專利名稱：無光照熱電子噪聲脈沖鑒別單光子計數(shù)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及ー種無光照熱電子噪聲脈沖鑒別單光子計數(shù)器。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、天文和信息科學(xué)等領(lǐng)域中對測量微弱光信號的要求越來越高，需求正在不斷增長。單光子計數(shù)器是ー種測量極微弱光的測量方法，它測量的光的光電流強(qiáng)度比光電探測器本身在室溫下的熱噪聲水平(10_14W)更低，通常的測量方法是不能把這種淹沒在噪聲中的信號測量出來的。在極微弱光照射下，這種方法把光按照單個光子來處理，光子探測器輸出為自然離散的脈沖信號，采用脈沖鑒別技術(shù)和數(shù)字計數(shù)技術(shù)把極微弱光信號提取出來。目前，光的極限領(lǐng)域的檢測技術(shù)已成為研究各種更加高深現(xiàn)象的重要手段，單光子計數(shù)器測光技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光電子 學(xué)各行各業(yè)。單光子計數(shù)器是ー種高靈敏低噪聲的微弱信號檢測設(shè)備，主要部件有光電傳感器、放大器、鑒別器和計數(shù)器等。光電傳感器在輸出由入射光子產(chǎn)生的單個脈沖的同時，也會輸出一系列的噪聲脈沖。影響光電傳感器單光子計數(shù)的重要因素是暗電流脈沖，一般認(rèn)為暗電流主要是由于光電傳感器的熱電子發(fā)射，熱電子脈沖電壓高度比光電子脈沖要低一點(diǎn)，因此排除噪聲最有效的方法就是采用區(qū)分每個脈沖的大小、高度的方法。經(jīng)放大器放大的脈沖信號接鑒別器，通過選擇鑒別器的下鑒別電壓和上鑒別電壓，實現(xiàn)只讓陰極發(fā)射形成的單光電子脈沖通過，而不讓比下鑒別電壓低和比上鑒別電壓高的脈沖通過，從而將大量的熱電子噪聲和其它噪聲濾去。在這里，對于下鑒別電壓的高低選擇設(shè)定非常重要，它是將大量的熱電子噪聲濾去的最重要手段；若下鑒別電壓的設(shè)置過高，則大量有用信號脈沖也被扣除，造成靈敏度下降；若下鑒別電壓設(shè)置過低，則大量熱電子噪聲脈沖也通過，造成信噪比下降，弱信號淹沒在噪聲中。現(xiàn)有大多數(shù)單光子計數(shù)器的使用者都在考慮上述存在的缺陷，但對于閾值只能粗略的估計，不能精確的確定其值的大小，閾值設(shè)定都偏大，而且閾值固定不變，加上系統(tǒng)各元器件的使用狀態(tài)及使用年限的差異等多種因素的影響，使得整個儀器的靈敏度和信噪比的參數(shù)指標(biāo)均下降較快，嚴(yán)重影響了該行業(yè)的研發(fā)任務(wù)。
發(fā)明內(nèi)容針對上述情況，本實用新型的目的是提供ー種結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，制造容易，無需投入新的設(shè)備，靈敏度高，熱電子噪聲低，測量精度高，使用方便，商業(yè)前景好，適宜普及推廣，實現(xiàn)超高靈敏度和超低噪聲測量光強(qiáng)強(qiáng)度的無光照熱電子噪聲脈沖鑒別單光子計數(shù)器。為了實現(xiàn)上述目的，ー種無光照熱電子噪聲脈沖鑒別單光子計數(shù)器，暗盒內(nèi)主要設(shè)有光快門和光電探測器，暗盒外依次設(shè)放大器、鑒別器、脈沖整形器、計數(shù)器、嵌入式系統(tǒng)、階梯信號發(fā)生器及計算機(jī)，它們相互電連接；所述暗盒內(nèi)光快門和光電探測器之間還設(shè)置一通光孔和光闌，且通光孔依次貫穿光快門葉片、光闌至光電探測器，使用時，先閉合暗盒內(nèi)的光快門，無光通過通光孔、光快門和光闌，無光照射在光電探測器上，階梯信號發(fā)生器輸出階梯信號至鑒別器基準(zhǔn)電壓端，掃描光電探測器熱電子噪聲脈沖能譜，實測系統(tǒng)噪聲譜參數(shù)，同時，計算機(jī)在其關(guān)閉光快門時測得的熱電子噪聲脈沖高度分布曲線并進(jìn)行數(shù)字閾值設(shè)置，由實測的熱電子噪聲脈沖能譜曲線確定閾值電壓大小為Vt= Ve+V}|l，嵌入式系統(tǒng)控制輸出下閾值電壓，此下閾值電壓輸入到鑒別器基準(zhǔn)電壓端，再由放大器處理的光電脈沖信號和熱電子噪聲脈沖經(jīng)鑒別器、脈沖整形器濾去低于下閾值電壓中的熱電子噪聲脈沖，而光電子脈沖信號通過鑒別器輸入到計數(shù)器，實現(xiàn)高信噪比的超高靈敏度和超低噪聲測量光強(qiáng)強(qiáng)度。為了實現(xiàn)降低噪聲和顯著提高靈敏度的效果，其進(jìn)ー步的措施還有光快門為機(jī)械式手動控制光快門。光快門為機(jī)械式自動控制光快門。光快門關(guān)閉時，無任何光入射，自動掃描熱電子噪聲脈沖高度分布。 光快門開啟時，實現(xiàn)高信噪比光強(qiáng)測量。階梯信號發(fā)生器包括由運(yùn)算放大器IC1、電容Cl、電阻R1、R2、R3和R4組成的方波發(fā)生器，由與非門IC2、ニ極管D3和D4組成信號開關(guān),并輸入嵌入式系統(tǒng)觸發(fā)掃描信號，由運(yùn)算放大器IC3和IC4組成的斜波發(fā)生器，其中以IC4為核心組成的差分放大器經(jīng)其輸出端取樣調(diào)節(jié)輸出電壓，IC4的輸出電壓與IC2輸出的門控信號疊加，在運(yùn)算放大器IC3輸出端形成階梯波信號輸出供給鑒別器基準(zhǔn)電壓端。鑒別器下閾值電壓的設(shè)置為手動設(shè)置。鑒別器下閾值電壓的設(shè)置為自動設(shè)置。階梯信號發(fā)生器工作時產(chǎn)生階梯狀上升掃描電壓，由小到大逐漸變化，在鑒別器基準(zhǔn)電壓端加入前述階梯狀上升掃描電壓，掃描熱電子噪聲脈沖高度分布，實現(xiàn)熱電子噪聲脈沖的鑒別。光快門測量工作開始之前，根據(jù)熱電子噪聲脈沖高度分布設(shè)置鑒別器下閾值電壓，使其處于最佳工作狀態(tài)。本實用新型采用在暗盒內(nèi)設(shè)光電探測器、光快門，暗盒外設(shè)放大器、鑒別器、脈沖整形器、計數(shù)器、嵌入式系統(tǒng)、階梯信號發(fā)生器及計算機(jī)，它們相互電連接；使用時先閉合暗盒內(nèi)的光快門，光電探測器熱電子噪聲脈沖信號經(jīng)階梯信號發(fā)生器和鑒別器掃描熱電子噪聲脈沖能譜，結(jié)合計算機(jī)關(guān)閉快門時測得的熱電子噪聲脈沖能譜曲線，由嵌入式系統(tǒng)設(shè)置輸出下閾值電壓至鑒別器基準(zhǔn)電壓端，測量時濾去較低幅度的熱電子噪聲脈沖，通過較高幅度的光電子脈沖并輸入計數(shù)器，實現(xiàn)高信噪比和超低噪聲測量光強(qiáng)強(qiáng)度的技術(shù)方案；克服了傳統(tǒng)單光子計數(shù)器的靈敏度低、噪聲高，光強(qiáng)測量穩(wěn)定性差等缺陷。本實用新型相比現(xiàn)有技術(shù)所產(chǎn)生的有益效果(I)本實用新型僅只要在傳統(tǒng)單光子計數(shù)器上安裝一光快門，通過控制光快門，實時測得單光子計數(shù)器的純熱電子噪聲脈沖譜，根據(jù)適時狀態(tài)設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，消除系統(tǒng)元器件的性能差異及使用狀態(tài)和使用年限的差異，使系統(tǒng)的靈敏度得到顯著提高，熱電子噪聲大大降低。(2)本實用新型在傳統(tǒng)單光子計數(shù)器鑒別器基準(zhǔn)電壓端加ー階梯信號發(fā)生器，控制階梯信號發(fā)生器產(chǎn)生階梯狀上升掃描電壓，掃描測得單光子計數(shù)器的純熱電子噪聲脈沖レ曰。(3)本實用新型増加的零部件，其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，制造容易，無需投入新的設(shè)備，無成本增加。(4)本實用新型使用、維護(hù)方便，靈敏度高，熱電子噪聲低，測量精度高。(5)本實用新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠，制造成本低，操作容易，極大地提高了單光子計數(shù)器的靈敏度和光強(qiáng)測量的穩(wěn)定性，商業(yè)前景好，適宜普及推廣。本實用新型適合于各種光電傳感器的單光子計數(shù)器及光散射、天文測光、軍事、化學(xué)、材料、生物醫(yī)學(xué)和弱光光纖通信等極微弱光信號的測量。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)ー步的說明。
圖I為本實用新型無光照熱電子噪聲脈沖鑒別單光子計數(shù)器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型的暗盒、光快門、光闌和光電探測器水平剖面圖。圖3為本實用新型的隨時間階梯狀上升掃描電壓曲線圖。圖4為本實用新型階梯信號發(fā)生器電路圖。圖5為本實用新型熱電子噪聲脈沖譜圖。圖中1、暗盒;1_1、通光孔，1-2、光闌，2、光快門;3、光電探測器；4、放大器；5、鑒別器；6、階梯信號發(fā)生器；7、脈沖整形器；8、計數(shù)器；9、嵌入式系統(tǒng)；10、計算機(jī)。
具體實施方式
由附圖所示，ー種無光照熱電子噪聲脈沖鑒別單光子計數(shù)器，其暗盒I內(nèi)主要設(shè)有光快門2和光電探測器3,此暗盒I內(nèi)光快門2和光電探測器3之間還設(shè)置一通光孔1-1和光闌1-2，且通光孔1-1依次貫穿光快門2葉片、光闌1-2至光電探測器3，暗盒I外依次設(shè)放大器4、鑒別器5、脈沖整形器7、計數(shù)器8、嵌入式系統(tǒng)9、階梯信號發(fā)生器6及計算機(jī)10，它們相互電連接；光快門2設(shè)有機(jī)械式手動控制光快門、機(jī)械式自動控制光快門；當(dāng)光快門2關(guān)閉時，無任何光入射，自動掃描熱電子噪聲脈沖高度分布；當(dāng)光快門2開啟時，實現(xiàn)高信噪比光強(qiáng)測量；光快門2測量工作開始之前，應(yīng)根據(jù)熱電子噪聲脈沖高度分布設(shè)置鑒別器5下閾值電壓，使其處于最佳工作狀態(tài)；階梯信號發(fā)生器6如圖4，它包括由運(yùn)算放大器ICl、電容Cl、電阻Rl、R2、R3和R4組成的方波發(fā)生器，由與非門IC2、ニ極管D3和D4組成信號開關(guān)，并輸入嵌入式系統(tǒng)9觸發(fā)掃描信號，由運(yùn)算放大器IC3和IC4組成的斜波發(fā)生器，其中以IC4為核心組成的差分放大器經(jīng)其輸出端取樣調(diào)節(jié)輸出電壓，IC4的輸出電壓與IC2輸出的門控信號疊加，在運(yùn)算放大器IC3輸出端形成階梯波信號如圖3輸出供給鑒別器5基準(zhǔn)電壓端；階梯信號發(fā)生器6工作時產(chǎn)生階梯狀上升掃描電壓，由小到大逐漸變化，在鑒別器5基準(zhǔn)電壓端加入前述階梯狀上升掃描電壓，掃描熱電子噪聲脈沖高度分布，實現(xiàn)熱電子噪聲脈沖的鑒別；使用時，先閉合暗盒I內(nèi)的光快門2，無光通過通光孔1-1、光快門2和光闌1-2，無光照射在光電探測器3上，階梯信號發(fā)生器6輸出階梯信號至鑒別器5基準(zhǔn)電壓端，掃描光電探測器3熱電子噪聲脈沖能譜，實測系統(tǒng)噪聲譜參數(shù)，同時，計算機(jī)10在其關(guān)閉光快門2時測得的熱電子噪聲脈沖高度分布曲線并進(jìn)行數(shù)字閾值設(shè)置，由實測的熱電子噪聲脈沖能譜曲線確定閾值電壓大小為Vt= V拐+h票，嵌入式系統(tǒng)9控制輸出下閾值電壓，此下閾值電壓輸入到鑒別器5基準(zhǔn)電壓端，再由放大器4處理的光電脈沖信號和熱電子噪聲脈沖經(jīng)鑒別器5、脈沖整形器7濾去低于下閾值電壓中的熱電子噪聲脈沖，而光電子脈沖信號通過鑒別器5輸入到計數(shù)器8，實現(xiàn)高信噪比的超高靈敏度和超低噪聲測量光強(qiáng)強(qiáng)度。結(jié)合附圖，一種無光照熱電子噪聲脈沖鑒別單光子計數(shù)器的工作原理。無光照熱電子噪聲脈沖鑒別單光子計數(shù)器系統(tǒng)，它包括光電探測器3安裝在暗盒I內(nèi)，光由暗盒I的通光孔1-1照射在光電探測器3上，暗盒I內(nèi)通光孔1-1上安裝有光快門2，在光快門2關(guān)閉時單光子計數(shù)器系統(tǒng)無光信號輸入，光電探測器3自身產(chǎn)生熱電子噪聲，經(jīng)放大器4放大得到大小高度不同的熱電子噪聲脈沖電信號，由計算機(jī)10控制嵌入式系統(tǒng)9觸發(fā)階梯信號發(fā)生器6產(chǎn)生如圖3所示的階梯上升掃描電壓，熱電子噪聲脈沖電信號輸入鑒別器5，在鑒別器5基準(zhǔn)電壓端加入階梯狀上升掃描電壓，觸發(fā)鑒別器5基準(zhǔn)電壓掃描，由鑒別器5實現(xiàn)熱電子噪聲脈沖電壓高度掃描，掃描通過鑒別器5的熱電子噪聲脈沖信號再經(jīng)脈沖整形器7整形，然后輸入計數(shù)器8測量，通過計算機(jī)10數(shù)據(jù)采集和處理得到 噪聲脈沖高度分布曲線如圖5所示；通過計算機(jī)分析噪聲脈沖高度分布曲線，得到噪聲脈沖高度分布曲線的拐點(diǎn)，從拐點(diǎn)開始，隨著掃描電壓的升高，其后，脈沖高度分布曲線是ー條計數(shù)值非常小且基本不變的曲線，達(dá)到最理想的狀態(tài)；這足以說明在拐點(diǎn)時已經(jīng)把絕大多數(shù)的噪聲濾除了 ；不過這只是理想的狀態(tài)，通常在進(jìn)行脈沖鑒別吋，鑒別電壓會發(fā)生微小的漂移；因此，為達(dá)到最高信噪比和靈敏度，在獲得拐點(diǎn)電壓后，應(yīng)在拐點(diǎn)電壓基礎(chǔ)上加Vg=20mV 30mV，以此值設(shè)定為下閾值電壓；這樣就充分保證濾除了絕大部分熱電子噪聲，而對靈敏度影響也很小，同時保證了測量儀器的高度穩(wěn)定性。參照附圖I和2，測量極微弱光信號吋，開啟暗盒I的光快門2，微弱光通過通光孔1-1和光闌1-2照射在光電探測器3上，通過計算機(jī)先前關(guān)閉光快門2時測量得到的脈沖高度分布曲線，精確確定鑒別器5下閾值電壓，其實測的下閾值電壓大小Vt= Ve+V}|l，由嵌入式系統(tǒng)9控制下閾值電壓設(shè)置，此下閾值電壓輸入至鑒別器5基準(zhǔn)電壓端，由放大器4處理的光電脈沖信號經(jīng)鑒別器5將比下閾值電壓低的大量熱電子噪聲脈沖濾去，只讓光電子脈沖信號通過并輸入到計數(shù)器8進(jìn)行測量，由此大大地提高了測量信噪比。
權(quán)利要求1.ー種無光照熱電子噪聲脈沖鑒別單光子計數(shù)器，其特征在于暗盒(I)內(nèi)主要設(shè)有光快門(2)和光電探測器(3)，暗盒(I)外依次設(shè)放大器(4)、鑒別器(5)、脈沖整形器(7)、計數(shù)器(8)、嵌入式系統(tǒng)(9)、階梯信號發(fā)生器(6)及計算機(jī)(10)，它們相互電連接；所述暗盒⑴內(nèi)光快門⑵和光電探測器⑶之間還設(shè)置一通光孔(1-1)和光闌(1-2)，且通光孔(1-1)依次貫穿光快門⑵葉片、光闌(1-2)至光電探測器(3)，使用時，先閉合暗盒(I)內(nèi)的光快門(2)，無光通過通光孔(1-1)、光快門(2)和光闌(1-2)，無光照射在光電探測器(3)上，階梯信號發(fā)生器(6)輸出階梯信號至鑒別器(5)基準(zhǔn)電壓端，掃描光電探測器(3)熱電子噪聲脈沖能譜，實測系統(tǒng)噪聲譜參數(shù)，同時，計算機(jī)(10)在其關(guān)閉光快門(2)時測得的熱電子噪聲脈沖高度分布曲線并進(jìn)行數(shù)字閾值設(shè)置，由實測的熱電子噪聲脈沖能譜曲線確定閾值電壓大小,Vt= V@+V}|l，嵌入式系統(tǒng)(9)控制輸出下閾值電壓，此下閾值電壓輸入到鑒別器(5)基準(zhǔn)電壓端，再由放大器(4)處理的光電脈沖信號和熱電子噪聲脈沖經(jīng)鑒別器(5)、脈沖整形器(7)濾去低于下閾值電壓中的熱電子噪聲脈沖，而光電子脈沖信號通過鑒別器(5)輸入到計數(shù)器(8)，實現(xiàn)高信噪比的超高靈敏度和超低噪聲測量光強(qiáng)強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無光照熱電子噪聲脈沖鑒別單光子計數(shù)器，其特征在于光快門(2)為機(jī)械式手動控制光快門。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無光照熱電子噪聲脈沖鑒別單光子計數(shù)器，其特征在于光快門(2)為機(jī)械式自動控制光快門。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無光照熱電子噪聲脈沖鑒別單光子計數(shù)器，其特征在于階梯信號發(fā)生器(6)包括由運(yùn)算放大器IC1、電容Cl、電阻R1、R2、R3和R4組成的方波發(fā)生器，由與非門IC2、ニ極管D3和D4組成信號開關(guān)，并輸入嵌入式系統(tǒng)(9)觸發(fā)掃描信號，由運(yùn)算放大器IC3和IC4組成的斜波發(fā)生器，其中以IC4為核心組成的差分放大器經(jīng)其輸出端取樣調(diào)節(jié)輸出電壓，IC4的輸出電壓與IC2輸出的門控信號疊加,在運(yùn)算放大器IC3輸出端形成階梯波信號輸出供給鑒別器(5)基準(zhǔn)電壓端。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無光照熱電子噪聲脈沖鑒別單光子計數(shù)器，其特征在于鑒別器(5)下閾值電壓的設(shè)置為手動設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無光照熱電子噪聲脈沖鑒別單光子計數(shù)器，其特征在于鑒別器(5)下閾值電壓的設(shè)置為自動設(shè)置。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無光照熱電子噪聲脈沖鑒別單光子計數(shù)器，其特征在于階梯信號發(fā)生器(6)工作時產(chǎn)生階梯狀上升掃描電壓，由小到大逐漸變化，在鑒別器(5)基準(zhǔn)電壓端加入前述階梯狀上升掃描電壓，掃描熱電子噪聲脈沖高度分布，實現(xiàn)熱電子噪聲脈沖的鑒別。
專利摘要一種無光照熱電子噪聲脈沖鑒別單光子計數(shù)器，暗盒內(nèi)設(shè)光電探測器、光快門，暗盒外設(shè)放大器、鑒別器、脈沖整形器、計數(shù)器、嵌入式系統(tǒng)、階梯信號發(fā)生器及計算機(jī)，且相互電連接；使用時先閉合光快門，光電探測器熱電子噪聲脈沖信號經(jīng)階梯信號發(fā)生器和鑒別器掃描熱電子噪聲脈沖能譜，結(jié)合計算機(jī)關(guān)閉快門時測得的熱電子噪聲脈沖能譜曲線，由嵌入式系統(tǒng)設(shè)置輸出下閾值電壓至鑒別器基準(zhǔn)電壓端，測量時濾去較低幅度的熱電子噪聲脈沖，通過較高幅度的光電子脈沖并輸入計數(shù)器，實現(xiàn)高信噪比和超低噪聲測量光強(qiáng)強(qiáng)度；克服了傳統(tǒng)單光子計數(shù)器的靈敏度低、噪聲高，光強(qiáng)測量穩(wěn)定性差等缺陷；適合于各種光電傳感器的單光子計數(shù)器及光散射等極微弱光信號的測量。
文檔編號G01J11/00GK202471262SQ20112053534
公開日2012年10月3日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者周達(dá)林, 李光輝, 羅朝海, 謝春香, 黃篤之 申請人:湖南科技大學(xué)