專利名稱：一種單光子計數(shù)放大/甄別電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及信號放大/甄別和計數(shù)電路，具體涉及單光子探測系統(tǒng)的信號放大/甄別和計數(shù)電路。主要用于囚禁汞離子微波頻標中光電倍增管輸出信號的放大處理和計數(shù)。
背景技術：
囚禁汞離子微波頻標是一種全新的囚禁離子物理體系，研制的新型原子鐘具有高穩(wěn)定度、高可靠性。是下一代高性能地面守時和星載原子鐘的主要候選。在囚禁汞離子微波頻標實驗中，信號的檢測是由光電倍增管、商用的前置放大器和光子計數(shù)器完成的。為實現(xiàn)囚禁汞離子微波頻標的應用，必須實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、一體化。同時，商用檢測儀器成本高、體積龐大。光子計數(shù)就是光電子計數(shù)，是利用光電探測系統(tǒng)將光子的光信號轉(zhuǎn)化為能夠計數(shù)的電脈沖信號，并通過對電信號的計數(shù)來表征光強度。特別是當光流強度小于10-10W時， 光子流量下降到每毫秒不到一個光子，單光子探測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)微弱光信號強度的檢測。 單光子探測不僅在囚禁汞離子微波頻標的研究中得到應用，同時在其它物理實驗中的熒光信號探測，高分辨率光譜測量，高速現(xiàn)象探測等方面以及量子信息，高能物理，天文測光，生物發(fā)光，精密測量等領域也有著廣泛的應用。單光子信號放大/甄別和計數(shù)是單光子探測的重要環(huán)節(jié)，是將光電倍增管輸出的微弱光電信號轉(zhuǎn)化為可以直接被計算機及軟件接收處理的晶體管晶體管邏輯電路(TTL)計數(shù)信號。現(xiàn)有的單光子信號放大/甄別和計數(shù)技術是采用獨立的前置放大器和光子計數(shù)儀進行放大和計數(shù)，設備成本高，體積大，不利于提高系統(tǒng)的集成度和小型化應用。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種單光子放大/甄別電路。該電路由前置放大器、電壓比較器、計數(shù)器和電平轉(zhuǎn)換器組成。該電路是將光電倍增管輸出的電信號經(jīng)過前置放大， 電平甄別祛除噪聲，脈沖計數(shù)和邏輯電平轉(zhuǎn)換，輸出可以直接由計算機及軟件接收處理的晶體管晶體管邏輯電路(TTL)信號。本實用新型將大大提高單光子檢測裝置電路系統(tǒng)的集成度，可使其小型化，并降低成本。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的一種單光子放大/甄別電路的構(gòu)成與連接關系為電源經(jīng)穩(wěn)壓器U5的+5伏電源連接到放大器Ul的Vcc+端，電源經(jīng)穩(wěn)壓器U6的_5 伏電源連接到放大器Ul的Vcc-端，放大器Ul的IN-輸入端與地之間分別跨接4001 二極管Dl、4001 二極管D2和50歐電阻Rl，二極管Dl和二極管D2的正負極相反，放大器Ul的 IN+輸入端與地之間跨接50歐電阻R2 ；放大器Ul的OUT-輸出端經(jīng)0. 1微法電容Cl連接到電壓比較器U2的no inverting input輸入端，放大器Ul的OUT+輸出端經(jīng)0. 1微法電容C2連接到電壓比較器U2的inverting input輸入端；[0008]電壓比較器U2的Vs+端連接到穩(wěn)壓器TO的+5伏電源，電壓比較器U2的Vs-端連接到穩(wěn)壓器U6的-5伏電源，電壓比較器U2的no inverting input輸入端經(jīng)1千歐電阻R3接地，電壓比較器U2的no inverting input輸入端經(jīng)20千歐可變電阻Rw經(jīng)13千歐固定電阻R5連接到穩(wěn)壓器TO，電壓比較器U2的inverting input輸入端經(jīng)1千歐電阻R4
接地；電壓比較器U2的g output
輸出端連接計數(shù)器U3的時鐘輸入端Ce、己E1和己E2，電壓比較器U2的g output輸出端經(jīng)
1千歐電阻R6與U6的-5伏電源連接，電壓比較器U2的Q output輸出端經(jīng)1千歐電阻R7 與U6的-5伏電源連接；計數(shù)器U3的Vee端與穩(wěn)壓器U6的-5伏電源連接，計數(shù)器U3的Dl端和D2端均與 4001 二極管D3的負極連接，二極管D3的正極接地；計數(shù)器U3的復位端Rl和復位端R2經(jīng)
30千歐電阻R13接地，計數(shù)器U3的0輸出端經(jīng)0. 01微法電容C3連接到計數(shù)器U3的復
位端Rl和復位端R2 ；計數(shù)器U3的Ql輸出端經(jīng)1微亨電感L與三檔電位器S連接，再與計數(shù)器U3的復位端Rl和復位端R2連接，三檔電位器S的電阻分別為510歐電阻R10、l. 1千歐電阻Rll、2. 2千歐電阻R12 ；計數(shù)器U3的Ql輸出端經(jīng)1千歐電阻R14連接到穩(wěn)壓器U6
的-5伏電源，計數(shù)器U3的0輸出端經(jīng)1千歐電阻R15連接到U6的_5伏電源，計數(shù)器U3
的Q2輸出端經(jīng)470歐電阻R9連接到U6的_5伏電源，該Q2輸出端還連接到電平轉(zhuǎn)換器U4
的輸入端，計數(shù)器U3的函輸出端經(jīng)470歐電阻R8連接到U6的-5伏電源，該函輸出
端還連接到電平轉(zhuǎn)換器U4的&輸入端；電平轉(zhuǎn)換器U4的Vrc端連接到穩(wěn)壓器U5的+5伏電源，電平轉(zhuǎn)換器U4的Vee端連接到穩(wěn)壓器U6的-5伏電源，電平轉(zhuǎn)換器U4的VBB偏置端經(jīng)0. 1微法電容C4接地。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下優(yōu)點和效果將現(xiàn)有單光子計數(shù)系統(tǒng)中的獨立的前置放大器、甄別器和計數(shù)器等儀器和設備集成到一個電路中，方便調(diào)試，節(jié)約了系統(tǒng)體積和成本；同時輸出的晶體管晶體管邏輯電路(TTL)信號可由計算機/單片機直接進行處理，進一步提高了電路系統(tǒng)的集成度，使得單光子檢測系統(tǒng)的小型化、集成化應用成為可能。

圖1是一種單光子計數(shù)器放大/甄別電路的結(jié)構(gòu)示意圖。其中:U1是前置放大器，U2是電壓比較器，U3是雙通道的計數(shù)器，U4是電平轉(zhuǎn)換器，U5和U6是穩(wěn)壓器，Dl, D2和D3是4001 二極管。圖2為Ul前置放大器UA733。圖3為U2電壓比較器AD96685。圖 4 為 U3 計數(shù)器 MC10hl31。圖5為U4電平轉(zhuǎn)換器MC10125。
具體實施方式
[0018]
以下結(jié)合附圖，對本實用新型作進一步說明。一種單光子計數(shù)器放大/甄別電路， 該電路是將接收到的光電倍增管電信號，經(jīng)過前置放大，電平甄別祛除噪聲，脈沖計數(shù)和邏輯電平轉(zhuǎn)換，輸出可以直接由計算機及軟件接受處理的晶體管晶體管邏輯電路(TTL)信號。如附圖所示，一種單光子計數(shù)器放大/甄別電路，電源經(jīng)穩(wěn)壓器TO的+5伏電源連接到放大器Ul的Vcc+端，電源經(jīng)穩(wěn)壓器U6的-5伏電源連接到放大器Ul的Vcc-端，放大器Ul的IN-輸入端與地之間分別跨接4001 二極管Dl、4001 二極管D2和50歐電阻R1，二極管Dl和二極管D2的正負極相反，放大器Ul的IN+輸入端與地之間跨接50歐電阻R2 ； 放大器Ul的OUT-輸出端經(jīng)0. 1微法電容Cl連接到電壓比較器U2的no inverting input 輸入端，放大器Ul的OUT+輸出端經(jīng)0. 1微法電容C2連接到電壓比較器U2的inverting input輸入端；電壓比較器U2的Vs+端連接到穩(wěn)壓器U5的+5伏電源，電壓比較器U2的Vs-端連接到穩(wěn)壓器U6的-5伏電源，電壓比較器U2的no inverting input輸入端經(jīng)1千歐電阻R3接地，電壓比較器U2的no inverting input輸入端經(jīng)20千歐可變電阻Rw經(jīng)13千歐固定電阻R5連接到穩(wěn)壓器U5，電壓比較器U2的inverting input輸入端經(jīng)1千歐電阻
R4接地；電壓比較器U2的g output輸出端連接計數(shù)器U3的時鐘輸入端Ce、己E2，
電壓比較器U2的g output輸出端經(jīng)1千歐電阻R6與U6的_5伏電源連接，電壓比較器
U2的Q output輸出端經(jīng)1千歐電阻R7與U6的-5伏電源連接；計數(shù)器U3的Vee端與穩(wěn)壓器U6的-5伏電源連接，計數(shù)器U3的Dl端和D2端均與 4001 二極管D3的負極連接，二極管D3的正極接地；計數(shù)器U3的復位端Rl和復位端R2經(jīng)
30千歐電阻R13接地，計數(shù)器U3的0輸出端經(jīng)0. 01微法電容C3連接到計數(shù)器U3的復
位端Rl和復位端R2 ；計數(shù)器U3的Ql輸出端經(jīng)1微亨電感L與三檔電位器S連接，再與計數(shù)器U3的復位端Rl和復位端R2連接，三檔電位器S的電阻分別為510歐電阻R10、l. 1千歐電阻Rll、2. 2千歐電阻R12 ；計數(shù)器U3的Ql輸出端經(jīng)1千歐電阻R14連接到穩(wěn)壓器U6
的-5伏電源，計數(shù)器U3的0輸出端經(jīng)1千歐電阻R15連接到U6的_5伏電源，計數(shù)器U3
的Q2輸出端經(jīng)470歐電阻R9連接到U6的_5伏電源，該Q2輸出端還連接到電平轉(zhuǎn)換器U4
的輸入端，計數(shù)器U3的函輸出端經(jīng)470歐電阻R8連接到U6的-5伏電源，該gl輸出
端還連接到電平轉(zhuǎn)換器U4的輸入端；電平轉(zhuǎn)換器U4的VCC端連接到穩(wěn)壓器U5的+5伏電源，電平轉(zhuǎn)換器U4的VEE端連接到穩(wěn)壓器U6的-5伏電源，電平轉(zhuǎn)換器U4的VBB偏置端經(jīng)0. 1微法電容C4接地。光電倍增管是一種光電轉(zhuǎn)換器件，即將輸入到光陰極上的光子轉(zhuǎn)換成電子信號輸出，但在單光子計數(shù)檢測系統(tǒng)中要求檢測到進入光電倍增管的單個光子，信號非常微弱，抗干擾性能差。一個光子進入光電倍增管，由光陰極轉(zhuǎn)換成電子，再由電子倍增器倍增后，負載上收集到的脈沖幅度約為1-1. 5毫伏，其光電子脈沖和疊加到信號上的其他噪聲信號由前置放大器Ul放大。放大后的信號輸入電壓比較器U2，與設定的甄別電平(甄別電平有RW 在10-15毫伏之間調(diào)節(jié))比較，高于甄別電平時，電壓比較器U2輸出一個標準脈沖，低于甄別電平時，電壓比較器U2無輸出，從而祛除了大量噪聲信號(如前置放大器放大10倍，單光子的信號幅度約為10-15毫伏，則甄別電平控制在12毫伏)，甄別出達到計數(shù)閾值的信號， 并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號。改變可變電阻Rw的阻值，使得甄別電平在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。數(shù)字脈沖信號經(jīng)過計數(shù)器U3計數(shù)，再由電平轉(zhuǎn)換器U4將計數(shù)器U3輸出的ECL電平信號轉(zhuǎn)化為可以直接由計算機/單片機接收處理的晶體管晶體管邏輯電路(TTL)電平信號， 從而實現(xiàn)單光子的計數(shù)目的。
權(quán)利要求1. 一種單光子放大/甄別電路，其特征在于，電源經(jīng)穩(wěn)壓器TO的+5伏電源連接到放大器Ul的Vcc+端，電源經(jīng)穩(wěn)壓器TO的-5伏電源連接到放大器Ul的Vcc-端，放大器Ul的 IN-輸入端與地之間分別跨接4001 二極管Dl、4001 二極管D2和50歐電阻R1，二極管Dl 和二極管D2的正負極相反，放大器Ul的IN+輸入端與地之間跨接50歐電阻R2 ；放大器Ul 的OUT-輸出端經(jīng)0. 1微法電容Cl連接到電壓比較器U2的no inverting input輸入端， 放大器Ul的OUT+輸出端經(jīng)0. 1微法電容C2連接到電壓比較器U2的inverting input輸入端；電壓比較器U2的Vs+端連接到穩(wěn)壓器U5的+5伏電源，電壓比較器U2的Vs-端連接到穩(wěn)壓器U6的-5伏電源，電壓比較器U2的no inverting input輸入端經(jīng)1千歐電阻R3接地，電壓比較器U2的no inverting input輸入端經(jīng)20千歐可變電阻Rw經(jīng)13千歐固定電阻R5連接到穩(wěn)壓器U5，電壓比較器U2的inverting input輸入端經(jīng)1千歐電阻R4接地；電壓比較器U2的g output輸出端連接計數(shù)器U3的時鐘輸入端Ce、己E1和己E2，電壓比較器U2的g output輸出端經(jīng)1千歐電阻R6與U6的-5伏電源連接，電壓比較器U2的Q output輸出端經(jīng)1千歐電阻R7與U6 的-5伏電源連接；計數(shù)器U3的Vee端與穩(wěn)壓器U6的-5伏電源連接，計數(shù)器U3的Dl端和D2端均與4001 二極管D3的負極連接，二極管D3的正極接地；計數(shù)器U3的復位端Rl和復位端R2經(jīng)30千歐電阻R13接地，計數(shù)器U3的0輸出端經(jīng)0. 01微法電容C3連接到計數(shù)器U3的復位端Rl和復位端R2 ；計數(shù)器U3的Ql輸出端經(jīng)1微亨電感L與三檔電位器S連接，再與計數(shù)器U3 的復位端Rl和復位端R2連接，三檔電位器S的電阻分別為510歐電阻R10、l. 1千歐電阻 R1U2.2千歐電阻R12 ；計數(shù)器U3的Ql輸出端經(jīng)1千歐電阻R14連接到穩(wěn)壓器U6的-5伏電源，計數(shù)器U3的0輸出端經(jīng)1千歐電阻R15連接到U6的-5伏電源，計數(shù)器U3的Q2輸出端經(jīng)470歐電阻R9連接到U6的-5伏電源，該Q2輸出端還連接到電平轉(zhuǎn)換器U4的輸入端，計數(shù)器U3的函輸出端經(jīng)470歐電阻R8連接到U6的_5伏電源，該輸出端還連接到電平轉(zhuǎn)換器U4的$輸入端；電平轉(zhuǎn)換器U4的Vrc端連接到穩(wěn)壓器U5的+5伏電源，電平轉(zhuǎn)換器U4的Vee端連接到穩(wěn)壓器TO的-5伏電源，電平轉(zhuǎn)換器U4的VBB偏置端經(jīng)0. 1微法電容C4接地。
專利摘要本實用新型公開了一種單光子計數(shù)器放大/甄別電路，主要用于囚禁汞離子微波頻標中光電倍增管輸出信號的放大處理和計數(shù)。該電路由前置放大器、電壓比較器、計數(shù)器和電平轉(zhuǎn)換器組成。該電路是將光電倍增管輸出的電信號經(jīng)過前置放大，電平甄別祛除噪聲，脈沖計數(shù)和邏輯電平轉(zhuǎn)換，輸出可以直接由計算機及軟件接收處理的晶體管晶體管邏輯電路(TTL)信號。使用本實用新型，將大大提高電路系統(tǒng)的集成度，可使單光子檢測裝置小型化，并降低成本。
文檔編號H03K21/00GK202160162SQ201120252608
公開日2012年3月7日 申請日期2011年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者何躍宏, 佘磊, 李交美, 楊玉娜, 柳浩 , 陳義和 申請人:中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所