CN104697646B - 一种具有暗计数脉冲辨别力的单光子计数鉴别器电路 - Google Patents

Abstract

本发明的具有暗计数脉冲辨别力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、变阻器W1，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、二极管D1、电子开关K1、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、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、二极管D1、电子开关K1、电容C3和运算放大器IC2组成计数触发脉冲积分电路。本发明通过对计数触发脉冲脉宽大小的判别来辨别暗计数脉冲，从而有效减少了单光子探测***的暗计数。和传统致冷技术相比，本发明具有结构简单、成本低、功耗小的优点。

Description

一种具有暗计数脉冲辨别力的单光子计数鉴别器电路

技术领域

本发明涉及一种具有暗计数脉冲辨别力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，暗计数是其重要的噪声来源，降低暗计数是单光子探测***提高探测灵敏度的重要手段。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。

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。在单光子探测***中的信号处理电路中，也可以通过增加鉴别器的比较阀值来降低暗计数，但前提是该阀值必须保证让信号脉冲通过，并且要留有余量，因此该方法只能去除一些小幅度的暗计数脉冲。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、成本低、具有暗计数脉冲辨别力的单光子计数鉴别器电路。

本发明的具有暗计数脉冲辨别力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、变阻器W1，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、、电容C5、二极管D1、电子开关K1、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的可变端以及比较器IC1的反相端相连，变阻器W1的另一端及比较器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的另一端为第一输出端，电阻R2的另一端与二极管D1的正相端相连，电阻R4、电容C2、电子开关K1组成并联网络，该并联网络的一端与二极管D1的反相端以及运算放大器IC2的正相端相连，并联网络的另一端与地相连，电子开关K1的控制端为控制信号连接端，运算放大器IC2的反相端与运算放大器IC2输岀端相连，该连接点为第二输出端，运算放大器IC2的电源端与电容C3的一端共同接直流电源，电容C3的另一端及运算放大器IC2的接地端均与地相连。

本发明的有益效果在于：

本发明的具有暗计数脉冲辨别力的单光子计数鉴别器电路根椐暗计数脉冲的脉冲宽度具有随机性，而单光子信号脉冲宽度相对稳定这一特点，利用相应的积分电路获得对应计数触发脉冲脉宽大小的数值，并结合计算机***来对数值大小范围进行判断，从而实现对暗计数脉冲的辨别，有效减少了单光子探测***的暗计数值，提高***的信噪比，使***获得更高的探测灵敏度。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。

附图说明

图1是本发明的具有暗计数脉冲辨别力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，本发明的具有暗计数脉冲辨别力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、变阻器W1，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、、电容C5、二极管D1、电子开关K1、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的可变端以及比较器IC1的反相端相连，变阻器W1的另一端及比较器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的另一端为第一输出端OUT1，电阻R2的另一端与二极管D1的正相端相连，电阻R4、电容C2、电子开关K1组成并联网络，该并联网络的一端与二极管D1的反相端以及运算放大器IC2的正相端相连，并联网络的另一端与地相连，电子开关K1的控制端为控制信号连接端CONTROL，运算放大器IC2的反相端与运算放大器IC2输岀端相连，该连接点为第二输出端OUT2，运算放大器IC2的电源端与电容C3的一端共同接直流电源Vcc，电容C3的另一端及运算放大器IC2的接地端均与地相连。

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比较电压。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，第一输岀端OUT1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、电子开关K1和运算放大器IC2组成一个放电可控的积分电路，该积分电路可对比较器IC2输出的计数触发脉冲信号进行充电，并在电容C2中保存和输岀脉冲脉宽相对应的电压值，运算放大器IC2组成一个跟随器，该跟随器的输出端作为第二输出端OUT2，在使用时需和单光子探测***中的模数转换器的输入端相连，跟随器是个缓冲环节，主要起将电容C2的电压值传送给模数转换器的作用。电子开关K1的控制端CONTROL在使用时需和单光子探测***中的计算机控制***CPU的控制输出端相连，当单光子探测***中的模数转换器完成对跟随器输出电压值的数据转换后，CPU***发出一个高电平控制信号将电子开关K1导通，此时电容C2将过电子开关K1向地端快速放电，当电容C2放电完成后，CPU***又发出一个低电平信号将电子开关K1关闭，电容C2此时处于电荷清零状态，并等待下一个计数触发脉冲充电过程。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。电子开关可选择快速电子开关集成电路，如CD4066，也可用快速N沟道场效应管取代。电容C2应采用高稳定、低分布参数的高速瓷片电容。电容C3、电容C1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暗计数脉冲辨别力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。为了给APD有足够的恢复时间并抑制后脉冲（after pulse，由于雪崩二极管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。）的影响，雪崩脉冲电压的触发间隔应足够大，一般在在几µs以上。因此，当雪崩脉冲电压的触发间隔应足够大时，后脉冲的影响就很小了。计数器计数触发主要由两种脉冲引起，一种是有效单光子信号脉冲，一种是暗计数脉冲。由于暗计数脉冲来源于噪声，其脉冲宽度具有随机性，而有效单光子信号脉冲的宽度则相对稳定，因此可通过计数触发脉冲的脉宽大小来判别是否是有效单光子信号脉冲。图2中由电阻R2、二极管D1、电容C2、电阻R4、电子开关K1和运算放大器组成的放电可控积分电路就是起到这样的判别作用。当比较器输出计数触发脉冲时，计数触发脉冲经电阻R2、二极管D1向电容C2充电，C2获得和计数触发脉冲宽度大小相对应的电压值，该电压经运算放大器IC2组成的跟随器送给模数转换器将模拟电压值转换成数字量后送给CPU，CPU判断该数值是否处于对应有效单光子脉冲宽度的有效数值范围，是的话就将本次计数记为有效，否的话就记为无效，最终CPU将计数器的累加计数值减去累加无效计数值作为最终计数值，从而大大减少了暗计数的影响。

在由电阻R2、二极管D1、电容C2、电阻R4和电子开关K1组成的放电可控积分电路中，电阻R2、二极管D1和电容C2组成充电回路，其充电时间常数为R2×C2,其取值应至少大于最大的有效单光子触发脉冲的上升沿，以防止电容C2的电压值在有效单光子触发脉冲充电时即产生饱和。电容C2和电阻R4在电子开关K1关闭期间组成一个缓慢的放电回路，其放电时间常数为R4×C2，其取值应远大于R2×C2，从而保证C2能保持足够的电压值供模数转换器读取。

Claims (1)

1.一种具有暗计数脉冲辨别力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、变阻器W1，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、二极管D1、电子开关K1、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的可变端以及比较器IC1的反相端相连，变阻器W1的另一端及比较器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的另一端为第一输出端OUT1，电阻R2的另一端与二极管D1的正相端相连，电阻R4、电容C2、电子开关K1组成并联网络，该并联网络的一端与二极管D1的反相端以及运算放大器IC2的正相端相连，并联网络的另一端与地相连，电子开关K1的控制端为控制信号连接端CONTROL，运算放大器IC2的反相端与运算放大器IC2输岀端相连，相应的连接点为第二输出端OUT2，运算放大器IC2的电源端与电容C3的一端共同接直流电源Vcc，电容C3的另一端及运算放大器IC2的接地端均与地相连。