CN203385483U - 基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置，包括有多像素光子计数器，多像素光子计数器通过同轴电缆依次与电荷灵敏前置放大器、主放大器连接，电荷灵敏前置放大器通过同轴电缆连接有电压源，主放大器通过同轴电缆分别连接有示波器和模拟数字转换器，多像素光子计数器通过光纤依次与光衰减器、短脉冲光源发射装置、门和延迟产生器、模拟数字转换器连接，模拟数字转换器通过同轴电缆与微型计算机连接。本实用新型的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置能直接绘制出脉冲高度分布谱进行光子数分辨，还能根据谱图和脉冲计数换算出入射光子数。
Description
技术领域
本实用新型属于微弱光探测计数装置技术领域，具体涉及一种基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置。
背景技术
在现有光子数分辨与计数系统中，用来探测光子的器件主要是光电倍增管PMT和超导光子探测器，PMT具有很高的灵敏度和暗计数，能够响应单个光子，但是PMT存在体积较大、难以集成、对磁场敏感、成本高、易损坏、易曝光及光子数分辩能力不好的缺点；另一方面，利用PMT作为光子探测器，在工作时，其倍增打拿极的增益具有较大的统计涨落，使得输出的脉冲幅度也具有很大的不确定性，使得PMT几乎无法分辨每个光脉冲中的光子个数。
而对于超导光子探测器，则有较好的光子数分辨能力和探测效率。然而，其通常要工作在液氮的沸点甚至更低的温度下。使用这种探测器，需要配备低温制冷设备，使得装置复杂，不易操作，成本昂贵，并且有一定的危险性。
近年来，一种在常温下就具有光子数分辨能力的单光子探测器-多像素光子计数器（Multi-Pixel Photon Counters，MPPC）得到较快发展。它由数百至数万个直径为几到几十微米的雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）单元阵列集成在同一个单晶硅片上构成，每个APD单元串联着数百千欧的电阻，用于及时淬灭雪崩击穿产生的大电流，所有APD单元共用一个取信号电极，并且工作在盖革模式下。在这种模式下，APD单元的偏置电压高于击穿电压若干伏，当某一个APD单元接收到一个光子时，所产生的光生载流子将有一定概率触发雪崩击穿，雪崩击穿后的光电转换增益可达105～107。由于每一个APD单元具有完全相同的结构和淬灭电阻，在发生雪崩时，雪崩放电的增益，即输出信号的幅度均相同。当光强较弱时，MPPC总的输出信号幅度正比与同时发生雪崩击穿的APD单元的数目，可在示波器上看到雪崩脉冲有清晰的倍数层次关系，由于这种器件可像光电倍增管一样进行单光子探测，所以也被称作硅光电倍增器（Silicon Photomultiplier，SiPM）。
MPPC具有比光电倍增管好得多的光子数分辨能力、无需工作在低温下、结实耐用、不易曝光、体积小、易于集成、工作电压低、不受磁场干扰、可靠性好、成本低廉，在高能物理、天体物理、核医学成像及生命科学等很多弱光信号的检测领域已经成为PMT的替代品，并有望全面取代PMT。利用MPPC作为光子数分辨系统的光子探测器有好的应用前景。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置，能绘制出脉冲高度分布谱进行光子数分辨，还能根据脉冲高度分布谱与脉冲计数换算出入射光子数。
本实用新型所采用的技术方案是，基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置，包括有多像素光子计数器，多像素光子计数器通过同轴电缆依次与电荷灵敏前置放大器、主放大器连接，电荷灵敏前置放大器通过同轴电缆连接有电压源，主放大器通过同轴电缆分别连接有示波器和模拟数字转换器，多像素光子计数器通过光纤依次与光衰减器、短脉冲光源发射装置、门和延迟产生器、模拟数字转换器连接，模拟数字转换器通过同轴电缆与微型计算机连接。
本实用新型的特点还在于，
多像素光子计数器的型号为S10362-11-025U。
电压源为高电压低纹波稳压电源，型号为Model3002。
光衰减器为标准FC可调式光纤法兰盘；光纤为FC/PC多模光纤。
示波器的型号为TDS1012。
电荷灵敏前置放大器的型号为142A。
主放大器的型号为673。
模拟数字转换器的型号为Multiport II。
短脉冲光源装置为PDL-800D半导体皮秒激光器。
门和延迟产生器型号为416A。
本实用新型的有益效果在于：
1）本实用新型的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置中采用了多像素光子计数器，具有光子数分辨能力强、无需低温制冷，在常温下即可分辨光子数、操作安全、结实耐用、体积小、易于集成、工作电压低、不受磁场干扰、可靠性好、成本低廉的优点；
2）本实用新型的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置可直接绘制出脉冲高度分布谱进行光子数分辨，还能根据脉冲高度分布谱与脉冲计数换算出入射光子数，测量速度快，使用起来非常方便；
3）本实用新型的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置适用范围广，尤其适用于需要准确得知脉冲光子数的场合。
附图说明
图1是本实用新型的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置的示意图；
图2是利用本实用新型的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置测出的脉冲高度分布谱。
图中，1.多像素光子计数器，2.电压源，3.光衰减器，4.示波器，5.电荷灵敏前置放大器，6.主放大器，7.模拟数字转换器，8.短脉冲光源发射装置，9.门和延迟产生器，10.微型计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
本实用新型的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置，其结构如图1所示，该系统包括有多像素光子计数器1，多像素光子计数器1通过同轴电缆依次与电荷灵敏前置放大器5、主放大器6连接，电荷灵敏前置放大器5通过同轴电缆连接有电压源2，主放大器6通过同轴电缆分别连接有示波器4和模拟数字转换器7，多像素光子计数器1通过光纤依次与光衰减器3、短脉冲光源发射装置8、门和延迟产生器9、模拟数字转换器7连接，模拟数字转换器7通过数据连接线与微型计算机10连接。
多像素光子计数器1（MPPC）的型号为S10362-11-025U，为日本滨松公司（Hamamastu）生产。
电压源2为高电压低纹波稳压电源，型号为Model3002，Canberra，Inc.。
光衰减器3为标准FC可调式光纤法兰盘。
示波器4的型号为TDS1012，Tektronix Inc.。
电荷灵敏前置放大器5的型号为142A，Canberra，Inc.。
主放大器6的型号为673，Canberra，Inc.。
模拟数字转换器7（Analog to Digital Converter，ADC）的型号为Multiport II，Canberra，Inc.。
短脉冲光源装置8为PDL-800D半导体皮秒激光器，生产于美国颐光科技公司。
门和延迟产生器9型号为416A，Canberra，Inc.。
光纤型号为FC/PC多模光纤。
微型计算机10即PC机。
本实用新型的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置的工作原理是：
将多像素光子计数器1通过电荷灵敏前置放大器8加偏压，使多像素光子计数器1工作在盖革模式；
短脉冲光源装置8发出的光经过光衰减器3强烈衰减至单光子量级后，通过光纤耦合至多像素光子计数器1，多像素光子计数器1产生的雪崩脉冲电信号经电荷灵敏前置放大器放大后，再通入主放大器6进行整形和放大；从主放大器6输出的信号一路通入示波器4进行脉冲计数和波形监测，另一路通入模拟数字转换器7进行脉冲幅度分析，同时进行脉冲计数，最后由微型计算机10进行实时的数据分析，既能绘制出脉冲高度分布谱进行光子数分辨，又能根据分布谱和脉冲计数换算出入射光子数。
图2即为利用本实用新型的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置测出的脉冲高度分布谱，由图2可以看出，单个光电子峰清晰可辨，可清晰分辨出12个光电子峰，说明本实用新型的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置具有优秀的光子数分辨能力。图2中，p.e.是photon equivalent光子等效的缩写，表示等效光子数。
Claims (10)
1.基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置，其特征在于，包括有多像素光子计数器（1），所述多像素光子计数器（1）通过同轴电缆依次与电荷灵敏前置放大器（5）、主放大器（6）连接，所述电荷灵敏前置放大器（5）通过同轴电缆连接有电压源（2），所述主放大器（6）通过同轴电缆分别连接有示波器（4）和模拟数字转换器（7），所述多像素光子计数器（1）通过光纤依次与光衰减器（3）、短脉冲光源发射装置（8）、门和延迟产生器（9）、模拟数字转换器（7）连接，所述模拟数字转换器（7）通过同轴电缆与微型计算机（10）连接。
2.根据权利要求1所述的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置，其特征在于，所述多像素光子计数器（1）的型号为S10362-11-025U。
3.根据权利要求1所述的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置，其特征在于，所述电压源（2）为高电压低纹波稳压电源，型号为Model3002。
4.根据权利要求1所述的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置，其特征在于，所述光衰减器（3）为标准FC可调式光纤法兰盘；所述光纤为FC/PC多模光纤。
5.根据权利要求1所述的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置，其特征在于，所述示波器（4）的型号为TDS1012。
6.根据权利要求1所述的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置，其特征在于，所述电荷灵敏前置放大器（5）的型号为142A。
7.根据权利要求1所述的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置，其特征在于，所述主放大器（6）的型号为673。
8.根据权利要求1所述的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置，其特征在于，所述模拟数字转换器（7）的型号为MultiportII。
9.根据权利要求1所述的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置，其特征在于，所述短脉冲光源装置（8）为PDL-800D半导体皮秒激光器。
10.根据权利要求1所述的基于多像素光子计数器的光子数分辨与计数装置，其特征在于，所述门和延迟产生器（9）型号为416A。
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