CN102291118B - 一种单光子计数放大/甄别电路 - Google Patents

一种单光子计数放大/甄别电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单光子计数器放大/甄别电路，主要用于囚禁汞离子微波频标中光电倍增管输出信号的放大处理和计数。该电路由前置放大器、电压比较器、计数器和电平转换器组成。该电路是将光电倍增管输出的电信号经过前置放大，电平甄别祛除噪声，脉冲计数和逻辑电平转换，输出可以直接由计算机及软件接收处理的晶体管晶体管逻辑电路（TTL）信号。使用本发明，将大大提高电路系统的集成度，可使单光子检测装置小型化，并降低成本。

Description

一种单光子计数放大/甄别电路
技术领域
本发明涉及信号放大/甄别和计数电路，具体涉及单光子探测系统的信号放大/甄别和计数电路。主要用于囚禁汞离子微波频标中光电倍增管输出信号的放大处理和计数。
背景技术
囚禁汞离子微波频标是一种全新的囚禁离子物理体系，研制的新型原子钟具有高稳定度、高可靠性。是下一代高性能地面守时和星载原子钟的主要候选。在囚禁汞离子微波频标实验中，信号的检测是由光电倍增管、商用的前置放大器和光子计数器完成的。为实现囚禁汞离子微波频标的应用，必须实现系统的小型化、一体化。同时，商用检测仪器成本高、体积庞大。
光子计数就是光电子计数，是利用光电探测系统将光子的光信号转化为能够计数的电脉冲信号，并通过对电信号的计数来表征光强度。特别是当光流强度小于10-10W时，光子流量下降到每毫秒不到一个光子，单光子探测系统能够实现微弱光信号强度的检测。单光子探测不仅在囚禁汞离子微波频标的研究中得到应用，同时在其它物理实验中的荧光信号探测，高分辨率光谱测量，高速现象探测等方面以及量子信息，高能物理，天文测光，生物发光，精密测量等领域也有着广泛的应用。
单光子信号放大/甄别和计数是单光子探测的重要环节，是将光电倍增管输出的微弱光电信号转化为可以直接被计算机及软件接收处理的晶体管晶体管逻辑电路（TTL）计数信号。现有的单光子信号放大/甄别和计数技术是采用独立的前置放大器和光子计数仪进行放大和计数，设备成本高，体积大，不利于提高系统的集成度和小型化应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种单光子放大/甄别电路。该电路由前置放大器、电压比较器、计数器和电平转换器组成。该电路是将光电倍增管输出的电信号经过前置放大，电平甄别祛除噪声，脉冲计数和逻辑电平转换，输出可以直接由计算机及软件接收处理的晶体管晶体管逻辑电路（TTL）信号。本发明将大大提高单光子检测装置电路系统的集成度，可使其小型化，并降低成本。
为实现上述目的，本发明的一种单光子放大/甄别电路的构成与连接关系为：
电源经稳压器U5的+5伏电源连接到放大器U1的Vcc+端，电源经稳压器U6的-5伏电源连接到放大器U1的Vcc-端，放大器U1的IN-输入端与地之间分别跨接4001二极管D1、4001二极管D2和50欧电阻R1，二极管D1和二极管D2的正负极相反，放大器U1的IN+输入端与地之间跨接50欧电阻R2；放大器U1的OUT-输出端经0.1微法电容C1连接到电压比较器U2的no inverting input输入端，放大器U1的OUT+输出端经0.1微法电容C2连接到电压比较器U2的inverting input输入端；
电压比较器U2的Vs+端连接到稳压器U5的+5伏电源，电压比较器U2的Vs-端连接到稳压器U6的-5伏电源，电压比较器U2的no inverting input输入端经1千欧电阻R3接地，电压比较器U2的no inverting input输入端经20千欧可变电阻Rw经13千欧固定电阻R5连接到稳压器U5，电压比较器U2的inverting input输入端经1千欧电阻R4接地；电压比较器U2的                                               
Figure 2011102004060100002DEST_PATH_IMAGE002
 output输出端连接计数器U3的时钟输入端Cc、
Figure 2011102004060100002DEST_PATH_IMAGE004
E1和
Figure 238110DEST_PATH_IMAGE004
E2，电压比较器U2的 output输出端经1千欧电阻R6与U6的-5伏电源连接，电压比较器U2的Q output输出端经1千欧电阻R7与U6的-5伏电源连接；
计数器U3的VEE端与稳压器U6的-5伏电源连接，计数器U3的D1端和D2端均与4001二极管D3的负极连接，二极管D3的正极接地；计数器U3的复位端R1和复位端R2经30千欧电阻R13接地，计数器U3的
Figure 2011102004060100002DEST_PATH_IMAGE006
输出端经0.01微法电容C3连接到计数器U3的复位端R1和复位端R2；计数器U3的Q1输出端经1微亨电感L与三档电位器S连接，再与计数器U3的复位端R1和复位端R2连接，三档电位器S的电阻分别为510欧电阻R10、1.1千欧电阻R11、2.2千欧电阻R12；计数器U3的Q1输出端经1千欧电阻R14连接到稳压器U6的-5伏电源，计数器U3的
Figure 121938DEST_PATH_IMAGE006
输出端经1千欧电阻R15连接到U6的-5伏电源，计数器U3的Q2输出端经470欧电阻R9连接到U6的-5伏电源，该Q2输出端还连接到电平转换器U4的A IN 输入端，计数器U3的输出端经470欧电阻R8连接到U6的-5伏电源，该
Figure 888119DEST_PATH_IMAGE008
输出端还连接到电平转换器U4的
Figure 2011102004060100002DEST_PATH_IMAGE010
输入端；
电平转换器U4的VCC端连接到稳压器U5的+5伏电源，电平转换器U4的VEE端连接到稳压器U6的-5伏电源，电平转换器U4的VBB偏置端经0.1微法电容C4接地。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：将现有单光子计数系统中的独立的前置放大器、甄别器和计数器等仪器和设备集成到一个电路中，方便调试，节约了系统体积和成本；同时输出的晶体管晶体管逻辑电路（TTL）信号可由计算机／单片机直接进行处理，进一步提高了电路系统的集成度，使得单光子检测系统的小型化、集成化应用成为可能。
附图说明
图1是一种单光子计数器放大/甄别电路的结构示意图。
其中：U1是前置放大器，U2是电压比较器，U3是双通道的计数器，U4是电平转换器，U5和U6是稳压器，D1，D2和D3是4001二极管。
图2为U1 前置放大器 UA733。
图3为U2 电压比较器 AD96685。
图4为U3计数器 MC10h131。
图5为U4 电平转换器 MC10125。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步说明。一种单光子计数器放大/甄别电路，该电路是将接收到的光电倍增管电信号，经过前置放大，电平甄别祛除噪声，脉冲计数和逻辑电平转换，输出可以直接由计算机及软件接受处理的晶体管晶体管逻辑电路（TTL）信号。
如附图所示，一种单光子计数器放大/甄别电路，电源经稳压器U5的+5伏电源连接到放大器U1的Vcc+端，电源经稳压器U6的-5伏电源连接到放大器U1的Vcc-端，放大器U1的IN-输入端与地之间分别跨接4001二极管D1、4001二极管D2和50欧电阻R1，二极管D1和二极管D2的正负极相反，放大器U1的IN+输入端与地之间跨接50欧电阻R2；放大器U1的OUT-输出端经0.1微法电容C1连接到电压比较器U2的no inverting input输入端，放大器U1的OUT+输出端经0.1微法电容C2连接到电压比较器U2的inverting input输入端；
电压比较器U2的Vs+端连接到稳压器U5的+5伏电源，电压比较器U2的Vs-端连接到稳压器U6的-5伏电源，电压比较器U2的no inverting input输入端经1千欧电阻R3接地，电压比较器U2的no inverting input输入端经20千欧可变电阻Rw经13千欧固定电阻R5连接到稳压器U5，电压比较器U2的inverting input输入端经1千欧电阻R4接地；电压比较器U2的
Figure 889442DEST_PATH_IMAGE002
 output输出端连接计数器U3的时钟输入端Cc、
Figure 839468DEST_PATH_IMAGE004
E1和
Figure 293452DEST_PATH_IMAGE004
E2，电压比较器U2的
Figure 492352DEST_PATH_IMAGE002
 output输出端经1千欧电阻R6与U6的-5伏电源连接，电压比较器U2的Q output输出端经1千欧电阻R7与U6的-5伏电源连接；
计数器U3的VEE端与稳压器U6的-5伏电源连接，计数器U3的D1端和D2端均与4001二极管D3的负极连接，二极管D3的正极接地；计数器U3的复位端R1和复位端R2经30千欧电阻R13接地，计数器U3的
Figure 223548DEST_PATH_IMAGE006
输出端经0.01微法电容C3连接到计数器U3的复位端R1和复位端R2；计数器U3的Q1输出端经1微亨电感L与三档电位器S连接，再与计数器U3的复位端R1和复位端R2连接，三档电位器S的电阻分别为510欧电阻R10、1.1千欧电阻R11、2.2千欧电阻R12；计数器U3的Q1输出端经1千欧电阻R14连接到稳压器U6的-5伏电源，计数器U3的
Figure 424370DEST_PATH_IMAGE006
输出端经1千欧电阻R15连接到U6的-5伏电源，计数器U3的Q2输出端经470欧电阻R9连接到U6的-5伏电源，该Q2输出端还连接到电平转换器U4的A IN 输入端，计数器U3的
Figure 241016DEST_PATH_IMAGE008
输出端经470欧电阻R8连接到U6的-5伏电源，该
Figure 40345DEST_PATH_IMAGE008
输出端还连接到电平转换器U4的
Figure 626047DEST_PATH_IMAGE010
输入端；
电平转换器U4的VCC端连接到稳压器U5的+5伏电源，电平转换器U4的VEE端连接到稳压器U6的-5伏电源，电平转换器U4的VBB偏置端经0.1微法电容C4接地。
光电倍增管是一种光电转换器件，即将输入到光阴极上的光子转换成电子信号输出，但在单光子计数检测系统中要求检测到进入光电倍增管的单个光子，信号非常微弱，抗干扰性能差。一个光子进入光电倍增管，由光阴极转换成电子，再由电子倍增器倍增后，负载上收集到的脉冲幅度约为1-1.5毫伏，其光电子脉冲和叠加到信号上的其他噪声信号由前置放大器U1放大。放大后的信号输入电压比较器U2，与设定的甄别电平（甄别电平有RW在10-15毫伏之间调节）比较，高于甄别电平时，电压比较器U2输出一个标准脉冲，低于甄别电平时，电压比较器U2无输出，从而祛除了大量噪声信号（如前置放大器放大10倍，单光子的信号幅度约为10-15毫伏，则甄别电平控制在12毫伏），甄别出达到计数阈值的信号，并将其转换为数字脉冲信号。改变可变电阻Rw的阻值，使得甄别电平在一定范围内连续可调。数字脉冲信号经过计数器U3计数，再由电平转换器U4将计数器U3输出的ECL电平信号转化为可以直接由计算机/单片机接收处理的晶体管晶体管逻辑电路（TTL）电平信号，从而实现单光子的计数目的。

Claims (1)

1.一种单光子计数放大/甄别电路，其特征在于，电源经稳压器U5的+5伏电源连接到放大器U1的Vcc+端，电源经稳压器U6的-5伏电源连接到放大器U1的Vcc-端，放大器U1的IN-输入端与地之间分别跨接4001二极管D1、4001二极管D2和50欧电阻R1，4001二极管D1和4001二极管D2的正负极相反，放大器U1的IN+输入端与地之间跨接50欧电阻R2；放大器U1的OUT-输出端经0.1微法电容C1连接到电压比较器U2的noninverting input输入端，放大器U1的OUT+输出端经0.1微法电容C2连接到电压比较器U2的inverting input输入端；电压比较器U2的Vs+端连接到稳压器U5的+5伏电源，电压比较器U2的Vs-端连接到稳压器U6的-5伏电源，电压比较器U2的noninverting input输入端经1千欧电阻R3接地，电压比较器U2的noninverting input输入端经20千欧可变电阻Rw与13千欧固定电阻R5连接到稳压器U5，电压比较器U2的inverting input输入端经1千欧电阻R4接地；电压比较器U2的                                                
Figure 152004DEST_PATH_IMAGE001
output输出端连接计数器U3的时钟输入端Cc、
Figure 2011102004060100001DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 443046DEST_PATH_IMAGE003
，电压比较器U2的
Figure 2011102004060100001DEST_PATH_IMAGE004
output输出端经1千欧电阻R6与稳压器U6的-5伏电源连接，电压比较器U2的Q output输出端经1千欧电阻R7与稳压器U6的-5伏电源连接；
计数器U3的VEE端与稳压器U6的-5伏电源连接，计数器U3的D1端和D2端均与4001二极管D3的负极连接，4001二极管D3的正极接地；计数器U3的复位端R1和复位端R2经30千欧电阻R13接地，计数器U3的
Figure 160466DEST_PATH_IMAGE005
输出端经0.01微法电容C3连接到计数器U3的复位端R1和复位端R2；计数器U3的Q1输出端经1微亨电感L与三档电位器S连接，再与计数器U3的复位端R1和复位端R2连接，三档电位器S的电阻分别为510欧电阻R10、1.1千欧电阻R11、2.2千欧电阻R12；计数器U3的Q1输出端经1千欧电阻R14连接到稳压器U6的-5伏电源，计数器U3的
Figure 2011102004060100001DEST_PATH_IMAGE006
输出端经1千欧电阻R15连接到稳压器U6的-5伏电源，计数器U3的Q2输出端经470欧电阻R9连接到稳压器U6的-5伏电源，该Q2输出端还连接到电平转换器U4的A IN 输入端，计数器U3的
Figure 493359DEST_PATH_IMAGE007
输出端经470欧电阻R8连接到稳压器U6的-5伏电源，该
Figure 2011102004060100001DEST_PATH_IMAGE008
输出端还连接到电平转换器U4的
Figure DEST_PATH_IMAGE009
输入端；
电平转换器U4的VCC端连接到稳压器U5的+5伏电源，电平转换器U4的VEE端连接到稳压器U6的-5伏电源，电平转换器U4的VBB偏置端经0.1微法电容C4接地。
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