时间相关单光子计数43页PPT
《单光子计数实验》PPT课件
锁相放
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108 109
3.3×10-11 3.3×10-10
大
4
光子计数器只能测量微弱光和超微弱光的功 率，不能测量功率大于10-10W的光束功
光子
K
A
R1
D1
D2
Dn
率，不能测量含有多光子的光脉冲功率。
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光电倍增管的工作原理如图1所示。它
是一种噪声小、高增益的光电传感器，当弱
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一、实验目的：
1.观察微弱光的光量子现象； 2.研究鉴别电压（阈值）对系统性能的影
响，确定最佳鉴别电压（阈值）； 3.了解光子计数器的信噪比，测试光子计
数器的最低暗计数率和最小可检测光计 数率； 4.学习用光子计数器测量微弱光信号的原 理与技术。
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二、实验原理和仪器结构
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三 实验内容
软件安装后，从“开始”菜单执行 “程序”组中的“GSZF－2A”组，即可启 动GSZF－2A控制处理系统。 工作界面介绍
进入系统后，首先弹出如图13的友好 界面，等待用户单击鼠标或键盘上的任意 键；当接收到鼠标、键盘事件或等待五秒 钟后，马上显示工作界面（如图14）。
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计数器的作用是在规定的测量时间间隔内将
甄别器的输出脉冲累加计数。
2.2 结构
光源:
用高亮度发光二极管作光源，波长
中心500nm，半宽度30nm。为提高入射光
的单色性，仪器准有窄带滤光片，其半
宽度为18nm。
接收器:
接收器采用CR125光电倍增管为接收器。
实验采用半导体致冷器降低光电倍增管
光子计数技术.ppt
单光子探测技术的应用领域： • 高分辨率的光谱测量、 • 非破坏性物质分析、 • 高速现象检测、 • 精密分析、大气测污、 • 生物发光、放射探测、 • 高能物理、天文测光、光时域反射、 • 量子密钥分发系统等。 由于单光子探测器在高技术领域的重要地位， 已经成为各国光电子学界重点研究的课题之一
单光子探测技术和模拟检测技术相比有如下优点： ●测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以 及其它不稳定因素的影响较小； ●消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高 了测量结果的信噪比； ●有比较宽的线性动态区； ●输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字 数据处理。
• 假设每个倍增极的倍增系数是相等的。 若m的取值范围按3~6计，n按9~14计， 则光电倍增管的增益G可高达7.8×1010， 一般为105~108之间。
4 PMT阳极电流脉冲与输出电压脉冲的计算
光电倍增管吸收一个光子后， 在阳极形成一个电流脉冲， 则其形状如图（b）所示。
图a为电荷累积的时间宽度，
光子计数技术概述
• 单光子探测技术是一种极微弱光探测法
所探测的光强度比光电传感器本身在室温下的 热噪声水平（10-14W）还要低，
用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声 中的信号提取出来。
• 单光子计数方法利用弱光照射下光子探测器输 出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术 和数字计数技术把极其微弱的光信号识别并提 取出来。
• 其主要特点有：低噪声、动态范围大、 分辨率高、抗磁干扰能力强、探测光谱 范围宽等特点。
• 这种单光子探测器的出现，对人们探索 高技术领域将起到积极的推动作用。
单光子探测器的现状及其发展
• 对于可见光探测，光电倍增管有很好的响应度，暗 电流也非常小，很早就用于单光子计数，现在技术 已经比较成熟，市场上也有了不少类似的产品。
时间相关单光子计数
如何 ?
光学特性
光学参数
从图中可以看到大约在 650-900nm有一个吸收 窗口，在这个波段内对 光的吸收很少，因此， 可以对组织用近红外进 行照射，此时可以光子 可以透过组织并探测到。
各种组织成分的吸收光谱
扩散光扩散方程[7]
其中： μa是散射系数, g是向异性因子, μs’是约化散射系 数μeff是衰减系数，I0是初始光源强度，R漫射(反射)光 强度，ρ光源到探测器距离，zo，zb，μeff，rl，r2都是μa， μs’的函数。
3.其他应用
1.光谱仪 成果： 亚纳秒荧光测量系统（中国科学院长春光学机械与物理研究所 2004） 皮秒时间相关单光子计数光谱仪研制（中国科学院长春光学机 械与物理研究所2003） 应用： 广泛应用于冶金、铸造、机械、金属加工、汽车制造、有色、 航空航天、兵器、化工等领域的生产过程控制，中心实验室成 品检验等，可用于Fe、Al、Cu、Ni、Co、Mg、Ti、Zn、Pb等多 种金属及其合金样品分析。可对片状、块状以及棒状的固体样 品中的非金属元素（C、P、S、B等）以及金属元素进行准确定 量分析。
多波长荧光实验
对若丹明6G和荧光素的混合物，同时记录得到的荧 光强度随时间和波长变化的曲线
时间相关单光子技术测荧光寿命的优缺 点
优点：在于灵敏度高、 测定结果准确、 系统误
差小， 是目前最流行的荧光寿命测定方法。
缺点：但是这种方法所用仪器结构复杂、 价格
昂贵、 而且测定速度慢， 无法满足某些特殊体系 荧光寿命测定的要求。
相对均匀的组织μs’可视为常数[2]
时间相 关单光 子计数
R
μa
光学特性
主要应用
乳房层析成像
例：乳腺癌检测[8] 脑成像 例：早产儿血样动力变化成像[9] 肌肉与骨骼的研究 例：骨骼的光学实验，肌肉组织中的血流动力学 和氧动力学的检测（例：心肌细胞动力研究[10]）
bh时间相关单光子计数手册
Wolfgang Beckerbh时间相关单光子计数手册第四版时间相关单光子计数模块Time-Correlated Single Photon Counting ModulesSPC-130 SPC-134SPC-140 SPC-144SPC-150 SPC-154SPC-630SPC-730SPC-830Multi SPC Software目录BH公司的时间相关单光子计数（TCSPC）仪器概览 (1)TCSPC装置的基本特征 (1)TCSPC模块的种类 (2)Simple-Tau 笔记本电脑TCSPC 系统 (6)其他时间相关光子计数装置 (6)BH TCSPC模块的测量方式 (9)BH DSC-120 共焦扫描荧光寿命成像（FLIM）系统 (18)用于Zeiss LSM 510 激光扫描显微镜的FLIM系统 (21)用于徕卡SP2及SP5激光扫描显微镜的FLIM系统 (25)用于奥林巴斯FV300及FV1000系统的FLIM系统 (26)用于尼康C1和A1的扫描头的FLIM系统 (27)皮秒激光器 (27)探测器 (29)探测器的电路 (32)连接电路 (33)仪器软件 (34)数据分析软件 (35)经典时间相关单光子计数 (37)单光子探测 (37)时间相关单光子计数 (37)经典TCSPC结构 (41)多维TCSPC (45)多探测器及多波长TCSPC (47)多维TCSPC (51)序列记录 (52)TCSPC扫描FLIM技术 (55)时间标记记录 (57)时间标记模式的成像 (59)ps和ns范围的FIFO成像 (59)微秒时间成像 (61)多模块TCSPC系统 (62)BH TCSPC模块的结构 (65)基本原则 (65)恒比定时器（CFD）及同步（SYNC）电路 (65)时幅转换器（TAC） (66)模数转换器（ADC） (66)存储控制 (67)制作模块的细节描述 (72)探测器（开始）通道中的CFD (72)SPC-x00系列 (72)SPC-x30系列................................................................................. .. (73)同步（终止）通道中的CFD (74)SPC-x00系列 (74)SPC-x30系列 (75)时幅转换器 (76)模数转换 (78)ADC误差的校正 (78)可变ADC的分辨率 (79)ADC的缩放 (80)TCSPC的探测器 (81)探测器的基本原则 (81)常规光电倍增管（PMT） (81)通道板及微通道光电倍增管（PMT） (81)PMT的阴极 (82)单光子计数型雪崩管 (84)探测器的参数 (85)增益 (85)单电子响应（时间） (86)脉冲高度的分布 (86)信号渡跃时间 (88)渡跃时间扩散及时间抖动 (88)光阴极（量子）效率 (89)暗计数率 (91)后脉冲 (92)前脉冲 (93)可选择的探测器的描述 (94)MCP PMTs (94)Hamamatsu R5600及R7400 小型PMT (95)H5783及H5773 光敏模块 (96)PMH-100及PMC-100 (97)Hamamatsu H7422 (98)Hamamatsu H7421 (99)HPM-100-40和HPM-100-50探测器 (99)单光子计数雪崩管 (106)SPAD-8八通道SPAD模块 (108)前置放大器及探测器的控制 (111)前置放大器 (111)DCC-100探测器的控制器 (112)电磁屏蔽 (114)安全使用探测器的建议 (118)BH TCSPC模块的安装 (121)基本要求 (121)软件安装 (121)首次安装 (122)安装动态连接库（DLL）及Lab View库 (122)软件更新 (123)从网页上更新 (124)新软件组件的安装 (124)软件修复 (125)卸载TCSPC软件包 (125)硬件安装-单一SPC 模块 (125)驱动器的安装 (126)硬件安装-多SPC模块 (126)软件启用 (126)模块测试程序 (127)安装中的问题 (128)在不使用SPC模块的状况下启动SPC软件 (128)SPC模块的操作 (131)探测器及参比信号的输入 (131)参比信号的产生 (131)延迟终止操作 (133)随机信号的同步 (134)系统连接 (135)单一探测器系统 (135)多探测器系统 (138)使用触发 (141)去除线缆干扰 (143)荧光寿命成像（FLIM）系统 (144)TCSPC FLIM系统的基本原理 (144)TCSPC 在激光扫描显微镜的应用 (147)用于共聚焦及多光子激光扫描显微镜的FLIM 系统的模块 (155)单一模块TCSPC FLIM系统 (155)多模块TCSPC FLIM系统 (158)典型FLIM系统的线路图 (158)单一探测器NDD FLIM系统 (159)采用单一TCSPC模块的双探测器NDD FLIM系统 (159)多波长FLIM系统 (159)多模块FLIM系统 (161)其他扫描系统 (162)DCS-120 共焦扫描FLIM系统 (163)基本系统结构 (164)DCS-120系统的连接 (165)采用压电陶瓷扫描平台的扫描系统 (169)第一束光：启动 (171)推荐系统的参数 (171)标准荧光寿命系统的设置 (172)扫描系统的设置 (174)多探测器系统 (178)TCSPC其它应用的设置过程 (178)TCSPC系统的调试（最佳化） (181)基本建议 (181)CFD及SYNC输入的配置 (182)脉冲波形 (182)上升沿的配置（只针对SPC-x00） (183)调整CFD的门限值 (184)CFD的零点值 (189)SYNC参数的最佳化 (190)调整SYNC及CFD线缆长度 (190)调整TAC的参数 (193)TAC的线性度 (194)死时间 (196)计数损失 (198)死时间的补偿 (198)堆积效应 (200)经典的堆积 (200)脉冲内的堆积 (201)阻止堆积效应 (202)高重复频率的信号 (203)激光的倍增 (204)光电倍增管的最佳化 (204)分压器 (205)感光面积 (205)与信号无关的背景噪声 (206)暗计数率 (207)检测PMT的单电子响应时间（SER） (208)PMT的快速检测 (208)光学系统 (209)镜头 (209)吸色滤光片 (210)干涉滤光片 (210)单色仪及多色仪 (210)光纤 (211)挡板（Baffles）及孔径光阑（Aperture Stops） (211)避免光反射 (211)荧光去偏振 (212)再吸收 (214)TCSPC的应用 (215)化学发光淬灭曲线的测量 (215)基于单色仪的系统 (215)时间分辨光谱 (217)基于滤光片的系统 (219)多-光谱时间分辨实验 (220)时间分辨荧光各向异性的测量 (222)锁相TCSPC (225)瞬变荧光现象 (227)叶绿素的瞬变现象 (227)停-流技术 (230)连续流动混合技术 (231)荧光及磷光淬灭的同时检测 (232)时间分辨的激光扫描显微术:原理和应用 (234)使用荧光寿命的原因 (234)生物寿命成像技术的要求 (237)激光扫描显微镜 (241)单光子激发 (241)双光子激发 (242)典型FLIM实验例子 (244)采用半导体激光器作激发光源的共聚焦FLIM (244)多路激发波长 (247)可调激发波长的共聚焦FLIM (247)多光子NDD FLIM (249)多光谱共聚焦FLIM (251)多光谱、多光子NDD FLIM (252)高速多平行通道FLIM.................................... .. 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时间相关单光子计数法测量荧光寿命-2011
时间相关单光子计数法测量荧光寿命（一）实验目的与要求目的：1、了解时间相关单光子计数法测量荧光寿命的原理和方法2、学习时间相关单光子计数荧光光度计的使用方法要求：1、掌握时间相关单光子计数法测量荧光寿命的原理；2、理解荧光寿命测量在物质定性及定量分析中的应用；3、了解时间分辨荧光光光度计的基本组成，各部件的作用；4、学习利用Origin软件处理实验数据。
（二）实验原理1 时间相关单光子计数器工作原理TCSPC（Time-Correlated Single Photon Counting）是目前主要应用的荧光寿命测定技术。
1975 年由PTI(Photon Technology International) 公司首先商品化，此外，Edinburgh Instruments、IBH、HORIBA 等公司也在生产基于TCSPC 的时间分辨荧光光谱仪。
TCSPC 的工作原理如图1 所示，光源发出的脉冲光引起起始光电倍增管产生电信号，该信号通过恒分信号甄别器1 启动时辐转换器工作，时幅转换器产生一个随时间线性增长的电压信号。
另外，光源发出的脉冲光通过激发单色器到达样品池，样品产生的荧光信号再经过发射单色器到达终止光电倍增管，由此产生的电信号经由恒分信号甄别器2 到达时幅转换器并使其停止工作。
这时时幅转换器根据累积电压输出一个数字信号并在多道分析仪(Multichannel Analyzer) 的相应时间通道计入一个信号，表明检测到寿命为该时间的一个光子。
几十万次重复以后，不同的时间通道累积下来的光子数目不同。
以光子数对时间作图可得到如图2 所示直方图,此图经过平滑处理得到荧光衰减曲线。
图1 TCSPC 的工作原理简图图2 时间相关单光子计数2 荧光寿命及其含义假定一个无限窄的脉冲光(δ函数) 激发n 0个荧光分子到其激发态，处于激发态的分子将通过辐射或非辐射跃迁返回基态。
假定两种衰减跃迁速率分别为Γ和k nr ，则激发态衰减速率可表示为)()()(t n k dtt dn nr +Γ-= 其中n (t ) 表示时间t 时激发态分子的数目，由此可得到激发态物种的单指数衰减方程。
单光子计数ppt
在天文测光，大气测污、分子生物学、超高分辨率光谱学、非 线性光学等现代科学技术领域中，都涉及极微弱光信息的检测 问题．光子计数技术就是检测弱光信号的一种新技术．现代光 子计数技术的优点是：
(1)有很高的信噪比．基本上消除了光电倍增管的高压直流插 电流和各倍增极的热电子发射形成的暗电流所造成的影响．可 以区分强度有微小差别的信号，测量精度很高．
可降到1 ms内不到1个光子，因此实验中要完成的将是对单个光
子进行检测，进而得出弱光的光流强度，这就是单光子计数．
2．光电倍增管输出的信号波形
如图1(a)所示，光阴极上发射出的光电子，经聚焦和加速打到第
一倍增极上，将在第一倍增极上“打出”几倍于入射电子数目的
二次电子．这些二次电子被加速后打到第二倍增极上，……接连 经过几个或十几个倍增极的增殖作用后，电子数目最高可增到1 0 8
(3)脉冲高度甄别器．脉冲高度甄别器有连续可调的阈电平， 称甄别电子．只有当输入脉冲的幅度大于甄别电子时，甄别器才 输出—个有一定幅度和形状的标准脉冲．在用于光子计数时．可 以将甄别电平调节到图4中单光电产峰的下限处．
(4)计数器．计数器(或称定标器)的作用是将甄别器输出的脉冲 累计起来并予以显示．
SN RN N t sN dN N tt N N dd R R 2 tR d
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(3)脉冲堆积效应噪声．分析光子计数器的噪声和计数误差时， 除上述几个重要因外．还应考虑脉冲堆积效应．这是计数率较高 时的主要误差来源． 〔实 验 装 置〕
图6为光子计数系统实验装置示意图． 〔实 验 内 容〕
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图1
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图2
图3
将光电倍增管的阳极输出脉冲接到脉冲高度记录仪器，例如多 道分析器，作脉冲高度分布分析(PHA)，可以得到如图4所示的分 布．光阴极发射的电子(包括光电子和热发射电子)所形成的各脉 冲的幅度近于一致，造成图中的“单光电子峰”．形成这种分布 的原因是：
单光子实验PPT课件
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⑵暗计数
实际上，光电倍增管的光阴极和各倍增极还有热电子 发射，即在没有入射光时，还有暗计数（亦称背景计 数）。虽然可以用降低管子的工作温度、选用小面积 光阴极以及选择最佳的甄别电平等使暗计数率Rd降到 最小，但相对于极微弱的光信号，仍是一个不可忽视 的噪声来源。
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⑶累积信噪比
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⑶脉冲高度甄别器 脉冲高度甄别器的功能是鉴别输出光电子
脉冲，弃除光电倍增管的热发射噪声脉冲。 在甄别器内设有一个连续可调的参考压--甄
别电平Vh。
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如图所示，当输出脉冲高度 高于甄别电平Vh时，甄别器 就输出一个标准脉冲； 当输入脉冲高度低于Vh时， 甄别器无输出。 如果把甄别电平选在与图中 谷点对应的脉冲高度Vh上， 这就弃除了大量的噪声脉 冲，因对光电子脉冲影响较 小，从而大大提高了信噪比。 Vh称为最佳甄别(阈值)电平。
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⑷计数器（定标器）
计数器的主要功能是在规定的测量时间间隔内，把 甄别器输出的标准脉冲累计和显示。 为满足高速计数率及尽量减小测量误差的需要，要 求计数器的计数速率达到100MHz。 但由于光子计数器常用于弱光测量，其信号计数率 极低，故选用计数速率低于10MHz的定标器也可以满 足要求。
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四、光子计数器的误差及信噪比
测量弱光信号最关心的是探测信噪比（能测到的信 号与测量中各种噪声的比）。因此，必须分析光子 计数系统中各种噪声的来源。
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⑴泊松统计噪声
用光电倍增管探测热光源发射的光子，相邻的光子打 到光阴极上的时间间隔是随机的，对于大量粒子的统 计结果服从泊松分布。
【精品课件教案PPT】 单光子计数实验共21页
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
【精品课件教案PPT】 单光子计数实 验
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——
单光子计数
单光子计数利用光的粒子性来检测光信号的方法称为光子计数。
当光信号微弱到只有十几个光子到数千个光子的光功率时怎样检测光信号？例如激光测月装置，激光测大气层，远程激光雷达，激光测距等，其光接收机探测到的光子数都非常少，这时用一般的探测光强平均值的方法是根本测不出来的因为灵敏度最高的光电信号其本身的热噪声水平也有10-14W 。
单光子计数把入射到探测器上的一个个的光转成一个个的电像冲，采用 冲高度甄别技术，将不我信号从噪声中提取出来。
目前一般光子计数的探测灵敏度优于10-17W 。
实际上，在我们的实验室里，激光拉曼光谱技术，X 射线衍射中均用到光子计数技术。
一 实验目的1．了解单光子计数的基本组成2．掌握单光子计数的原理，特别是脉冲幅度甄别技术及其在单光子计数中的应用。
3．掌握正确的选择甄别电压幅度对光子计数结果的影响。
二 实验原理1．光子光是由光子组成的光子流。
光子的静止质量为零。
对应于频率v ，光子的能量E p 可表达为J hc hv Ep λ/==（1） 或 eV e hc Ep λ=式中的，planck 常数sec,106.634J h −×=c 为真空中的光速，e 为电子电荷。
作为一个例子，当实验用的入射光波长为600nm 的近单色光，一个光子的能量eV J Ep 2103.319≈×=−光子流量R 定义为单位时间通过某一截面的光子数。
光流强度常用光功率P 表示。
对单色光p E R p ⋅=（2） 若上例中1410−=S R ，则其光功率p 为15194103.3103.310−−×=××=p （瓦）测得光子流量，即可得到光流强度。
由于可见光的光子能量很低，当前对弱光的检测的唯一有效探测器是光电倍增管并配以高增益、低噪声的电子学系统，组成光子计数器。
2．光电倍增管（英文简称PMT ）的结构与工作原理图1 光电倍增管结构一个典型的PMT 结构如图1，其供电原理如图2。
时间相关单光子计数
的时间。由TAC将此时间成比例
的转化为相应的电压脉冲，再将
此电脉冲通过AD转换通入多通
道分析器[3]，在多通道分析器中,
这些输出脉冲均依次送人各通道
中累加贮存。就获得了与原始波
形一致的直方图。在某一时间间
隔内检测到光子的几率与荧光发
射强度成正比例, 重复多次测量
得到荧光强度衰变的规律。
4. 电子和质子传递与荧光寿命的关系。
5. 光动力学治疗的相关研究.
6. 金属纳米颗粒结合后，荧光染料的辐射衰减速率和
光稳定性得到增强。
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扩散光学层析成像（DOT）
1. 什么是扩散光学层析成像？
2. 基本原理是什么？
3. 主要应用有那些？
4. 优点
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什么是扩散光学层析成像
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TCSPC 实验方框图[3]
纳秒闸控
放电灯
激光
单色仪
荧光
单色仪
样品
光电
倍增管
光电
倍增管
放大器
放大器
甄别器
延时器
ＳＴＯＰ
ＳＴＡＲＴ
ＴＡＣ
甄别器
A/D
计算机
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多通道
分析仪
显示器
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TCSPC 经典工作方式[1]
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TCSPC原理及原理图[2]
基本原理：用一个窄光脉冲激发
样品, 然后检测样品所发射的第
[4]房喻.荧光寿命测定的现代方法与应用[J].化学通
报,2001,64(10)
[5]刘立新,屈军乐,林子扬等.荧光寿命成像及其在生物医学