一种多光子计数系统的制作方法

本实用新型涉及多光子检测领域，具体涉及一种多光子计数系统。

背景技术：

基于光电倍增管(SiPM)的多光子检测技术可以应用于多个领域，常规的多光子检测方法都是需要采用超高采样率(如1GSps)的数据采集卡才能够实现多光子采集与计数，如NI的PXIE-5160。该方案虽然可行且方便，但是由于目前采样率达到1GSps以上采样率的采集卡成本在几万元甚至更高，所以成本非常高昂。

技术实现要素：

因此，本实用新型实施例要解决的技术问题在于现有技术中的需要采用超高采样率的数据采集卡才能够实现多光子计数。

为此，本实用新型实施例的一种多光子计数系统，包括：多个比较器，每个比较器的第一输入端均与光电倍增管的输出端连接，第二输入端均接参考电压，输出端均与一个二进制计数器的输入端连接，用于在其第一输入端输入的电压与其第二输入端输入的参考电压相等时输出信号；多个二进制计数器，多个二进制计数器的输入端一一对应地与多个比较器的输出端连接，多个二进制计数器的输出端均与处理器的输入端连接，二进制计数器用于在与其相连的比较器有输出时进行计数并输出计数值；处理器，用于根据二进制计数器输出的计数值进行计算后获得光电倍增管捕捉到的光子数目。

优选地，所述多个比较器的个数为至少四个，其中第一比较器用于在其第一输入端输入的电压与其第二输入端输入的第一参考电压相等时产生第一信号并输出，所述第一参考电压依据光电倍增管捕捉到一个光子时输出的电压设定；第二比较器用于在其第一输入端输入的电压与其第二输入端输入的第二参考电压相等时产生第二信号并输出，所述第二参考电压依据光电倍增管捕捉到两个光子时输出的电压设定；第三比较器用于在其第一输入端输入的电压与其第二输入端输入的第三参考电压相等时产生第三信号并输出，所述第三参考电压依据光电倍增管捕捉到三个光子时输出的电压设定；第四比较器用于在其第一输入端输入的电压与其第二输入端输入的第四参考电压相等时产生第四信号并输出，所述第四参考电压依据光电倍增管捕捉到四个光子时输出的电压设定。优选地，所述比较器为带锁存功能的超高速比较器。

优选地，所述比较器为带锁存功能的超高速比较器。

优选地，所述处理器为低采样率的数据采集装置。

优选地，还包括：放大器，其输入端与光电倍增管的输出端连接，其输出端分别与每个比较器的第一输入端连接，用于将光电倍增管的输出信号进行放大并输出。

本实用新型实施例的技术方案，具有如下优点：

1.本实用新型实施例提供的多光子计数系统，通过设置比较器，将比较器的参考电压设置成与光电倍增管捕捉到多个光子时输出的电压相对应，从而能够清楚地计数出光电倍增管一次捕捉到的光子数目，实现多光子计数。并且由于计数是根据不同参考电压的比较器是否有输出值来确定的，无需采用超高采样率的数据采集卡来对光电倍增管输出电压值进行采样，而比较器的价格要远远低于超高采样率的数据采集卡，从而大大降低了多光子计数系统的成本。

2.采用多个比较器和多个计数器一一对应连接，相对于采用一个多级比较器与一个多输入的计数器连接的方式而言，对计数器的要求比较低，只需要计数器在接收到信号时产生计数，根据比较器输出的信号顺序及计数器的变化类判断入射光子的变化，而不用根据比较器的值来确定(采用一个多级比较器与一个多输入的计数器连接需要根据多级比较器的输出电压值来确定入射光子变化)，简化了处理逻辑，大大降低了比较器和计数器的设计难度以及成本。

3.本实用新型实施例提供的多光子计数方法及装置，通过判断多个比较器中有信号输出的比较器产生输出信号的先后顺序是否是正常顺序，可以在计算新捕捉到多光子的数目时，消除之前脉冲响应拖尾的影响，从而提高了多光子计数的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例1中多光子计数系统的一个具体示例的原理框图；

图2为本实用新型实施例1中多光子计数系统的另一个具体示例的原理框图；

图3为本实用新型实施例2中叠加现象的光电倍增管输出信号的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种多光子计数系统，如图1所示，包括：多个比较器1、多个二进制计数器2和处理器3。多个可以是两个、三个、四个甚至更多个，所以对于比较器的个数限于下面举例的四个。下面以比较器1、二进制计数器2的个数为四个来进行举例说明。

四个比较器1，每个比较器的第一输入端均与光电倍增管的输出端连接，第二输入端均接参考电压，输出端均与一个二进制计数器的输入端连接；参考电压的设置可以通过多次试验来获得最优值，例如，可以依据光电倍增管捕捉到一个、两个、……、多个光子时输出的电压设定。优选地，如图1所示，由上往下依次为第四、第三、第二、第一比较器，第一比较器用于在其第一输入端输入的电压与其第二输入端输入的第一参考电压相等时产生第一信号并输出，所述第一参考电压依据光电倍增管捕捉到一个光子时输出的电压设定；第二比较器用于在其第一输入端输入的电压与其第二输入端输入的第二参考电压相等时产生第二信号并输出，所述第二参考电压依据光电倍增管捕捉到两个光子时输出的电压设定；第三比较器用于在其第一输入端输入的电压与其第二输入端输入的第三参考电压相等时产生第三信号并输出，所述第三参考电压依据光电倍增管捕捉到三个光子时输出的电压设定；第四比较器用于在其第一输入端输入的电压与其第二输入端输入的第四参考电压相等时产生第四信号并输出，所述第四参考电压依据光电倍增管捕捉到四个光子时输出的电压设定；优选地，比较器的参考电压可以通过DAC来设置和调节，实现动态的变化。优选地，参考电压的具体值对应于实验中实际测试值的统计平均值，以提高比较精度。优选地，比较器1为带锁存功能的超高速比较器，例如可以采用型号为MAX9692的比较器。

四个二进制计数器2，四个二进制计数器的输入端一一对应地与四个比较器的输出端连接，四个二进制计数器的输出端均与处理器的输入端连接，二进制计数器用于在与其相连的比较器有输出时进行计数并输出计数值；优选地，如图1所示，由上往下依次为第四、第三、第二、第一二进制计数器，第一二进制计数器的输入端与第一比较器的输出端连接，第二二进制计数器的输入端与第二比较器的输出端连接，第三二进制计数器的输入端与第三比较器的输出端连接，第四二进制计数器的输入端与第四比较器的输出端连接。例如，二进制计数器的型号可以为SN54AS867。

处理器3，用于根据二进制计数器输出的计数值进行计算后获得光电倍增管捕捉到的光子数目。优选地，处理器为低采样率的数据采集装置，例如，数字I/O卡。本实施例中，处理器3可以是FPGA,也可以是CPLD/DSP/ARM/MCU等等。

当有一个光子被光电倍增管捕捉到时，只有第一比较器有输出信号，其他比较器(例如第二、第三、第四比较器等)均无输出信号。当有两个光子被光电倍增管捕捉到时，先第二比较器有输出信号，再第一比较器有输出信号，其他比较器(例如第三、第四比较器等)均无输出信号。当有三个光子被光电倍增管捕捉到时，先第三比较器有输出信号，再第二比较器有输出信号，再第一比较器有输出信号，其他比较器(例如第四比较器等)均无输出信号。当有四个光子被光电倍增管捕捉到时，先第四比较器有输出信号，再第三比较器有输出信号，再第二比较器有输出信号，再第一比较器有输出信号，其他比较器(例如第五比较器等)均无输出信号。

上述多光子计数系统，通过设置比较器，将比较器的参考电压设置成与光电倍增管捕捉到四个光子时输出的电压相对应，从而能够清楚地计数出光电倍增管一次捕捉到的光子数目，实现多光子计数。并且由于计数是根据不同参考电压的比较器是否有输出值来确定的，无需采用超高采样率的数据采集卡来对光电倍增管输出电压值进行采样，而比较器的价格要远远低于超高采样率的数据采集卡，从而大大降低了多光子计数系统的成本。

本实用新型实施例通过利用多个比较器的方式，从而相当于在时域或者时间轴上面将一个脉冲响应的峰值不断的捕捉到，从而相对精确的还原出脉冲的真实峰值，来计算和判断光子数。现有技术通常采用超高速数据采集卡(比如采样频率在1Gps以上)，但是这样的成本真的很高，这样参数的商业采集卡，单个通道的采集卡成本已经很高，当多路采集的时候，成本更高。本实用新型实施例则可以作为一个低成本方案来进行多光子技术，在时间轴上，不同参考电压的比较器产生输出，最终也可以在时间轴上还原出响应脉冲的大致波形，或者对应的最大峰值。

本实施例中，采用多个比较器和多个计数器一一对应连接，相对于采用一个多级比较器与一个多输入的计数器连接的方式而言，对计数器的要求比较低，只需要计数器在接收到信号时产生计数，根据比较器输出的信号顺序及计数器的变化类判断入射光子的变化，而不用根据比较器的值来确定(采用一个多级比较器与一个多输入的计数器连接需要根据多级比较器的输出电压值来确定入射光子变化)，简化了处理逻辑，大大降低了比较器和计数器的设计难度以及成本。

优选地，如图2所示，多光子计数系统还包括：放大器4，其输入端与光电倍增管的输出端连接，其输出端分别与每个比较器的第一输入端连接，用于将光电倍增管的输出信号进行放大并输出，实现对输出信号的固定增益放大，以提高信噪比和多光子计数精度。

实施例2

本实施例提供一种多光子计数方法，例如应用于上述实施例1中的处理器，多光子计数方法包括以下步骤：

S1、接收多个二进制计数器2输出的信号；

S2、根据接收到多个二进制计数器2输出的信号的时间先后顺序，获得多个比较器1中有信号输出的比较器产生输出信号的时间先后顺序；

S3、判断有信号输出的比较器产生输出信号的时间先后顺序是否是正常顺序，正常顺序为光电倍增管的输出信号为单次光子射入的完整响应脉冲时，随着时间增加所述多个比较器(1)中有信号输出的比较器按照参考电压由小至大顺次产生的输出信号，然后所述多个比较器(1)中有信号输出的比较器按照参考电压由大至小顺次产生的输出信号的时间先后顺序；例如，光电倍增管的输出信号为单次光子射入的完整响应脉冲时，第一比较器、第二比较器、第三比较器、第四比较器依次输出信号，相应地，第一比较器连接的计数器、第二比较器连接的计数器、第三比较器连接的计数器、第四比较器连接的计数器依次增加计数，然后，第四比较器有输出信号，再第三比较器有输出信号，再第二比较器有输出信号，再第一比较器有输出信号，相应地，第四比较器连接的计数器、第三比较器连接的计数器、第二比较器连接的计数器、第一比较器连接的计数器依次增加计数。当是正常顺序时，进入步骤S4；当不是正常顺序，即非正常顺序时，进入步骤S5，其中，所述有信号输出的比较器产生输出信号的时间先后顺序不是所述正常顺序表示在所述光电倍增管的输出信号未响应结束的过程中，有新的光子射入的脉冲引起所述光电倍增管的输出信号的叠加。当光电倍增管的一个脉冲响应未结束而又捕捉到新的光子时，就会出现输出信号产生叠加的现象，叠加现象的光电倍增管输出信号如图3所示。举例来说，产生叠加现象后，如原本在第三比较器有输出后，接下来应该是第二、第一比较器有输出，那么现在在第三比较器有输出后，接下来有更高参考电压的第四比较器有输出，从而认定为该第四比较器的输出表示有新的光子被捕捉到，新的光子的幅值为新被采集到的光子的脉冲响应幅值和之前脉冲响应拖尾的叠加值。

S4、获得有信号输出的比较器中最大参考电压值作为光电倍增管捕获到新的多个光子后产生输出信号幅值所对应的值，并计算获得捕获到新的多个光子的数目。

S5、获得有信号输出的比较器中最大参考电压值和具有最大参考电压值的比较器的前一有信号输出的比较器的参考电压值；

S6、根据前一有信号输出的比较器的参考电压值，计算拖尾叠加值；

S7、将最大参考电压值与拖尾叠加值的差值作为光电倍增管捕获到新的多个光子后产生输出信号幅值所对应的值，并计算获得捕获到新的多个光子的数目。

上述多光子计数方法，通过判断多个比较器中有信号输出的比较器产生输出信号的先后顺序是否是正常顺序，可以在计算新捕捉到多光子的数目时，消除之前脉冲响应拖尾的影响，从而提高了多光子计数的精度。

实施例3

对应于实施例2，本实施例提供一种多光子计数装置，例如应用于上述实施例1中的处理器，多光子计数装置包括：

接收单元，用于接收多个二进制计数器2输出的信号；

第一获得单元，用于根据接收到信号的时间先后顺序，获得多个比较器1中有信号输出的比较器产生输出信号的时间先后顺序；

判断单元，用于判断所述有信号输出的比较器产生输出信号的时间先后顺序是否是正常顺序，所述正常顺序为光电倍增管的输出信号为单次光子射入的完整响应脉冲时，随着时间增加所述多个比较器(1)中有信号输出的比较器按照参考电压由小至大顺次产生的输出信号，然后所述多个比较器(1)中有信号输出的比较器按照参考电压由大至小顺次产生的输出信号的时间先后顺序；

第二获得单元，用于当有信号输出的比较器产生输出信号的时间先后顺序是是正常顺序时，获得有信号输出的比较器中最大参考电压值作为光电倍增管捕获到新的多个光子后产生输出信号幅值所对应的值，并计算获得捕获到新的多个光子的数目。

第三获得单元，用于当有信号输出的比较器产生输出信号的时间先后顺序不是正常顺序时，获得有信号输出的比较器中最大参考电压值和具有最大参考电压值的比较器的前一有信号输出的比较器的参考电压值，其中，所述有信号输出的比较器产生输出信号的时间先后顺序不是所述正常顺序表示在所述光电倍增管的输出信号未响应结束的过程中，有新的光子射入的脉冲引起所述光电倍增管的输出信号的叠加；

计算单元，用于根据前一有信号输出的比较器的参考电压值，计算拖尾叠加值；

第四获得单元，用于将最大参考电压值与拖尾叠加值的差值作为光电倍增管捕获到新的多个光子后产生输出信号幅值所对应的值，并计算获得捕获到新的多个光子的数目。

上述多光子计数装置，通过判断多个比较器中有信号输出的比较器产生输出信号的先后顺序是否是正常顺序，可以在计算新捕捉到多光子的数目时，消除之前脉冲响应拖尾的影响，从而提高了多光子计数的精度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。