基于光电倍增管的光子计数系统的设计

发布时间：2018-05-12 00:18

  本文选题：光电倍增管 + 单光子计数　； 参考：《重庆大学》2015年硕士论文

【摘要】：单光子探测是目前弱光检测领域比较常用的一种技术,它是利用微弱光信号呈现粒子性的原理实现的,该技术在高能物理、量子密钥、化学发光分析、放射探测等方面都有应用。本文设计的单光子计数系统是用来将化学发光反应中产生的波长范围为300~650nm的微弱光信号提取出来,然后对信号进行后续变换处理以实现对单个光子的计数功能,通过记录单位时间内的光子数目就可以得到待测样品的浓度。系统主要由光电倍增管、前置放大、信号甄别以及脉冲计数四个模块组成。根据单光子探测技术的实现原理,论文首先对几种常用的光电探测器的工作性能进行了比较,最终选取光电倍增管作为本系统的探测器。然后,根据光电倍增管输出信号的特点,完成了后续信号变换及脉冲计数模块的硬件电路设计。由于光电倍增管阳极输出为负极性脉冲信号,因此选取的放大和比较芯片均应为双极性电源供电。本文选取THS3001放大器和MAX913比较器完成信号的变换功能,并将信号转换为适合计数的TTL标准方波信号输出。在脉冲计数模块,选取飞思卡尔单片机MC9S12XS128作为主控芯片,由于输入信号频率在100MHz以上,因此外接两片74F163计数芯片级联构成分频电路。最后将数据通过USB接口传送给计算机并在上位机界面中显示出来,这里选取CH375通用接口芯片来实现上下位机的USB通信。在本文研究的单光子计数系统的设计中,作者完成了硬件电路和软件设计两方面的工作,并对整个系统的设计进行了仿真测试与分析。
[Abstract]:Single photon detection is a commonly used technique in the field of weak light detection. It is realized by using the principle that the weak light signal presents particle property. This technique is used in high energy physics, quantum key, chemiluminescence analysis. Radiation detection and other aspects have been applied. The single photon counting system designed in this paper is used to extract the weak light signal with the wavelength range of 300~650nm produced in the chemiluminescence reaction, and then the signal is processed to realize the counting function of the single photon. The concentration of the sample can be obtained by recording the number of photons per unit time. The system consists of four modules: photomultiplier tube, preamplifier, signal discrimination and pulse counting. According to the realization principle of single photon detection technology, the performance of several common photodetectors is compared in this paper. Finally, the photomultiplier tube is selected as the detector of the system. Then, according to the characteristics of the output signal of photomultiplier tube, the hardware circuit design of the subsequent signal conversion and pulse counting module is completed. Because the anode output of photomultiplier tube is a negative pulse signal, the amplifier and comparator chips selected should be supplied by bipolar power supply. In this paper, THS3001 amplifier and MAX913 comparator are selected to complete the signal conversion function, and the signal is converted to the TTL standard square wave signal which is suitable for counting. In the pulse counting module, the Freescale microcontroller MC9S12XS128 is selected as the main control chip. Because the input signal frequency is above 100MHz, two 74F163 counting chips are connected in cascade to form the frequency division circuit. Finally, the data is transmitted to the computer through the USB interface and displayed in the upper computer interface. The CH375 universal interface chip is selected here to realize the USB communication between the upper and lower computers. In the design of the single photon counting system, the author has completed the hardware circuit and software design, and has carried on the simulation test and the analysis to the entire system design.
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN152

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本文编号：1876280