相关光子符合计数的实现及修正

为了实现利用非线性晶体自发参量下转换(SPDC)产生的相关光子测量光电探测器量子效率,对相关光子符合计数装置的设计及符合计数方法的系统修正进行了研究.介绍了SPDC相关光子的产生机理以及利用其进行光电探测器量子效率测量的原理.设计了两种不同的符合计数装置,"门控双通道光子符合计数装置"和"基于TAC/MCA的符合计数装...     

100 MHz光子数可分辨探测器量子层析标定

设计了基于雪崩光电二极管的光子数可分辨单光子探测器，采用短脉冲门控信号结合电容平衡噪声抑制方案实现了单通道100 MHz、探测效率40.5%的高性能探测，配合空间分束，有效分辨入射光子数目。为了更完整地描述探测器的量子特征，引入量子探测器层析技术，由单通道单光子探测器入手，到双通道光子数可分辨探测器，进行了量子层析标定，重新构建了其正值算符测度矩阵以及对应的Wigner函数。结果表明，双通道100 MHz光子数可分辨探测器可实现量子探测。     

基于正电子湮灭的变结构γ光子探测器设计

<正>电子湮灭产生的成对γ光子具有511 Ke V的能量,通过晶体探测器以及合适的核素标记方式可以实现工业件内部腔体的无损检测。为满足工业被测对象结构多变的要求,设计了一种变结构γ光子探测器,可以根据工业件大小调节探测孔径,并实现了晶体探测模块与机架分离,具有成本低、灵活性好的优势。     

变组分变掺杂p-i-n型AlGaAs/GaAs微结构中子探测器性能表征

制备了一种在p-i-n型AlGaAs/GaAs材料上刻蚀微沟槽的中子探测器。通过MOCVD技术生长了变组分变掺杂的p-i-n型AlGaAs/GaAs，使用ICP技术在材料上刻出微沟槽，沟槽宽度为25μm，深度为10μm。探测器的探测面积为4 mm2，沟槽宽度和间距为1∶1，呈周期性排列，在沟槽中填充中子转换材料探测热中子信号。通过对平面和微结构p-i-n型AlGaAs/GaAs探测器的电学特性、α粒子以及中子探测性能的比较分析，发现两者在电学特性和α粒子能量分辨率方面有较大差别。5 V偏压下平面型和微结构AlGaAs/GaAs探测器的漏电流分别是-0.024 1μA、-0.627μA，两者相差近30倍，这是由于微结构刻蚀了部分异质结导致器件表面漏电流增加。0 V偏压下微结构探测器α粒子能量分辨率比平面型也有些许恶化，但在热中子探测上微结构效果更佳，中子总计数微结构比平面型多一倍。微结构降低了探测器的自吸收问题，同时增大了探测器的中子接触面积，在热中子探测上应用前景广阔。     

电晕探测紫外ICCD相机图像噪声分析与处理

分析了日盲电晕探测中探测器紫外ICCD相机噪声的构成特性,利用试验方法统计了PROXITRONIC公司第二代紫外ICCD相机不同增益下的光电阴极暗电子发射散粒噪声水平,提出了基于统计数据的阴极噪声的抑制方法,实现了对紫外ICCD相机散粒噪声的抑制.将此方法应用到电晕探测过程,实验结果证明了该方法对图像噪声的抑制有效,保持了相机的动态范围.     

高速空间相干光平衡探测器结构优化

分析了高速空间相干光平衡探测器的电路结构和噪声性能,明确了平衡探测器的关键技术参数与电路结构之间的关系。采用电阻取样型和双跨阻放大器(TIA)合成型结构设计了两种高速空间平衡光电探测器,并对其性能参数进行了实验验证。实验显示:两种高速空间相干光电探测器均可用于高速空间相干探测,且双TIA型电压合成型平衡探测器比电阻取样型平衡探测器具有更高的探测灵敏度和更好的抗噪声性能。在通信速率为5Gbps,误码率10~(-8)条件下电阻取样型平衡探测器实测最优探测灵敏度为-33.51dBm,双TIA型电压合成型平衡探测器实测最优灵敏度为-43.4dBm。对比Discovery公司通信速率为5Gbps的平衡探测器产品,双TIA型电压合成型探测灵敏度提高了近8dB。结果表明高速空间相干光电探测器的结构研究为创建高灵敏的高速空间相干光通信系统提供了理论基础。     

基于SiPM的阵列式X射线背散探测器设计

阵列式探测器是背散射成像设备能够小型化的关键。受限于光电转换器件的灵敏度和转换效率等因素,阵列式探测器设计一直进展缓慢。本文提出使用硅光电倍增管(SiPM)作为核心部件,并从准直器、闪烁晶体和光电转换元件进行阵列背散射探测器设计的新思路。利用X射线特征谱线建立仿真模型,确定闪烁体CSI厚度为1 mm;准直器设计为栅格状,栅格高度4 cm,间隔为6 mm;SiPM尺寸相应为6 mm×6 mm。根据设计结果完成了探测器单个组件的加工,通过实际实验验证设计结果,实验证明合理设计的SiPM可以满足本应用长时、低光照强度以及被探测物体的厚度变化范围较大的要求。     

一种提高光电探测系统测量上限的方法

在分析各种调节光电探测器灵敏度常用方法的基础上,提出一种提高光电探测器测量上限的方法,其基本要点是通过使用狭缝准直器来限制进入光电探测器的辐射强度;通过使辐射侧照闪烁体,有效屏蔽或避开强辐射源对光电探测器光阴极的直接辐射干扰;通过拉开闪烁体至光阴极的距离,利用空气柱进一步衰减进入光电探测器光阴极的荧光光子数,按这种方法设计的光电探测系统,在相同的信噪比情况下可以测量更高的核辐射注量,本文提供了设计实物照片和实验测量数据.     

Photon counting imaging based on GM-APD

考虑用传统的成像技术检测光生电荷信号时易受模数转换噪声干扰,本文提出了一种基于单光子灵敏雪崩光电二极管(GM-APD)的光子计数成像方法.该方法以单光子灵敏GM-APD作为探测单元,以全数字化方式实现微弱光学信号的有效检测.建立了GM-APD光子流响应模型,利用马尔科夫更新过程分析了光子探测盲区对GM-APD瞬态响应的影响,得到了GM-APD输出的数字脉冲频率与光子流密度之间的关联表达式.搭建了二维扫描成像实验验证装置,通过实验得到了不同密度光子流条件下的光子计数图像.采用标准化互信息量分析得到,在光子流密度为3.0×104count/s的条件下,该实验装置仍然可以实现可视成像;当光子流密度达到2.7×105 count/s时,标准化互信息量大于0.5;实现了在低光子流密度时采用光子计数方式对目标物体的有效成像.     

基于盖格-雪崩光电二极管的光子计数成像

考虑用传统的成像技术检测光生电荷信号时易受模数转换噪声干扰,本文提出了一种基于单光子灵敏雪崩光电二极管(GM-APD)的光子计数成像方法。该方法以单光子灵敏GM-APD作为探测单元,以全数字化方式实现微弱光学信号的有效检测。建立了GM-APD光子流响应模型,利用马尔科夫更新过程分析了光子探测盲区对GM-APD瞬态响应的影响,得到了GM-APD输出的数字脉冲频率与光子流密度之间的关联表达式。搭建了二维扫描成像实验验证装置,通过实验得到了不同密度光子流条件下的光子计数图像。采用标准化互信息量分析得到,在光子流密度为3.0×104count/s的条件下,该实验装置仍然可以实现可视成像;当光子流密度达到2.7×105 count/s时,标准化互信息量大于0.5;实现了在低光子流密度时采用光子计数方式对目标物体的有效成像。     

一种pin结构光电器件的研究

pin器件在整流和探测领域都有着重要的潜在应用价值。为了提高器件伏安和光电探测性能,提出了一种新型的p-硅/i-氧化铝/n-掺铝氧化锌(AZO)结构器件,并利用原子层沉积技术(ALD)在低温下实现了器件制备。分析了器件的伏安特性,结果显示相比传统的pn结构器件,新结构在无光条件下实现了152的整流比。通过增加i层的沉积厚度,可以有效抑制遂穿效应,减小暗电流,提高光电检测的灵敏度,实现了比传统材料更高的光生电流灵敏度。     

高速平衡零拍探测器的设计与实现

平衡零拍探测器存在共模抑制比小、响应带宽低等问题。针对以上问题,尝试从两方面进行改进：一方面,通过测试探测器中光电检测器（PIN光电二极管）的响应特性,选择性能相近的器件进行平衡探测,以提升共模抑制比;另一方面,采用跨阻放大与比例运放级联的方式对光电流信号进行提取,解决一级采样放大器增益带宽积局限的问题,在保障灵敏度的同时提升探测器的响应带宽。由此实现了300 MHz的平衡零拍探测,共模抑制比高达66 dB,并有效检测了光信号中的量子散粒噪声,为高速灵敏探测提供了一种有效技术方案。     

新型组合式离子探测器

本离子探测器是由连续电子倍增管和闪烁探测器两部分组成的。国产BDT型陶瓷连续电子倍增管用作离子—电子转换和次级电子放大。闪烁晶体及光电倍增管等组成的闪烁探测器用来探测电子倍增管输出的电子束流。这种组合式离子探测器具有低噪声(10~(-21)安培)和优良的脉冲幅度分辨率等优点。在15千伏转换电压下可获得幅度为6伏的脉冲信号,探测灵敏度为10~(-19)安培。     

压缩传感用于极弱光计数成像

为解决灵敏度达到单光子水平的面阵探测器件其单位像素上灵敏度有限和测量数多等问题,研制了具有极高灵敏度的成像系统来实现欠采样的极弱光成像探测。该成像系统基于光子计数成像技术和压缩感知理论,利用数字微镜器件(DMD)完成随机空间光调制,通过单光子点探测器收集光子,以计数形式记录下光强值。然后,利用算法重建出极弱光照明下的图像。文中设计了相关实验,研究了测量数、光强极弱程度和测量时间对成像质量的影响。最后,引入了图像质量评价标准和系统信噪比,分析对比了实验数据。结果表明,当测量数高于信号总维度的19.5%时,系统能完美成像,信噪比可低至2.843 8dB,DMD单位像素上的平均光子数可低于1.106count/s,成像的关键在于信号的波动大于噪声的波动。该成像系统基本满足了极弱光成像探测在光强、灵敏度和采样数等方面的要求。     

小动物用PET系统的新型位敏型探测器的原型研究

正电子放射层析系统(PET)是科学研究的强有力的工具。本文阐述了由两层LSO晶体阵列和最新开发的位置灵敏型光电倍增管构成的新型位敏型探测器的一些特性。结果表明该探测器能够用于小动物PET中。文中最后简述了利用该探测器构筑的微型PET扫描器的初始设计。     

强力输送带无损检测系统中X光探测卡的设计

提出了一种强力输送带无损检测系统中X光探测卡的设计方案.采用线性图像传感器S3904设计出了X光探测卡,实现了其对穿过强力输送带的X射线的光电转换、积分放大和差分处理等.通过对X光探测卡仿真及实际测试数据的分析,表明该光电探测卡有效降低了线性图像传感器的暗电流对输出信号的影响,具有较高的光电灵敏度和信噪比,满足实际应用需求.     

基于蒙特卡罗模拟的NaI，BGO，LSO，GSO，YSO闪烁晶体对比研究

发射断层成像系统中大都采用闪烁晶体与光电倍增管相耦合组成的γ射线探测器。闪烁晶体的光收集效率直接影响着探测器的能量、时间和空间分辨力。为了设计更好的探测器,利用M onte Carlo方法对N aI,BGO,LSO,GSO,YSO闪烁晶体进行了对比研究,分析比较了不同表面处理、晶体尺寸,外界反射材料对光收集效率的影响。模拟结果表明:入射面为粗糙面,其余为抛光面同时外层包装上高反射率的材料可得到最大的光输出,其中YSO表现出最优的光输出性能。晶体的几何尺寸对得到高的光输出也起着非常重要的作用。     

基于光子晶体和法布里珀罗腔结构的折射率传感器

光子晶体传感器在溶液检测方面具有巨大的应用潜力,设计一种光子晶体液体折射率传感器,通过在光子晶体中构造法布里珀罗腔(F-P腔)并利用光子晶体的自准直效应来实现折射率的探测。通过二维时域有限差分法(2D-FDTD)对电磁波在光子晶体F-P腔中的传播的仿真实验,最终获得了高线性度的输出光功率与液体折射率的对应关系,并可基于此特性实现液体折射率的检测。相较于其他的检测方法,光子晶体的应用使其具有体积小、测量范围广、易于与激光器件集成并且不受外界电磁环境影响等优点。     

微脉冲激光雷达中的光子计数死区时间瞬态效应

建立了光子计数器的模型,对光子计数器的死区时间效应进行了理论分析和实际测量,并提出了校正光子计数效应对微脉冲雷达信号影响的方法。利用马尔科夫链对微脉冲雷达的探测过程进行理论分析,并利用MATLAB对死区时间对光子计数产生的影响进行了计算和分析,描述了计数死区对探测结果产生的瞬态形态变化。在此基础上,搭建了微脉冲激光雷达光子计数的测量平台,实验验证了死区时间对于光子计数采集的影响。最后,测量了不同光强下死区时间对探测结果的抑制情况,给出了微脉冲激光雷达信号的校正方法。基于提出的方法对真实微脉冲激光雷达信号进行了校正实验。实验结果表明:在峰值功率为100mW的405nm激光照射下,光子计数在采集频率100 MHz时的散射光计数效应减少了50%。文中的方法较好地解释了小尺寸目标的探测信号形态,实现了对光子计数探测结果的校正。     

低相噪大面积平衡光电探测器

为了实现对光泵原子磁力仪系统中发散的快速调制光信号的精密相位检测,解决现有平衡光电探测器存在的接光面积小、增益小、带宽小及相位性能不理想等问题,本文采用基于结点差分电流的平衡差分探测方法,分析了平衡探测器抑制系统共模噪声的机理,通过优化元件和提高带宽设计出具有低相位噪声且单管接光面尺寸达到10mm的大面积平衡光电探测器,并进一步利用双板隔离式的制作方法避免了热噪声干扰,实现了其低相位漂移的特性。实验结果表明,该探测器-3dB带宽达到1.1 MHz,信号跨阻增益达到0.91 MΩ,在175kHz调制光信号下的相位噪声峰峰值不超过0.002 3°,能够满足碱金属原子磁力仪系统光信号精密相位检测的要求。