无光照热电子噪声脉冲鉴别单光子计数器

摘要

一种无光照热电子噪声脉冲鉴别单光子计数器，暗盒内设光电探测器、光快门，暗盒外设放大器、鉴别器、脉冲整形器、计数器、嵌入式系统、阶梯信号发生器及计算机，且相互电连接；使用时先闭合光快门，光电探测器热电子噪声脉冲信号经阶梯信号发生器和鉴别器扫描热电子噪声脉冲能谱，结合计算机关闭快门时测得的热电子噪声脉冲能谱曲线，由嵌入式系统设置输出下阈值电压至鉴别器基准电压端，测量时滤去较低幅度的热电子噪声脉冲，通过较高幅度的光电子脉冲并输入计数器，实现高信噪比和超低噪声测量光强强度；克服了传统单光子计数器的灵敏度低、噪声高，光强测量稳定性差等缺陷；适合于各种光电传感器的单光子计数器及光散射等极微弱光信号的测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无光照热电子噪声脉冲鉴别单光子计数器。 

背景技术

随着现代科学技术的发展，在物理、化学、生物、医学、环境、天文和信息科学等领域中对测量微弱光信号的要求越来越高，需求正在不断增长。单光子计数器是一种测量极微弱光的测量方法，它测量的光的光电流强度比光电探测器本身在室温下的热噪声水平(10^-14W)更低，通常的测量方法是不能把这种淹没在噪声中的信号测量出来的。在极微弱光照射下，这种方法把光按照单个光子来处理，光子探测器输出为自然离散的脉冲信号，采用脉冲鉴别技术和数字计数技术把极微弱光信号提取出来。目前，光的极限领域的检测技术已成为研究各种更加高深现象的重要手段，单光子计数器测光技术已经广泛应用于光电子学各行各业。 

单光子计数器是一种高灵敏低噪声的微弱信号检测设备，主要部件有光电传感器、放大器、鉴别器和计数器等。光电传感器在输出由入射光子产生的单个脉冲的同时，也会输出一系列的噪声脉冲。影响光电传感器单光子计数的重要因素是暗电流脉冲，一般认为暗电流主要是由于光电传感器的热电子发射，热电子脉冲电压高度比光电子脉冲要低一点，因此排除噪声最有效的方法就是采用区分每个脉冲的大小、高度的方法。经放大器放大的脉冲信号接鉴别器，通过选择鉴别器的下鉴别电压和上鉴别电压，实现只让阴极发射形成的单光电子脉冲通过，而不让比下鉴别电压低和比上鉴别电压高的脉冲通过，从而将大量的热电子噪声和其它噪声滤去。在这里，对于下鉴别电压的高低选择设定非常重要，它是将大量的热电子噪声滤去的最重要手段；若下鉴别电压的设置过高，则大量有用信号脉冲也被扣除，造成灵敏度下降；若下鉴别电压设置过低，则大量热电子噪声脉冲也通过，造成信噪比下降，弱信号淹没在噪声中。 

现有大多数单光子计数器的使用者都在考虑上述存在的缺陷，但对于阈值只能粗略的估计，不能精确的确定其值的大小，阈值设定都偏大，而且阈值固定不变，加上系统各元器件的使用状态及使用年限的差异等多种因素的影响，使得整个仪器的灵敏度和信噪比的参数指标均下降较快，严重影响了该行业的研发任务。 

发明内容

针对上述情况，本发明的目的是提供一种结构简单、紧凑，制造容易，无需投入新的设备，灵敏度高，热电子噪声低，测量精度高，使用方便，商业前景好，适宜普及推广，实现 超高灵敏度和超低噪声测量光强强度的无光照热电子噪声脉冲鉴别单光子计数器。 

为了实现上述目的，一种无光照热电子噪声脉冲鉴别单光子计数器，暗盒内主要设有光快门和光电探测器，暗盒外依次设放大器、鉴别器、脉冲整形器、计数器、嵌入式系统、阶梯信号发生器及计算机，它们相互电连接；所述暗盒内光快门和光电探测器之间还设置一通光孔和光阑，且通光孔依次贯穿光快门叶片、光阑至光电探测器，使用时，先闭合暗盒内的光快门，无光通过通光孔、光快门和光阑，无光照射在光电探测器上，阶梯信号发生器输出阶梯信号至鉴别器基准电压端，扫描光电探测器热电子噪声脉冲能谱，实测系统噪声谱参数，同时，计算机在其关闭光快门时测得的热电子噪声脉冲高度分布曲线并进行数字阈值设置，由实测的热电子噪声脉冲能谱曲线确定阈值电压大小为V下＝V柺+V漂，嵌入式系统控制输出下阈值电压，此下阈值电压输入到鉴别器基准电压端，再由放大器处理的光电脉冲信号和热电子噪声脉冲经鉴别器、脉冲整形器滤去低于下阈值电压中的热电子噪声脉冲，而光电子脉冲信号通过鉴别器输入到计数器，实现高信噪比的超高灵敏度和超低噪声测量光强强度。 

为了实现降低噪声和显著提高灵敏度的效果，其进一步的措施还有： 

光快门为机械式手动控制光快门。 

光快门为机械式自动控制光快门。 

光快门关闭时，无任何光入射，自动扫描热电子噪声脉冲高度分布。 

光快门开启时，实现高信噪比光强测量。 

阶梯信号发生器包括由运算放大器IC1、电容C1、电阻R1、R2、R3和R4组成的方波发生器，由与非门IC2、二极管D3和D4组成信号开关，并输入嵌入式系统触发扫描信号，由运算放大器IC3和IC4组成的斜波发生器，其中以IC4为核心组成的差分放大器经其输出端取样调节输出电压，IC4的输出电压与IC2输出的门控信号叠加，在运算放大器IC3输出端形成阶梯波信号输出供给鉴别器基准电压端。 

鉴别器下阈值电压的设置为手动设置。 

鉴别器下阈值电压的设置为自动设置。 

阶梯信号发生器工作时产生阶梯状上升扫描电压，由小到大逐渐变化，在鉴别器基准电压端加入前述阶梯状上升扫描电压，扫描热电子噪声脉冲高度分布，实现热电子噪声脉冲的鉴别。 

光快门测量工作开始之前，根据热电子噪声脉冲高度分布设置鉴别器下阈值电压，使其处于最佳工作状态。 

本发明采用在暗盒内设光电探测器、光快门，暗盒外设放大器、鉴别器、脉冲整形器、 计数器、嵌入式系统、阶梯信号发生器及计算机，它们相互电连接；使用时先闭合暗盒内的光快门，光电探测器热电子噪声脉冲信号经阶梯信号发生器和鉴别器扫描热电子噪声脉冲能谱，结合计算机关闭快门时测得的热电子噪声脉冲能谱曲线，由嵌入式系统设置输出下阈值电压至鉴别器基准电压端，测量时滤去较低幅度的热电子噪声脉冲，通过较高幅度的光电子脉冲并输入计数器，实现高信噪比和超低噪声测量光强强度的技术方案；克服了传统单光子计数器的灵敏度低、噪声高，光强测量稳定性差等缺陷。 

本发明相比现有技术所产生的有益效果： 

(1)本发明仅只要在传统单光子计数器上安装一光快门，通过控制光快门，实时测得单光子计数器的纯热电子噪声脉冲谱，根据适时状态设置系统参数，消除系统元器件的性能差异及使用状态和使用年限的差异，使系统的灵敏度得到显著提高，热电子噪声大大降低。 

(2)本发明在传统单光子计数器鉴别器基准电压端加一阶梯信号发生器，控制阶梯信号发生器产生阶梯状上升扫描电压，扫描测得单光子计数器的纯热电子噪声脉冲谱。 

(3)本发明增加的零部件，其结构简单、紧凑，制造容易，无需投入新的设备，无成本增加。 

(4)本发明使用、维护方便，灵敏度高，热电子噪声低，测量精度高。 

(5)本发明系统结构简单、可靠，制造成本低，操作容易，极大地提高了单光子计数器的灵敏度和光强测量的稳定性，商业前景好，适宜普及推广。 

本发明适合于各种光电传感器的单光子计数器及光散射、天文测光、军事、化学、材料、生物医学和弱光光纤通信等极微弱光信号的测量。 

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 

附图说明

图1为本发明无光照热电子噪声脉冲鉴别单光子计数器系统的结构示意图。 

图2为本发明的暗盒、光快门、光阑和光电探测器水平剖面图。 

图3为本发明的随时间阶梯状上升扫描电压曲线图。 

图4为本发明阶梯信号发生器电路图。 

图5为本发明热电子噪声脉冲谱图。 

图中：1、暗盒；1-1、通光孔，1-2、光阑，2、光快门；3、光电探测器；4、放大器；5、鉴别器；6、阶梯信号发生器；7、脉冲整形器；8、计数器；9、嵌入式系统；10、计算机。 

具体实施方式

由附图所示，一种无光照热电子噪声脉冲鉴别单光子计数器，其暗盒1内主要设有光快 门2和光电探测器3，此暗盒1内光快门2和光电探测器3之间还设置一通光孔1-1和光阑1-2，且通光孔1-1依次贯穿光快门2叶片、光阑1-2至光电探测器3，暗盒1外依次设放大器4、鉴别器5、脉冲整形器7、计数器8、嵌入式系统9、阶梯信号发生器6及计算机10，它们相互电连接；光快门2设有机械式手动控制光快门、机械式自动控制光快门；当光快门2关闭时，无任何光入射，自动扫描热电子噪声脉冲高度分布；当光快门2开启时，实现高信噪比光强测量；光快门2测量工作开始之前，应根据热电子噪声脉冲高度分布设置鉴别器5下阈值电压，使其处于最佳工作状态；阶梯信号发生器6如图4，它包括由运算放大器IC1、电容C1、电阻R1、R2、R3和R4组成的方波发生器，由与非门IC2、二极管D3和D4组成信号开关，并输入嵌入式系统9触发扫描信号，由运算放大器IC3和IC4组成的斜波发生器，其中以IC4为核心组成的差分放大器经其输出端取样调节输出电压，IC4的输出电压与IC2输出的门控信号叠加，在运算放大器IC3输出端形成阶梯波信号如图3输出供给鉴别器5基准电压端；阶梯信号发生器6工作时产生阶梯状上升扫描电压，由小到大逐渐变化，在鉴别器5基准电压端加入前述阶梯状上升扫描电压，扫描热电子噪声脉冲高度分布，实现热电子噪声脉冲的鉴别；使用时，先闭合暗盒1内的光快门2，无光通过通光孔1-1、光快门2和光阑1-2，无光照射在光电探测器3上，阶梯信号发生器6输出阶梯信号至鉴别器5基准电压端，扫描光电探测器3热电子噪声脉冲能谱，实测系统噪声谱参数，同时，计算机10在其关闭光快门2时测得的热电子噪声脉冲高度分布曲线并进行数字阈值设置，由实测的热电子噪声脉冲能谱曲线确定阈值电压大小为V_下＝V_柺+V_漂，嵌入式系统9控制输出下阈值电压，此下阈值电压输入到鉴别器5基准电压端，再由放大器4处理的光电脉冲信号和热电子噪声脉冲经鉴别器5、脉冲整形器7滤去低于下阈值电压中的热电子噪声脉冲，而光电子脉冲信号通过鉴别器5输入到计数器8，实现高信噪比的超高灵敏度和超低噪声测量光强强度。 

结合附图，一种无光照热电子噪声脉冲鉴别单光子计数器的工作原理。 

无光照热电子噪声脉冲鉴别单光子计数器系统，它包括光电探测器3安装在暗盒1内，光由暗盒1的通光孔1-1照射在光电探测器3上，暗盒1内通光孔1-1上安装有光快门2，在光快门2关闭时单光子计数器系统无光信号输入，光电探测器3自身产生热电子噪声，经放大器4放大得到大小高度不同的热电子噪声脉冲电信号，由计算机10控制嵌入式系统9触发阶梯信号发生器6产生如图3所示的阶梯上升扫描电压，热电子噪声脉冲电信号输入鉴别器5，在鉴别器5基准电压端加入阶梯状上升扫描电压，触发鉴别器5基准电压扫描，由鉴别器5实现热电子噪声脉冲电压高度扫描，扫描通过鉴别器5的热电子噪声脉冲信号再经脉冲整形器7整形，然后输入计数器8测量，通过计算机10数据采集和处理得到噪声脉冲高度 分布曲线如图5所示；通过计算机分析噪声脉冲高度分布曲线，得到噪声脉冲高度分布曲线的拐点，从拐点开始，随着扫描电压的升高，其后，脉冲高度分布曲线是一条计数值非常小且基本不变的曲线，达到最理想的状态；这足以说明在拐点时已经把绝大多数的噪声滤除了；不过这只是理想的状态，通常在进行脉冲鉴别时，鉴别电压会发生微小的漂移；因此，为达到最高信噪比和灵敏度，在获得拐点电压后，应在拐点电压基础上加V_漂＝20mV～30mV，以此值设定为下阈值电压；这样就充分保证滤除了绝大部分热电子噪声，而对灵敏度影响也很小，同时保证了测量仪器的高度稳定性。 

参照附图1和2，测量极微弱光信号时，开启暗盒1的光快门2，微弱光通过通光孔1-1和光阑1-2照射在光电探测器3上，通过计算机先前关闭光快门2时测量得到的脉冲高度分布曲线，精确确定鉴别器5下阈值电压，其实测的下阈值电压大小V_下＝V_柺+V_漂，由嵌入式系统9控制下阈值电压设置，此下阈值电压输入至鉴别器5基准电压端，由放大器4处理的光电脉冲信号经鉴别器5将比下阈值电压低的大量热电子噪声脉冲滤去，只让光电子脉冲信号通过并输入到计数器8进行测量，由此大大地提高了测量信噪比。