CN103399221A

CN103399221A - 一种闪烁晶体荧光模拟器及其测试系统

Info

Publication number: CN103399221A
Application number: CN201310290227XA
Authority: CN
Inventors: 金西; 项天; 董家宁; 封常青; 张云龙; 刘树彬; 安琪
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-07-10
Also published as: CN103399221B

Abstract

一种闪烁晶体荧光模拟器及其测试系统，其中闪烁晶体荧光模拟器包括信号源、模拟器控制电路、LED模块、积分球、光纤束、PC机和被测光电倍增管PMT；信号源输出接模拟器控制电路，模拟器控制电路利用积分球作为输出匀光器，光纤束包括光纤接头和光纤。光纤接头将光纤束固定在积分球上。测试系统解决了批量标定PMT的问题，方便的调整输出光强以满足大动态范围的需求，批量化测试时提高了工作效率。

Description

一种闪烁晶体荧光模拟器及其测试系统

技术领域

本发明涉及一种闪烁晶体荧光模拟器及其测试系统，可用于高能粒子探测领域，用于模拟不同强度的高能粒子撞击到不同探测物质时所发出的荧光。作为标定探测器特性的一种手段。

背景技术

当高能粒子穿过闪烁晶体时，会激发介质原子的核外电子。当电子退激发后，会向外辐射光子。粒子物理探测时，依靠探测辐射的光子能量，来推断带电粒子的能量。为了测量光子的能量，常常采用光电倍增管（photomultiplier tubes,PMT），PMT可以将入射的微弱光信号放大最多8个量级，因而可以用来测量闪烁光信号。PMT是一种传统的光电器件，性能优越，使用方法也比较成熟，因此在粒子物理实验中得到广泛应用。

由于制造工艺的限制，批量生产的PMT性能指标会有较大分布，为了精确测量高能粒子的能量，需要对每支PMT单独进行标定。因此需要一种可以真实模拟闪烁晶体发光特性的光源。

另一方面，高能粒子探测时需要的PMT数量非常大，例如在暗物质粒子探测卫星（DAMPE）中，需要将近400个PMT；西藏羊八井的大型高海拔大气簇射天文台的水切伦科夫探测器阵列需要3600个PMT。因此能够批量标定PMT的模拟装置也是必须的。

第32届国际宇宙线大会中B.K.LUBSANDORZHIEV等人提出的Cherenkov Array标定方法。他使用与设备闪烁晶体波长相似的LED（发光二级管）作为光源，自制了特殊的LED驱动电路，使LED发光呈指数衰减，以符合闪烁晶体的发光特性。此方案的LED控制电路设计复杂，要更改LED发光时间和发光强度需要做复杂的计算。另外，此方案没有办法控制LED输出到测量装置（PMT）的均匀性。

中国科学院安徽光学精密机械研究所陈风等人在《光学精密工程》杂志发表的文章《LED的光谱分布可调光源的设计》中提出了一种采用积分球作为匀光器的光谱分布可调的光源设计。该光源由积分球和大量不同颜色的LED组成，通过积分球匀光之后，可以模拟很多不同光源的光谱分布。此方案中无法调节LED的输出波形，只能得到不同的光谱。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种闪烁晶体荧光模拟器及其测试系统，解决了批量标定PMT的问题，方便的调整输出光强以满足大动态范围的需求，批量化测试时提高了工作效率。

本发明的技术解决方案是：一种闪烁晶体荧光模拟器1，包括：信号源2、模拟器控制电路3、LED模块4、积分球5、光纤束6、PC机7和被测光电倍增管PMT8；信号源2输出接模拟器控制电路3，模拟器控制电路3利用积分球作为输出匀光器，光纤束6包括光纤接头和光纤，光纤接头将光纤束固定在积分球5上。

所述控制电路包括：3个运算放大器、11个电阻、电容和三极管；第1运算放大器负向输入端连接第1电阻和第2电阻，第1运算放大器正向输入端连接第4电阻和第5电阻，第1运算放大器输出端连接第2电阻和第3电阻；第2运算放大器负向输入端连接第3电阻、第6电阻和第一电容，第2运算放大器正向输入端连接第7电阻，第2运算放大器输出端连接第1三极管的B级；第3运算放大器负向输入端连接第3运算放大器输出端，第3运算放大器正向输入端连接第8电阻和第9电阻，第3运算放大器输出端连接第3运算放大器的负向输入端和第4电阻；三极管B级连接第2运算放大器的输出端，C极连接D号电阻和LED模块的电流输出级，E极连接REF号电阻、第6电阻、第8电阻和电容；电容一端连接第2运算放大器负向输入端，另一端连接三极管的E级；容值为10皮法拉；第1电阻一端连接信号发生器的信号输出；另一端连接第1运算放大器负向输入端；阻值为1千欧姆；第2电阻一端连接第1运算放大器负向输入端；另一端连接第1运算放大器输出端，阻值为1千欧姆；第3电阻一端连接第1运算放大器输出端；另一端连接第2运算放大器负向输入端，阻值为1千欧姆；第4电阻一端连接第1运算放大器正向输入端；另一端连接第3运算放大器输出端；阻值为1千欧姆；第5电阻一端连接第1运算放大器正向输入端，另一端接地，阻值为1千欧姆；第6电阻一端连接第2运算放大器负向输入端，另一端连接第1三极管E级，阻值为1千欧姆；第7电阻一端连接第2运算放大器正向输入端，另一端接地，阻值为1千欧姆；第8电阻一端连接第3运算放大器正向输入端，另一端接第1三极管E级，阻值为1千欧姆；第9电阻一端连接第3运算放大器正向输入端，另一端接地，阻值为1千欧姆；D号电阻一端连接电源电压，另一端连接三极管C级，阻值可调；REF号电阻一端连接第1三极管E级,另一端接地,阻值可调。

所述LED模块4的电流流入端连接电源电压,电流流出端连接控制电路三极管C端。

一种闪烁晶体荧光模拟器测试系统包括：信号源2、模拟器控制电路3、LED模块4、积分球5、光纤束6、待模拟闪烁晶体10、示波器11、数据采集板12、标准PMT13和数据采集PC机14；信号源2输出接模拟器控制电路3，模拟器控制电路3利用积分球作为输出匀光器，光纤束6包括光纤接头和光纤，光纤接头将光纤束固定在积分球5上，标准PMT13将光纤的另一端插接上，或者对接待模拟闪烁晶体10，标准PMT13的信号输出连接到示波器11或者信号采集板12，信号采集板12的数据输出到数据采集PC14；

测试过程：

（1）将待模拟闪烁晶体10连接到标准PMT13，标准PMT13的信号输出连接到示波器11；将待模拟闪烁晶体10置于室内，即可测得待模拟闪烁晶体10的真实脉冲响应；

（2）将光纤的另一端连接至标准PMT13，标准PMT13的信号输出连接到示波器11，开启信号源2，产生输出激励，即可测得模拟器脉冲；

（3）将光纤的另一端连接至标准PMT13，标准PMT13的信号输出连接到信号采集板12，开启信号源2，令输出电压幅度从零到满幅度缓慢增加，即可测得闪烁晶体荧光模拟器的输出动态范围。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明闪烁晶体荧光模拟器可以几乎完全相同的仿真闪烁晶体脉冲的时间特性。

（2）本发明控制电路采用特殊设计使LED动态范围达4.11×10⁵倍，甚至超过了信号发生器的动态范围。

（3）本发明利用积分球作为输出匀光器，通过筛选积分球和光纤的尺寸，可以将LED光强任意衰减，并支持将光输出到多路PMT同时标定。

附图说明

图1是本发明的闪烁晶体荧光模拟器示意图；

图2是本发明的荧光脉冲测试装置示意图；

图3是控制电路板示意图；

图4是LED模块的电流/光通量曲线图；

图5是积分球外形示意图；

图6是光纤束示意图；

图7是积分球、PMT连接示意图；

图8是真实脉冲、模拟脉冲匹配示意图；

图9是闪烁晶体荧光模拟器动态范围示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的闪烁晶体荧光模拟器1包括信号源2、模拟器控制电路3、LED模块4、积分球5、光纤束6、待测PMT8和PC机7。信号源2采用泰克公司的AFG3252信号发生器，提供正向50mV-5V的信号输出，精度1mV，可输出自定义的任意波形，可通过以太网由PC编程控制。模拟器控制电路3包括三个运算放大器，构成一个电流跟随器，即输出电流与输入电压成正比。信号源1与控制电路3的通过同轴电缆连接。LED模块4的电流流入端连接电源电压；电流流出端连接控制电路第1三极管C端。LED模块4选用电流/光通量曲线线性度较好的产品。将积分球5作为匀光器和分光器。积分球5直径可为6cm，包括1个光源输入端连接LED模块，1个或者多个光纤束输出端，1个或者多个光纤输出端。积分球内表面为聚四氟乙烯（F4）或者硫酸钡。积分球每个输入、输出端口内侧有一个挡光板，放置来自输入端的一次光直接进入输出端。光纤束6包括光纤接头和光纤。光纤接头将光纤束固定在积分球5上。每个光纤束包含数量若干的光纤，每根光纤尺寸一致，可以为0.5mm。光纤一端插入积分球内，另一端连接PMT。

如图2所示，本发明中闪烁晶体荧光模拟器测试系统，信号源2、模拟器控制电路3、LED模块4、积分球5、光纤束6、待模拟闪烁晶体10、示波器11、数据采集板12、标准PMT13和数据采集PC机14；信号源2输出接模拟器控制电路3，模拟器控制电路3利用积分球作为输出匀光器，光纤束6包括光纤接头和光纤，光纤接头将光纤束固定在积分球5上，标准PMT13将光纤的另一端插接上，或者对接待模拟闪烁晶体10，标准PMT13的信号输出连接到示波器11或者信号采集板12，信号采集板12的数据输出到数据采集PC14。

测试过程：

（1）将待模拟闪烁晶体10连接到标准PMT13，标准PMT13的信号输出连接到示波器11。将待模拟闪烁晶体10置于室内，即可测得待模拟闪烁晶体10的真实脉冲响应，如图8虚线所示。

（2）将光纤的另一端连接至标准PMT13，标准PMT13的信号输出连接到示波器11。开启信号源2，产生输出激励，即可测得模拟器脉冲，如图8实线所示。

（3）将光纤的另一端连接至标准PMT13，标准PMT13的信号输出连接到信号采集板12。开启信号源2，令输出电压幅度从零到满幅度缓慢增加，即可测得闪烁晶体荧光模拟器的输出动态范围，如图9所示。

待测PMT包括PMT和固定底座。待测PMT和固定底座接触固定，确保PMT不会轻松滑动。外壳前端有小孔，可以连接光纤束中的光纤。使用PC机7控制信号发生器，将PC机的以太网接口连接至信号发生器的以太网接口，采用信号发生器1提供的应用程序编程接口（API），使PC机控制信号发生器。

如图3所示，控制电路包括：3个运算放大器、11个电阻、1个电和一个NPN型三极管。第1运算放大器负向输入端连接第1电阻和第2电阻；其正向输入端连接第4电阻和第5电阻；输出端连接第2电阻和第3电阻。第2运算放大器负向输入端连接第3电阻、第6电阻和第一电容；正向输入端连接第7电阻；输出端连接第1三极管的B级。第3运算放大器负向输入端连接第3运算放大器输出端；正向输入端连接第8电阻和第9电阻；输出端连接第3运算放大器的负向输入端和第4电阻。第1三极管B级连接第2运算放大器的输出端；C级连接D号电阻和LED模块的电流输出级；E级连接REF号电阻、第6电阻、第8电阻和第1电容。电容一端连接第2运算放大器负向输入端；另一端连接三极管E级；容值为10皮法拉。第1电阻一端连接信号发生器的信号输出；另一端连接第1运算放大器负向输入端；阻值为1千欧姆。第2电阻一端连接第1运算放大器负向输入端；另一端连接第1运算放大器输出端；阻值为1千欧姆。第3电阻一端连接第1运算放大器输出端；另一端连接第2运算放大器负向输入端；阻值为1千欧姆。第4电阻一端连接第1运算放大器正向输入端；另一端连接第3运算放大器输出端；阻值为1千欧姆。第5电阻一端连接第1运算放大器正向输入端；另一端接地；阻值为1千欧姆。第6电阻一端连接第2运算放大器负向输入端；另一端连接第1三极管E级；阻值为1千欧姆。第7电阻一端连接第2运算放大器正向输入端；另一端接地；阻值为1千欧姆。第8电阻一端连接第3运算放大器正向输入端；另一端接第1三极管E级；阻值为1千欧姆。第9电阻一端连接第3运算放大器正向输入端；另一端接地；阻值为1千欧姆。D号电阻一端连接电源电压；另一端连接三极管C级；阻值可调。REF号电阻一端连接第1三极管E级；另一端接地；阻值可调。

如图4所示，LED4的输入电流、输出光通量响应曲线，横坐标是输入电流，纵坐标是LED输出光通量。

如图5所示，积分球壳18下焊接积分球底座21；积分球壳18顶部开孔，焊接光源输入端连接器19；积分球壳18侧面与焊接光源输入端连接器19互成90度角的位置开孔，焊接光输出端连接器20。

如图6所示，光纤束6包括光纤22，光纤PMT接头23，光纤积分球接头24,光纤22与光纤PMT接头通过压接连接；光纤22与光纤积分球接头通过压接连接。

如图7所示，积分球5与待测PMT8通过光纤束6连接。

如图8所示，真实脉冲虚线和模拟器脉冲实线的波形对比图，横坐标为时间，纵坐标为相对强度。

如图9所示，闪烁晶体荧光模拟器系统1的动态范围测试结果。该图为双对数坐标，横坐标为信号源的输出电压，纵坐标为闪烁晶体荧光模拟器测试系统9测得的等效输出。图中左下角最小值为横坐标为102mV，纵坐标为17；图中右上角最大值为横坐标4.2V，纵坐标为6.98×10⁶。以此计算，闪烁晶体荧光模拟器系统1的动态范围可达4.11×10⁵。

本发明未述及部分，均可直接采取或借鉴现有技术方式。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的原则内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种闪烁晶体荧光模拟器（1），其特征在于包括：信号源（2）、模拟器控制电路（3）、LED模块（4）、积分球（5）、光纤束（6）、PC机（7）和被测光电倍增管PMT（8）；信号源（2）输出接模拟器控制电路（3），模拟器控制电路（3）利用积分球作为输出匀光器，光纤束（6）包括光纤接头和光纤，光纤接头将光纤束固定在积分球（5）上。

2.根据权利要求1所述的一种闪烁晶体荧光模拟器,其特征在于：所述控制电路包括：3个运算放大器、11个电阻、电容和三极管；第1运算放大器负向输入端连接第1电阻和第2电阻，第1运算放大器正向输入端连接第4电阻和第5电阻，第1运算放大器输出端连接第2电阻和第3电阻；第2运算放大器负向输入端连接第3电阻、第6电阻和第一电容，第2运算放大器正向输入端连接第7电阻，第2运算放大器输出端连接第1三极管的B级；第3运算放大器负向输入端连接第3运算放大器输出端，第3运算放大器正向输入端连接第8电阻和第9电阻，第3运算放大器输出端连接第3运算放大器的负向输入端和第4电阻；三极管B级连接第2运算放大器的输出端，C极连接D号电阻和LED模块的电流输出级，E极连接REF号电阻、第6电阻、第8电阻和电容；电容一端连接第2运算放大器负向输入端，另一端连接三极管的E级；第1电阻一端连接信号发生器的信号输出；另一端连接第1运算放大器负向输入端；阻值为1千欧姆；第2电阻一端连接第1运算放大器负向输入端；另一端连接第1运算放大器输出端；第3电阻一端连接第1运算放大器输出端；另一端连接第2运算放大器负向输入端；第4电阻一端连接第1运算放大器正向输入端；另一端连接第3运算放大器输出端；第5电阻一端连接第1运算放大器正向输入端，另一端接地；第6电阻一端连接第2运算放大器负向输入端，另一端连接第1三极管E级；第7电阻一端连接第2运算放大器正向输入端，另一端接地；第8电阻一端连接第3运算放大器正向输入端，另一端接第1三极管E级；第9电阻一端连接第3运算放大器正向输入端，另一端接地，阻值为1千欧姆；D号电阻一端连接电源电压，另一端连接三极管C级；REF号电阻一端连接第1三极管E级,另一端接地。

3.根据权利要求1所述的闪烁晶体荧光模拟器,其特征在于：所述LED模块（4）的电流流入端连接电源电压,电流流出端连接控制电路三极管C端。

4.一种闪烁晶体荧光模拟器测试系统，其特征在于包括：信号源（2）、模拟器控制电路（3）、LED模块（4）、积分球（5）、光纤束（6）、待模拟闪烁晶体（10）、示波器（11）、数据采集板（12）、标准PMT（13）和数据采集PC机（14）；信号源（2）输出接模拟器控制电路（3），模拟器控制电路（3）利用积分球作为输出匀光器，光纤束（6）包括光纤接头和光纤，光纤接头将光纤束固定在积分球（5）上，标准PMT（13）将光纤的另一端插接上，或者对接待模拟闪烁晶体（10），标准PMT（13）的信号输出连接到示波器（11）或者信号采集板（12），信号采集板（12）的数据输出到数据采集PC（14）；

测试过程：

（1）将待模拟闪烁晶体（10）连接到标准PMT（13），标准PMT（13）的信号输出连接到示波器（11）；将待模拟闪烁晶体（10）置于室内，即可测得待模拟闪烁晶体（10）的真实脉冲响应；

（2）将光纤的另一端连接至标准PMT（13），标准PMT（13）的信号输出连接到示波器（11），开启信号源（2），产生输出激励，即可测得模拟器脉冲；

（3）将光纤的另一端连接至标准PMT（13），标准PMT（13）的信号输出连接到信号采集板（12），开启信号源（2），令输出电压幅度从零到满幅度缓慢增加，即可测得闪烁晶体荧光模拟器的输出动态范围。