規(guī)格

SPC-QC-104 模塊專業(yè)產(chǎn)品介紹

產(chǎn)品概述

Becker & Hickl 推出的 SPC-QC-104 是一款兼具三通道 TCSPC/FLIM 與四通道時間標記功能的高性能模塊，集成于單塊 PCI Express 板上。該模塊在標準配置下提供三個并行 TCSPC/FLIM 通道與一個公共參考通道，亦可配置為四個并行絕對光子定時通道使用。SPC-QC-104 具備高時間和空間分辨率、高峰值計數(shù)率以及超高的定時穩(wěn)定性，適用于記錄光信號時間波形、順序記錄多波長數(shù)據(jù)、時間和參數(shù)標記記錄、FLIM、空間和時間鑲嵌 FLIM、觸發(fā)累積快速時間序列曲線和圖像，以及同步 FLIM/PLIM 等多種應(yīng)用場景。

核心性能指標

SPC-QC-104 的時間通道寬度低至 4 ps，IRF 寬度小于 39 ps FWHM，典型定時抖動為 16 ps RMS。該模塊具備出色的定時穩(wěn)定性，在 16 ns 時間范圍內(nèi)，超過 10 分鐘的定時漂移小于 5 ps RMS。低死區(qū)時間設(shè)計配合可調(diào)的 SYNC 延遲（±128 ns），使其能夠靈活適配多種實驗配置。峰值計數(shù)率高達 120 MHz，為快速動態(tài)過程的捕捉提供了充足的計數(shù)吞吐量。

光子通道與同步通道

光子通道采用恒分數(shù)鑒別器（CFD）原理，鑒頻器輸入帶寬為 4 GHz，優(yōu)異輸入電壓范圍為 -30 mV 至 -500 mV，最小輸入脈沖寬度為 200 ps。閾值可調(diào)范圍為 0 至 -500 mV，零交叉調(diào)整范圍為 -100 mV 至 100 mV。

同步通道同樣采用恒分數(shù)鑒別器（CFD）原理，鑒頻器輸入帶寬為 4 GHz，優(yōu)異輸入電壓范圍和最小輸入脈沖寬度與光子通道一致。頻率范圍為 0 至 150 MHz，支持 1、2、4 分頻，可調(diào)延遲范圍為 ±128 ns。

時間測量電路

SPC-QC-104 采用時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）原理進行時間測量，而非傳統(tǒng) TCSPC 模塊所使用的 TAC/ADC 原理。TDC 原理的優(yōu)勢在于定時電子元件可以在 FPGA 中實現(xiàn)，因此可以在單塊 TCSPC 板上集成多個記錄通道。TDC 的另一特點是工作計數(shù)率極高，每個激光脈沖甚至可以檢測到多個光子。TDC 原理下，時間范圍在 4096 個時間通道配置下為 16 ns 至 68 μs，最小時間/通道為 4 ps，差分非線性度小于 1% RMS，死區(qū)時間為 8 ns。

數(shù)據(jù)采集方式一：直方圖模式

直方圖模式采用板載多維直方圖繪制過程，每個通道的峰值計數(shù)率為 120 MHz，連續(xù)飽和計數(shù)率為 40 MHz。最大計數(shù)/時間通道（計數(shù)深度）為 21? - 1，最大時間通道數(shù)為 65,536。溢出控制支持無、停止、重復和糾正選項。采集時間范圍為 0.1 μs 至 100,000 秒，顯示間隔時間為 10 ms 至 100,000 秒，重復時間為 0.1 μs 至 100,000 秒。與掃描同步模式下，支持來自掃描設(shè)備的像素、行和幀時鐘信號。路由為 4 位 TTL，支持計數(shù)使能控制（1 位 TTL）和實驗觸發(fā)（TTL）。

數(shù)據(jù)采集方式二：FIFO/參數(shù)標記模式

FIFO 參數(shù)標記模式對單個光子進行參數(shù)標記并連續(xù)寫入磁盤。在線顯示內(nèi)容包括衰變函數(shù)、FCS、交叉-FCS、PCH MCS 軌跡。FCS 計算采用多頭算法，實現(xiàn)在線計算和在線擬合。衰變次數(shù)/波形記錄無限制，峰值計數(shù)率為 120 MHz，持續(xù)計數(shù)率（總線傳輸限制）為 40 MHz。最大計數(shù)/時間通道（計數(shù)深度）無限制，最大時間通道數(shù)為 4096。板載 FIFO 緩沖器容量為 1,750,000 個光子。宏定時器分辨率為 2 ns（內(nèi)部時鐘），溢出時在數(shù)據(jù)流中以 MOTF 條目標記。路由為 4 位 TTL/CMOS，外部事件標記為 4 位 TTL/CMOS，實驗觸發(fā)器為 TTL/CMOS。

數(shù)據(jù)采集方式三：FIFO 成像模式

FIFO 成像模式根據(jù)時間和波長標記數(shù)據(jù)建立圖像，在線顯示相關(guān)區(qū)域的強度圖像或壽命圖像以及衰減曲線。與掃描儀同步通過幀時鐘、行時鐘和像素時鐘脈沖實現(xiàn)。路由/波長/激光多路復用通道數(shù)為 1 至 16。在單通道單幅圖像配置下，圖像尺寸與時間通道數(shù)的對應(yīng)關(guān)系為：4096 個分區(qū)對應(yīng) 512 × 512 像素，1024 個分區(qū)對應(yīng) 1024 × 1024 像素，256 個分區(qū)對應(yīng) 2048 × 2048 像素，64 個分區(qū)對應(yīng) 4096 × 4096 像素。

轉(zhuǎn)換原理與技術(shù)比較

SPC-QC-104 使用直接時間數(shù)字轉(zhuǎn)換原理，與使用 TAC/ADC 原理的 SPC-130、SPC-150、SPC-160 和 SPC-180 系列 TCSPC 模塊不同。TAC-ADC 原理在啟動脈沖（通常是光子）和停止脈沖（通常是激光器的參考脈沖）之間使用線性電壓斜坡，電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)字，表示激光脈沖序列中光子的時間。而 TDC 原理中，探測器發(fā)出的光子脈沖和激光器發(fā)出的參考脈沖通過延遲元件鏈發(fā)送，定時邏輯查看延遲鏈中的數(shù)據(jù)，識別光子和激光脈沖的起始-停止對，從而確定光子在激光脈沖序列中的時間位置。

TDC 原理的優(yōu)勢在于可以在 FPGA 中實現(xiàn)定時電子元件，因此可以在單塊 TCSPC 板上實現(xiàn)多個記錄通道，且工作計數(shù)率極高。缺點是時間分辨率比 TAC-ADC 原理低得多。SPC-180NXX 的 IRF 寬度為 2.8 ps FWHM，而 SPC-QC-104 的 IRF 寬度為 39 ps FWHM。雖然 39 ps FWHM 對于 TDC 來說是一個極好的值，但 SPC-QC-104 并未充分利用超快探測器（如 SSPD、MCP-PMT 和超快混合探測器）的全部時間分辨率。

定時穩(wěn)定性方面，SPC-QC-104 中新的 TDC 邏輯結(jié)構(gòu)在很大程度上克服了傳統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。SPC-180NXX 的 IRF 第一時刻穩(wěn)定性優(yōu)于 0.4 ps RMS，而 SPC-QC-104 則優(yōu)于 5 ps RMS。盡管 SPC-QC-104 無法達到 SPC-180NXX 的穩(wěn)定性，但其可能出現(xiàn)的時序漂移仍遠低于 IRF 寬度，因此在實驗應(yīng)用中很少引發(fā)問題。

應(yīng)用定位與選型建議

SPC-QC-104 尤其適用于需要多個并行檢測通道，而使用 SPC-150 或 SPC-180 系列構(gòu)建多模塊系統(tǒng)顯得過于笨重或功耗過高的應(yīng)用場景。該模塊可用作大量熒光衰減和 FLIM 應(yīng)用的核心采集設(shè)備。需要注意的是，SPC-QC-104 無法充分利用超快單光子探測器（如 SSPD、MCP-PMT 或混合 PMT）的時間分辨率。在使用此類探測器時，應(yīng)選用 bh SPC 系列中的 SPC-150NX、SPC-150NXX、SPC-180NX 或 SPC-180NXX 模塊。

軟件生態(tài)與數(shù)據(jù)分析

SPC-QC-104 在 bh 的 SPCM TCSPC/FLIM 數(shù)據(jù)采集和控制軟件下運行，SPCM 可在線計算和顯示（2D、3D）在多種操作模式下獲取的數(shù)據(jù)。如需快速在線視頻 FLIM 流，可使用 ExpressFLIM 作為采集軟件。數(shù)據(jù)分析由 bh 的 SPCImage NG 軟件執(zhí)行。對于高級可視化和動態(tài)效應(yīng)分析，可使用 SPCDynamics。對于高級熒光相關(guān)光譜（FCS）和交叉相關(guān)（FCCS）數(shù)據(jù)分析，可使用 Burst Analyzer。此外，還提供 DLL 和 LabVIEW 驅(qū)動程序用于自動化和定制軟件集成，并支持使用 bhPy 進行自定義編程。

操作環(huán)境與物理規(guī)格

SPC-QC-104 模塊支持 Windows 10 和 Windows 11 操作系統(tǒng)，總線接口為 PCIe，總功耗約為 12 W（+12 V）。模塊物理尺寸為 205 mm × 110 mm × 15 mm。