CN114923590B - 一种基于光电倍增管对微弱光子的精确测量方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于粒子探测技术领域，涉及一种基于光电倍增管对微弱光子的精确测量方法和系统，包括以下步骤：通过调节脉冲驱动器，使照射到硅光电倍增管上的光子数达到单光子水平，并采集硅光电倍增管的信号谱；调节脉冲驱动器的强度，同时采集各个强度对应的硅光电倍增管的信号谱，获得脉冲驱动器强度与光子数目的刻度关系；将硅光电倍增管换成光电倍增管，依据脉冲驱动器强度与光子数目的刻度关系调节脉冲驱动器强度，获得不同光子数目与光电倍增管的信号幅值的关系，根据采集的普通光电倍增管的信号幅值获得待测光脉冲的光子数。其操作简单、具有较高的有效性和可靠性。并且此测量方法有较强的通用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光电倍增管对微弱光子的精确测量方法和系统，属于粒子探测技术领域，特别涉及粒子探测中的微弱光子测量领域。
背景技术
空间反符合探测器通常采用光电倍增管加薄型闪烁体的构型，光电倍增管具有很好的时间响应，灵敏度很高，其在空间探测中具有别的光电器件无法代替的作用。但由于带电粒子击中薄型闪烁体后产生的闪烁光数量较少，在传输过程中还会损失很大一部分，致使最终能够收集到的光子的数目可能微弱至单个光子水平。光电倍增管对于微弱光子测量的精确程度直接影响反符合探测器的效率。为了提高反符合探测器的效率，如何实现光电倍增管对于微弱至单个光子的精确测量尤为重要。
一般光电倍增管不具备单光电子分辨的水平，其增益也随电压变化，并且具有很强的个体差异性，即不同管子的性能差异较大。通常光电倍增管对微弱光电子的测量在现有技术中，通常都是通过对测量谱进行多个高斯拟合来实现的。但采用高斯拟合的参数通常是人为选择，这会带来较大的误差。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供了一种基于光电倍增管对微弱光子的精确测量方法和系统，其操作简单、具有较高的有效性和可靠性。并且此测量方法有较强的通用性。
为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种基于光电倍增管对微弱光子的精确测量方法，是通过采用硅光电倍增管对微弱光子的精确测量来刻度光源实现光电倍增管对微弱光子的精确测量。硅光电倍增管是一种新型的由工作在盖革模式的雪崩二极管阵列组成光电探测器件，其具有单光电子分辨本领。包括以下步骤：通过调节脉冲驱动器，使照射到硅光电倍增管上的光子数达到单光子水平，并采集硅光电倍增管的信号谱；调节脉冲驱动器的强度，同时采集各个强度对应的硅光电倍增管的信号谱，获得脉冲驱动器强度与光子数目的刻度关系；将硅光电倍增管换成光电倍增管，依据脉冲驱动器强度与光子数目的刻度关系调节脉冲驱动器强度，获得不同光子数目与光电倍增管的信号幅值的关系，根据采集的光电倍增管的信号幅值获得待测光脉冲的光子数。
进一步，光子数目与光电倍增管的信号幅值的关系为二元一次方程，方程的系数通过拟合获得。
进一步，脉冲驱动器与光源连接，用于调节光源的强度，光源通过光纤将光脉冲引导至硅光电倍增管或光电倍增管。
进一步，硅光电倍增管和光电倍增管到光纤的距离相当，且同一脉冲驱动器强度入射到硅光电倍增管和光电倍增管的光子数一致。
进一步，光纤与硅光电倍增管和光电倍增管的表面垂直。
本发明还公开了一种基于光电倍增管对微弱光子的精确测量系统，用于实现上述基于光电倍增管对微弱光子的精确测量方法，包括：脉冲驱动器、光源、光纤、硅光电倍增管、光电倍增管和数据采集模块，脉冲驱动器与光源连接，用于光源的强度进行调节，光源连接光纤，光纤用于将光脉冲引导至硅光电倍增管或光电倍增管，光纤的端部与硅光电倍增管或光电倍增管的表面保持预设距离，硅光电倍增管或光电倍增管与数据采集模块电连接，用于将检测到的信号谱传输至数据采集模块，数据采集模块用于对采集到信号谱进行分析。
进一步，脉冲驱动器、光源、光纤、硅光电倍增管和光电倍增管均设置在遮光模块中。
进一步，光源为LED蓝光光源。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明中方案可以解决光电倍增管对微弱至单个光子水平的精确测量问题，操作简单，无需引入复杂装备，具有较高的有效性，结果准确可靠性。
2、将该方案应用在反符合探测器中，可通过采集系统采集的信号幅度大小，判断入射到光电倍增管的光子强度，以此可以精确的确定反符合探测器的阈值，提高反符合探测器的效率。
3、本发明中方案有较强的通用性，并不只限于光电倍增管，可以适用于各种不具备单光电子分辨本领的光电器件。
附图说明
图1是本发明一实施例中单个光电子水平的硅光电倍增管信号谱；
图2是本发明一实施例中5个光电子水平的硅光电倍增管信号谱；
图3是本发明一实施例中光子数与光电倍增管信号幅度的对应关系图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
为了解决现有技术中光电倍增管不具备单光电子分辨的水平，通常通过对测量谱进行多个高斯拟合来实现单光电子分辨，采用高斯拟合的参数通常是人为选择，且拟合过程比较复杂的问题，本发明提出了基于光电倍增管对微弱光子的精确测量方法和系统，其可以解决光电倍增管对微弱至单个光子水平的精确测量问题。本发明为光电倍增管在空间中的高效反符合探测器的应用提供了技术支持，具有较大的实用性和优越性，在空间科学和工程任务有着广泛的应用前景。下面结合附图，通过实施例对本发明方案进行详细阐述。
实施例一
本实施例提出的光电倍增管对微弱光子精确测量方法是通过采用具有单光电子分辨本领的硅光电倍增管对微弱光子的精确测量来刻度光源来实现光电倍增管对微弱光子的精确测量。
本实施例中，光电倍增管是由光电发射阴极(光阴极)和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极(阳极)等组成。当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。
硅光电倍增管由大量的雪崩二极管(APD)单元组成，每一个单元由一个APD和一个大阻值淬灭电阻串联而成，这些微元并联成一个面阵列。为硅光电倍增管加上反向偏压后，每个微元的APD耗尽层有很高的电场，此时若外界有光子打进来，会和半导体中的电子空穴对发生康普顿散射，高能的电子和空穴随即在电场中加速，打出大量的次级电子和空穴，即雪崩。此时每个微元电路中电流突然变大，在淬灭电阻R上降落的电压也变大，APD中的电场瞬间变小，即APD输出一个瞬时电流脉冲后雪崩停止，不同微元的淬灭电阻阻值相同，所以理论上讲每个微元会输出等大的脉冲。APD是模拟器件，但宏观来看每个微元都是逻辑单元，有信号输出是“1”，没有信号就是“0”。在硅光电倍增管的动态范围内，它输出电流的大小就和发生雪崩的微元数成正比。这里需要说明的是，光电倍增管和硅光电倍增管检测原理不同，不是上下位概念。
具体的，本实施例公开了一种基于光电倍增管对微弱光子的精确测量方法，包括以下步骤：
S1脉冲驱动器与光源连接，用于调节光源的强度，进而影响硅光电倍增管输出信号的大小，光源通过光纤将光脉冲引导至硅光电倍增管，光纤与硅光电倍增管的表面垂直，通过调节脉冲驱动器，使照射到硅光电倍增管上的光子数达到单光子水平，并采集硅光电倍增管的信号谱，此时采集的硅光电倍增管信号谱如图1所示。
S2调节驱动器的强度并测试，同时采集各个强度对应的硅光电倍增管的信号谱，从而获得各个强度对应的光子数，如图2所示，为5个入射强度硅光电倍增管获得的入射水平图，采集动态范围内记录的脉冲驱动器的强度与光子数目的关系，完成脉冲驱动器强度与光子数目的刻度，刻度关系如表1所示；硅光电倍增管具有单光子分辨本领，因此通过硅光电倍增管的输出波形，可以对脉冲驱动器的强度进行刻度，刻度出一个光子、两个光子、到多个光子的脉冲驱动器的强度。
S3刻度完成后关闭电源模块，将硅光电倍增管取下，换成光电倍增管，通过固定装置将光电倍增管进行固定，使光纤的端部到硅光电倍增管和光电倍增管表面的距离一致，确保同一脉冲驱动器强度入射到硅光电倍增管和光电倍增管的光子数一致。通过电源模块给光电倍增管供电，依据脉冲驱动器强度与光子数目的刻度关系调节脉冲驱动器强度，获得不同光子数目与采集的光电倍增管的信号幅值的关系。
如图3所示，光子数目与光电倍增管的信号幅值的关系为二元一次方程，方程的系数通过拟合获得。图3中光子数目与光电倍增管的信号幅值的关系为y＝112.45x-5，其中，y为光电倍增管的信号幅值，x为光子数目。
通过上述测量，在反符合探测器应用中，即可通过采集系统采集的信号幅度大小，判断入射到光电倍增管的光子强度，以此可以精确的确定反符合探测器的阈值，提高反符合探测器的效率。
表1脉冲驱动器强度与光子数目的刻度表
| 光子数 | 脉冲强度 |
| 1 | 6(70) |
| 2 | 7(0) |
| 3 | 7(10) |
| 4 | 7(20) |
| 5 | 7(30) |
| 6 | 7(40) |
| 7 | 7(45) |
| 8 | 7(50) |
| 9 | 7(60) |
| 10 | 7(62) |
| 11 | 7(66) |
| 12 | 7(70) |
| 13 | 7(72) |
| 14 | 7(76) |
| 15 | 7(80) |
| 16 | 7(82) |
| 17 | 7(86) |
| 18 | 7(90) |
| 19 | 8(0) |
实施例二
基于相同的发明构思，本实施例提出了一种基于光电倍增管对微弱光子的精确测量系统，用于实现上述基于光电倍增管对微弱光子的精确测量方法，包括：脉冲驱动器、光源、光纤、电源模块、硅光电倍增管、光电倍增管和数据采集模块。
脉冲驱动器与光源连接，用于光源的强度进行调节，进而影响硅光电倍增管输出信号的大小，采集系统采集的信号的大小可以反映出到达硅光电倍增管表面光子的多少。本实施例中光源优选为LED蓝光光源。光源连接光纤，光纤用于将光脉冲引导至硅光电倍增管或光电倍增管，光纤的端部与硅光电倍增管或光电倍增管的表面保持预设距离，并且对准硅光电倍增管中心，光纤与硅光电器件表面垂直，确保光垂直入射，整体系统固定确保不会晃动。电源模块用于给硅光电倍增管及光电倍增管供电，硅光电倍增管或光电倍增管与数据采集模块电连接，用于将检测到的信号谱传输至数据采集模块，数据采集模块用于对采集到信号谱进行分析，生成对应光子数。脉冲驱动器、光源、光纤、硅光电倍增管和光电倍增管均设置在遮光模块中。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于光电倍增管对微弱光子的精确测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过调节脉冲驱动器，使照射到硅光电倍增管上的光子数达到单光子水平，并采集硅光电倍增管的信号谱；
调节所述脉冲驱动器的强度，同时采集各个强度对应的硅光电倍增管的信号谱，获得脉冲驱动器强度与光子数目的刻度关系；
将硅光电倍增管换成光电倍增管，依据脉冲驱动器强度与光子数目的刻度关系调节脉冲驱动器强度，获得不同光子数目与光电倍增管的信号幅值的关系，根据采集的光电倍增管的信号幅值获得待测光脉冲的光子数。
2.如权利要求1所述的基于光电倍增管对微弱光子的精确测量方法，其特征在于，所述光子数目与光电倍增管的信号幅值的关系为二元一次方程，所述方程的系数通过拟合获得。
3.如权利要求1所述的基于光电倍增管对微弱光子的精确测量方法，其特征在于，所述脉冲驱动器与光源连接，用于调节所述光源的强度，所述光源通过光纤将光脉冲引导至所述硅光电倍增管或光电倍增管。
4.如权利要求3所述的基于光电倍增管对微弱光子的精确测量方法，其特征在于，所述硅光电倍增管和所述光电倍增管到所述光纤的距离相当，且同一脉冲驱动器强度入射到所述硅光电倍增管和所述光电倍增管的光子数一致。
5.如权利要求3所述的基于光电倍增管对微弱光子的精确测量方法，其特征在于，所述光纤与所述硅光电倍增管和光电倍增管的表面垂直。
6.一种基于光电倍增管对微弱光子的精确测量系统，其特征在于，用于实现权利要求1-5任一项所述的基于光电倍增管对微弱光子的精确测量方法，包括：脉冲驱动器、光源、光纤、硅光电倍增管、光电倍增管和数据采集模块，
所述脉冲驱动器与所述光源连接，用于所述光源的强度进行调节，所述光源连接所述光纤，所述光纤用于将光脉冲引导至所述硅光电倍增管或光电倍增管，所述光纤的端部与所述硅光电倍增管或光电倍增管的表面保持预设距离，所述硅光电倍增管或光电倍增管与所述数据采集模块电连接，用于将检测到的信号谱传输至所述数据采集模块，所述数据采集模块用于对采集到信号谱进行分析，生成对应光子数。
7.如权利要求6所述的基于光电倍增管对微弱光子的精确测量系统，其特征在于，所述脉冲驱动器、光源、光纤、硅光电倍增管和光电倍增管均设置在遮光模块中。
8.如权利要求6所述的基于光电倍增管对微弱光子的精确测量系统，其特征在于，所述光源为LED蓝光光源。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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