CN112945379A - 一种单光子探测器死时间设置与噪声滤除的系统 - Google Patents
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Abstract
一种单光子探测器死时间设置与噪声滤除的系统涉及半导体技术领域，解决了死时间设置复杂并产生微分信号噪声的问题，包括搭载有探测芯片的淬灭电路模块、用于为探测芯片提供反向偏置电压偏压模块、信号放大模块、甄别模块、单稳模块、FPGA控制模块和死时间模块；信号放大模块用于放大探测芯片产生的雪崩信号；甄别模块用于在放大雪崩模拟信号大于甄别模块上的甄别阈值时输出数字脉冲信号；单稳模块用于统一数字脉冲信号的脉冲宽度得到雪崩数字脉冲信号；FPGA控制模块用于根据雪崩数字脉冲信号输出甄别器使能信号和死时间触发信号；死时间模块能够生成死时间信号。本发明能够优化单光子探测器的后脉冲效应，实现简单且能够滤除微分信号。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种单光子探测器死时间设置与噪声滤除的系统。
背景技术
单光子探测器是探测微弱光信号最灵敏的器件，其中紫外单光子探测器已经成为国内外研究的焦点。以氮化镓(GaN)与碳化硅(SiC)为代表的第三代宽禁带半导体材料是制作紫外单光子探测器的理想材料，在紫外保密通信，导弹预警，火灾监测等领域具有广阔的应用前景。
单光子探测器工作在盖革模式下，以GaN雪崩光电二极管为例，当其工作在盖革模式时，具有探测单个光子的能力。表征单光子探测器的性能参数有如下三个，暗计数，后脉冲以及探测效率。其中后脉冲是衡量单光子探测器噪声性能的重要指标。在雪崩过程中，光电雪崩二极管倍增层中的缺陷和杂质会捕获一些载流子，随后，这些载流子会被延时释放出来，产生额外的雪崩信号，这些额外产生的雪崩信号被称为后脉冲。传统的单光子探测器由门控淬灭电路与后端处理电路组成，通过设置死时间来抑制探测器的后脉冲效应。其过程为光子到达光敏面引发雪崩，雪崩信号经过后端电路处理之后输出数字脉冲信号，数字信号会触发FPGA控制模块产生死时间信号，死时间信号一路用来控制门控淬灭电路模块，一路用来控制信号处理电路中的D触发器模块。
现有的单光子探测器死时间信号设置方法是基于门控淬灭电路的基础上得以实现。然而门控淬灭电路设计比较复杂，除了需要门控信号与光信号同步之外，在门控信号的上升沿与下降沿还会产生微分信号，在提取雪崩信号时需要滤除受门控信号影响造成的微分信号，对雪崩信号的提取增加了难度。因此，这种基于门控淬灭电路设置探测器死时间的方法应用场合受到了限制。
发明内容
为了解决传统单光子探测器死时间设置需要结合门控淬灭电路，并产生微分信号噪声影响雪崩信号提取的问题，本发明提供一种单光子探测器死时间设置与噪声滤除的系统。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种单光子探测器死时间设置与噪声滤除的系统，包括：搭载有探测芯片的淬灭电路模块、偏压模块、信号放大模块、甄别模块、单稳模块、FPGA控制模块和死时间模块；所述偏压模块用于为探测芯片提供反向偏置电压；淬灭电路模块用于配置探测芯片的工作方式使得探测芯片能够工作在盖革模式下，用于根据死时间信号使探测芯片退出盖革模式；信号放大模块用于接收并放大探测芯片产生的雪崩信号得到放大后雪崩模拟信号，用于输出放大后雪崩模拟信号至甄别模块；甄别模块用于在放大雪崩模拟信号大于甄别模块上的甄别阈值时输出数字脉冲信号至单稳模块；单稳模块用于统一数字脉冲信号的脉冲宽度得到雪崩数字脉冲信号并输出至FPGA控制模块；FPGA控制模块用于根据雪崩数字脉冲信号输出能够控制甄别模块关闭一定时间的甄别器使能信号至甄别模块、输出死时间触发信号至死时间模块；死时间模块用于基于死时间触发信号生成死时间信号并输出至淬灭电路模块。
本发明的有益效果是：
本发明将单光子探测器产生的死时间信号匹配至探测芯片，去除了传统单光子探测器系统中的门控淬灭电路，简化了单光子探测器中门控淬灭电路的设计。本发明中死时间信号产生的微分信号，可以通过分析死时间信号上升沿与下降沿具体时间来设置甄别器使能信号，达到滤除微分信号的目的。本发明具有实现简单，效果显著，应用前景广阔等优点。
附图说明
图1为本发明一种单光子探测器死时间设置与噪声滤除的系统的原理结构示意图。
图2为本发明一种单光子探测器死时间设置与噪声滤除的系统的死时间触发信号与甄别器使能信号的时序关系示意图。
图中：1、偏压模块，2、探测芯片，3、淬灭电路模块，4、信号放大模块，5、甄别模块，6、单稳模块，7、FPGA控制模块，8、死时间模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
一种单光子探测器死时间设置与噪声滤除的系统，如图1，包括：搭载有探测芯片2的淬灭电路模块3、偏压模块1、信号放大模块4、甄别模块5、单稳模块6、FPGA控制模块7和死时间模块8。偏压模块1用于为探测芯片2提供反向偏置电压。淬灭电路模块3用于配置探测芯片2的工作方式使得探测芯片2能够工作在盖革模式下，用于根据死时间信号使探测芯片2退出盖革模式。信号放大模块4用于接收并放大探测芯片2产生的雪崩信号得到放大后雪崩模拟信号，用于输出放大后雪崩模拟信号至甄别模块5。甄别模块5用于在放大雪崩模拟信号大于甄别模块5上的甄别阈值时输出数字脉冲信号至单稳模块6。单稳模块6用于统一数字脉冲信号的脉冲宽度得到雪崩数字脉冲信号并输出至FPGA控制模块7。FPGA控制模块7用于根据雪崩数字脉冲信号输出能够控制甄别模块5关闭一定时间的甄别器使能信号至甄别模块5、用于根据雪崩数字脉冲信号输出死时间触发信号至死时间模块8。死时间模块8用于根据死时间触发信号生成死时间信号并输出至淬灭电路模块3。
FPGA控制模块7用于控制甄别模块5开启和关闭，根据雪崩数字脉冲信号、通过产生的甄别器使能信号控制甄别模块5开启和关闭。甄别器使能信号能够控制甄别模块5开启或关闭，本实施方式中高电平甄别器使能信号控制甄别模块5开启，低电平甄别器使能信号控制甄别模块5关闭。FPGA控制模块7在接收雪崩数字脉冲信号时产生能够控制甄别模块5关闭一定时间的低电平甄别器使能信号，使甄别模块5关闭处于不能工作状态。FPGA控制模块7在接收雪崩数字脉冲信号时也产生死时间触发信号，死时间触发信号上升沿和下降沿均会产生一个微分信号，这两个微分信号到达甄别模块5的时间正对应控制甄别模块5关闭一定时间的甄别器使能信号到达甄别模块5的时间，即，这两个微分信号到达甄别模块5时，甄别模块5处于关闭状态。上述“一定时间”之后，FPGA控制模块7控制甄别模块5开启，即FPGA控制模块7输出高电平甄别器使能信号控制甄别模块5开启，使甄别模块5开启处于能工作状态，此时能够在放大雪崩模拟信号大于甄别模块5上的甄别阈值时输出数字脉冲信号至单稳模块6，雪崩模拟信号到达甄别模块5时甄别模块5处于开启状态。
偏压模块1与探测芯片2连接。探测芯片2连接淬灭电路模块3。淬灭电路模块3连接信号放大模块4，具体为连接其上探测芯片2阴极。信号放大模块4连接甄别模块5，甄别模块5连接单稳模块6，单稳模块6连接FPGA控制模块7，FPGA控制模块7连接甄别模块5和死时间模块8。
偏压模块1用于施加反向偏置电压至探测芯片2，偏压模块1用来给探测芯片2提供反向偏置电压使探测芯片2工作在盖革模式下。为减小偏压波动对探测性能的影响，采用数控方式对偏置电压进行调节，达到降低纹波的目的。上述数控方式即为通过控制器提供数控输入控制偏压模块1的输出电压，数控电源，控制器可采用FPGA控制模块7，控制器和偏压模块1共同作为数控电源。优选地，偏压模块1采用高压模块芯片实现。
探测芯片2能够工作在盖革模式下，单光子能量的光照射到探测芯片2上，由于盖革模式下雪崩增益能够达到106量级，探测芯片2吸收光子发生雪崩倍增，形成宏观可提取的雪崩电流，也就是的探测芯片2产生雪崩信号。优选地，本实施例中的探测芯片2为AlGaN探测芯片。
淬灭电路模块3用于搭载探测芯片2，淬灭电路模块3用于配置(即控制)探测芯片2的工作方式，即使探测芯片2工作在盖革模式下，能够根据死时间信号使探测芯片2退出盖革模式。本实施方式中淬灭电路模块3采用自由运行模式中的被动淬灭模式，通过被动淬灭模式使探测芯片2退出盖革模式，也就是通过其淬灭电阻R1(阻值约为100kΩ)进行淬灭，将探测芯片2两端的电压降至雪崩电压以下。雪崩信号通过探测芯片2的阴极进行提取，探测芯片2产生的雪崩信号经过电容C交流耦合至信号放大模块4；死时间模块8产生的死时间信号通过淬灭电路模块3接至探测芯片2的阳极实现死时间信号控制。
信号放大模块4用于放大从淬灭电路模块3提取的雪崩信号，通过信号放大模块4实现了雪崩信号的放大，提升雪崩信号的信噪比，使后续电路甄别模块5易于甄别雪崩信号。信号放大模块4采用低噪声放大器，使电路噪声干扰降到最低。信号放大模块4输出放大后的雪崩信号，此时雪崩信号为模拟信号，称为放大后雪崩模拟信号。
甄别模块5用于信号放大模块4输出雪崩信号模拟量到数字量的转化。甄别模块5先将雪崩信号从模拟信号转化为数字脉冲信号，易于其后续电路模块进行雪崩信号计数。甄别模块5上设有甄别阈值。甄别模块5采用一款电压比较器实现，为一款多功能电压比较器，能够实现甄别阈值可调，能够实现根据甄别器使能信号开启与关闭电压比较器等功能，开启则电压比较器使能，关闭则电压比较器不使能。信号放大模块4输出的放大后雪崩模拟信号接入甄别模块5的输入引脚，当放大后雪崩模拟信号大于甄别模块5设置的甄别阈值时，甄别模块5输出端将输出一个差分数字脉冲信号至单稳模块6。甄别模块5的使能端口为差分输入引脚，通过接收FPGA控制模块7输出的甄别器使能信号，达到甄别模块5可控的目的。
单稳模块6用于统一甄别模块5输出的数字脉冲信号的脉冲宽度，向FPGA控制模块7输出雪崩数字脉冲信号。本实施方式中使用一款D触发器实现，将甄别模块5输出的差分数字脉冲信号作为单稳模块6的时钟信号，单稳模块6的D端口时钟输入高电平状态，通过输出端RC充放电电路达到统一脉宽的目的。
FPGA控制模块7用于触发将甄别模块5关闭一定时间的甄别器使能信号，用于触发死时间触发信号。当FPGA控制模块7接收到雪崩数字脉冲信号时，产生的死时间触发信号触发死时间模块8产生死时间信号，用于死时间控制。死时间触发信号是一段高电平信号，其上升沿与下降沿都将会产生微分信号，微分信号会给雪崩信号带来假计数，通过产生的甄别器使能信号使甄别模块5处于关闭状态，达到滤除微分信号的目的，优化单光子探测器的性能。图2为本发明的死时间触发信号与甄别器使能信号的时序关系示意图。雪崩信号经信号放大模块4、甄别模块5和单稳模块6后到来FPGA控制模块7之前，FPGA控制模块7不产生死时间触发信号；雪崩信号到来FPGA控制模块7之后，FPGA控制模块7会产生死时间触发信号，死时间触发信号持续时间为T1，T1时间内探测芯片2雪崩二极管将退出盖革模式，抑制后脉冲效应，但在死时间触发信号的上升沿将会产生微分信号一，下降沿将会产生微分信号二，由于这种方式下雪崩信号为负甄别模式，因此微分信号一对雪崩计数没有影响，微分信号二对雪崩计数将会产生影响，如果甄别模块5一直工作，微分信号二也会被甄别模块5甄别为雪崩信号进行计数。为了滤除微分信号，雪崩信号经信号放大模块4、甄别模块5和单稳模块6后到来FPGA控制模块7的同时FPGA控制模块7不仅产生的死时间触发信号也会产生控制甄别模块5关闭一定时间的甄别器使能信号(在此之前为FPGA控制模块7发送至甄别模块5的，为控制甄别模块5开启的甄别器使能信号)，控制甄别模块5关闭一定时间的甄别器使能信号持续时间为T3，即所述一定时间设定为T3，相对死时间触发信号延长时间T2，当微分信号二到达甄别模块5时甄别模块5处于关闭状态，无法甄别微分信号二，达到滤除微分信号的效果。其中T1，T2，T3均可以通过FPGA控制模块7调节，使单光子探测器达到最佳探测效果。
死时间模块8用于接收死时间触发信号、基于死时间触发信号产生死时间信号、将死时间信号输出至淬灭电路模块3。死时间模块8基于接收的死时间触发信号产生死时间信号。由于死时间模块8的输入引脚为差分引脚，因此FPGA控制模块7输出的死时间触发信号为差分信号，死时间模块8使用电平转换芯片将接收到的死时间触发信号转换为单端信号，此时单端信号幅值不足以达到死时间控制的目的，通过死时间模块8可以将死时间触发信号单端信号进行放大得到死时间信号。经过电平转换与放大后得到的死时间信号能够稳定完成死时间设置功能。也就是死时间模块8包括电平转换芯片和放大器，放大器采用AD8009放大器，FPGA控制模块7产生的死时间触发信号为差分信号，该差分信号经电平转换芯片将转换为单端信号，该单端信号经放大器放大后得到死时间信号，死时间信号发送至淬灭电路模块3，淬灭电路模块3使得探测芯片2将退出盖革模式，即淬灭电路模块3将探测芯片2两端的电压降至雪崩电压以下。
本发明一种单光子探测器死时间设置与噪声滤除的系统针对传统的单光子探测器死时间设置系统需要结合复杂的门控淬灭电路、以及微分信号造成假计数和影响光子计数的问题，提出一种无门控淬灭电路的单光子探测器死时间设置与噪声滤除系统，简化了死时间设置的方式，滤除了微分信号带来的噪声，进一步优化了探测器的后脉冲性能。特别是紫外单光子探测器死时间设置与噪声滤除系统。本发明将单光子探测器产生的死时间信号匹配至探测芯片2的阳极，去除了传统单光子探测器系统中的门控淬灭电路，简化了单光子探测器中门控淬灭电路的设计。本发明中死时间信号产生的微分信号，可以通过分析死时间信号上升沿与下降沿具体时间来设置甄别器使能信号，达到滤除微分信号的目的。本发明具有实现简单，效果显著，应用前景广阔等优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种单光子探测器死时间设置与噪声滤除的系统，其特征在于，包括：搭载有探测芯片(2)的淬灭电路模块(3)、偏压模块(1)、信号放大模块(4)、甄别模块(5)、单稳模块(6)、FPGA控制模块(7)和死时间模块(8)；所述偏压模块(1)用于为探测芯片(2)提供反向偏置电压；淬灭电路模块(3)用于配置探测芯片(2)的工作方式使得探测芯片(2)能够工作在盖革模式下，用于根据死时间信号使探测芯片(2)退出盖革模式；信号放大模块(4)用于接收并放大探测芯片(2)产生的雪崩信号得到放大后雪崩模拟信号，用于输出放大后雪崩模拟信号至甄别模块(5)；甄别模块(5)用于在放大雪崩模拟信号大于甄别模块(5)上的甄别阈值时输出数字脉冲信号至单稳模块(6)；单稳模块(6)用于统一数字脉冲信号的脉冲宽度得到雪崩数字脉冲信号并输出至FPGA控制模块(7)；FPGA控制模块(7)用于根据雪崩数字脉冲信号输出能够控制甄别模块(5)关闭一定时间的甄别器使能信号至甄别模块(5)、输出死时间触发信号至死时间模块(8)；死时间模块(8)用于基于死时间触发信号生成死时间信号并输出至淬灭电路模块(3)。
2.如权利要求1所述的一种单光子探测器死时间设置与噪声滤除的系统，其特征在于，所述死时间触发信号的上升沿和下降沿均会产生微分信号；当微分信号的时间到达甄别模块(5)时，甄别模块(5)处于关闭状态。
3.如权利要求1所述的一种单光子探测器死时间设置与噪声滤除的系统，其特征在于，所述FPGA控制模块(7)能够通过产生的甄别器使能信号控制甄别模块(5)开启和关闭，当雪崩模拟信号到达甄别模块(5)时甄别模块(5)处于开启状态。
4.如权利要求1所述的一种单光子探测器死时间设置与噪声滤除的系统，其特征在于，所述偏压模块(1)连接探测芯片(2)，淬灭电路模块(3)连接信号放大模块(4)，信号放大模块(4)连接甄别模块(5)，甄别模块(5)连接单稳模块(6)，单稳模块(6)连接FPGA控制模块(7)，FPGA控制模块(7)连接甄别模块(5)和死时间模块(8)。
5.如权利要求1所述的一种单光子探测器死时间设置与噪声滤除的系统，其特征在于，所述死时间模块(8)包括电平转换芯片和放大器，所述FPGA控制模块(7)产生的死时间触发信号为差分信号，FPGA控制模块(7)输出的死时间触发信号经电平转换芯片转换为单端信号，再经放大器放大后得到死时间信号。
6.如权利要求1所述的一种单光子探测器死时间设置与噪声滤除的系统，其特征在于，所述偏压模块(1)采用高压模块芯片，所述探测芯片(2)采用AlGaN探测芯片(2)。
7.如权利要求1所述的一种单光子探测器死时间设置与噪声滤除的系统，其特征在于，所述信号放大模块(4)采用低噪声放大器，所述甄别模块(5)采用电压比较器，所述单稳模块(6)采用D触发器。
8.如权利要求1所述的一种单光子探测器死时间设置与噪声滤除的系统，其特征在于，所述淬灭电路模块(3)采用被动淬灭模式使探测芯片(2)退出盖革模式。
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