### 利用时间相关的单光子计数技术实时测量低浊度的仪器
#### 概述
本研究提出了一种采用时间相关的单光子计数技术（Time-Correlated Single Photon Counting, TCSPC）实时测量低浊度水平的仪器。该技术能够在极低的散射强度下进行准确测量，适用于饮用水、矿泉水等水质监测领域。
#### 技术原理与应用背景
根据国际水质标准ISO7027规定，当测量散射角为90°±2.5°时，可以实现浊度的定量测定。基于此标准，本文设计了一种结构简单、稳定性高的仪器，其测量范围适用于饮用水和矿泉水等低浊度样品。为了提高检测精度并减少背景光干扰，整个测量过程在暗箱内完成。
#### 设备组成与工作流程
**设备主要组成部分包括：**
- **光源**：采用波长为650nm的激光二极管(DL-5147-242, Sanyo)，重复频率fs=1MHz，每个脉冲的半峰宽约为1ns，平均输出功率为200μW。
- **单光子探测器**：使用基于雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode, APD)的单光子检测模块(SPCM-AQRH-14, PerkinElmer)，具有极低的暗计数（不超过30次/秒），用于测量90°弱散射强度。
- **窄带滤光片**：选用中心波长为650nm、半带宽为10nm的窄带通滤光片，以过滤背景光。
- **视场限制装置**：采用直径为1mm的限光孔，以限制视场，提高信号质量。
- **时间数字转换器**：采用时间分辨率高达82ps的时间数字转换器(TDC-GPX, ACAM)，用于精确测量回波脉冲前沿到达时间。
- **控制芯片**：使用现场可编程门阵列(FPGA, EP2C8Q208N, Altera)同步记录数据。
**工作流程如下：**
1. **光源发射**：激光二极管发射波长为650nm的激光脉冲至装有待测溶液的玻璃容器。
2. **散射信号收集**：散射光通过限光孔进入单光子检测器。
3. **信号处理**：经过窄带滤光片过滤背景光后，单光子检测器接收90°散射光并将其转换为电信号。
4. **时间测量**：时间数字转换器记录回波脉冲的到达时间，并传输给FPGA进行数据同步处理。
5. **数据分析**：FPGA根据记录的时间信息计算出浊度值，并将结果输出。
#### 实验设置与结果分析
实验系统采用图2所示的方框图结构，并如图3所示搭建实验平台。通过TCSPC技术测量了不同浓度下的散射强度，并与标准方法进行了比较。结果显示，该仪器具有较高的灵敏度和准确性，在低浊度范围内能够实现精确测量。此外，该设备还展示了良好的稳定性和重复性，适合于现场快速检测需求。
#### 结论与展望
本文提出的时间相关的单光子计数技术可用于实时测量低浊度样本，特别是在饮用水和矿泉水等领域的应用显示出巨大的潜力。通过优化光源性能、提高检测效率以及增强数据处理能力等手段，未来有望进一步提升仪器的检测精度和响应速度，为水质监测提供更加可靠的技术支持。
