13等，可根据整个系统的速度响应要求选择合适的型号。运算放大器IC2可采用高速运算放大器，如Nat1nal公司生产的LMH6624，也可根据单光子探测系统的工作频率要求选取性价比最好的型号。二极管Dl采用快速肖特基二极管，如MUR160等。电子开关可选择快速电子开关集成电路，如CD4066，也可用快速N沟道场效应管取代。电容C2应采用高稳定、低分布参数的高速瓷片电容。电容C3、电容Cl应采用低分布参数的高速瓷片电容，取值为0.WF左右，也可用多个并联的高速瓷片电容取代。电容C4应采用钽电容，取值为1PF左右。直流电源Vcc的值可视所采用的集成电路的不同而取，一般为3.3V或5V。为了减少器件分布电感的影响，所用器件尽量采用小尺寸的表面贴封装。在制作印刷电路板时，为尽量少减小电路板分布参数的影响，应遵循快速电路设计原则设计印刷电路板，如:元器件的布置应尽量紧凑，器件间的引线应尽量短，应设置大面积的地线等。
[0014]下面结合图2进一步阐述本实用新型的具有暗计数脉冲辨别力的单光子计数鉴别器电路的工作原理。图2是一种采用雪崩光电二极的单光子探测系统，为了提高雪崩二极管的雪崩增益，提高探测灵敏度，该系统的雪崩光电二极管Aro处于盖革模式(Geigermode)下，即反向偏置电压高于雪崩电压的工作方式。在偏置电压高于雪崩电压期间，有效光子将触发Aro产生雪崩信号，为了探测下一个光子，必须将偏置电压降低到雪崩电压以下，使雪崩二极管恢复到初始状态。这种工作模式不仅可以提高雪崩二极管的寿命，而且可有效减少暗计数。在图2系统中，当有效单光子未到达时，APD的偏置电压由直流偏置电压提供，该直流偏置电压低于APD的雪崩电压，此时AH)处于低灵敏的初始状态。当有效单光子到达时，计算机控制系统CPU向脉冲偏置电压发出一个触发信号，触发脉冲偏置电压向APD发出一个脉冲电压，使APD处于过雪崩电压状态，从而使APD在有效光子触发下产生雪崩脉冲信号，该雪崩脉冲信号经放大器放大，送给比较器ICl的正相端，使比较器输出一个数字计数触发脉冲信号并经电阻R3送给计数器，计数器对每次收到的计数触发脉冲进行累加计数并将最终的结果送给CPU，CPU将计数器最终的累加计数值除以总的过雪崩触发次数，获得有效光子的捕获概率并根据概率大小来进行测量结果分析。为了给Aro有足够的恢复时间并抑制后脉冲(after pulse，由于雪崩二极管的掺杂缺陷处形成势阱，在雪崩信号期间势阱捕获到载流子并在后续时间释放出来，在下一个雪崩电压脉冲触发时可能触发雪崩信号，造成伪计数。)的影响，雪崩脉冲电压的触发间隔应足够大，一般在在几μ8以上。因此，当雪崩脉冲电压的触发间隔应足够大时，后脉冲的影响就很小了。计数器计数触发主要由两种脉冲引起，一种是有效单光子信号脉冲，一种是暗计数脉冲。由于暗计数脉冲来源于噪声，其脉冲宽度具有随机性，而有效单光子信号脉冲的宽度则相对稳定，因此可通过计数触发脉冲的脉宽大小来判别是否是有效单光子信号脉冲。图2中由电阻R2、二极管D1、电容C2、电阻R4、电子开关Kl和运算放大器组成的放电可控积分电路就是起到这样的判别作用。当比较器输出计数触发脉冲时，计数触发脉冲经电阻R2、二极管Dl向电容C2充电，C2获得和计数触发脉冲宽度大小相对应的电压值，该电压经运算放大器IC2组成的跟随器送给模数转换器将模拟电压值转换成数字量后送给CPU，CPU判断该数值是否处于对应有效单光子脉冲宽度的有效数值范围，是的话就将本次计数记为有效，否的话就记为无效，最终CPU将计数器的累加计数值减去累加无效计数值作为最终计数值，从而大大减少了暗计数的影响。
[0015]在由电阻R2、二极管D1、电容C2、电阻R4和电子开关Kl组成的放电可控积分电路中，电阻R2、二极管Dl和电容C2组成充电回路，其充电时间常数为R2XC2，其取值应至少大于最大的有效单光子触发脉冲的上升沿，以防止电容C2的电压值在有效单光子触发脉冲充电时即产生饱和。电容C2和电阻R4在电子开关Kl关闭期间组成一个缓慢的放电回路，其放电时间常数为R4XC2，其取值应远大于R2XC2，从而保证C2能保持足够的电压值供模数转换器读取。
【主权项】
1.一种具有暗计数脉冲辨别力的单光子计数鉴别电路，其特征是包括:电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、变阻器W1，电容Cl、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、二极管D1、电子开关Kl、比较器ICl和运算放大器IC2 ；电容C5的一端为输入端IN，另一端与比较器ICl的正相端相连，电容Cl和电容C4并联后的一端与比较器ICl的电源端及电阻Rl的一端共同连接直流电源Vcc，电容Cl和电容C4并联后的另一端与地相连，电阻Rl的另一端与变阻器Wl的一端、变阻器Wl的可变端以及比较器ICl的反相端相连，变阻器Wl的另一端及比较器ICl的接地端均与地相连，电阻R3的一端与电阻R2的一端及比较器ICl的输出端相连，电阻R3的另一端为第一输出端OUTl，电阻R2的另一端与二极管Dl的正相端相连，电阻R4、电容C2、电子开关Kl组成并联网络，该并联网络的一端与二极管Dl的反相端以及运算放大器IC2的正相端相连，并联网络的另一端与地相连，电子开关Kl的控制端为控制信号连接端CONTROL，运算放大器IC2的反相端与运算放大器IC2输出端相连，该连接点为第二输出端0UT2，运算放大器IC2的电源端与电容C3的一端共同接直流电源Vcc，电容C3的另一端及运算放大器IC2的接地端均与地相连。
【专利摘要】本实用新型的具有暗计数脉冲辨别力的单光子计数鉴别电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、变阻器W1，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、二极管D1、电子开关K1、比较器IC1和运算放大器IC2。电阻R1、电阻R3、电容C1、电容C4、电容C5、比较器IC1和变阻器W1组成阀值可调的比较器。电阻R2、电阻R4、二极管D1、电子开关K1、电容C3和运算放大器IC2组成计数触发脉冲积分电路。本实用新型通过对计数触发脉冲脉宽大小的判别来辨别暗计数脉冲，从而有效减少了单光子探测系统的暗计数。和传统致冷技术相比，本实用新型具有结构简单、成本低、功耗小的优点。
【IPC分类】G01J11-00
【公开号】CN204535861
【申请号】CN201520089173
【发明人】余向东, 张在宣, 王剑锋, 刘红林, 张文平
【申请人】中国计量学院
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年2月9日