率，使***获得最佳探测灵敏度。运算放大器IC2组成一个跟随器，主要起缓冲作用。电容C3主要为跟随器的电源端提供一个良好的交流接地通道，以防止地线反弹信号以及其它噪声的干扰。

比较器IC1可采用高速集成比较器，如Maxim公司生产的MAX9600、MAX913等，可根据整个***的速度响应要求选择合适的型号。运算放大器IC2可采用高速运算放大器，如National公司生产的LMH6624，也可根据单光子探测***的工作频率要求选取性价比最好的型号。二极管D1采用快速肖特基二极管，如MUR160等。电容C2应采用高稳定、低分布参数的高速瓷片电容。电容C1、电容C3应采用低分布参数的高速瓷片电容，取值为0.1µF左右，也可用多个并联的高速瓷片电容取代。电容C4应采用钽电容，取值为10µF左右。直流电源Vcc的值可视所采用的集成电路的不同而取，一般为3.3V或5V。为了减少器件分布电感的影响，所用器件尽量采用小尺寸的表面贴封装。在制作印刷电路板时，为尽量少减小电路板分布参数的影响，应遵循快速电路设计原则设计印刷电路板，如：元器件的布置应尽量紧凑，器件间的引线应尽量短，应设置大面积的地线等。

下面结合图2进一步阐述本发明的具有阀值自动控制功能的单光子计数鉴别器电路的工作原理。图2是一种采用雪崩光电二极的单光子探测***，为了提高雪崩二极管的雪崩增益，提高探测灵敏度，该***的雪崩光电二极管APD处于盖革模式（Geiger mode）下，即反向偏置电压高于雪崩电压的工作方式。在偏置电压高于雪崩电压期间，有效单光子将触发APD产生雪崩信号，为了探测下一个光子，必须将偏置电压降低到雪崩电压以下，使雪崩二极管恢复到初始状态。这种工作模式不仅可以提高雪崩二极管的寿命，而且可有效减少暗计数。在图2***中，当有效单光子未到达时， APD的偏置电压由直流偏置电压提供，该直流偏置电压低于APD的雪崩电压，此时APD处于低灵敏的初始状态。当有效单光子到达时，计算机控制***CPU向脉冲偏置电压发出一个触发信号，触发脉冲偏置电压向APD发出一个脉冲电压，使APD处于过雪崩电压状态，从而使APD在有效单光子触发下产生雪崩脉冲信号，该雪崩脉冲信号经放大器放大，送给比较器IC1的正相端，使比较器输出一个数字计数触发脉冲信号并经电阻R3送给计数器，计数器对每次收到的计数触发脉冲进行累加计数并将最终的结果送给CPU，CPU将计数器最终的累加计数值除以总的过雪崩触发次数，获得有效光子的捕获概率并根据概率大小来进行测量结果分析。在图2***中，电阻R2、二极管D1、电容C2、电阻R4、运算放大器IC2组成一个积分电路，该积分电路可对比较器IC2输出的计数触发脉冲信号进行积分，并输出和噪声脉冲发生率大小相关的电压值，当噪声脉冲发生率过大时，积分器输出的电压值也大，使比较器IC1的反相端的比较阀值电压Vc也变大，从而抑制了噪声脉冲发生率的变大。反之，当噪声脉冲发生率过小时，积分器输出的电压值变小，使比较器IC1的反相端的比较阀值电压Vc也变小，以便有更多的有效单光子信号脉冲通过。该积分器通过实时调整比较器比较阀值的方法，使***能克服环境变化的影响，获得最佳探测灵敏度。在***探测环境严劣，噪声计数比例高的情况下，该发明的鉴别器电路产生的效果尤其显著。

在由电阻R2、二极管D1、电容C2、电阻R4、运算放大器IC2组成的积分电路中，电阻R2、二极管D1、电容C2组成充电回路，其充电时间常数约为R2×C2,电容C2、电阻R4组成放电回路，其放电时间常数为R4×C2。为了使比较器IC1的比较阀值Vc能获得一个最佳动态值。充电常数和放电常数的正确取值非常重要，通常充电常数应远低于放电常数，其比值应视***状况而定，若噪声脉冲的典型脉宽为３０ｎｓ左右，而相对于最佳的探测灵敏度，噪声脉冲的产生平均时间间隔为４ｍｓ左右，放电常数与充电常数的比值大约取150左右。

Claims (1)

1.一种具有阀值自动控制功能的单光子计数鉴别器电路，其特征是包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、变阻器W1，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、二极管D1、比较器IC1和运算放大器IC2；电容C5的一端为输入端IN，另一端与比较器IC1的正相端相连，电容C1和电容C4并联后的一端与比较器IC1的电源端及电阻R1的一端共同连接直流电源Vcc，电容C1和电容C4并联后的另一端与地相连，电阻R1的另一端与变阻器W1的一端、变阻器W1的可变端、电容C6的一端以及电阻R5的一端相连后再与比较器IC1的反相端相连，变阻器W1的另一端以及电容C6的另一端和比较器IC1的接地端均与地相连，电阻R3的一端与电阻R2的一端及比较器IC1的输出端相连，电阻R3的另一端为输出端OUT，电阻R2的另一端与二极管D1的正相端相连，电阻R4和电容C2并联后的一端与二极管D1的反相端以及运算放大器IC2的正相端相连，电阻R4和电容C2并联后的另一端、电容C3的一端以及运算放大器IC2的接地端均与地相连，运算放大器IC2的反相端与运算放大器IC2的输岀端以及电阻R5的另一端相连，电容C3的另一端与运算放大器IC2的电源端相连后与直流电源Vcc相连。