[實(shí)用新型]輻照環(huán)境用低暗計(jì)數(shù)單光子探測(cè)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201721510117.X
• 申請(qǐng)日: 2017-11-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN208350205U
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-01-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 廖勝凱;楊孟;蔡文奇;任繼剛;印娟;曹蕾;彭承志;潘建偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01J1/42
• 分類號(hào): G01J1/42
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 任巖

一種輻照環(huán)境用低暗計(jì)數(shù)單光子探測(cè)裝置。其中，裝置包括雪崩光電二極管，用于在蓋革模式下，探測(cè)輸入的單光子量級(jí)光信號(hào)；一級(jí)制冷結(jié)構(gòu)，用于根據(jù)控制信號(hào)，控制雪崩光電二極管器件的安裝環(huán)境溫度；溫度采集模塊，用于采集雪崩光電二極管的溫度信號(hào)；溫度控制算法模塊，用于接收雪崩光電二極管的溫度信號(hào)，并根據(jù)雪崩光電二極管的溫度以及其當(dāng)前的目標(biāo)溫度分析出需要的溫度控制信號(hào)；溫度控制電路，用于根據(jù)溫度控制算法模塊給出的溫度控制信號(hào)，生成驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)；熱電制冷模塊，用于調(diào)節(jié)雪崩光電二極管的溫度。該裝置有效地抑制輻照引起的暗計(jì)數(shù)增加速度，解決了輻照環(huán)境應(yīng)用低暗計(jì)數(shù)單光子探測(cè)器的難題。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及量子信息以及激光雷達(dá)領(lǐng)域，進(jìn)一步涉及一種輻照環(huán)境中低暗計(jì)數(shù)的單光子探測(cè)裝置，尤其是涉及一種應(yīng)用在空間輻照環(huán)境中的低暗計(jì)數(shù)單光子探測(cè)裝置。

背景技術(shù)

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，基于衛(wèi)星平臺(tái)的量子信息和激光雷達(dá)擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍，成為各國(guó)爭(zhēng)先研究的領(lǐng)域。在量子信息、單光子激光雷達(dá)等領(lǐng)域，均使用單光子探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)單光子量級(jí)的弱信號(hào)探測(cè)，高探測(cè)效率、低暗計(jì)數(shù)的單光子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)成為制約應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素。

單光子探測(cè)器主要包括基于雪崩光電二極管(APD)的單光子探測(cè)器、基于光電倍增管(PMT)的單光子探測(cè)器、超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器 (SNSPD)和上轉(zhuǎn)換探測(cè)器等。PMT在850nm波段的探測(cè)效率在10％左右，暗計(jì)數(shù)幾百，但是其體積較大、需要避免強(qiáng)光和磁場(chǎng)，使用壽命、穩(wěn)定性以及可擴(kuò)展性很差；SNSPD可以做到超過(guò)90％的探測(cè)效率及低至幾個(gè)的暗計(jì)數(shù)，但是需要體積大、成本高且復(fù)雜的制冷結(jié)構(gòu)；上轉(zhuǎn)換探測(cè)器將1550nm附近波段光子轉(zhuǎn)換成850nm波段后再使用APD進(jìn)行探測(cè)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。與此同時(shí)，APD由于技術(shù)成熟、體積小、性能優(yōu)異、成本低廉，而獲得了廣泛的應(yīng)用。APD中目前普遍使用的是基于硅的APD(Si APD)和基于銦鎵砷/磷化銦的APD(InGaAs/InP APD)。Si APD主要是用于近紅外波段(850nm附近)的單光子探測(cè)器，具有超過(guò)50％探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)低至25cps的商業(yè)產(chǎn)品；InGaAs/InP APD主要是用于紅外波段 (1550nm附近)的單光子探測(cè)器，目前商業(yè)產(chǎn)品的探測(cè)效率只有10％，且暗計(jì)數(shù)一般超過(guò)數(shù)千。

針對(duì)空間應(yīng)用的APD，在具有極高的單光子靈敏度的同時(shí)，也容易受空間輻照等的影響。理論和試驗(yàn)研究都表明，空間輻照如電離總劑量、位移損傷等，對(duì)APD的探測(cè)效率、時(shí)間晃動(dòng)、后脈沖概率等特性影響較小，但是會(huì)造成APD暗計(jì)數(shù)顯著增加。對(duì)于普通的商業(yè)SiAPD，如超過(guò)50％探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)低至25ps的產(chǎn)品，在模擬的500km衛(wèi)星軌道上，空間質(zhì)子輻照條件下，每天暗計(jì)數(shù)增量在100cps以上，最終導(dǎo)致探測(cè)器暗計(jì)數(shù)在較短時(shí)間內(nèi)顯著增大，難以應(yīng)用于量子信息和激光雷達(dá)等對(duì)低暗計(jì)數(shù)有強(qiáng)烈需求的領(lǐng)域。

實(shí)用新型內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

有鑒于此，本實(shí)用新型的目的在于提供一種輻照環(huán)境用低暗計(jì)數(shù)單光子探測(cè)裝置，以解決以上所述的至少部分技術(shù)問(wèn)題。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本實(shí)用新型，提供一種輻照環(huán)境用低暗計(jì)數(shù)單光子探測(cè)裝置，包括：

雪崩光電二極管，用于工作在蓋革模式下，探測(cè)輸入的單光子量級(jí)光信號(hào)；

溫度采集模塊，包括熱敏電阻和與熱敏電阻電性連接的溫度采集電路，用于采集雪崩光電二極管的溫度信號(hào)；

溫度控制算法模塊，用于接收所述雪崩光電二極管的溫度信號(hào)，并根據(jù)雪崩光電二極管的溫度以及其當(dāng)前的目標(biāo)溫度分析出需要的溫度控制信號(hào)；

溫度控制電路，用于根據(jù)溫度控制算法模塊給出的溫度控制信號(hào)，生成驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)；

一級(jí)制冷結(jié)構(gòu)，用于控制雪崩光電二極管器件的安裝環(huán)境溫度；