基于自研ASIC芯片HEPS中硅微条探测器读出电子学原型系统设计与测试

时间分辨X射线粉末衍射技术是探测物质晶体结构及其演变的重要手段。单光子计数型硅微条探测器因其灵敏度高和死时间低,在高能同步辐射光源(HEPS)的X射线粉末衍射实验中发挥着重要作用。研制适用于单光子计数型一维硅微条探测器的专用ASIC读出芯片(SSDROC)及其读出电子学系统,并采用一种新标定方法解决了SSDROC各通道对同一输入输出响应不一致的问题,该方法可显著提高各通道数据一致性并减小衍射实验数据的统计误差。探测器完成各项性能测试,结果表明整体系统线性优秀、能量分辨能力强、噪声低以及计数率高,为将来大覆盖角度一维硅微条探测器系统研制奠定坚实基础。     

基于USB和FPGA实现的高速光子符合仪

本文基于USB2．0高速接口、大规模可编程器件FPGA及高速ECL逻辑电路,实现了一种高速多通道的光子符合设备。此设备能够同时统计八通道单光子检测器的所有可能的255种符合事件,且平均处理速度可达到每秒12．5M事件。在此速度下,可实现事件的间隔在13ns时不丢失的记录下来。同时,可利用高速USB接口,把采集到的原始通道数据直接送往主机进行存储、处理或实时监测统计结果。也可以利用FPGA先做预处理,然后再将预处理后的事件数据送往主机进行处理、分析或存储。     

六方氮化硼中缺陷态发光体的定向制备

二维半导体材料及其异质结构为纳米尺度上光与物质相互作用研究和应用提供了良好的平台,而其中的缺陷结构也成为一个新的单光子发射源载体。研究了离子束辐照、硅纳米小球凸起引入局域应变、以及两种方式相结合的手段在石墨烯-六方氮化硼-石墨烯纳米异质结中产生缺陷态发光体的方法,制备了具有不同发光频谱的缺陷态发光体,且在大气环境中具有较好的发光稳定性和电场调控特性。这为开发固态单光子源器件应用提供了较为有效便捷的发法。     

生物医学影像的新进展

生物医学影像是21世纪发展起来的新技术.是影像学从大体形态学向微观形态学、生物代谢、基因成像发展的必然趋势.主要研究集中在分子成像、功能成像、细胞成像和基因成像等方面.分子成像基础研究的工具有基因重组技术、X线晶格成像、快速物质波谱分析、计算机和机器人技术.发展和测试体内特异性分子成像.P E T、SPECT、光学成像及显微CT/MRT/PET/光学成相等,适用于分子、基因的显像和定位.结合微创性操作的影像指导技术,指导病变的治疗和检测.有利于疾病的早期诊断,即在疾病的功能性障碍发展早期识别病变,是疾病的诊断和治疗愈来愈多的使用创伤性小,精确度更高的成像技术以及影像指导下的手术操作,是研究生命科学的新技术.     

基于多像素光子计数器的弱光可见光通信实验系统

可见光通信是一种将照明和通信相结合的新型无线通信技术,但是接收端所采用的传统光电检测器的探测动态范围小、探测效率低,限制着可见光通信的发展。为了进一步提升传输距离和通信速率,本文研究了阵列结构的多像素光子计数器(Multi-pixel Photon Counter, MPPC)在可见光通信中的接收模型。实验采用模拟型输出的MPPC作为接收端进行光电转换,首先在弱光实验条件下搭建了可见光通信实验系统,然后推导了基于理想泊松模型的最大似然检测算法并给出了相应的误码率仿真图。仿真结果表明该算法的误码率性能和传统均值检测算法相比更优。最后通过观察不同传输条件下的眼图研究了阵列结构输出的泊松模型和叠加特性,并用实验数据对算法仿真结果进行了验证。实验表明,在工程应用中阵列结构的MPPC相比传统单光子检测器具有一定的优越性,为后续可见光通信系统设计和优化提供了支撑。      

（英）STI埋层的高光电流和低暗计数率单光子雪崩二极管

本文研究和分析了一种0.18-μm CMOS工艺单光子雪崩二极管（SPAD）,其结构能抑制过早的边缘击穿（PEB）,同时获得较大的光电流和低的暗计数率（DCR）。该SPAD由p-well/deep n-well的感光结,deep n-well向上扩散形成的区域和边缘Shallow Trench Isolation（STI）共同形成的保护环组成。通过测试确定了与光电流和暗率有关的STI层的大小。结果证明,在STI层与保护环之间的重叠区域为1-μm 时,SPAD的暗计数率和光电流最佳。此外,直径为10-μm的圆形SPAD器件的暗计数率为208Hz,且在波长为510nm时峰值光子探测概率为20.8%,此时具有低的暗计数率和高的探测效率以及宽的光谱响应特性。     

基于量子委托计算模式的半量子密钥协商

为降低量子设备的成本,更好地执行量子计算,提出基于量子委托计算模式的多方半量子密钥协商协议。引入量子委托计算模式,将酉操作、Bell测量等复杂量子操作委托到量子中心进行,而参与者仅需具备访问量子信道与制备单光子的简单能力。为防止密钥信息被量子中心以及外部窃听者窃取,采用在目标量子态中插入混淆单光子的混淆策略来保证目标量子态的隐私性。分析结果表明,与其他量子密钥协商协议相比,参与者所需的量子能力显著降低,从而提升了协议的实际可行性。     

InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管InP顶层掺杂研究

通过理论计算和对比实验研究了InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管中InP顶层掺杂浓度对于器件性能的影响.理论结果显示,InP顶层的掺杂浓度越低越有利于抑制边缘击穿,降低隧穿暗载流子产生速率,提高雪崩击穿几率.实验结果显示,顶层非故意掺杂的器件在223K下获得了20%的单光子探测效率和1kHz的暗计数率,其单光子探测效率比顶层掺杂浓度为5×10~(15)/cm~3的器件高3%~8%,而暗计数率低一个量级.结果表明,降低InP顶层的掺杂浓度有利于提高器件性能.     

一种对高速运动目标的单光子测距方法

作为一种前沿的激光探测技术,单光子激光测距技术已成功应用于月球测距、卫星测距和地面测高等领域。然而,单光子测距在机载空对空、地对空平台上对高速运动目标进行跟踪测距时,回波光子落在不同的时间窗,导致直接计数无法有效提取信号的问题仍需解决。针对空对空条件下单光子激光测距的应用需求,基于时间相关光子计数技术设计一种适用于全天时、宽时域、多噪声条件下对高速运动目标的单光子测距方法。该方法采用阵列单光子探测器和相邻时间窗相关统计多帧处理算法提取激光回波光子信号,并在Matlab平台上对算法进行仿真实验,使用多元阵列单光子探测器实现最大测程百公里以上、背景噪声计数率约为5 MHz、单脉冲回波光子计数平均值为1条件下的回波光子信号提取。该方法能够克服传统单光子探测只能对准静态目标测距,只能在小接收视场和小波门范围等弱背景噪声及目标轨迹可预测条件下应用的限制,将单光子探测由只能固定平台夜晚对准静态目标测距推广至通用平台全天时对高速运动目标测距。