中北大学单光子计数电路设计

中北大学

课程设计说明书

2013/2014 学年第 2 学期

学院：信息与通信工程学院

专业：光电信息工程

学生姓名：学号：

课程设计题目：单光子计数电路设计

起迄日期：2014年05月26日~2014年06月06日课程设计地点：中北大学五院楼513

指导教师：

中北大学

课程设计任务书

2013/2014 学年第 2 学期

学院：信息与通信工程学院

专业：光电信息工程

学生姓名：学号：

课程设计题目：单光子计数电路设计

起迄日期：2014年05月26日~2014年06月06日课程设计地点：中北大学五院楼513

指导教师：

下达任务书日期: 2014 年5月26 日

课程设计任务书

课程设计任务书

目录

摘要 (1)

一、总体设计任务与要求 (2)

二、总体设计方案 (2)

三、设计内容 (2)

1、工作原理 (2)

2、单光子计数电路系统的组成 (3)

1) 光电倍增管PMT及其分压电路设计 (3)

2) 放大电路和甄别电路设计 (4)

3) 计数电路设计： (5)

四、仿真结果和分析 (6)

五、总结和体会 (9)

六、主要参考文献 (9)

七、附录 (10)

1、整体设计电路图： (10)

2、PCB图： (11)

摘要

单光子计数方法是利用微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微弱的信号识别并提取出来，现代单光子计数具有信噪比高、抗漂移性好、时间稳定性好等特点。本文介绍了单光子计数系统的工作原理，给出了具体硬件电路的设计方案，设计表明，各项参数基本达到设计要求。

关键词：单光子计数电路；放大甄别电路

Abstract：Single photon counting method is the use of weak light photon detector output signal under the natural characteristics of discrete pulse and screening technology and digital counting the extremely weak signal to identify and extract, modern single photon counting has high signal-to-noise ratio, good resistance to drift, time, good stability, etc.This paper introduces the working principle of single photon counting system, gives the specific hardware circuit design, design show that the various parameters basically meet the design requirements.

Key words: single photon counting circuit;Enlarge discriminator circuit

第1页共11页

一、总体设计任务与要求

单光子计数电路的设计是基于学习光纤传感技术、光电子技术的基础上，利用光电倍增管、真空雪崩光电二极管等高灵敏的特点，测量单光子或极微弱的光信号，要求参考相关论文、查阅相关资料，认识并掌握单光子计数电路的工作原理、性能，掌握光电器件性能的比较方法，会设计计数电路，利用相关软件画出原理图，制作PCB，完成电路仿真。

二、总体设计方案

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弱的信号识别并提取出来。单光子计数器主要由光电倍增管( PMT)、放大器、甄别器和计数器四部分组成。光源发出的光信号进过光路系统处理后，入射到光电倍增管的光电阴极上，只要光子能量大于光电发射阈值，就会产生一系列光电子，这些光电子与入射到阴极上的光子数成正比。进过光电倍增管后，由阳极收集所有光电子，并在负载上形成一系列电脉冲。电脉冲经过放大器放大后输出到甄别器，输出具有一定幅度和形状的标准脉冲。最后，利用数字芯片对脉冲进行计数。总体设计结构框图如图1所示。

图1 总体设计结构框图

三、设计内容

1、工作原理

当微弱光照射到PMT的光阴极时，每个入射光子以量子效率使光阴极发射一

个光电子，然后经各级倍增最后在阳极形成一个电流脉冲，通过负载电阻产生一个电压脉冲，称为单光子脉冲。

光信号通过光路系统然后入射到PMT的光阴极，光阴极从而产生一系列光电子。通过PMT各级倍增，最后由阳极收集所有光电子，并在PMT的负载上形成一系列电脉冲。再经放大器放大后，进入甄别器。通过调整甄别器的甄别电平，使得只有输入脉冲的幅度高于甄别电平时，才输出标准脉冲。再经过计数得出结论。

单光子技术就是一般在与PMT的阳极输出脉冲宽度相当的时间内，倍增系统接收的光电子数量基本上在一个以内的计数技术。光电倍增管输出信号如图2所示。

图2 光电倍增管输出信号

2、单光子计数电路系统的组成

1)光电倍增管PMT及其分压电路设计

PMT是整个系统的基础，能够把光信号转换为电信号。因此，光电倍增管性能的好坏直接决定了单光子探测器性能的好坏。PMT由光阴极、聚焦极、倍增极和阳极构成。性能优良的PMT，光谱响应特性好，时间响应快，光阴极的稳定性好，工作波段内的量子效率高，暗计数低。由于PMT的偏置电压对非线性和信号电流的增益有很大的影响，因此为了使PMT有较好的灵敏度，减少噪声的影响，需要精心选择它的最佳偏置电压。选取依据是PMT的信号计数、暗计数和偏置电压的关系曲线如下图所示，由于信号计数曲线有一平坦的坪区，而暗计数曲线则处于连续上升的趋势，当信号计数曲线开始进入坪区时，信噪比SNR最大，此处的偏压是最佳偏置电压。光电倍增管最佳偏压曲线如图3所示。