高速单光子探测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高速单光子探测系统及方法，该系统包括：微通道板用于将入射的高速单光子转换为电子云；阳极用于将电子云分割为多路，再将每路收集的电荷生成电流短脉冲并传输至对应路的信号处理通路；信号处理通路用于将电流短脉冲转换为数字脉冲，再根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值，再将二维坐标相对值输送至终端进行成像显示，信号处理通路包括多个不同滤波参数的整形滤波器，每个整形滤波器对应一个预设的时间间隔范围。本发明专利技术通过根据脉冲的时间间隔动态变化自适应选取整形滤波器，提高了检测时的实际计数率和空间分辨率。际计数率和空间分辨率。际计数率和空间分辨率。

【技术实现步骤摘要】
高速单光子探测系统及方法


[0001]本申请涉及粒子探测
，特别是涉及一种高速单光子探测系统及方法。

技术介绍

[0002]微通道板是一种二维连续电子倍增的电真空器件，可用于直接探测光子、电子、离子、α粒子及γ射线和宇宙射线等粒子。如果微通道板以位置灵敏阳极(如楔条形阳极、延迟线阳极、交叉条形阳极)作为读出方式，可实现单光子灵敏度的二维成像，称为位置灵敏阳极光子计数成像探测器。位置灵敏阳极光子计数成像探测器被广泛应用于空间科学(如空间天文学、空间等离子体物理学、深空探测)领域。在众多的位置灵敏阳极中，交叉条形阳极可以在低增益下实现高空间分辨率。微通道板在低增益下可以达到更高的计数率上限且保持更长的寿命，这对于航天相机这类难以替换的昂贵设备十分重要。
[0003]现有的交叉条形阳极信号处理电子学系统通常是用电荷放大器将阳极输出的电流短脉冲信号转换为放大的电压信号，然后用整形放大器对信号进一步放大和整形来提升信噪比。或者是将电荷放大器和整形放大器集成为带有整形功能的前置放大器，但这种处理方法具有固定的整形时间，在光子计数率动态变化的场景下，固定整形时间的整形放大器无法与时间间隔动态变化的脉冲信号相适应。长整形时间的整形放大器，在低计数率下可以减小电子噪声，但高计数率下信号叠加严重。短整形时间的整形放大器，在高计数率下可以减小叠加，但在低计数率下有较高的电子噪声。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本申请提供一种高速单光子探测系统及方法，以解决模拟滤波在动态变化计数率下性能低的问题。
>[0005]为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种高速单光子探测系统，其包括：微通道板、阳极、多路并行的信号处理通路；微通道板用于将入射的高速单光子转换为电子云；阳极用于将电子云分割为多路，再将每路收集的电荷生成电流短脉冲并传输至对应路的信号处理通路；信号处理通路用于将电流短脉冲转换为数字脉冲，再根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值，再将二维坐标相对值输送至终端进行成像显示，信号处理通路包括多个不同滤波参数的整形滤波器，每个整形滤波器对应一个预设的时间间隔范围。
[0006]作为本申请的进一步改进，信号处理通路包括前置放大电路、模数转换模块、微处理器和数据传输模块；前置放大电路用于将电流短脉冲转换为模拟脉冲电压信号；模数转换模块用于将模拟脉冲电压信号转换为数字脉冲；微处理器用于根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值；数据传输模块用于将二维坐标相对值输送至终端进行成像显示。
[0007]作为本申请的进一步改进，微处理器包括输入缓存区模块、数字滤波模块、峰值提取模块、质心计算模块、输出缓存区模块以及数据传输控制模块；输入缓存区模块用于缓存数字脉冲；数字滤波模块用于根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波；峰值提取模块用于基于预设的方式提取整形滤波后的数字脉冲的波形峰值；质心计算模块用于根据每路的波形峰值进行计算，得到质心结果数组，并将质心结果数组作为二维坐标相对值；输出缓存区模块用于缓存二维坐标相对值；数据传输控制模块用于当输出缓存区模块的存储区存满数据时，将所有二维坐标相对值打包后通过控制数据传输模块发送至终端。
[0008]作为本申请的进一步改进，微处理器还包括脉冲识别模块，脉冲识别模块用于判断自身所处的信号处理通路是否接收到电流短脉冲，并在自身所处信号处理通路未接收到电流短脉冲时控制自身所处信号处理通路停止运行。
[0009]作为本申请的进一步改进，前置放大电路包括电荷放大器和极零相消电路，电荷放大器用于将电流短脉冲转换为模拟脉冲电压信号，极零相消电路用于减小模拟脉冲电压信号的拖尾长度。
[0010]作为本申请的进一步改进，阳极包括交叉条形阳极、楔条形阳极、游标阳极、多像素阳极中的一种。
[0011]为解决上述技术问题，本申请采用的再一个技术方案是：提供一种高速单光子探测方法，其应用于上述之一的高速单光子探测系统，高速单光子探测系统包括微通道板、阳极、多路并行的信号处理通路；方法包括：微通道板接收高速单光子，并将高速单光子转换为电子云并输送至阳极；阳极将电子云分割为多路，再将每路收集的电荷生成电流短脉冲并传输至对应路的信号处理通路；信号处理通路将电流短脉冲转换为数字脉冲，再根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值，再将二维坐标相对值输送至终端进行成像显示，信号处理通路包括多个不同滤波参数的整形滤波器，每个整形滤波器对应一个预设的时间间隔范围。
[0012]作为本申请的进一步改进，信号处理通路包括前置放大电路、模数转换模块、微处理器和数据传输模块；信号处理通路将电流短脉冲转换为数字脉冲，再根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值，再将二维坐标相对值输送至终端进行成像显示的步骤，包括：前置放大电路将电流短脉冲转换为模拟脉冲电压信号；模数转换模块将模拟脉冲电压信号转换为数字脉冲；微处理器根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值；数据传输模块将二维坐标相对值输送至终端进行成像显示。
[0013]作为本申请的进一步改进，微处理器包括输入缓存区模块、数字滤波模块、峰值提取模块、质心计算模块、输出缓存区模块以及数据传输控制模块；微处理器根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到高速单光子的二维坐标相对值的步骤，包括：输入缓存区模块缓存数字脉冲；数字滤波模块根据同一路相邻的数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形
滤波器进行自适应整形滤波；峰值提取模块基于预设的方式提取整形滤波后的数字脉冲的波形峰值；质心计算模块根据每路的波形峰值进行计算，得到质心结果数组，并将质心结果数组作为二维坐标相对值；输出缓存区模块缓存二维坐标相对值；数据传输控制模块当输出缓存区模块的存储区存满数据时，将所有二维坐标相对值打包后通过控制数据传输模块发送至终端。
[0014]作为本申请的进一步改进，微处理器还包括脉冲识别模块；输入缓存区模块缓存数字脉的步骤之后，还包括：脉冲识别模块用于判断自身所处的信号处理通路是否接收到电流短脉冲，并在自身所处信号处理通路未接收到电流短脉冲时控制自身所处信号处理通路停止运行。
[0015]本申请的有益效果是：本申请的高速单光子探测系统通过在信号处理通路中预先设置多个不同滤波的整形滤波器，在将单光子经微通道板、阳极转换为多路电流短脉冲后，利用信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速单光子探测系统，其特征在于，其包括：微通道板、阳极、多路并行的信号处理通路；所述微通道板用于将入射的高速单光子转换为电子云；所述阳极用于将所述电子云分割为多路，再将每路收集的电荷生成电流短脉冲并传输至对应路的所述信号处理通路；所述信号处理通路用于将所述电流短脉冲转换为数字脉冲，再根据同一路相邻的所述数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到所述高速单光子的二维坐标相对值，再将所述二维坐标相对值输送至终端进行成像显示，所述信号处理通路包括多个不同滤波参数的整形滤波器，每个整形滤波器对应一个预设的时间间隔范围。2.根据权利要求1所述的高速单光子探测系统，其特征在于，所述信号处理通路包括前置放大电路、模数转换模块、微处理器和数据传输模块；所述前置放大电路用于将所述电流短脉冲转换为模拟脉冲电压信号；所述模数转换模块用于将所述模拟脉冲电压信号转换为数字脉冲；所述微处理器用于根据同一路相邻的所述数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波，再根据整形后的数字脉冲计算得到所述高速单光子的二维坐标相对值；所述数据传输模块用于将所述二维坐标相对值输送至终端进行成像显示。3.根据权利要求2所述的高速单光子探测系统，其特征在于，所述微处理器包括输入缓存区模块、数字滤波模块、峰值提取模块、质心计算模块、输出缓存区模块以及数据传输控制模块；所述输入缓存区模块用于缓存所述数字脉冲；所述数字滤波模块用于根据同一路相邻的所述数字脉冲之间的时间间隔选取对应的目标整形滤波器进行自适应整形滤波；所述峰值提取模块用于基于预设的方式提取整形滤波后的数字脉冲的波形峰值；所述质心计算模块用于根据每路的波形峰值进行计算，得到质心结果数组，并将所述质心结果数组作为所述二维坐标相对值；所述输出缓存区模块用于缓存所述二维坐标相对值；所述数据传输控制模块用于当所述输出缓存区模块的存储区存满数据时，将所有所述二维坐标相对值打包后通过控制所述数据传输模块发送至终端。4.根据权利要求3所述的高速单光子探测系统，其特征在于，所述微处理器还包括脉冲识别模块，所述脉冲识别模块用于判断自身所处的信号处理通路是否接收到所述电流短脉冲，并在自身所处信号处理通路未接收到所述电流短脉冲时控制自身所处信号处理通路停止运行。5.根据权利要求1所述的高速单光子探测系统，其特征在于，所述前置放大电路包括电荷放大器和极零相消电路，所述电荷放大器用于将所述电流短脉冲转换为所述模拟脉冲电压信号，所述极零相消电路用于减小所述模拟脉冲电压信号的拖尾长度。6.根据权利要求1所述的高速单光子探测系统，其特征在于，所述阳极包括交叉条形阳极、楔条形阳极、游标阳极、多像素阳极中的一种。
7.一种高速单光子探测方法，其特征在于，其应用于权利要求1
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6之一所述的高速单光子探测系统，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：尼启良，姜忠志，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：