一種單光子計(jì)數(shù)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)的一種單光子計(jì)數(shù)裝置，包括有多像素光子計(jì)數(shù)器，多像素光子計(jì)數(shù)器通過(guò)同軸電纜分別連接有電壓源、隔直電容、取信號(hào)電阻，多像素光子計(jì)數(shù)器還通過(guò)光纖依次連接有光衰減器、光源發(fā)射裝置，隔直電容通過(guò)同軸電纜依次與高速信號(hào)放大器、示波器連接，取信號(hào)電阻接地。本實(shí)用新型的單光子計(jì)數(shù)裝置，解決了現(xiàn)有單光子計(jì)數(shù)裝置存在的易曝光及易損壞的問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】一種單光子計(jì)數(shù)裝置【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于微弱光探測(cè)計(jì)數(shù)裝置【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種單光子計(jì)數(shù)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)有單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)中，用來(lái)探測(cè)光子的器件為光電倍增管PMT。PMT具有很高的靈敏度和暗計(jì)數(shù)，能夠響應(yīng)單個(gè)光子，其輸出的電流信號(hào)具有自然離散化的特征，采用了脈沖高度甄別技術(shù)和數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)進(jìn)行電脈沖計(jì)數(shù)來(lái)探測(cè)光子，與模擬檢測(cè)技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):1)測(cè)量結(jié)果受光電倍增管的漂移、系統(tǒng)增益的變化等不穩(wěn)定因素的影響較??；2)基本上消除了光電倍增管高壓直流漏電流和各倍增極的熱發(fā)射噪聲的影響，大大提高測(cè)量結(jié)果的信噪比；3)有較寬的線性動(dòng)態(tài)范圍；4)可輸出數(shù)字信號(hào)，適合與計(jì)算機(jī)接口作數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理。這種光子計(jì)數(shù)技術(shù)，可把淹沒(méi)在背景噪聲的弱光信號(hào)提取出來(lái)。目前，光子計(jì)數(shù)器探測(cè)靈敏度優(yōu)于10_17W，這是其他探測(cè)方法所不能比擬的。然而PMT具有體積較大、難以集成、對(duì)磁場(chǎng)敏感、成本高、易損壞、易曝光及光子數(shù)分辯能力不好的缺點(diǎn)，屬于傳統(tǒng)的光探測(cè)器。利用PMT作為光子計(jì)數(shù)探測(cè)器，在工作時(shí)，其倍增打拿極的增益具有較大的統(tǒng)計(jì)漲落，使得輸出的脈沖幅度也具有很大的不確定性，使得PMT幾乎無(wú)法分辨每個(gè)光脈沖中的光子個(gè)數(shù)。
[0003]另一方面，傳統(tǒng)的單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)由于利用PMT作為探測(cè)器，很容易因誤操作而使PMT曝光，這樣會(huì)縮短PMT的壽命，甚至損壞PMT，造成實(shí)驗(yàn)的延誤及設(shè)備維護(hù)成本的提高。在科學(xué)研究和教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，亟待一種結(jié)實(shí)耐用、不怕曝光且具有單光子分辨能力的單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
[0004]相比PMT而言，一種在常溫下就具有光子數(shù)分辨能力的單光子探測(cè)器-多像素光子計(jì)數(shù)器(Mult1-Pixel Photon Counters,MPPC)越來(lái)越受到重視。它由數(shù)百至數(shù)萬(wàn)個(gè)直徑為幾到幾十微米的雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode, APD)單兀陣列集成在同一個(gè)單晶硅片上構(gòu)成，每個(gè)Aro單元串聯(lián)著數(shù)百千歐的電阻，用于及時(shí)淬滅雪崩擊穿產(chǎn)生的大電流，所有Aro單元共用一個(gè)取`信號(hào)電極，并且工作在蓋革模式下。在這種模式下，Aro單元的偏置電壓高于擊穿電壓若干伏，當(dāng)某一個(gè)Aro單元接收到一個(gè)光子時(shí)，所產(chǎn)生的光生載流子將有一定概率觸發(fā)雪崩擊穿，雪崩擊穿后的光電轉(zhuǎn)換增益可達(dá)IO5~107。由于每一個(gè)Aro單元具有完全相同的結(jié)構(gòu)和淬滅電阻，在發(fā)生雪崩時(shí)，雪崩放電的增益，即輸出信號(hào)的幅度均相同。當(dāng)光強(qiáng)較弱時(shí)，MPPC總的輸出信號(hào)幅度正比與同時(shí)發(fā)生雪崩擊穿的APD單元的數(shù)目，可在示波器上看到雪崩脈沖有清晰的倍數(shù)層次關(guān)系，由于這種器件可像光電倍增管一樣進(jìn)行單光子探測(cè)，所以也被稱作娃光電倍增器(Silicon Photomultiplier, SiPM)。MPPC具有最優(yōu)秀的光子數(shù)分辨能力，它沒(méi)有像線性模式APD那樣大的增益起伏或過(guò)噪聲，與光電倍增管(PMT)相比，單光子分辨能力強(qiáng)、結(jié)實(shí)耐用、體積小、易于集成、工作電壓低、不受磁場(chǎng)干擾、可靠性好、成本低廉，在高能物理、天體物理、核醫(yī)學(xué)成像及生命科學(xué)等很多弱光信號(hào)的檢測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)成為PMT的替代品，并有望全面取代光電倍增管，MPPC作為單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)的光子探測(cè)器有好的應(yīng)用前景。實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的在于提供一種單光子計(jì)數(shù)裝置，解決了現(xiàn)有單光子計(jì)數(shù)裝置存在的易曝光及易損壞的問(wèn)題。
[0006]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是，一種單光子計(jì)數(shù)裝置，包括有多像素光子計(jì)數(shù)器，多像素光子計(jì)數(shù)器通過(guò)同軸電纜分別連接有電壓源、隔直電容、取信號(hào)電阻，多像素光子計(jì)數(shù)器還通過(guò)光纖連接有光衰減器，隔直電容通過(guò)同軸電纜依次與高速信號(hào)放大器、示波器連接，光衰減器通過(guò)光纖與光源發(fā)射裝置連接，取信號(hào)電阻接地。
[0007]本實(shí)用新型的特點(diǎn)還在于，
[0008]多像素光子計(jì)數(shù)器的型號(hào)為S10362-11-025U。
[0009]多像素光子計(jì)數(shù)器包括有一個(gè)單晶硅片，單晶硅片上集成有10至10000個(gè)并聯(lián)設(shè)置的雪崩光電二極管單元，每個(gè)雪崩光電二極管單元都串聯(lián)一個(gè)IOOkQ?10ΜΩ的淬滅電阻。
[0010]電壓源為高電壓低紋波穩(wěn)壓電源，型號(hào)為Model3002。
[0011 ] 光衰減器為標(biāo)準(zhǔn)FC可調(diào)式光纖法蘭盤。
[0012]光纖為FC/PC多模光纖。
[0013]高速信號(hào)放大器的型號(hào)為C5594。
[0014]示波器的型號(hào)為TDS1012。
[0015]光源發(fā)射裝置為溴鎢燈光源，型號(hào)為TT21-GY-2。
[0016]同軸電纜為特征阻抗為50 Ω的BNC同軸電纜。
[0017]本實(shí)用新型的有益效果在于:
[0018]I)相比于現(xiàn)有的單光子計(jì)數(shù)裝置，本實(shí)用新型的單光子計(jì)數(shù)裝置具有集成度高、結(jié)實(shí)耐用、不易曝光和損壞、檢測(cè)速度快及易操作的優(yōu)點(diǎn)；
[0019]2)本實(shí)用新型的單光子計(jì)數(shù)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低廉。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本實(shí)用新型的單光子計(jì)數(shù)裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0021]圖中，1.多像素光子計(jì)數(shù)器，2.電壓源，3.光衰減器，4.高速信號(hào)放大器，5.示波器，6.光源發(fā)射裝置，C1.隔直電容，Rs.取信號(hào)電阻，Rq.淬滅電阻。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0023]本實(shí)用新型的單光子計(jì)數(shù)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括有多像素光子計(jì)數(shù)器1，多像素光子計(jì)數(shù)器I通過(guò)同軸電纜分別連接有電壓源2、隔直電容C1、取信號(hào)電阻Rs，多像素光子計(jì)數(shù)器I還通過(guò)光纖依次連接有光衰減器3、光源發(fā)射裝置6，隔直電容C1通過(guò)同軸電纜依次與高速信號(hào)放大器4、示波器5連接，取信號(hào)電阻Rs接地。
[0024]多像素光子計(jì)數(shù)器I (MPPC)的型號(hào)為S10362-11-025U，為日本濱松公司(Hamamastu)生產(chǎn)；多像素光子計(jì)數(shù)器I包括有一個(gè)單晶娃片，單晶娃片上集成有10至10000個(gè)并聯(lián)設(shè)置的雪崩光電二極管單元(APD)，每個(gè)雪崩光電二極管單元的直徑為Ium?lOOOum，每個(gè)雪崩光電二極管單元都串聯(lián)一個(gè)IOOkQ?10ΜΩ的淬滅電阻Rq (被動(dòng)淬滅模式)或電路(主動(dòng)淬滅模式)，用以控制雪崩光電二極管單元的雪崩淬滅和電壓恢復(fù)。
[0025]電壓源2為高電壓低紋波穩(wěn)壓電源，其型號(hào)為Model3002，Canberra, Inc.。
[0026]光衰減器3為標(biāo)準(zhǔn)FC可調(diào)式光纖法蘭盤。
[0027]光纖為FC/PC多模光纖。
[0028]同軸電纜為特征阻抗為50 Ω的BNC同軸電纜。
[0029]高速信號(hào)放大器4 (Fast-amplifier)的型號(hào)為 C5594, Hamamastu, Inc.。
[0030]示波器5 的型號(hào)為 TDS1012，Tektronix Inc.。
[0031]光源發(fā)射裝置6為國(guó)產(chǎn)溴鎢燈光源，其型號(hào)為TT21-GY-2。
[0032]本實(shí)用新型的單光子計(jì)數(shù)裝置的工作原理是:
[0033]將多像素光子計(jì)數(shù)器I的與一取信號(hào)電阻Rs (負(fù)載)連接后接地，并將多像素光子計(jì)數(shù)器I加反向偏壓使其工作在蓋革模式；光源發(fā)射裝置6發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光衰減器3衰減至單光子量級(jí)后，通過(guò)光纖耦合至多像素光子計(jì)數(shù)器1，多像素光子計(jì)數(shù)器I產(chǎn)生的雪崩脈沖電信號(hào)經(jīng)過(guò)高速信號(hào)放大器4大后，通入示波器5行脈沖計(jì)數(shù)；在多像素光子計(jì)數(shù)器I未發(fā)生飽和的情況下，脈沖電信號(hào)的計(jì)數(shù)率與入射光子的通量成正比，從而能夠達(dá)到單光子計(jì)數(shù)的目的。
【權(quán)利要求】
1.一種單光子計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，包括有多像素光子計(jì)數(shù)器(I)，所述多像素光子計(jì)數(shù)器(I)通過(guò)同軸電纜分別連接有電壓源(2)、隔直電容(CO、取信號(hào)電阻(Rs)，所述多像素光子計(jì)數(shù)器(I)還通過(guò)光纖依次連接有光衰減器(3)、光源發(fā)射裝置(6)，所述隔直電容(C1)通過(guò)同軸電纜依次與高速信號(hào)放大器(4)、示波器(5)連接，所述取信號(hào)電阻(Rs)接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，所述多像素光子計(jì)數(shù)器(I)的型號(hào)為 S10362-11-025U。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單光子計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，所述多像素光子計(jì)數(shù)器(I)包括有一個(gè)單晶硅片，所述單晶硅片上集成有10至10000個(gè)并聯(lián)設(shè)置的雪崩光電二極管單元，所述每個(gè)雪崩光電二極管單元都串聯(lián)一個(gè)IOOkQ?10ΜΩ的淬滅電阻(Rq)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，所述電壓源(2)為高電壓低紋波穩(wěn)壓電源，型號(hào)為Model3002。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，所述光衰減器(3)為標(biāo)準(zhǔn)FC可調(diào)式光纖法蘭盤。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，所述光纖為FC/PC多模光纖。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，所述高速信號(hào)放大器(4)的型號(hào)為C5594。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，所述示波器(5)的型號(hào)為TDS1012。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，所述光源發(fā)射裝置(6)為溴鎢燈光源，型號(hào)為TT21-GY-2。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子計(jì)數(shù)裝置，其特征在于，所述同軸電纜為特征阻抗為50 Ω的BNC同軸電纜。
【文檔編號(hào)】G01J1/44GK203385484SQ201320488166
【公開(kāi)日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年8月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月9日
【發(fā)明者】張國(guó)青, 劉麗娜, 宋立勛, 朱長(zhǎng)軍, 劉漢臣, 張英堂, 翟學(xué)軍 申請(qǐng)人:西安工程大學(xué)