皮秒时间相关单光子计数光谱仪的核心技术

研制的皮秒时间相关单光子计数光谱仪利用时间相关单光子计数(TCSPC)技术,采用了具有分光时间弥散动态和静态补偿特性的光栅分光系统,解决了传统分光系统的光信号时间弥散问题;使用多道谱分析仪开设时间窗口,测量荧光衰减曲线和时间分辨光谱;用荧光衰减曲线的多指数拟合方法处理数据。给出了光谱仪的原理和总体方案,介绍了系统的集成和工作流程。通过各种标准样品的试验数据分析和对比,得出系统所测荧光寿命可达到ps量级,而且具有最高的灵敏度——单光子计数,时间分辨率达到8．8ps。     

基于时间相关单光子计数的荧光寿命成像技术

采用时域法中的时间相关单光子计数方法记录荧光寿命,时间相关单光子计数采用多波长通道同时记录荧光光子数,可以提高计数效率和信息量,还可以在稳态图像中分离不同荧光团,形成4维图像。并采用多光子激发技术,利用长波长光源发出的两个或多个光子可以激发出一个短波长的光子。多个光子必须几乎同时到达激发点, 才能提供被激发分子足够的能量以产生荧光。多光子激发波长较长, 生物组织对其散射减小,因而可以穿透到更深层的组织,从而提高荧光成像深度和空间分辨力,并减少对活体样品的损伤。     

基于时间相关单光子计数的荧光寿命成像技术

采用时域法中的时间相关单光子计数方法记录荧光寿命,时间相关单光子计数采用多波长通道同时记录荧光光子数,可以提高计数效率和信息量,还可以在稳态图像中分离不同荧光团,形成4维图像。并采用多光子激发技术,利用长波长光源发出的两个或多个光子可以激发出一个短波长的光子。多个光子必须几乎同时到达激发点,才能提供被激发分子足够的能量以产生荧光。多光子激发波长较长,生物组织对其散射减小,因而可以穿透到更深层的组织,从而提高荧光成像深度和空间分辨力,并减少对活体样品的损伤。     

基于时间相关单光子计数技术的密码芯片光辐射分析

密码芯片运行时的光辐射可泄露其操作和数据的重要特征信息. 基于单光子探测技术, 设计并构建了针对CMOS半导体集成电路芯片光辐射信号的采集、传输、处理和分析的光电实验系统. 以AT89C52单片机作为实验对象, 采用时间相关单光子计数技术, 对不同工作电压下密码芯片的光辐射强度进行了对比, 分析了芯片指令级光辐射信息的操作依赖性和数据依赖性. 此外, 使用示波器对时间相关单光子计数技术在芯片光辐射分析上的可行性进行了验证. 实验结果表明, 采用时间相关单光子计数技术对密码芯片进行光辐射分析, 是一种直接有效的中低等代价光旁路分析攻击手段, 对密码芯片的安全构成了严重的现实威胁.     

基于皮秒时间分辨的癌细胞荧光寿命研究

研究了用于癌症诊断与治疗的光敏剂血卟啉(hematoporphyrin derivative,HPD)的超快光动力学过程,采用超短脉冲激光光谱技术和皮秒时间相关单光子计数系统,测量了经血卟啉培养的活体癌细胞与正常细胞的皮秒时间分辨荧光光谱及荧光峰值强度随时间衰变曲线,观测到：癌细胞与正常细胞样品荧光寿命的快成分分别为150和300 ps;癌细胞与正常细胞的荧光峰值强度经12 h分别衰减10%和55%。经对测量所得的荧光衰减曲线进行分析,计算出癌细胞与正常细胞的荧光寿命分别为824和1798 ps;血卟啉在癌细胞与正常细胞样品中滞留时间分别为17天和6天。结果表明癌细胞与正常细胞对血卟啉亲和性及对血卟啉滞留的稳定性有显著差异,测量结果确认了荧光光谱技术诊断与治疗癌症的可行性,并对实时监测生物样品微弱超快荧光具有重要的指导意义和临床应用价值。     

单光子时间测量中的本底研究

讨论了单光子时间测量中的本底来源和时间分布, 通过加符合门的方法, 有效地抑止了偶然符合本底, 消除了辐射在光电倍增管光阴极窗上产生的切伦科夫本底.     

用单光子计数系统检测微弱光信号

阐述了单光子计数实验中采用脉冲幅度甄别器和光子计数器测量光子数的实验原理,绘制了不同光照时间下的实验曲线,讨论了可能影响实验测量精度及产生误差的原因.     

单光子计数光谱仪探测系统的研究

为提高光谱仪的探测灵敏度,采用了单光子计数器作为光谱仪的探测元件,建立了单光子计数光谱仪的探测系统.在该系统中,主机通过通用串行总线控制连接在开发板串口上的单光子计数器并采集相应的探测结果.设计了通用串行总线开发板的固件程序和主机的应用程序.应用赛普拉斯公司的通用串行总线开发套件中的模板以及美国国家仪器公司的虚拟仪器软件的驱动程序向导,生成了相应的驱动程序和安装信息文件.安装运行了探测系统并测试了探测系统的基本性能.结果表明:每10ms暗记数值为0到10个,满足其性能指标范围;测量计数值与积分时间有很好的线性关系,误差在0.3%以内;测量获得了人体皮肤的光辐射计数值.     

时间关联单光子计数中的多光子污染

从推导光子时间概率密度分布函数出发,研究了时间关联单光子计数法测量荧光寿命中,多光子修正函数的特征及其对测量误差的影响,并给出了定理关系式。     

单光子计数闪烁探测器灵敏度标定方法

根据NaI(Tl)闪烁探测器可用于单光子计数的特性,探索了一种测量放射源入射下闪烁探测器脉冲电荷谱来实现其绝对灵敏度标定的方法。实验对标定系统的电荷数字转换记录器进行了绝对标定,得到了用于ICF实验中重要诊断设备滤波-荧光谱仪的NaI(Tl)闪烁探测器的绝对灵敏度。灵敏度标定数据不确定度小于10%,较传统的放射源标定方法(15%)显著提高,同时标定能量范围扩大到100 keV以上。最后,实验结果与Geant4模拟程序计算的结果进行了比对,符合得较好。     

Numerical simulation of pile-up distorted time-correlated single photon counting (TCSPC) data

A model, which is based on the binominal distribution, is derived for understanding and investigating the effect of statistical pulse pile-up. The model is applied to constant and exponential decaying sources and is compared with some experimental results.     

利用光子统计概率测量单分子光子源的信号背景比

理论上研究了基于Hanbury Brown Twiss 探测方式，利用单光子和双光子统计概率P RS(1),PRS(2),直接测量单分子光子源的信号背景比.在研究过程中同时考 虑到单分子布居于暂稳态和探测器量子效率对测量结果的影响.在满足PRS(1)2 PRS(2)-3PRS(2)的条件时，研究给出了一种有效测量信号背景比的方 法SBR=P2RS(1)/2PRS(2).另外，分析讨论了Mandel参数Q 与信号背景比之间的关系. 关键词： 单分子光子源 信号背景比 光子统计 暂稳态 Mandel参数     

The intensity detection of single-photon detectors based on photon counting probability density statistics

Single-photon detectors possess the ultra-high sensitivity, but they cannot directly respond to signal intensity. Conventional methods adopt sampling gates with fixed width and count the triggered number of sampling gates, which is capable of obtaining photon counting probability to estimate the echo signal intensity. In this paper, we not only count the number of triggered sampling gates, but also record the triggered time position of photon counting pulses. The photon counting probability density distribution is obtained through the statistics of a series of the triggered time positions. Then Minimum Variance Unbiased Estimation(MVUE) method is used to estimate the echo signal intensity. Compared with conventional methods, this method can improve the estimation accuracy of echo signal intensity due to the acquisition of more detected information. Finally, a proof-of-principle laboratory system is established. The estimation accuracy of echo signal intensity is discussed and a high accuracy intensity image is acquired under low-light level environments.     

Detailed calibration of the PI-LCX:1300 high performance single photon counting hard x-ray CCD camera

X-ray charge-coupled-device(CCD) camera working in single photon counting mode is a type of x-ray spectrometer with high-sensitivity and superior signal-to-noise performance. In this study, two single photon counting CCD cameras with the same mode(model: PI-LCX: 1300) are calibrated with quasi-monochromatic x-rays from radioactive sources and a conventional x-ray tube. The details of the CCD response to x-rays are analyzed by using a computer program of multi-pixel analyzing and event-distinguishing capability. The detection efficiency, energy resolution, fraction of multi-pixel events each as a function of x-ray energy, and consistence of two CCD cameras are obtained. The calibrated detection efficiency is consistent with the detection efficiency from Monte Carlo calculations with XOP program. When the multi-pixel event analysis is applied, the CCDs may be used to measure x-rays up to 60 ke V with good energy resolution(E /?E ≈ 100 at60 ke V). The difference in detection efficiency between two CCD cameras is small(5.6% at 5.89 ke V), but the difference in fraction of the single pixel event between them is much larger(25% at 8.04 ke V). The obtained small relative error of detection efficiency(2.4% at 5.89 ke V) makes the high accurate measurement of x-ray yield possible in the laser plasma interaction studies. Based on the discrete calibration results, the calculated detection efficiency with XOP can be used for the whole range of 5 ke V–30 ke V.     

Internal cancellation of spikes using two avalanche photodiodes in series for single photon detection

<正>We propose a method of improving the performance of InGaAs/InP avalanche photodiodes by using two avalanche photodiodes in series as single photon detectors for 1550-nm wavelength.In this method,the raw single photon avalanche signals are not attenuated,thus a high signal-to-noise ratio can be obtained compared with the existing results.The performance of the scheme is investigated and the ratio of the dark count rate to the detection efficiency is obtained to be 1.3×10~(-4) at 213 K.     

紫外单光子成像系统的研究

搭建了紫外单光子成像系统,详细介绍了该系统的组成、工作原理和分辨率性能测试.由汞灯发出的紫外光经过大气散射、多块减光片得到了紫外单光子流.单光子直接打在微通道板上,微通道板产生的倍增电子由楔条形阳极收集,电荷灵敏前置放大器将阳极输出的电荷信号转变为电压信号,主放大器对前放信号进行滤波整形.利用高速数据采集卡连续采集主放大器的输出波形,通过软件对采集波形进行处理,采用图像处理技术得到了紫外单光子10min的计数图像,并对图像进行了畸变校正.此外,通过自己设计的分辨率板,测得该系统的分辨率可达150μm.该系统在极微弱光探测成像,生物发光,空间环境探测等方面具有广泛应用. 关键词： 单光子计数成像 阳极探测器 楔条形阳极 分辨率     

光子计数模式下的目标探测与成像

 当光微弱到以单个光子发射时,成像系统只有利用光子计数模式才能探测到单光子信息。采用基于碰撞电离效应的全固态雪崩光电二极管作为探测元件,构成微光环境下的光子计数成像实验系统。该系统的硬件主要由雪崩光电二极管构成的单光子计数器、计算机、微光照度计、2维电控导轨、控制器、暗箱等组成。控制器的软件在Altera公司Quartus环境下设计,主要完成导轨运动的控制;上位机软件采用VC++编程实现系统的数据采集处理、系统功能控制和光子计数图像显示等。该系统为全固态结构,工作电压小于35 V,暗计数率小于4 Hz。所建光子计数成像系统在10－5 lx微光环境下实现了目标的探测成像。