基于SiPM的多光子探测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于SiPM的多光子探测方法，通过对SiPM的暗计数统计，获得暗计数的概率分布图，通过得到的概率分布图求出高斯分布的μ

Multiphoton detection method based on SiPM

The invention discloses a detection method of SiPM based on multi photon statistics of SiPM, through the dark counts, the probability distribution obtained by dark counts, the probability distribution obtained for the Gauss distribution.

【技术实现步骤摘要】
基于SiPM的多光子探测方法
本专利技术涉及微弱光领域，具体涉及一种基于SiPM的多光子探测方法。
技术介绍
SiPM作为微弱光领域的一种新颖的光电探测器件，具有优越的性能，例如在可见光范围内有较高的探测效率(约25％-60％)、快速的响应时间(约30ps)、室温下较低的工作电压(约20-80V)等，已成功被应用于高能物理、核医学、射线成像等诸多领域，并已代替光电倍增管PMT，成了多光子计数探测的首选器件。SiPM的性能可用如下三个主要指标描述：光子探测效率、暗计数率以及抖动时间。光子探测效率表征为入射光子成功的被响应并计数的统计概率；暗计数率表征的是当SiPM工作在盖革模式下，没有光子入射情况下产生的电流输出。暗计数是影响光子数测量的重要参数，引起暗计数的主要因素有热噪声引起的噪声电流，与温度密切相关；以及电子跃迁时隧道效应引起的暗电流，与外加的偏置电压以及参杂的浓度等密切相关。抖动时间表征的是SiPM从接受入射光子、响应并输出雪崩电流的这段时间，抖动时间越小，则SiPM的时间分辨率越高，探测精度也就越高。随着光子探测技术的飞速发展，实际研究及应用中对于探测器件的性能要求也越来越高。目前国内外对于SiPM的单光子探测性能及应用已有相关研究，但是并没有对于光子数量为几个到几十个范围内的多光子探测作深入研究，因此对于精确到单个光子至多个光子精度的探测将显得具有重要的工程实际意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于SiPM的多光子探测方法，通过测量SiPM探测器输出信号幅度的大小，来估算在不同光源下的光子数量。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：基于SiPM的多光子探测方法，包括以下步骤：(1)、通过对SiPM的暗计数统计，获得暗计数的概率分布图，通过得到的概率分布图求出高斯分布的μ0,Δμ,σ0,σε四个参数，其中μ0,σ0分别表示高斯分布的均值和方差，Δμ表示SiPM探测器的增益，即一个微元发生雪崩过程产生的电子空穴对的数量；σε是SiPM探测器所有微元因工艺和材料的特性参数的非一致性引起的内在波动；(2)通过高斯匹配，获得在非相干光源下光子数概率密度函数fN(n)，继而通过式(5)求得相干光源下的光子数量；(3)求出近似的实测信号的光电子脉冲的幅度的概率密度函数fX(x)，利用泊松匹配，获得在相干光源照射下光子数量的计算公式为：光子概率密度函数fN(n)服从泊松分布，它的表达式为：其中，DE为SiPM探测器的光子探测效率，λ为每个脉冲中的平均光子数量，通过实测信号的光电子脉冲的幅度的概率密度函数fX(x)得到λ的值；最后，将步骤(1)中的参数代入公式(6)中即可求得相干光源下的光子数量。进一步，步骤(2)中，在非相干光源照射时，光子数概率密度函数fN(n)是通过实测的光电子脉冲的幅度的概率密度函数fX(x)与高斯分布进行匹配获得，即：其中，N的大小根据fN(n)的精度自行调整，变量x为实际测试的光电子信号幅度，αn为与标准高斯分布条件相关的权重系数，αn满足将步骤(1)得到的参数μ0,Δμ,σ0,σε代入公式(8)得到光子数概率密度函数fN(n)，最后利用公式(5)计算出非相干光源下管子的数量。进一步，步骤(1)中将SiPM探测器放入密闭的黑盒子中进行暗计数统计。进一步，SiPM探测器外围电路包括连接在SiPM探测器信号输入端由电阻R1、电容C1构成的滤波电路，限流电阻R2和去耦电容C2，连接在SiPM探测器信号输出端的信号提取电阻R3，电路中有光电流产生时，通过信号提取电阻R3转化为电压信号。进一步，步骤(1)中通过采样频率大于1GHz的高速数据采集器，对SiPM探测器的输出波形进行采样；将采样后的数据存储在电脑中，利用数据分析软件将得到数据进行分析处理就得到暗计数的概率分布图。本专利技术通过对SiPM的暗计数统计，获得暗计数的概率分布图，通过得到的概率分布图求出高斯分布的μ0,Δμ,σ0,σε四个参数，当作用光源是相干光源时，光子数的概率分布服从泊松分布，建立泊松分布的数学模型并进行与实测数据的波形匹配，精确计算出探测到的光子数量；当作用光源是非相干光源时，探测到n个光子数的条件下脉冲高度为x时条件概率密度函数fX|N(x|n)服从高斯分布，建立高斯分布的数学模型并与实测数据进行匹配，计算出探测到的光子数量。能够精确探测单个光子至多个光子精度的光子数量。【附图说明】图1SiPM外围电路设计图2SiPM的暗计数概率分布图3基于SiPM的多光子探测系统图4基于SiPM的暗计数探测系统【具体实施方式】下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。当作用光源是相干光源时，光子数的概率分布服从泊松分布，建立泊松分布数学模型并进行与实测数据的波形匹配，精确计算出探测到的光子数量。当作用光源是非相干光源时，探测到n个光子数的条件下脉冲高度为x时条件概率密度函数fX|N(x|n)服从高斯分布，建立高斯分布的数学模型并与实测数据进行匹配，计算出探测到的光子数量。本专利技术的技术方案如下：本专利技术提出的基于SiPM的多光子探测方法，按如下步骤进行：(1)、通过理论分析得到光子数量N与脉冲高度X的联合概率分布fX,N(x,n)满足式(1)fX，N(x,n)＝fN(n)×fX|N(x|n)(1)(2)、通过对SiPM暗计数的统计，利用数据分析软件绘制出暗计数概率分布图，通过概率分布图得出高斯分布的μ0,Δμ,σ0,σε四个参数。(3)、由于在非相干光源作用下，条件概率分布函数fX|N(x|n)服从高斯分布，因此本专利技术建立实测数据光电子脉冲的幅度的概率密度函数fX(x)与高斯分布进行匹配求得光子数量。(4)、当入射光源是相干光源时，光子概率密度函数fN(n)服从泊松分布，本专利技术建立了实测数据光电子脉冲的幅度的概率密度函数fX(x)与泊松分布的匹配对光子数量进行计算。在上述多光子探测方法中，步骤(1)中fN(n)表示探测到n个光子数的概率密度函数，fX/N(x|n)表示探测到n个光子数的条件下脉冲高度为x时条件概率密度函数，fN(n)与SiPM的探测效率以及光源的特性有关，后者为影响fN(n)概率分布的主要因素，并且fX|N(x|n)满足高斯分布如(2)式所示：其中，μn、σn分别表示高斯分布的均值和方差表示为：μn＝μ0+n×Δμ(3)在上述多光子探测方法中，步骤(2)中通过如图4所示的SiPM暗计数探测系统得到暗计数概率分布图，通过此图求得步骤(1)中的高斯分布的四个参数：μ0,Δμ,σ0,σε；由于非相干光源照射下，光子概率密度函数fN(n)并没有确定函数表达式，但其条件概率分布函数fX|N(x|n)服从高斯分布因此将实测数据光电子脉冲的幅度的概率密度函数fX(x)与高斯分布进行匹配，获得近似的光子概率密度函数fN(n)，最后通过式(5)去求得光子数量；以下具体说明本专利技术技术方案。基于SiPM的多光子探测方法，包括如下步骤：(1)、通过对SiPM的暗计数统计，获得暗计数的概率分布图，本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于SiPM的多光子探测方法，其特征在于包括以下步骤：(1)通过对SiPM的暗计数统计，获得暗计数的概率分布图，通过得到的概率分布图求出高斯分布的μ

【技术特征摘要】
1.基于SiPM的多光子探测方法，其特征在于包括以下步骤：(1)通过对SiPM的暗计数统计，获得暗计数的概率分布图，通过得到的概率分布图求出高斯分布的μ0,Δμ,σ0,σε四个参数，其中μ0,σ0分别表示高斯分布的均值和方差，Δμ表示SiPM探测器的增益，即一个微元发生雪崩过程产生的电子空穴对的数量；σε是SiPM探测器所有微元因工艺和材料的特性参数的非一致性引起的内在波动；(2)通过高斯匹配，获得在非相干光源下光子数概率密度函数fN(n)，继而通过式(5)求得相干光源下的光子数量；(3)求出近似的实测信号的光电子脉冲的幅度的概率密度函数fX(x)，利用泊松匹配，获得在相干光源照射下光子数量的计算公式为：光子概率密度函数fN(n)服从泊松分布，它的表达式为：其中，DE为SiPM探测器的光子探测效率，λ为每个脉冲中的平均光子数量，通过实测信号的光电子脉冲的幅度的概率密度函数fX(x)得到λ的值；最后，将步骤(1)中的参数代入公式(6)中即可求得相干光源下的光子数量。2.如权利要求1所述的基于SiPM的多光子探测方法，其特征在于：步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛云宏，马剑飞，贺帆，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61