辐照环境用低暗计数单光子探测装置及方法制造方法及图纸

一种辐照环境用低暗计数单光子探测装置及利用该装置进行单光子探测的方法。其中，装置包括雪崩光电二极管，用于在盖革模式下，探测输入的单光子量级光信号；一级制冷结构，用于根据控制信号，控制雪崩光电二极管器件的安装环境温度；温度采集模块，用于采集雪崩光电二极管的温度信号；温度控制算法模块，用于接收雪崩光电二极管的温度信号，并根据雪崩光电二极管的温度以及其当前的目标温度分析出需要的温度控制信号；温度控制电路，用于根据温度控制算法模块给出的温度控制信号，生成驱动控制信号；热电制冷模块，用于调节雪崩光电二极管的温度。该装置有效地抑制辐照引起的暗计数增加速度，解决了辐照环境应用低暗计数单光子探测器的难题。 1

【技术实现步骤摘要】
辐照环境用低暗计数单光子探测装置及方法
本专利技术涉及量子信息以及激光雷达领域，进一步涉及一种辐照环境中低暗计数的单光子探测装置及方法，尤其是涉及一种应用在空间辐照环境中的低暗计数单光子探测装置及方法。
技术介绍
随着空间技术的发展，基于卫星平台的量子信息和激光雷达扩展了其应用范围，成为各国争先研究的领域。在量子信息、单光子激光雷达等领域，均使用单光子探测技术实现对单光子量级的弱信号探测，高探测效率、低暗计数的单光子探测器实现成为制约应用的一个关键因素。单光子探测器主要包括基于雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器、基于光电倍增管(PMT)的单光子探测器、超导纳米线单光子探测器(SNSPD)和上转换探测器等。PMT在850nm波段的探测效率在10％左右，暗计数几百，但是其体积较大、需要避免强光和磁场，使用寿命、稳定性以及可扩展性很差；SNSPD可以做到超过90％的探测效率及低至几个的暗计数，但是需要体积大、成本高且复杂的制冷结构；上转换探测器将1550nm附近波段光子转换成850nm波段后再使用APD进行探测，结构复杂、成本较高。与此同时，APD由于技术成熟、体积小、性能优异、成本低廉，而获得了广泛的应用。APD中目前普遍使用的是基于硅的APD(SiAPD)和基于铟镓砷/磷化铟的APD(InGaAs/InPAPD)。SiAPD主要是用于近红外波段(850nm附近)的单光子探测器，具有超过50％探测效率、暗计数低至25cps的商业产品；InGaAs/InPAPD主要是用于红外波段(1550nm附近)的单光子探测器，目前商业产品的探测效率只有10％，且暗计数一般超过数千。针对空间应用的APD，在具有极高的单光子灵敏度的同时，也容易受空间辐照等的影响。理论和试验研究都表明，空间辐照如电离总剂量、位移损伤等，对APD的探测效率、时间晃动、后脉冲概率等特性影响较小，但是会造成APD暗计数显著增加。对于普通的商业SiAPD，如超过50％探测效率、暗计数低至25ps的产品，在模拟的500km卫星轨道上，空间质子辐照条件下，每天暗计数增量在100cps以上，最终导致探测器暗计数在较短时间内显著增大，难以应用于量子信息和激光雷达等对低暗计数有强烈需求的领域。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种辐照环境用低暗计数单光子探测装置及方法，以解决以上所述的至少部分技术问题。(二)技术方案根据本专利技术的一方面，提供一种辐照环境用低暗计数单光子探测装置，包括：雪崩光电二极管，用于工作在盖革模式下，探测输入的单光子量级光信号；一级制冷结构，用于控制雪崩光电二极管器件的安装环境温度；温度采集模块，包括热敏电阻和与热敏电阻电性连接的温度采集电路，用于采集雪崩光电二极管的温度信号；温度控制算法模块，用于接收所述雪崩光电二极管的温度信号，并根据雪崩光电二极管的温度以及其当前的目标温度分析出需要的温度控制信号；温度控制电路，用于根据温度控制算法模块给出的温度控制信号，生成驱动控制信号；热电制冷模块，作为二级制冷结构，用于根据所述驱动控制信号，进一步调节雪崩光电二极管的温度。在进一步的实施方案中，所述雪崩光电二极管集成于热电制冷模块上。在进一步的实施方案中，还包括：驱动控制电路，用于将雪崩光电二极管的雪崩信号转化为电脉冲，通过比较器和定时电路后输出电脉冲信号。在进一步的实施方案中，还包括：高压管理模块，用于根据当前雪崩二极管的温度为其提供对应的偏置高压，保证雪崩二极管在不同的温度下具有相同的探测效率；在进一步的实施方案中，所述热敏电阻集成于所述热电制冷模块上。在进一步的实施方案中，所述温度采集电路包括恒流源、运算放大器以及模拟数字转换器(ADC)，所述恒流源与所述热敏电阻电性连接，将热敏电阻阻值转化为电压值，所述模拟数字转换器用于将雪崩二极管温度对应的电压值进行模数转换，形成数字温度信号。在进一步的实施方案中，温度控制算法模块具体用于根据当前雪崩二极管的温度与温度设置目标值的偏差，分析出需要的温度控制信号。在进一步的实施方案中，所述温度控制电路包括驱动器、两个P沟道金属氧化物半导体管和两个N沟道金属氧化物半导体管，过改变脉冲宽度调制(PWM)信号的占空比来控制流过热电制冷模块(TEC)的电流大小，通过开关不同的半导体管，来控制流过TEC的电流的方向，产生致冷或者加热以控制雪崩光电二极管的温度。根据本专利技术的另一方面，提供一种以上任意所述装置的单光子探测方法，包括步骤：确认所述装置环境温度达到安装环境温度设置目标值要求后，单光子探测器温控相关电路上电，根据控制指令将探测器温度控制在设定值；实时监测所述装置的环境温度和雪崩光电二极管的温度，通过闭环控制保证工作阶段温度参数的稳定；同时，开启单光子探测器的驱动控制电路，接收到达的光子信号并记录数据，探测结束后，单光子探测器断电。在进一步的实施方案中，还包括步骤：在辐照环境中探测结束后，根据记录数据，再次校正探测器的工作参数。(三)有益效果与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术的辐照环境用低暗计数单光子探测装置有效地抑制辐照引起的暗计数增加速度，解决了辐照环境应用低暗计数单光子探测器的难题；本专利技术实施例的辐照环境用低暗计数单光子探测装置可以广泛地应用到空间量子通信领域和激光雷达等领域，具有很强的实用性。附图说明图1是本专利技术实施例辐照环境用低暗计数单光子探测装置的系统框图。图2是本专利技术实施例辐照环境用低暗计数单光子探测装置的二级温度控制电路原理图。图3是本专利技术实施例基于该单光子探测装置的地面-卫星量子隐形传态示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。在下文中，将提供一些实施例以详细说明本专利技术的实施方案。本专利技术的优点以及功效将通过本专利技术下述内容而更为显著。在此说明所附附图简化过且做为例示用。附图中所示的组件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且组件的配置可能更为复杂。本专利技术中也可进行其他方面的实践或应用，且不偏离本专利技术所定义的精神及范畴的条件下，可进行各种变化以及调整。本专利技术的目的是针对辐照环境下低暗计数单光子探测的需求以及当前技术的不足，提供一个可应用于辐照环境中的低暗计数的单光子探测装置及方法。该装置基于硅基雪崩光电二极管，利用其盖革模式下的极高灵敏度，实现单光子量级的能量探测；利用辐照环境对探测器的晶体损伤在温度越低的环境下表达越低的原理，通过降低探测器工作点温度的方式降低暗计数，同时不影响探测效率。该装置解决了辐照环境应用单光子探测器抗辐照难的问题，具有实用性强的优点。理论表明，降低雪崩二极管的工作温度，探测器内部晶体损伤导致的暗计数呈指数关系降低，见公式(1)，可以有效抑制辐照的影响，同时不影响探测效率。其中，T是雪崩二极管工作温度，单位开尔文；是工作温度稳定为T0时探测器的暗计数，α是雪崩二极管特性参数。利用一级制冷结构实现一级降温控制，使用雪崩二极管集成的热电制冷(TEC)模块实现二级降温，最终得到超低温工作点，实现低暗计数的单光子探测。本专利技术实施例可以通过以下技术方案实现：图1是本专利技术实施例辐照环境用低暗计数单光子探测装置的系统框图。可以包括：①雪崩光电二极管(A本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种辐照环境用低暗计数单光子探测装置，其特征在于，包括：

【技术特征摘要】
1.一种辐照环境用低暗计数单光子探测装置，其特征在于，包括：雪崩光电二极管，用于工作在盖革模式下，探测输入的单光子量级光信号；一级制冷结构，用于控制雪崩光电二极管器件的安装环境温度；温度采集模块，包括热敏电阻和与热敏电阻电性连接的温度采集电路，用于采集雪崩光电二极管的温度信号；温度控制算法模块，用于接收所述雪崩光电二极管的温度信号，并根据雪崩光电二极管的温度以及其当前的目标温度分析出需要的温度控制信号；温度控制电路，用于根据温度控制算法模块给出的温度控制信号，生成驱动控制信号；热电制冷模块，作为二级制冷结构，用于根据所述驱动控制信号，进一步调节雪崩光电二极管的温度。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述雪崩光电二极管集成于热电制冷模块上。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：高压管理模块，根据当前雪崩二极管的温度为其提供对应的偏置高压，保证雪崩二极管在不同的温度下具有相同的探测效率；驱动控制电路，用于将雪崩光电二极管的雪崩信号转化为电脉冲，通过比较器和定时电路后输出电脉冲信号。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热敏电阻集成于所述热电制冷模块上。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度采集电路包括恒流源、运算放大器以及模拟数字转换器(ADC)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖胜凯，杨孟，蔡文奇，任继刚，印娟，曹蕾，彭承志，潘建伟，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34