CN203385484U - 一种单光子计数装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开的一种单光子计数装置，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分别连接有电压源、隔直电容、取信号电阻，多像素光子计数器还通过光纤依次连接有光衰减器、光源发射装置，隔直电容通过同轴电缆依次与高速信号放大器、示波器连接，取信号电阻接地。本实用新型的单光子计数装置，解决了现有单光子计数装置存在的易曝光及易损坏的问题。

Description

一种单光子计数装置
技术领域
本实用新型属于微弱光探测计数装置技术领域，具体涉及一种单光子计数装置。 
背景技术
在现有单光子计数系统中，用来探测光子的器件为光电倍增管PMT。PMT具有很高的灵敏度和暗计数，能够响应单个光子，其输出的电流信号具有自然离散化的特征，采用了脉冲高度甄别技术和数字计数技术进行电脉冲计数来探测光子，与模拟检测技术相比，具有如下优点：1）测量结果受光电倍增管的漂移、系统增益的变化等不稳定因素的影响较小；2）基本上消除了光电倍增管高压直流漏电流和各倍增极的热发射噪声的影响，大大提高测量结果的信噪比；3）有较宽的线性动态范围；4）可输出数字信号，适合与计算机接口作数字数据处理。这种光子计数技术，可把淹没在背景噪声的弱光信号提取出来。目前，光子计数器探测灵敏度优于10-17W，这是其他探测方法所不能比拟的。然而PMT具有体积较大、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，属于传统的光探测器。利用PMT作为光子计数探测器，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。 
另一方面，传统的单光子计数系统由于利用PMT作为探测器，很容易因误操作而使PMT曝光，这样会缩短PMT的寿命，甚至损坏PMT，造成实验的延误及设备维护成本的提高。在科学研究和教学实验中，亟待一种结实耐用、不怕曝光且具有单光子分辨能力的单光子计数实验系统。 
相比PMT而言，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）越来越受到重视。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具有最优秀的光子数分辨能力，它没有像线性模式APD那样大的增益起伏或过噪声，与光电倍增管（PMT）相比，单光子分辨能力强、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，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，并有望全面取代光电倍增管，MPPC作为单光子计数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单光子计数装置，解决了现有单光子计数装置存在的易曝光及易损坏的问题。 
本实用新型所采用的技术方案是，一种单光子计数装置，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分别连接有电压源、隔直电容、取信号电阻，多像素光子计数器还通过光纤连接有光衰减器，隔直电容通过同轴电缆依次与高速信号放大器、示波器连接，光衰减器通过光纤与光源发射装置连接，取信号电阻接地。 
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。 
多像素光子计数器包括有一个单晶硅片，单晶硅片上集成有10至10000个并联设置的雪崩光电二极管单元，每个雪崩光电二极管单元都串联一个100kΩ～10MΩ的淬灭电阻。 
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。 
高速信号放大器的型号为C5594。 
示波器的型号为TDS1012。 
光源发射装置为溴钨灯光源，型号为TT21-GY-2。 
同轴电缆为特征阻抗为50Ω的BNC同轴电缆。 
本实用新型的有益效果在于： 
1）相比于现有的单光子计数装置，本实用新型的单光子计数装置具有集成度高、结实耐用、不易曝光和损坏、检测速度快及易操作的优点； 
2）本实用新型的单光子计数装置结构简单、制作成本低廉。 
附图说明
图1是本实用新型的单光子计数装置的结构原理图。 
图中，1.多像素光子计数器，2.电压源，3.光衰减器，4.高速信号放大器，5.示波器，6.光源发射装置，C1.隔直电容,Rs.取信号电阻，RQ.淬灭电阻。 
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。 
本实用新型的单光子计数装置，其结构如图1所示，包括有多像素光子计数器1，多像素光子计数器1通过同轴电缆分别连接有电压源2、隔直电容C1、取信号电阻Rs，多像素光子计数器1还通过光纤依次连接有光衰减器3、光源发射装置6，隔直电容C1通过同轴电缆依次与高速信号放大器4、示波器5连接，取信号电阻Rs接地。 
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；多像素光子计数器1包括有一个单晶硅片，单晶硅片上集成有10至10000个并联设置的雪崩光电二极 管单元（APD），每个雪崩光电二极管单元的直径为1um～1000um，每个雪崩光电二极管单元都串联一个100kΩ～10MΩ的淬灭电阻RQ（被动淬灭模式）或电路（主动淬灭模式），用以控制雪崩光电二极管单元的雪崩淬灭和电压恢复。 
电压源2为高电压低纹波稳压电源，其型号为Model3002，Canberra，Inc.。 
光衰减器3为标准FC可调式光纤法兰盘。 
光纤为FC/PC多模光纤。 
同轴电缆为特征阻抗为50Ω的BNC同轴电缆。 
高速信号放大器4（Fast-amplifier）的型号为C5594，Hamamastu，Inc.。 
示波器5的型号为TDS1012，Tektronix Inc.。 
光源发射装置6为国产溴钨灯光源，其型号为TT21-GY-2。 
本实用新型的单光子计数装置的工作原理是： 
将多像素光子计数器1的与一取信号电阻Rs（负载）连接后接地，并将多像素光子计数器1加反向偏压使其工作在盖革模式；光源发射装置6发出的光经过光衰减器3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过高速信号放大器4大后，通入示波器5行脉冲计数；在多像素光子计数器1未发生饱和的情况下，脉冲电信号的计数率与入射光子的通量成正比，从而能够达到单光子计数的目的。 

Claims (10)

1.一种单光子计数装置，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）通过同轴电缆分别连接有电压源（2）、隔直电容（C1）、取信号电阻（Rs），所述多像素光子计数器（1）还通过光纤依次连接有光衰减器（3）、光源发射装置（6），所述隔直电容（C1）通过同轴电缆依次与高速信号放大器（4）、示波器（5）连接，所述取信号电阻（Rs）接地。 
2.根据权利要求1所述的单光子计数装置，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或2所述的单光子计数装置，其特征在于，所述多像素光子计数器（1）包括有一个单晶硅片，所述单晶硅片上集成有10至10000个并联设置的雪崩光电二极管单元，所述每个雪崩光电二极管单元都串联一个100kΩ～10MΩ的淬灭电阻（RQ）。 
4.根据权利要求1所述的单光子计数装置，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。 
5.根据权利要求1所述的单光子计数装置，其特征在于，所述光衰减器（3）为标准FC可调式光纤法兰盘。 
6.根据权利要求1所述的单光子计数装置，其特征在于，所述光纤为FC/PC多模光纤。 
7.根据权利要求1所述的单光子计数装置，其特征在于，所述高速信号放大器（4）的型号为C5594。 
8.根据权利要求1所述的单光子计数装置，其特征在于，所述示波器（5）的型号为TDS1012。 
9.根据权利要求1所述的单光子计数装置，其特征在于，所述光源发射装置（6）为溴钨灯光源，型号为TT21-GY-2。 
10.根据权利要求1所述的单光子计数装置，其特征在于，所述同轴电缆为特征阻抗为50Ω的BNC同轴电缆。 
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