CN103837464B - 基于流式细胞仪光子探测模块的恒温控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于流式细胞仪光子探测模块的恒温控制装置，WDM模块一面上安装光子探测PCB板，光子探测PCB板上固定有光子探测传感器模块，光子探测传感器模块伸入至WDM模块中，WDM模块另一面上安装隔热片，TEC制冷片置于隔热片的腔室内，TEC制冷片下底面与WDM模块相贴合，隔热片上安装散热片，散热片与TEC制冷片上表面相贴合；温度探头一端连接温度传感接口，温度探头另一端置于WDM模块内，温度传感接口连接TEC电流源控制模块，TEC电流源控制模块连接控制电流输出模块，控制电流输出模块连接TEC制冷片。解决传统软件补偿算法对于安装结构和散热条件的变化所带来的重新设计问题。

Description

基于流式细胞仪光子探测模块的恒温控制装置

技术领域

本发明涉及一种基于流式细胞仪光子探测模块的恒温控制装置。

背景技术

流式细胞仪中的波分复用模块(WDM)主要用来将侧向散射光信号和荧光散射信号进行收集、分光、滤波和聚焦到所需检测的多个光学通道中，光子探测器安装在对应的每个光学通道的输出安装孔洞之中(光子探测器的有效感光窗口位置设置为正好位于输出光线的聚焦点)，然后探测器与光子探测板电子电路连接实现后级的电子信号的转换、放大与调理。

流式细胞仪中，由于荧光信号非常微弱(例如要能检测到100个荧光光子的强度)，在保证高响应灵敏度的同时，又需要控制极低的噪声影响，因此，用来检测荧光散射信号常用的光子探测器通常是光电倍增管(PMT)或者雪崩光电二极管(APD)。例如，HAMAMATSU公司的一款APD(型号为S2381)的偏置电压、温度对增益影响，可以看出光子检测器自身的增益稳定性同反向偏置电压和温度有着密切的关系。由于PMT或APD的温度稳定性很差，通常其自身并不带有温度补偿功能，周围工作环境温度会直接影响到光电转换增益和效率，以及信噪比(温度的变化会改变光电探测器的暗电流噪声)。现有的做法是利用加装温度传感器或温度探头探测周围环境温度，通过实时改变光子探测器的反向偏压设置值，达到温度补偿的目的。

现有温度补偿技术有如下缺点：

1)温度探头的安装位置直接决定了会有较大温度补偿误差，且不能兼顾分布在多个位置的光子探测器，因为安装在不同位置的光子探测器的环境温度可能会有较大的差别；

2)温度补偿技术具有专一性，安装结构和散热条件的变化会带来补偿的重新设计，对于不同的安装结构需要测试、修改、验证不同的补偿参数，其通用性和一致性难以保证；

3)温度补偿随着所采用的光电子探测器型号和规格的不同而需要做出相应调整，在进行补偿之前需要详细了解所选用的光子探测器的具体特性，并通过大量的仿真或者实际测试数据来修正与调整补偿参数；

4)对于流式细胞仪中的主控CPU来说，其大量的资源会被实时的数据采集、转换、滤波、处理、数据传输等主要核心任务占用，温度补偿加入其中也不符合模块化设计的思想，系统设计的耦合性变强。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种基于流式细胞仪光子探测模块的恒温控制装置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

基于流式细胞仪光子探测模块的恒温控制装置，特点是：包含TEC制冷片和TEC控制单元，在WDM模块的一面上安装光子探测PCB板，光子探测PCB板上固定有光子探测传感器模块，光子探测传感器模块伸入至WDM模块中，在WDM模块的另一面上安装隔热片，隔热片设有容纳TEC制冷片的腔室，TEC制冷片置于所述腔室内，TEC制冷片的下底面与WDM模块相贴合，隔热片上安装散热片，散热片与TEC制冷片的上表面相贴合；所述TEC控制单元包含TEC电流源控制模块、温度传感接口和控制电流输出模块，温度探头的一端连接温度传感接口，温度探头的另一端置于WDM模块内，温度传感接口连接TEC电流源控制模块，TEC电流源控制模块连接控制电流输出模块，控制电流输出模块连接TEC制冷片，TEC电流源控制模块外接直流电源模块。

进一步地，上述的基于流式细胞仪光子探测模块的恒温控制装置，所述TEC控制单元还包含目标温度设定模块、电流上限设定模块和电压上限设定模块，目标温度设定模块、电流上限设定模块和电压上限设定模块均连接TEC电流源控制模块。

更进一步地，上述的基于流式细胞仪光子探测模块的恒温控制装置，所述散热片上安装有风扇。

本发明技术方案的实质性特点和进步主要体现在：

通过硬件恒温控制方式避免软件补偿算法与实验曲线的拟合工作，避免软件算法的不可移植性，即换用另外一套系统，则需要重新进行温度补偿。通过精确恒温控制方式，即使WDM模块上的APD分布于不同位置，最大温差小于0.5℃，也足够满足各光子探测器的工作要求。通过设定目标温度，可使WDM上的光子探测器工作在最佳温度点。实现温度锁定，反向偏置电压锁定，减少了反向偏置电压源由于温度补偿算法所带来的实时反复调节，提高了反向偏置电压源组件的工作稳定性与可靠性。当需要更换另外一款不同的光子探测器时，无需了解详细的探测器参数曲线，只要找到最佳工作温度点，设定目标温度值，即可安装匹配。无需软件补偿算法的繁琐、依据探测器型号的不同而进行不同的补偿控制。可实现流式细胞仪前端光子探测系统的模块化整体封装，可实现一致化的量产要求。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明的构造示意图。

具体实施方式

如图1所示，基于流式细胞仪光子探测模块的恒温控制装置，包含TEC(半导体)制冷片5和TEC控制单元8，在WDM模块1的一面上安装光子探测PCB板2，光子探测PCB板2上固定有光子探测传感器模块3，光子探测传感器模块3伸入至WDM模块1中，在WDM模块1的另一面上安装隔热片4，隔热片4设有容纳TEC制冷片的腔室，TEC制冷片5置于所述腔室内，TEC制冷片5的下底面与WDM模块1相贴合，隔热片4上安装散热片6，散热片6与TEC制冷片5的上表面相贴合，散热片6上安装有风扇；TEC控制单元8包含TEC电流源控制模块9、温度传感接口10、控制电流输出模块11、目标温度设定模块12、电流上限设定模块13和电压上限设定模块14，温度探头7的一端连接温度传感接口10，温度探头7的另一端置于WDM模块1内，温度传感接口10连接TEC电流源控制模块9，TEC电流源控制模块9连接控制电流输出模块11，控制电流输出模块11连接TEC制冷片5，TEC电流源控制模块9外接直流电源模块15，目标温度设定模块12、电流上限设定模块13和电压上限设定模块14均连接TEC电流源控制模块9。

WDM模块1上安装光子探测器的部件材料采用紫铜板，紫铜具有良好的导热传热性能，能够迅速的将TEC制冷片工作面的冷或热功率传递到分布于WDM上不同位置的与紫铜板以过渡孔安装配合方式的光子探测器上。散热片6安装在TEC制冷片5的另外一面，以散除与工作面相反的热或者冷功率，保持TEC制冷片5的工作平衡。通过TEC控制单元8的目标温度设定模块12的目标温度设定值，以及温度探头7传回的实时温度值(温度探头7通过粘涂导热硅胶以塞孔的方式安装到紫铜板内部)，通过恒流控制驱动器的硬件比例-积分-微分(PID)闭环调节电路，实时控制并监控输出驱动电流，使实测温度向目标设定温度不断逼近，并最终保持在设定温度点。TEC控制单元8的过压、过流保护功能，以保证TEC工作在允许的工作条件之内。隔热片或者隔热棉用于避免散热片6与WDM模块1之间通过空气缝隙进行传热，以充分发挥TEC性能。

解决传统软件补偿算法对于安装结构和散热条件的变化所带来补偿算法的重新设计问题。解决分布在WDM上不同位置的多个光电探测器的同一时刻由于各自温度不同，所带来的补偿差异问题。解决由于选用不同类型、不同型号的光电探测器，需要重新根据温度-反向偏置电压-增益曲线进行补偿算法的更改，避免了大量繁琐的实际工作曲线测试验证、参数修正。大大减少软件开销，避免了软件补偿算法的不准确而引起的系统不稳定，同时可实现独立的模块化设计。解决软件补偿算法所带来的光子探测器检测灵敏度的波动问题，可使光子探测灵敏度与信噪比始终保持在可选定的恒定范围内。

通过硬件恒温控制方式避免软件补偿算法与实验曲线的拟合工作，避免软件算法的不可移植性，即换用另外一套系统，则需要重新进行温度补偿。通过精确恒温控制方式(控制精度可达0.1℃)，即使WDM模块1上的APD分布于不同位置，最大温差小于0.5℃，也足够满足各光子探测器的工作要求。通过设定目标温度，可使WDM上的光子探测器工作在最佳温度点(最佳温度点即是保证光子探测器光电转换增益的情况下，获得最大的信噪比性能，从而获得最佳的光子信号检测灵敏度)。例如：光子探测器工作温度越低，暗电流噪声越小，雪崩电压越低，从而使增益不变的情况下，所需反向偏置电压越低。可实现温度锁定，反向偏置电压锁定，减少了反向偏置电压源由于温度补偿算法所带来的实时反复调节，提高了反向偏置电压源组件的工作稳定性与可靠性。当需要更换另外一款不同的光子探测器时，无需了解详细的探测器参数曲线，只要找到最佳工作温度点，设定目标温度值，即可安装匹配。无需软件补偿算法的繁琐、依据探测器型号的不同而进行不同的补偿控制。可实现流式细胞仪前端光子探测系统的模块化整体封装，可实现一致化的量产要求。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.基于流式细胞仪光子探测模块的恒温控制装置，其特征在于：包含TEC制冷片和TEC控制单元，在WDM模块的一面上安装光子探测PCB板，光子探测PCB板上固定有光子探测传感器模块，光子探测传感器模块伸入至WDM模块中，在WDM模块的另一面上安装隔热片，隔热片设有容纳TEC制冷片的腔室，TEC制冷片置于所述腔室内，TEC制冷片的下底面与WDM模块相贴合，隔热片上安装散热片，散热片与TEC制冷片的上表面相贴合；所述TEC控制单元包含TEC电流源控制模块、温度传感接口和控制电流输出模块，温度探头的一端连接温度传感接口，温度探头的另一端置于WDM模块内，温度传感接口连接TEC电流源控制模块，TEC电流源控制模块连接控制电流输出模块，控制电流输出模块连接TEC制冷片，TEC电流源控制模块外接直流电源模块；

WDM模块上安装光子探测传感器模块的部件采用紫铜板，紫铜板以过渡孔的方式与光子探测传感器模块配合安装。

2.根据权利要求1所述的基于流式细胞仪光子探测模块的恒温控制装置，其特征在于：所述TEC控制单元还包含目标温度设定模块、电流上限设定模块和电压上限设定模块，目标温度设定模块、电流上限设定模块和电压上限设定模块均连接TEC电流源控制模块。

3.根据权利要求1所述的基于流式细胞仪光子探测模块的恒温控制装置，其特征在于：所述散热片上安装有风扇。