CN106768318A - 单光子探测*** - Google Patents
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Abstract
本公开是关于一种单光子纳秒时间分辨探测***，该单光子探测***包括：APD探测模块，用于对X射线单光子信号进行探测并输出探测信号；前置放大模块，用于接收所述APD探测模块输出的所述探测信号并对所述探测信号进行放大后输出；以及时间测量及读出模块，用于接收所述前置放大模块输出的探测信号和包括一起始点的触发信号，以及用于测量接收到的所述探测信号与所述起始点的时间间隔并将所述时间间隔输出。本公开在提高了单光子探测***的集成度和灵活性的同时，实现了对触发信号之后的连续X射线光子的高效率探测。
Description
技术领域
本公开涉及核探测和核电子学技术领域，具体而言，涉及一种单光子纳秒时间分辨探测***。
背景技术
时间分辨X射线衍射是探测原子动态过程和生物大分子瞬态结构的有力手段，例如，可以在皮秒时间尺度提供晶格间距为毫埃级的微小变化，可以在亚皮秒的时间尺度直接观测晶体内的相干声子散射和晶体的超快熔化过程。时间分辨光谱技术是研究原子、分子和凝聚态物质的激发动力学，特别是研究发光动力学的有力工具，具体的，可以提供不同中心间的相互作用与激发能的转移以及去激发的通道等重要信息；可以跟踪光物理、光化学和光生物学的快速变化过程；可以结合荧光量子产额，由寿命可得到激发态动力学的重要参数，如激发态辐射跃迁与所有去激发的一切无辐射跃迁的速率常数，测定能量转移和分子内或分子间活性基团间的距离、相互作用、二聚物或络合物的形成；可以结合荧光偏振光谱学推测生物大分子的形状、大小以及在溶液中的转动弛豫时间等；可以分析激发态的势能曲线、振动弛豫、能量传递和发光起源等。总之，时间分辨实验应用十分广泛。而所有同步辐射时间分辨实验中最核心的设备之一是时间分辨探测器。此外，实现纳秒(ns)量级的时间分辨探测是同步辐射实验方法一直追求的目标。X射线纳秒时间分辨的单光子探测***是X射线分辨实验的关键***，其性能决定了时间分辨实验的精度。
现有的X射线纳秒时间分辨探测***是基于雪崩光电二极管(APD)和核电子学机箱插件(NIM插件***)实现的。该***结构复杂，集成度低，功能简单，无法实现多元或者阵列***的集成和优化。另外基于核电子学插件完成的探测***，受电子学时间测量电路的限制，在一个时间探测周期内，只能够实现单事例的探测。例如目前美国先进光源(APS)核共振散射实验站使用的时间分辨探测***，只能对时间测量触发信号后的一个光子进行探测，如果多光子到达探测***，只记录第一个光子，其他光子被忽略。
鉴于此，需要提供一种新的单光子探测***。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种单光子探测***，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
根据本公开的一个方面，提供一种单光子探测***，包括：
APD探测模块，用于对X射线单光子信号进行探测并输出探测信号；
前置放大模块，用于接收所述APD探测模块输出的所述探测信号并对所述探测信号进行放大后输出；以及
时间测量及读出模块，用于接收所述前置放大模块输出的探测信号和包括一起始点的触发信号，以及用于测量接收到的所述探测信号与所述起始点的时间间隔并将所述时间间隔输出。
在本公开的一种示例性实施例中，所述APD探测模块包括单管APD探测器或阵列APD探测器。
在本公开的一种示例性实施例中，所述APD探测模块还包括提供APD工作所需电压的电源电路；其中，所述电源电路和所述前置放大模块的电路板以分槽隔开的方式设置在一屏蔽盒内。
在本公开的一种示例性实施例中，所述前置放大模块包括：
多个放大器，用于对所述APD探测模块输出的所述探测信号进行逐级放大；以及
多个π型电阻网络，所述多个π型电阻网络中的每一个π型电阻网络均连接于两个相邻的所述放大器之间。
在本公开的一种示例性实施例中，所述时间测量及读出模块包括：
运算放大器，用于接收所述前置放大模块输出的探测信号，并且调节所述前置放大模块输出的探测信号的极性和大小后输出；
甄别器，用于接收所述运算放大器输出的探测信号，并且甄别所述运算放大器输出的探测信号的脉冲前沿；以及
时间数字转换器，用于接收所述甄别器输出的探测信号以及包括所述起始点的所述触发信号，并且测量所述甄别器输出的探测信号的脉冲前沿与所述起始点之间的时间间隔。
在本公开的一种示例性实施例中，通过FPGA多相位时钟方法实现所述时间数字转换器。
在本公开的一种示例性实施例中，所述时间测量及读出模块还包括：
锁相环，用于接收所述触发信号，并对所述触发信号进行倍频后生成用于检测所述甄别器输出的探测信号的脉冲前沿的多个时钟信号，并且配置所述多个时钟信号之间的相位差，使得所述多个时钟信号中相邻两个时钟信号的脉冲前沿相差的时间不大于1ns；
其中，所述测量接收到的所述探测信号与所述起始点的时间间隔包括将根据所述触发信号的计数结果获取的时间与通过所述时钟信号检测的时间结合，以实现对所述甄别器输出的探测信号的脉冲前沿与所述起始点之间的时间间隔的测量。
在本公开的一种示例性实施例中，所述多个时钟信号为4个相位差为90度的时钟信号。
在本公开的一种示例性实施例中，所述触发信号的频率不小于125MHz。
在本公开的一种示例性实施例中，所述时间测量及读出模块还包括：
先入先出存储器，用于存储测量出的时间间隔并将存储的时间间隔传送至上位机。
在本公开的一些实施例所提供的技术方案中，通过将单光子探测***配置成包括APD探测模块、前置放大模块以及时间测量及读出模块，在提高了单光子探测***的集成度和灵活性的同时，一方面，将APD作为X射线光子探测的传感器，可以获得快速的时间响应；另一方面，通过配置前置放大模块，提高了单光子信号的信噪比，从而确保了时间定位的精确性；再一方面，通过配置时间测量及读出模块，可以实现一时间起始点后连续光子信号的时间记录。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的单光子探测***的模块框图；
图2示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的APD探测模块10和前置放大模块20的电路图；
图3示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的APD探测模块10的电源电路的电路板和前置放大模块20的电路板的装配示意图；
图4示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的进行时间测量的逻辑关系图；
图5示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的时间测量及读出模块30的电路图；以及
图6示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的时间测量及读出模块30的工作流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
图1示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的单光子探测***的模块框图。
参考图1，根据本公开的示例性实施方式的单光子探测***可以包括APD探测模块10、前置放大模块20和时间测量及读出模块30。其中，APD探测模块10可以对X射线单光子信号进行探测并输出一探测信号；前置放大模块20的输入端与APD探测模块10的输出端耦接，可以用于接收APD探测模块10输出的探测信号并对该探测信号进行放大；时间测量及读出模块30的输入端与前置放大模块20的输出端耦接，可以用于接收前置放大模块20输出的探测信号和包括一起始点的触发信号，以及可以用于测量接收到的所述探测信号与所述起始点的时间间隔并将所述时间间隔输出。
通过配置APD探测模块10，一方面，可以获得快速的时间响应性能，另一方面，由于半导体器件制造工艺的特点，可以显著提高***的集成度，以便于将探测模块制造成具有多个探测单元或阵列式探测单元；通过配置前置放大模块20，将APD探测模块10的输出信号进行高速放大，可以保证光子信号的时间信息，从而提高时间定位的精确性和信噪比；通过配置时间测量及读出模块30，可以实现一时间起始点后连续光子信号的时间记录。
然而，本示例性实施方式还可以包括有助于提高单光子探测***性能的其他模块，并且这些模块之间的连接关系可以变化，本示例性实施方式中对此不做特殊限定。
图2示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的APD探测模块10和前置放大模块20的电路图。
参考图2，APD探测模块10可以包括APD探测器以及提供APD探测器工作所需电压的电源电路。根据本公开的一些实施例，APD探测器可以用于将入射到APD探测器上的X射线单光子电离，以生成电子空穴对，所述电子空穴对在电场下运动而形成一探测信号。所述APD探测器可以是单管APD探测器或由单管APD探测器构成的阵列APD探测器。并且所述APD探测器的制造方法可以包括公知的半导体制造技术，本示例性实施方式中对此不做特殊限定。
在本公开的示例性实施方式中，前置放大模块20可以包括三个放大器21以及两个π型电阻网络22。举例而言：
放大器21可以例如是固定增益为20dB的带宽较大的放大器，在这种情况下，三个放大器21可以将X射线单光子(光子能量为5keV至20keV)的信号幅度放大至百毫伏量级，从而方便后续模块处理。此外，放大器21针对上升沿较快(1ns至5ns)的信号具有较好的跟随特性，能够保留信号的上升沿信息。
π型电阻网络22连接于两个相邻的放大器21之间，一方面，π型电阻网络22可以对输入输出阻抗进行匹配，另一方面，π型电阻网络22可以用于将两个相邻的放大器21隔离，从而有效地降低或消除两个放大器21之间可能产生的震荡。此外，π型电阻网络22仅造成小于1dB的增益衰减，由此，在基本不影响放大增益的情况下提高了电路的稳定性。
然而，本示例性实施方式中放大器21的数目也可以不限于三个，放大器21的增益也可以不限于20dB，考虑到具体所需的放大倍数、前后模块的匹配程度以及成本等因素，可以选择适当数目且增益合适的放大器21。
图3示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的APD探测模块10的电源电路的电路板和前置放大模块20的电路板的装配示意图。
参考图3，前置放大模块20的电路板a的背面可以整体覆铜作为地，并配置在一屏蔽盒d的一个槽内。同时，APD探测模块10的电源电路的电路板b可以配置在屏蔽盒d的另一槽内。因为提供APD探测器工作所需电压的电源电路的电压通常较高，所以通过将该电源电路的电路板b和前置放大模块20的电路板a分槽隔开，可以避免前置放大模块20与APD探测模块10之间的干扰，从而提高前置放大模块20的稳定性。
然而，根据本公开的另一些实施例，还可以使用例如屏蔽板c将APD探测模块10的电源电路的电路板与前置放大模块20的电路板a隔开，此外，屏蔽盒d的材料可以是铝，但不限于此，屏蔽盒d的材料还可以是其他起屏蔽作用的材料，本示例性实施方式中对此不做特殊限定。
图4示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的进行时间测量的逻辑关系图。
首先可以将一触发信号的起始点作为时间测量的零点。在本公开的示例性实施方式中，所述起始点可以是该触发信号的一个脉冲前沿，但本领域技术人员容易理解的是，该起始点还可以是该触发信号上的任一时刻对应的时间点，并不以本示例实施方式为限。
当所述起始点到来时，时间测量过程启动，在此之后，当时间测量及读出模块30接收到X射线光子信号时，可以测量出与该X射线光子信号对应的时间(例如，Δt1)。如果继续有X射线光子信号到达，则可以继续测量出与其对应的时间(例如，Δt2)，直至触发信号的下一个脉冲前沿到达为止，完成了一个周期的时间测量。此后，可以开始进行下一个周期的时间测量。例如，对于图4中Δt3对应的X射线光子信号的测量时间，本领域技术人员应当理解的是，该测量时间为Δt3与自起始点开始触发信号的周期计数对应的时间之和。将触发信号的周期计数对应的时间与在具体测量周期内所测量的时间结合，进而可以得到任一X射线光子信号的测量时间，确保对起始点之后的所有光子进行时间记录，从而可以解决丢失信号的问题。
图5示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的时间测量及读出模块30的电路图。
参考图5中所示，时间测量及读出模块30可以包括运算放大器31、甄别器32以及基于FPGA的时间数字转换器(TDC)33。
运算放大器31可以用于接收前置放大模块20输出的探测信号，并且调节接收到的探测信号的极性和大小，从而输出适于甄别器32甄别的探测信号。
甄别器32可以用于接收运算放大器31输出的探测信号，并且甄别运算放大器31输出的探测信号的脉冲前沿。
时间数字转换器33可以用于接收甄别器32输出的探测信号以及包括起始点的触发信号，并且测量甄别器32输出的探测信号的脉冲前沿与起始点之间的时间间隔。
在本公开的示例性实施方式中，时间数字转换器33可以通过FPGA多相位时钟方法来实现，基于FPGA的TDC的优点在于，可以在一FPGA芯片上实现几路、几十路甚至上百路的TDC，极大缩小了***的规模，提高了***的灵活性。然而，还可以存在多种实现时间数字转换器的方式，本示例性实施方式并不以此为限。
在FPGA多相位时钟方法中，例如可以通过锁相环(PLL)对触发信号进行倍频后生成用于检测甄别器输出的探测信号的脉冲前沿的多个时钟信号，并且配置所述多个时钟信号之间的相位差，使得所述多个时钟信号中相邻两个时钟信号的脉冲前沿相差的时间不大于1ns。此后，将根据触发信号的周期计数结果获取的时间与在所述时钟信号检测的时间结合，以实现对甄别器输出的探测信号的脉冲前沿与起始点之间的时间间隔的测量。此外，可以将该时间测量值存储至先入先出存储器(fifo)，再通过一通信协议传送至上位机。
另外，时间测量及读出模块30还可以包括数字模拟转换器(DAC)34，数字模拟转换器34可以用于对甄别器32的甄别幅值进行调整。此外，时间测量及读出模块30还可以包括一些***辅助单元，例如，电源单元、数据传输配置单元、模拟数字转换(ADC)单元等，这些单元作为时间测量及读出模块30的基本单元可以存在于探测***中。
下面将通过具体实施例并结合附图对本公开进行详细地描述。
参考图2，APD传感器可以选择Excelitas公司的C30703FH APD，该APD传感器的感光面积为10mm×10mm，能够对5keV至20keV的X射线光子具有较好的探测效率。为了保护APD传感器，APD传感器可以串联一个电阻Rb＝470kΩ，起到限流作用。
在前置放大模块20中，放大器21可以采用MINI Circuit公司的mar6+射频放大器，带宽可以从DC到2GHz，该射频放大器在1GHz工作频率以下的信号增益可以为20dB，满足纳秒级前沿信号的带宽需求。前置放大模块20还采用了π型电阻网络，其中，π型电阻网络可以包括电阻R1、R2和R3。虽然因为所述π型电阻网络存在信号小幅度衰减的问题导致牺牲了部分增益，但提高了***的稳定性。π型电阻网络对信号功率进行衰减必须阻抗匹配，否则会形成驻波或反射，具体的，π型电阻网络的输入端应与信号的输出阻抗匹配，输出端应与负载阻抗匹配。在此，输入阻抗和输出阻抗可以均为50Ω，则输入阻抗
Zin＝R2P(R1+R3P50Ω)＝50Ω
其中，R2和R3取相同的数值，由上式可得
π型电阻网络按照N dB进行衰减，则
其中，R1＝10Ω，R2＝R3＝300Ω，可以得到一级π型电阻网络的增益衰减量为0.28dB。由于mar6+射频放大器的增益为20dB，因此前置放大模块20的总增益约为59dB，整个前置放大模块20的增益基本不受π型电阻网络的影响。
参考图3，前置放大模块20的电路板a和APD探测模块10的电源电路的电路板b可以配置在屏蔽盒d的两个不同的槽中，避免了前置放大模块20与APD探测模块10之间的干扰，同时前置放大模块20的电路板a可以整体覆铜作为地，保证了良好的接地性能，使得APD探测器工作稳定，避免发生自激振荡。
如图5所示，前置放大模块20输出的信号被传送至运算放大器31，使得前置放大模块20输出的负信号脉冲在经过运算放大器31之后变成正信号脉冲。甄别器32在对该正信号脉冲进行甄别之后输出至时间数字转换器33。
根据本公开的一些实施例，PLL可以接收频率为125MHz的触发信号，并将该触发信号倍频至250MHz，将该250MHz的信号分成4个相位相差90°的时钟信号，每90°的相位差对应的时间为1ns。利用所述4个时钟信号对甄别器32输出的探测信号进行检测，可以实现纳秒级精度的检测。然后，可以将检测到的时间与125MHz的触发信号的周期计数结果获取的时间结合，完成对甄别器输出的探测信号的脉冲前沿与起始点之间的时间间隔的测量。
在本公开的示例性实施方式中，为满足纳秒级精度的时间测量，可以将触发信号的频率选取为125MHz，但本领域技术人员容易理解的是，125MHz仅是一示例性频率，该触发信号的频率可以为满足纳秒级时间精度的时间测量的任意频率，本公开不以此为限。
此外，测量所得到的时间间隔的值可以存储至FIFO(First Input First Outpu，先入先出队列)，再通过一通信协议传送至上位机。根据本公开的一些实施例，该通信协议可以是用户数据报协议(UDP)，但不限于此。另外，根据探测***的需要，该上位机可以是服务器，也可以是探测***的一中间信号处理单元，本示例性实施方式中对此不做特殊限定。
图6示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的时间测量及读出模块30的工作流程图。
参考图6，仍以触发信号的频率为125MHz为例进行说明，在起始点为触发信号的脉冲前沿的情况下，当起始点到来时，对一个周期内的8ns时间测量计数器(Counter_8ns)进行清零，开始新的周期时间计数。同时，由多相位1ns精度时间测量单元确定精度为1ns的测量时间。当由甄别器输出的信号的脉冲前沿到来时，多相位1ns精度时间测量单元测量该脉冲前沿与该脉冲前沿所处的触发信号的周期的起点之间的时间间隔Δtn，并将该时间间隔Δtn与8ns时间测量计数器对应的时间结合，从而得到测量结果，并将该测量结果输出至fifo，等待对该测量结果的读出。在触发信号的下一个脉冲前沿到来之前，8ns时间测量计数器不清零，以对本触发信号周期内下一个X射线光子信号的脉冲前沿进行时间测量。在这种情况下，TDC可以对起始点之后到来的所有光子信号进行时间测量，防止光子信号的丢失。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方式。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种单光子探测***，其特征在于，包括：
APD探测模块，用于对X射线单光子信号进行探测并输出探测信号；
前置放大模块，用于接收所述APD探测模块输出的所述探测信号并对所述探测信号进行放大后输出；以及
时间测量及读出模块，用于接收所述前置放大模块输出的探测信号和包括一起始点的触发信号，以及用于测量接收到的所述探测信号与所述起始点的时间间隔并将所述时间间隔输出。
2.根据权利要求1所述的单光子探测***，其特征在于，所述APD探测模块包括单管APD探测器或阵列APD探测器。
3.根据权利要求1所述的单光子探测***，其特征在于，所述APD探测模块还包括提供APD工作所需电压的电源电路；其中，所述电源电路和所述前置放大模块的电路板以分槽隔开的方式设置在一屏蔽盒内。
4.根据权利要求1所述的单光子探测***，其特征在于，所述前置放大模块包括：
多个放大器，用于对所述APD探测模块输出的所述探测信号进行逐级放大；以及
多个π型电阻网络，所述多个π型电阻网络中的每一个π型电阻网络均连接于两个相邻的所述放大器之间。
5.根据权利要求1所述的单光子探测***，其特征在于，所述时间测量及读出模块包括：
运算放大器，用于接收所述前置放大模块输出的探测信号，并且调节所述前置放大模块输出的探测信号的极性和大小后输出；
甄别器，用于接收所述运算放大器输出的探测信号，并且甄别所述运算放大器输出的探测信号的脉冲前沿；以及
时间数字转换器，用于接收所述甄别器输出的探测信号以及包括所述起始点的所述触发信号，并且测量所述甄别器输出的探测信号的脉冲前沿与所述起始点之间的时间间隔。
6.根据权利要求5所述的单光子探测***，其特征在于，通过FPGA多相位时钟方法实现所述时间数字转换器。
7.根据权利要求5所述的单光子探测***，其特征在于，所述时间测量及读出模块还包括：
锁相环，用于接收所述触发信号，并对所述触发信号进行倍频后生成用于检测所述甄别器输出的探测信号的脉冲前沿的多个时钟信号，并且配置所述多个时钟信号之间的相位差，使得所述多个时钟信号中相邻两个时钟信号的脉冲前沿相差的时间不大于1ns；
其中，所述测量接收到的所述探测信号与所述起始点的时间间隔包括将根据所述触发信号的计数结果获取的时间与通过所述时钟信号检测的时间结合，以实现对所述甄别器输出的探测信号的脉冲前沿与所述起始点之间的时间间隔的测量。
8.根据权利要求7所述的单光子探测***，其特征在于，所述多个时钟信号为4个相位差为90度的时钟信号。
9.根据权利要求8所述的单光子探测***，其特征在于，所述触发信号的频率不小于125MHz。
10.根据权利要求5所述的单光子探测***，其特征在于，所述时间测量及读出模块还包括：
先入先出存储器，用于存储测量出的时间间隔并将存储的时间间隔传送至上位机。
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