非扫描时间相关光子计数成像关键技术研究

时间相关单光子计数技术是一项具有超高灵敏度，超高时间分辨的光强探测技术，本项目针对当前时间相关单光子计数技术用于成像探测时，必须移动高精密的分光元件或其它光机扫描元件，由于扫描时间长，导致成像实时性、动态性、时间分辨、空间分辨率不高等问题，提出自主研制具有面阵结构的游标位敏阳极探测器，搭建非扫描时间相关单光子计数成像的实验系统。该系统通过同步测量探测到光子的二维坐标和到达时间，实现具有时间分辨的极微弱光的辐射成像和高分辨率荧光寿命成像。该技术在生物医学研究和临床诊断等方面将有重要的应用。本项目的研究核心是高时间、空间分辨游标位敏阳极探测器的研究，低噪声、大动态范围、高灵敏度的电子读出电路的研制，高精度和高稳定性的光子到达时间测量电路的研制，实时、高速的数据读取与处理算法的研究。本项目的开展可为我国自主研制超高速、超微弱光成像探测仪器奠定良好的基础。

针对时间相关单光子计数技术用于成像探测时，必须移动光机扫描元件，由于扫描时间长，导致成像实时性、时间分辨、空间分辨率不高等问题，本项目提出基于游标位敏阳极探测器的非扫描时间相关单光子计数成像研究方案。主要取得以下成果：（1）建立了基于泊松分布的光子计数成像的理论模型；（2）推导出了仅英国掌握的游标阳极解码理论，攻克了游标阳极图案设计及制作工艺等难点，自主研制出基于微通道板(MCP)的游标位敏阳极探测器；（3）研制了基于光子到达时间和位置连续、同步测量的时间分辨光子计数成像采集卡。与目前已有的TCSPC技术相比，除可同时保证光子到达时间测量精度和扩展测量范围外，还可以明显提高光子的收集效率；（4）开发出基于多线程的位置解码和图像重建软件；（5）搭建出非扫描时间相关光子计数成像探测系统。首次获得了空间分辨率优于80µm，光子到达时间分辨优于1.53ns的时间分辨光子计数图像。该技术有望应用于深空探测、高能物理以及生物医学诊断等领域。