单光子探测系统技术方案

本公开是关于一种单光子纳秒时间分辨探测系统，该单光子探测系统包括：APD探测模块，用于对X射线单光子信号进行探测并输出探测信号；前置放大模块，用于接收所述APD探测模块输出的所述探测信号并对所述探测信号进行放大后输出；以及时间测量及读出模块，用于接收所述前置放大模块输出的探测信号和包括一起始点的触发信号，以及用于测量接收到的所述探测信号与所述起始点的时间间隔并将所述时间间隔输出。本公开在提高了单光子探测系统的集成度和灵活性的同时，实现了对触发信号之后的连续X射线光子的高效率探测。

【技术实现步骤摘要】
单光子探测系统
本公开涉及核探测和核电子学
，具体而言，涉及一种单光子纳秒时间分辨探测系统。
技术介绍
时间分辨X射线衍射是探测原子动态过程和生物大分子瞬态结构的有力手段，例如，可以在皮秒时间尺度提供晶格间距为毫埃级的微小变化，可以在亚皮秒的时间尺度直接观测晶体内的相干声子散射和晶体的超快熔化过程。时间分辨光谱技术是研究原子、分子和凝聚态物质的激发动力学，特别是研究发光动力学的有力工具，具体的，可以提供不同中心间的相互作用与激发能的转移以及去激发的通道等重要信息；可以跟踪光物理、光化学和光生物学的快速变化过程；可以结合荧光量子产额，由寿命可得到激发态动力学的重要参数，如激发态辐射跃迁与所有去激发的一切无辐射跃迁的速率常数，测定能量转移和分子内或分子间活性基团间的距离、相互作用、二聚物或络合物的形成；可以结合荧光偏振光谱学推测生物大分子的形状、大小以及在溶液中的转动弛豫时间等；可以分析激发态的势能曲线、振动弛豫、能量传递和发光起源等。总之，时间分辨实验应用十分广泛。而所有同步辐射时间分辨实验中最核心的设备之一是时间分辨探测器。此外，实现纳秒(ns)量级的时间分辨探测是同步辐射实验方法一直追求的目标。X射线纳秒时间分辨的单光子探测系统是X射线分辨实验的关键系统，其性能决定了时间分辨实验的精度。现有的X射线纳秒时间分辨探测系统是基于雪崩光电二极管(APD)和核电子学机箱插件(NIM插件系统)实现的。该系统结构复杂，集成度低，功能简单，无法实现多元或者阵列系统的集成和优化。另外基于核电子学插件完成的探测系统，受电子学时间测量电路的限制，在一个时间探测周期内，只能够实现单事例的探测。例如目前美国先进光源(APS)核共振散射实验站使用的时间分辨探测系统，只能对时间测量触发信号后的一个光子进行探测，如果多光子到达探测系统，只记录第一个光子，其他光子被忽略。鉴于此，需要提供一种新的单光子探测系统。需要说明的是，在上述
技术介绍
部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
本公开的目的在于提供一种单光子探测系统，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。根据本公开的一个方面，提供一种单光子探测系统，包括：APD探测模块，用于对X射线单光子信号进行探测并输出探测信号；前置放大模块，用于接收所述APD探测模块输出的所述探测信号并对所述探测信号进行放大后输出；以及时间测量及读出模块，用于接收所述前置放大模块输出的探测信号和包括一起始点的触发信号，以及用于测量接收到的所述探测信号与所述起始点的时间间隔并将所述时间间隔输出。在本公开的一种示例性实施例中，所述APD探测模块包括单管APD探测器或阵列APD探测器。在本公开的一种示例性实施例中，所述APD探测模块还包括提供APD工作所需电压的电源电路；其中，所述电源电路和所述前置放大模块的电路板以分槽隔开的方式设置在一屏蔽盒内。在本公开的一种示例性实施例中，所述前置放大模块包括：多个放大器，用于对所述APD探测模块输出的所述探测信号进行逐级放大；以及多个π型电阻网络，所述多个π型电阻网络中的每一个π型电阻网络均连接于两个相邻的所述放大器之间。在本公开的一种示例性实施例中，所述时间测量及读出模块包括：运算放大器，用于接收所述前置放大模块输出的探测信号，并且调节所述前置放大模块输出的探测信号的极性和大小后输出；甄别器，用于接收所述运算放大器输出的探测信号，并且甄别所述运算放大器输出的探测信号的脉冲前沿；以及时间数字转换器，用于接收所述甄别器输出的探测信号以及包括所述起始点的所述触发信号，并且测量所述甄别器输出的探测信号的脉冲前沿与所述起始点之间的时间间隔。在本公开的一种示例性实施例中，通过FPGA多相位时钟方法实现所述时间数字转换器。在本公开的一种示例性实施例中，所述时间测量及读出模块还包括：锁相环，用于接收所述触发信号，并对所述触发信号进行倍频后生成用于检测所述甄别器输出的探测信号的脉冲前沿的多个时钟信号，并且配置所述多个时钟信号之间的相位差，使得所述多个时钟信号中相邻两个时钟信号的脉冲前沿相差的时间不大于1ns；其中，所述测量接收到的所述探测信号与所述起始点的时间间隔包括将根据所述触发信号的计数结果获取的时间与通过所述时钟信号检测的时间结合，以实现对所述甄别器输出的探测信号的脉冲前沿与所述起始点之间的时间间隔的测量。在本公开的一种示例性实施例中，所述多个时钟信号为4个相位差为90度的时钟信号。在本公开的一种示例性实施例中，所述触发信号的频率不小于125MHz。在本公开的一种示例性实施例中，所述时间测量及读出模块还包括：先入先出存储器，用于存储测量出的时间间隔并将存储的时间间隔传送至上位机。在本公开的一些实施例所提供的技术方案中，通过将单光子探测系统配置成包括APD探测模块、前置放大模块以及时间测量及读出模块，在提高了单光子探测系统的集成度和灵活性的同时，一方面，将APD作为X射线光子探测的传感器，可以获得快速的时间响应；另一方面，通过配置前置放大模块，提高了单光子信号的信噪比，从而确保了时间定位的精确性；再一方面，通过配置时间测量及读出模块，可以实现一时间起始点后连续光子信号的时间记录。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：图1示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的单光子探测系统的模块框图；图2示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的APD探测模块10和前置放大模块20的电路图；图3示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的APD探测模块10的电源电路的电路板和前置放大模块20的电路板的装配示意图；图4示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的进行时间测量的逻辑关系图；图5示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的时间测量及读出模块30的电路图；以及图6示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的时间测量及读出模块30的工作流程图。具体实施方式现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单光子探测系统，其特征在于，包括：APD探测模块，用于对X射线单光子信号进行探测并输出探测信号；前置放大模块，用于接收所述APD探测模块输出的所述探测信号并对所述探测信号进行放大后输出；以及时间测量及读出模块，用于接收所述前置放大模块输出的探测信号和包括一起始点的触发信号，以及用于测量接收到的所述探测信号与所述起始点的时间间隔并将所述时间间隔输出。

【技术特征摘要】
1.一种单光子探测系统，其特征在于，包括：APD探测模块，用于对X射线单光子信号进行探测并输出探测信号；前置放大模块，用于接收所述APD探测模块输出的所述探测信号并对所述探测信号进行放大后输出；以及时间测量及读出模块，用于接收所述前置放大模块输出的探测信号和包括一起始点的触发信号，以及用于测量接收到的所述探测信号与所述起始点的时间间隔并将所述时间间隔输出。2.根据权利要求1所述的单光子探测系统，其特征在于，所述APD探测模块包括单管APD探测器或阵列APD探测器。3.根据权利要求1所述的单光子探测系统，其特征在于，所述APD探测模块还包括提供APD工作所需电压的电源电路；其中，所述电源电路和所述前置放大模块的电路板以分槽隔开的方式设置在一屏蔽盒内。4.根据权利要求1所述的单光子探测系统，其特征在于，所述前置放大模块包括：多个放大器，用于对所述APD探测模块输出的所述探测信号进行逐级放大；以及多个π型电阻网络，所述多个π型电阻网络中的每一个π型电阻网络均连接于两个相邻的所述放大器之间。5.根据权利要求1所述的单光子探测系统，其特征在于，所述时间测量及读出模块包括：运算放大器，用于接收所述前置放大模块输出的探测信号，并且调节所述前置放大模块输出的探测信号的极性和大小后输出；甄别器，用于接收所述运算放大器输出的探测信号，并且甄别所述运算放...

【专利技术属性】
技术研发人员：李贞杰，周杨帆，马毅超，李秋菊，常劲帆，刘湘，刘鹏，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11