CN111707364B - 时域调制时间相关单光子计数的装置及系统 - Google Patents

时域调制时间相关单光子计数的装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及时域调制时间相关单光子计数的装置及系统，主要涉及一种瞬态光子测量技术领域，本申请单光子计数装置包括：驱动电路、单光子探测器和计时电路，驱动电路、单光子探测器和计时电路依次电连接，单光子探测器与计时电路电连接，时域调制时间相关单光子计数通过时域调制单光子探测器及相应的时域调制驱动电路实现待测光子事件在时间上放大，以提高整个系统的时间测量精度。将待测光子事件在时间上放大，有效降低了探测器内部电子渡越时间弥散以及定时电路模块定时精度误差对单光子计数装置定时精度的影响，提高了单光子计数装置的测量精度。

Description

时域调制时间相关单光子计数的装置及系统
技术领域
本发明涉及瞬态光子测量技术领域，主要涉及一种时域调制时间相关单光子计数的装置及系统。
背景技术
时间相关单光子计数(Time correlated single photon counting，简称TCSPC)是一种光子到达时刻测量技术，由Bollinger、Bennett、Koechlin三人在1960年代为检测被射线激发的闪烁体发光而建立的，后来人们把它应用到荧光寿命的测量，TCSPC系统的时间分辨率取决于探测器对单脉冲到达时间测量的准确度，测量准确度受探测器时间分辨和定时电路模块的定时精度共同决定。
现有技术中，TCSPC系统主要由探测器和计时电路两部分组成，其中计时电路的精度可以达到几个皮秒，而探测器受内部电子渡越时间涨落限制，时间分辨一般在几十皮秒以上。
但是，由于对探测精度的要求越来越高的问题，如何克服探测器内部电子渡越时间弥散以及定时电路模块定时精度误差对TCSPC系统定时精度的影响，以满足更高时间分辨光子计数应用需求，是TCSPC技术发展亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种时域调制时间相关单光子计数的装置及系统，以解决现有技术中对探测精度的要求越来越高的问题，如何克服探测器内部电子渡越时间弥散以及定时电路模块定时精度误差对TCSPC系统定时精度的影响，以满足更高时间分辨光子计数应用需求，是TCSPC技术发展亟待解决的问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种时域调制时间相关单光子计数的装置，单光子计数装置包括：驱动电路、单光子探测器和计时电路，驱动电路、单光子探测器和计时电路依次电连接，单光子探测器与计时电路电连接；
驱动电路包括：锁相环电路、射频放大电路和变压器，锁相环电路、射频放大电路和变压器依次电连接；
单光子探测器包括：光阴极、第一栅极、第二栅极、漂移腔、电子倍增器和读出阳极，光阴极、第一栅极和第二栅极依次设置在漂移腔的入射端，电子倍增器和读出阳极依次设置在漂移腔的出射端；
计时电路包括：电子接收器和计时器，电子接收器和计时器电连接。
可选地，该电子倍增器为倍增电极或者微通道板像增强器。
可选地，该驱动电路还包括光导开关，光导开关与锁相环电路电连接，用于接收激发信号。
可选地，该漂移腔为低磁导率金属腔体外周缠饶有线圈。
可选地，该第一栅极上加载直流电压。
可选地，该第二栅极上加载随时间变化的交流电压或者直流电压。
可选地，该计时器为时间数字转换器。
第二方面，本申请提供一种时域调制时间相关单光子计数的系统，系统包括激光器和第一方面任意一项的单光子计数装置，激光器用于产生并输出激光。
本发明的有益效果是：
本申请单光子计数装置包括：驱动电路、单光子探测器和计时电路，驱动电路、单光子探测器和计时电路依次电连接，单光子探测器与计时电路电连接，其中，驱动电路包括：锁相环电路、射频放大电路和变压器，锁相环电路、射频放大电路和变压器依次电连接；单光子探测器包括：光阴极、第一栅极、第二栅极、漂移腔、电子倍增器和读出阳极，光阴极、第一栅极和第二栅极依次设置在漂移腔的入射端，电子倍增器和读出阳极依次设置在漂移腔的出射端；计时电路包括：电子接收器和计时器，电子接收器和计时器电连接，入射光子激发该锁相环电路之后依次经过射频放大电路和变压器，且该计时电路中的计时器也被激发并记录激发时间，将锁相环电路产生的电压进行射频放大和变压，并将该电压加载在第二栅极上，入射光子通过光阴极被转化为电子，不同的电子通过第一栅极和第二栅极之间形成的电场速度变化，不同的电子以不同的速度进入该漂移腔，在该漂移腔内约束磁场的作用下，对不同速度的电子到达电子倍增器的时间进行调制，该电子倍增器对接收的电子进行倍增，不同速度的电子在磁场约束下穿过漂移区域，不同速度的电子到达电子倍增器的时间间隔被放大，电子倍增器将倍增的电子轰击在读出阳极上，该读出阳极将电信号输出给计时电路中电子接收器，并将电信号传输给计时器，计时器记录此时接收电子信号的时间，时域调制TCSPC通过时域调制单光子探测器及相应的时域调制驱动电路实现待测光子事件在时间上放大，以提高整个系统的时间测量精度。将待测光子事件在时间上放大，有效降低了探测器内部电子渡越时间弥散以及定时电路模块定时精度误差对单光子计数装置定时精度的影响，提高了单光子计数装置的测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为发明实施例提供的一种时域调制时间相关单光子计数的装置的结构示意图；
图2为发明实施例提供的另一种时域调制时间相关单光子计数的装置的结构示意图；
图3为发明实施例提供的一种时域调制时间相关单光子探测器的结构示意图。
图标：1-单光子计数装置；10-驱动电路；11-锁相环电路；12-射频放大电路；13-变压器；20-单光子探测器；21-光阴极；22-第一栅极；23-第二栅极；24-漂移腔；25-电子倍增器；26-读出阳极；30-计时电路；31-电子接收器；32-计时器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。
图1为发明实施例提供的一种时域调制时间相关单光子计数的装置的结构示意图；图2为发明实施例提供的另一种时域调制时间相关单光子计数的装置的结构示意图；图3为发明实施例提供的一种时域调制时间相关单光子探测器的结构示意图，如图1、图2和图3所示，本申请实施例提供一种时域调制时间相关单光子计数的装置1，单光子计数装置1包括：驱动电路10、单光子探测器20和计时电路30，驱动电路10、单光子探测器20和计时电路30依次电连接，单光子探测器20与计时电路30电连接；驱动电路10包括：锁相环电路11、射频放大电路12和变压器13，锁相环电路11、射频放大电路12和变压器13依次电连接；单光子探测器20包括：光阴极21、第一栅极22、第二栅极23、漂移腔24、电子倍增器25和读出阳极26，光阴极21、第一栅极22和第二栅极23依次设置在漂移腔24的入射端，电子倍增器25和读出阳极26依次设置在漂移腔24的出射端；计时电路30包括：电子接收器31和计时器32，电子接收器31和计时器32电连接。
该驱动电路10中的锁相环电路11和该计时电路30在有入射光子的时候同时被激发，可以是该驱动电路10的锁相环电路11的出射电路与计时电路30电连接，也可以是该计时电路30和该驱动电路10的锁相环电路11均有感光功能，在有入射光子的时候同时被激发，相比而言，该计时电路30和该驱动电路10的锁相环电路11均有感光功能的精度相比与该驱动电路10的锁相环电路11的出射电路与计时电路30电连接，将光子信号传输给计时电路30的精度高，节省了电路中传输信号的时间，使得测量结果精度更高，更准确，该锁相环电路11与射频放大电路12电连接，该锁相环电路11利用外部输入的光子参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，该锁相环电路11被光子激发产生电流，该射频放大电路12用于将该锁相环电路11产生的电流进行射频放大，该射频放大电路12与该变压器13电连接，该变压器13用于调节该电流的电压，并将该电压发送给该第二栅极23，使得该第二栅极23带电，并且该变压器13可以调节该第二栅极23的电压，该光子激发该锁相环电路11的同时入射到该单光子探测器20的光阴极21，该光阴极21将不同时刻的光子均转化为不同的电子，之后通过光阴极21和第一栅极22，第一栅极22和第二栅极23之间的空间，该第一栅极22上加载有电压，使得该第一栅极22和该光阴极21之间的空间存在电场，该第一栅极22和第二栅极23之间的空间也存在电场，一般的该光阴极21和第一栅极22之间的电场为加速电场，该第一栅极22和第二栅极23之间的电场为减速电场，由于该第二栅极23的电压可以被调节，则该第一栅极22和第二栅极23之间的电场可以是周期调节的，不同的电子通过该光阴极21和第一栅极22以及第一栅极22和第二栅极23之间的空间获得不同的速度，不同的电子以不同的速度进入到该漂移腔24中，由于该漂移腔24内为约束空间，则不同速度的电子在磁场约束下穿过一定长度的漂移区域，不同速度的电子到达电子倍增器25的时间间隔被放大，并被输出到该电子倍增器25上，该电子倍增器25将接受的电子进行倍增，并将倍增的电子轰击到该读出阳极26上，读出阳极26将感应到的电信号输出给计时电路30的电子接收器31，该电子接收器31将获取电信号的信息传输给该计时器32，该计时器32记录接收电子信号的时间，时域调制TCSPC通过时域调制单光子探测器20及相应的时域调制驱动电路10实现待测光子事件在时间上放大，以提高整个系统的时间测量精度。将待测光子事件在时间上放大，有效降低了探测器内部电子渡越时间弥散以及定时电路模块定时精度误差对单光子计数装置定时精度的影响，提高了单光子计数装置的测量精度，需要说明的是，该光子入射到该单光子探测器20的光阴极21的同时，同时激发该锁相环电路11和该计时电路30，入射的光子一次入射一个，该第二栅极23的电压调节周期可以是时间周期，也可以是入射光子的入射周期，在此不做具体限定，第二栅极23上加载的电压为同步扫描电压，即同步触发，该单光子探测器20、该驱动电路10和该计时电路30被同步触发。
另外，读出阳极既可以为普通阳极，也可以为位敏阳极，比如延时线阳极，从而使系统具有位置分辨能力。
为了进一步说明，此处以对时域调制TCSPC的工作过程进行具体分析：
假设：t1、t2…tn表示不同的光子时刻；
△t＝tn-t1,表示光子事件的时间宽度；
Vt1、Vt2…Vtn表示t1、t2…tn时刻的光子被时域调制单光子探测器20转换成电子，到达第二栅极23时的径向速度；
△t1、△t2…△tn依次表示对应电子穿过漂移区(漂移腔24内部)的所用时间；
L为漂移区的长度，则△tn＝L/Vtn
T1、T2…Tn表示计时电路30测得的光子到达时刻；
△T＝Tn-T1＝(△tn-△t1)+△t，表示计时电路30测得的光子事件的时间宽度；
M＝△T/△t＝1+(△tn-△t1)/△t＝1+L(Vtn-Vt1)/△tVtnVt1，表示时域调制因子。
因为Vtn＞Vt1，所以M＞1，即计时电路30测得的光子事件的时间宽度大于光子事件本身的时间宽度，也即通过时域调制单光子探测器20，对其栅极加载同步扫描电压，且经过一定距离的电子漂移，可将一定时间宽度的光子事件在时间上放大。
根据调制因子M的表达式可知，电子在穿过漂移区的时间差异越大，M的值越大。而电子在穿过漂移区的时间差异取决于第二栅极23上同步扫描电压的幅度、变化速度以及漂移区的长度。因此，通过合适的时域调制电压及漂移腔24设计，可将一定时间宽度的光子事件在时间上有效放大，这等效提高了系统的时间分辨，时域调制单光子计数装置具有更高的光子计数测量精度，其时间分辨可以达到几皮秒；通过改变探测器的驱动方式，时域调制TCSPC既可以工作在时域调制模式，也可以工作在非调制模式，从而满足不同光子计数测量精度需求。
可选地，该电子倍增器25为倍增电极或者微通道板像增强器。
该电子倍增器25用于将接受的电子数量进行倍增，该电子倍增器25具体地，可以通过倍增电极或者微通道板像增强器进行实现，该电子倍增器25可以为倍增电极，也可以为微通道板像增强器，在此不做具体限定。
可选地，该驱动电路10还包括光导开关，光导开关与锁相环电路11电连接，用于接收激发信号。
该驱动电路10中可以是锁相环电路、射频放大电路和变压器；还可以是采用光导开关，该光导开关可以替代该驱动电路使用，还可以是光导开关和该驱动电路直接连接使用，在此不做具体限定，当该光导开关和该驱动电路直接连接使用时，由于该光导开关具有光敏性，被光激发后光导开关产生时域调制所需驱动电压，使得该控制电路产生电流。
可选地，该漂移腔24为低磁导率金属腔体外周缠饶有线圈。
该漂移腔24用于使电子漂移，该漂移腔24腔体外缠绕线圈，线圈电流在腔体内形成约束磁场，在约束磁场的作用下进一步的增大放大的时间间隔。
可选地，该第一栅极22上加载直流电压。
可选地，该第二栅极23上加载随时间变化的交流电压或者直流电压。
当该，当第二栅极23上加载同步扫描电压时，系统工作为时域调制模式，所述调制模式，指第二栅极23上加载同步扫描电压时，系统具有更高的时间分辨，且可通过改变加载在第二栅极23上扫描电压参数，改变时域调制因子，获得不同的时间放大倍数；当该第二栅极23上加载直流电压是，系统工作为非调制模式，指第二栅极23上的电压为直流电压时，系统不具有时间调制功能，此时系统工作与常规模式，时域调制因子为1。
可选地，该计时器32为时间数字转换器32。
该计时器32为时间数字转换器，在有入射光子时，该计时器32被激发计时。
本申请单光子计数装置1包括：驱动电路10、单光子探测器20和计时电路30，驱动电路10、单光子探测器20和计时电路30依次电连接，单光子探测器20与计时电路30电连接，其中，驱动电路10包括：锁相环电路11、射频放大电路12和变压器13，锁相环电路11、射频放大电路12和变压器13依次电连接；单光子探测器20包括：光阴极21、第一栅极22、第二栅极23、漂移腔24、电子倍增器25和读出阳极26，光阴极21、第一栅极22和第二栅极23依次设置在漂移腔24的入射端，电子倍增器25和读出阳极26依次设置在漂移腔24的出射端；计时电路30包括：电子接收器31和计时器32，电子接收器31和计时器32电连接，入射光子激发该锁相环电路11之后依次经过射频放大电路12和变压器13，且该计时电路30中的计时器32也被激发并记录激发时间，将锁相环电路11产生的电压进行射频放大和变压，并将该电压加载在第二栅极23上，入射光子通过光阴极21被转化为电子，不同的电子通过第一栅极22和第二栅极23之间形成的电场速度变化，不同的电子以不同的速度进入该漂移腔24，在该漂移腔24内约束磁场的作用下，对不同速度的电子到达电子倍增器25的时间进行调制，该电子倍增器25对接收的电子进行倍增，不同速度的电子在磁场约束下穿过的漂移区域，不同速度的电子到达电子倍增器25的时间间隔被放大，电子倍增器25将倍增的电子轰击在读出阳极26上，该读出阳极26将电信号输出给计时电路30中电子接收器31，并将电信号传输给计时器32，计时器32记录此时接收电子信号的时间，时域调制TCSPC通过时域调制单光子探测器20及相应的时域调制驱动电路10实现待测光子事件在时间上放大，以提高整个系统的时间测量精度。将待测光子事件在时间上放大，有效降低了探测器内部电子渡越时间弥散以及定时电路模块定时精度误差对单光子计数装置定时精度的影响，提高了单光子计数装置的测量精度。
本申请提供一种时域调制时间相关单光子计数的系统，系统包括激光器和上述任意一项的单光子计数装置1，激光器用于产生并输出激光。
该激光器为单通道输出激光器。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种时域调制时间相关单光子计数的装置，其特征在于，所述单光子计数装置包括：驱动电路、单光子探测器和计时电路，所述驱动电路、所述单光子探测器和所述计时电路依次电连接，所述单光子探测器与所述计时电路电连接；
所述驱动电路包括：锁相环电路、射频放大电路和变压器，所述锁相环电路、所述射频放大电路和所述变压器依次电连接；
所述单光子探测器包括：光阴极、第一栅极、第二栅极、漂移腔、电子倍增器和读出阳极，所述光阴极、所述第一栅极和所述第二栅极依次设置在所述漂移腔的入射端，所述电子倍增器和所述读出阳极依次设置在所述漂移腔的出射端，所述光阴极和所述第一栅极之间的电场为加速电场，所述第一栅极和所述第二栅极之间的电场为减速电场，所述读出阳极为普通阳极或位敏阳极；
所述计时电路包括：电子接收器和计时器，所述电子接收器和所述计时器电连接；
所述锁相环电路和所述计时电路均具有感光功能；
使用时，入射光子同时触发所述光阴极、所述锁相环电路、所述计时器；所述光阴极将光子转化为电子；所述锁相环电路产生电流，所述射频放大电路将电流射频放大，所述变压器调节电流的电压，并将电压发送给所述第二栅极；所述电子接收器用于获取所述读出阳极输出的电信号，并将获取电信号的时间输出给所述计时器，所述计时器记录接收电信号的时间；时域调制时间相关单光子计数通过时域调制上述单光子探测器及相应的时域调制上述驱动电路的具体工作分析过程：假设：t1、t2…tn表示不同的光子时刻；
△t＝tn-t1,表示光子事件的时间宽度；
Vt1、Vt2…Vtn表示t1、t2…tn时刻的光子被时域调制单光子探测器转换成电子，到达第二栅极时的径向速度；
△t1、△t2…△tn依次表示对应电子穿过漂移腔内部的所用时间；
L为漂移腔内部的长度，则△tn＝L/Vtn，
T1、T2…Tn表示计时电路测得的光子到达时刻；
△T＝Tn-T1＝(△tn-△t1)+△t，表示计时电路测得的光子事件的时间宽度；
M＝△T/△t＝1+(△tn-△t1)/△t＝1+L(Vtn-Vt1)/△tVtnVt1，表示时域调制因子；
其中，因为Vtn＞Vt1，所以M＞1，即所述计时电路测得的光子事件的时间宽度大于光子事件本身的时间宽度，也即通过时域调制所述单光子探测器，对所述第二栅极加载同步扫描电压，且经过预设距离的电子漂移，能够将预设时间宽度的光子事件在时间上放大。
2.根据权利要求1所述的时域调制时间相关单光子计数的装置，其特征在于，所述电子倍增器为倍增电极或者微通道板像增强器。
3.根据权利要求1所述的时域调制时间相关单光子计数的装置，其特征在于，所述驱动电路还包括光导开关，所述光导开关与所述锁相环电路电连接，用于接收激发信号。
4.根据权利要求1所述的时域调制时间相关单光子计数的装置，其特征在于，所述漂移腔为低磁导率金属腔体外周缠饶有线圈。
5.根据权利要求1所述的时域调制时间相关单光子计数的装置，其特征在于，所述第一栅极上加载直流电压。
6.根据权利要求1所述的时域调制时间相关单光子计数的装置，其特征在于，所述计时器为时间数字转换器。
7.一种时域调制时间相关单光子计数的系统，其特征在于，所述系统包括激光器和权利要求1-6任意一项所述的单光子计数装置，所述激光器用于产生并输出激光。
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