CN104570043B - 硅光电倍增管的增益控制装置、系统及增益控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及硅光电倍增管的增益控制装置、系统及增益控制方法。该增益控制装置用于控制与其串联连接的硅光电倍增管的增益，包括串联连接的可控电压源和至少一个稳压二极管，可控电压源包括至少一个输入端子，稳压二极管工作于击穿状态，并且其等效温度系数与硅光电倍增管的温度系数相同，通过调节可控电压源的输入端子上的电压而控制硅光电倍增管的增益。本发明技术方案简单，使用元器件较少，只需使用模拟器件即可实现温度补偿，避免温度传感器以及相应的数字处理单元以及相应的反馈系统，增加了系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种硅光电倍增管的增益控制装置、系统及增益控制方法。
背景技术
硅光电倍增管(SiPM)是一种新型的固态半导体探测器，具有非常优异的光子计数能力，能够实现弱光探测，近年来越来越广泛的应用于高能物理实验、核医学仪器和空间天文探测。SiPM工作电压较低(<100V)，具有高的量子效率与高的增益(～106),非常好的时间分辨(～120ps),低功耗，体积小，低成本，对磁场不敏感，因而越来越广泛的用于代替传统的光电探测器件光电倍增管(PMT)。在高能物理实验领域，诸如日本的中微子振荡实验T2K,已经大规模的采用由滨松(Hamamatsu)生产的一种商用的SiPM，即MPPC作为闪烁体探测器的光探测器件。在核医学仪器中，SiPM正被广泛的研究用于正电子发射型计算机断层显像(PET)，与传统的使用PMT的PET相比，SiPM的成本更低因而降低了PET造价，工作电压低，不会因出现因加高压而出现假信号的现象，且SiPM对磁场不敏感，因而可以与核磁共振仪MRI成像共同使用，获得更好的人体成像信息，特别是在脑和神经系统疾病方面的诊断将有着非常重要的表现。在空间天文领域，大气切仑柯夫成像望远镜FACT采用了1440个SiPM组成的阵列作为光读出单元。
但SiPM的性能对温度较为敏感，其增益，击穿电压及暗计数均是温度的函数，因而限制了其应用。硅光电倍增管(SiPM)由工作在盖革模式的光二极管阵列组成，工作电压(通常也称作偏置电压)Vbias超过雪崩电压VBD几伏左右，高于雪崩电压部分称为过压△V，定义为关系式(1)：
ΔV＝Vbias-VBD (1)
SiPM增益G是过压△V的函数，二者之间具有以下关系式(2)
G＝G0·ΔV (2)
其中，G0是过压为1V时的增益。△V是过压。
由于其所加偏置电压超过击穿电压产生雪崩击穿，而雪崩击穿电压具有正温度系数，随着温度的增大，击穿电压也会线性的增加：VBD＝V0 BD+αT，其中α为温度系数，V0 BD为0℃时的击穿电压，T为温度。如由Hamamatsu生产的MPPC，其温度系数为59.4mV/℃，当初始过压为1V时，在偏置电压不变的情况下，在室温附近温度升高10℃，增益则会降低为之前一半。因而SiPM所加的偏置电压及工作温度决定了其工作的性能，通常采用控制偏置电压的方式来控制SiPM的增益，并利用外部反馈调节偏置电压的方式补偿由温度变化所导致的过压变化，从而维持增益的稳定。
发明内容
在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
本发明提供一种硅光电倍增管的增益控制装置，用于控制与其串联连接的硅光电倍增管的增益，补偿由于温度变化导致的硅光电倍增管增益漂移，其特征在于，包括串联连接的可控电压源和至少一个稳压二极管，所述可控电压源包括至少一个输入端子，所述至少一个稳压二极管工作于击穿状态，并且其等效温度系数与所述硅光电倍增管的温度系数相同，通过调节所述可控电压源的输入端子上的电压而控制所述硅光电倍增管的增益。
在一个实施例中，所述至少一个稳压二极管包括串联的两个稳压二极管。
在一个实施例中，所述可控电压源包括两级运算放大电路的级联，前级是电压跟随器，后级是单端输入的同相信号放大器。
在一个实施例中，所述单端输入的同相信号放大器在运算放大器的负输入端与输出端及接地端之间分别仅具有一个电阻。
本发明还提供一种硅光电倍增管增益控制系统，包括根据上述任一实施例的增益控制装置，该系统还包括硅光电倍增管；所述硅光电倍增管连接在所述至少一个稳压二极管的负极。
本发明还提供一种基于上述任一实施例的增益控制装置的硅光电倍增管的增益控制方法，包括：通过调节所述可控电压源的输入电压改变可控电压源的输出电压，实现硅光电倍增管增益的控制；可控电压源的输入电压固定时，可控电压源的输出电压的温度系数与所述硅光电倍增管的温度系数相同，补偿由于温度变化所导致的硅光电倍增管增益的漂移，维持硅光电倍增管增益稳定。
本发明的技术方案简单易行，使用元器件较少，只需使用模拟器件即可实现温度补偿，避免温度传感器以及相应的数字处理单元以及相应的反馈系统，增加了系统的可靠性。
附图说明
参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。
图1为根据本发明的一个实施例提供的硅光电倍增管增益控制装置的电路框图；
图2示出根据图1实施例的优选的硅光电倍增管增益控制装置的电路框图；
图3是验证根据本发明的一个实施例提供的硅光电倍增管增益控制装置的实验装置的电路框图；
图4a是图3的实验装置中使用的SiPM(MPPC)的增益-偏置电压曲线；
图4b是图3的实验装置中使用的SiPM(MPPC)的击穿电压-温度曲线；
图5a是图2所示硅光电倍增管增益控制装置，不同温度下可控电压源输出电压随着控制电压变化曲线；
图5b是图2所示的硅光电倍增管增益控制装置，控制电压固定时输出电压随着温度的变化曲线；
图6是图2所示的硅光电倍增管增益控制装置，可控电压源输出电压温度系数随着控制电压变化曲线；
图7是在图3的实验装置中，加入本发明的硅光电倍增管增益控制装置(温度补偿模块)前后MPPC增益温度漂移系数随着过压的变化曲线；
图8是在图3的实验装置中，加入本发明的硅光电倍增管增益控制装置(温度补偿模块)前后MPPC增益随着温度的变化图。
具体实施方式
下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。
图1为根据本发明的一个实施例提供的硅光电倍增管增益控制装置2的电路框图。该硅光电倍增管增益控制装置2实质是一个温度补偿模块，包括串联连接的可控电压源3和至少一个稳压二极管D1、D2，稳压二极管D1、D2可以用一个稳压二极管4代替。可控电压源3包括至少一个输入端子Vin，稳压二极管D1、D2工作于击穿状态，通过调节可控电压源3的输入端子Vin上的电压而调节加载在SiPM上的偏置电压，从而控制硅光电倍增管5的增益。图1中，Vs用来设置可控电压源的静态工作点。在控制电压Vin固定的情况下，增益控制装置2的输出电压Vout具有正的温度系数，通过选择器件使该温度系数与SiPM的温度系数一致，从而使得加载在SiPM两端的偏置电压与击穿电压的差即过压相对于温度维持稳定，从而维持SiPM的增益稳定，免受温度影响。在图1中，硅光电倍增管增益控制装置2的输出电压Vout即为加载在SiPM上的偏置电压Vbias，其大小可由控制电压Vin控制。
图2示出根据图1实施例的优选的硅光电倍增管增益控制装置的电路框图。该实施例中，可控电压源包括两级运算放大电路的级联，前级是电压跟随器，后级是单端输入的同相信号放大器。输出电压Vout与控制电压Vin为正比关系为：
其中VD1与VD2为稳压二极管D1与D2的击穿电压。调节Vin即可改变加在SiPM上的电压Vout，也就是SiPM的偏置电压。而根据上述关系式(1)，SiPM的增益是偏置电压的函数，从而对SiPM的增益进行调节。
稳压二极管D1与D2工作在击穿状态，当其击穿电压较低时(10V左右时)具有负的温度系数，当击穿电压较高时(如30V)具有正的温度系数。当稳压二极管串联时，其温度系数是各个稳压二极管温度系数的相加，因而可以通过不同温度系数的稳压二极管的串联从而得到与SiPM温度系数一致的偏置电压电路。此时的输出电压
其中V0 D1为稳压二极管D1在零度时的击穿电压，αD1为D1的温度系数，V0 D2为D2在0℃时的击穿电压，αD2为D2的温度系数。令D1与D2的温度系数满足αD1+αD2＝α，其中α为SiPM的温度系数，依据关系式(1)，则可得到：
由关系式(5)获知，在可控电压源在输出端串联接入两个稳压二极管，使输出电压的温度系数为两个稳压二极管的温度系数之和，即通过挑选合适的稳压二极管，使得输出电压的温度系数与SiPM的一致，即可实现在不同温度情况下，SiPM的增益与温度T无关，实现温度补偿和SiPM增益的稳定。
传统的SiPM增益控制和稳定方案，通过控制电压和外部温度反馈的方式，需要实时地监测温度的变化，采用数模混合电路技术，依据SiPM的温度电压特性调节偏置电压来进行温度的补偿，其方案实现困难，而且温度检测电路和输入电压控制电路的加入，占用较多的外部资源，增加了系统的复杂度。而本发明的以上方案简单易行，使用元器件较少，只需使用模拟器件即可实现温度补偿，避免温度传感器以及相应的数字处理单元以及相应的反馈系统，增加了系统的可靠性，对于资源比较有限，特别是空间天文项目以及大规模使用的场合特别适用。
本发明还提供一种硅光电倍增管增益控制系统1，包括根据上述任一实施例的增益控制装置2，该系统还包括硅光电倍增管5；所述硅光电倍增管5连接在所述至少一个稳压二极管D1、D2的负极。
图3是验证根据本发明的一个实施例提供的硅光电倍增管增益控制装置的实验装置的结构框图。该实施例采用滨松(Hamamatsu)生产的商用SiPM，即MPPC作为闪烁体探测器的光探测器件。图3中，将SiPM(这里是MPPC)与发光二极管(LED)放置在暗箱中，再将暗箱放置在高低温箱中，实测在不同环境温度下MPPC的增益偏置电压曲线，从而测试MPPC的温度系数。信号发生器驱动LED发光，MPPC探测到LED发出的光子并转换成电信号，MPPC输出的信号通过快速放大器放大后传入电荷检测装置，利用信号发生器提供的同步信号作为门控信号读出电荷谱。测试MPPC的温度系数时，MPPC的偏置电压可以由皮安表Keithley 6487提供，评估温度补偿方案的有效性时，使用根据图2所示的可控电压源代替keithley 6487为MPPC供电。固定控制电压Vin，测试在不同温度下MPPC的增益。
首先，测定温度恒定情况下MPPC的增益A与其偏置电压Vbias的关系，此时，MPPC的偏置电压Vbias由keithley 6487提供。实验测量了-44℃到20.9℃的增益偏置电压曲线。图4a可以看出MPPC的增益随着偏置电压的增加线性地增加，根据图4a中的曲线数据，按照关系式(1)和(2)进行线性拟合，即可得到不同温度下MPPC的击穿电压，如图4b所示。由MPPC的击穿电压温度曲线可以看出，随着温度的增加MPPC的击穿电压线性的增加，由曲线拟合得到MPPC击穿电压的温度系数为(59.44±0.04)mV/℃。
其次，实测在不同温度下可控电压源的输出电压(Vout)随着控制电压(Vin)的变化曲线，如图5a所示，输出电压随着控制电压的增加而线性增加。当控制电压固定时，可控电压源的输出电压随着温度的增加而线性地增加，如图5b所示。进行线性拟合，即可得到在不同控制电压下输出电压的温度系数，如图6所示。由图6可以发现，在不同控制电压下，可控电压源输出电压的温度系数基本不变，在63.65mV/℃到64.61mV/℃之间，比实测得到的MPPC的温度系数要大。所以用该可控电压源为MPPC供电时，MPPC的增益会随着温度的增加而线性的增加，与MPPC不加温度补偿时的情况相反。补偿的偏差在大约5mV/℃，因而如果MPPC工作时的过压为2V，则可以预计MPPC增益的温漂在0.25％/℃。
使用图2中根据本发明的增益控制装置(温度补偿模块)2代替图3中的皮安表keithley 6487为MPPC供电，实测在不同控制电压下MPPC增益的温度系数随着过压(△V)的变化曲线，并与MPPC未使用可控电压源进行温度补偿时的结果进行了对比，如图7所示。由图可以看出在未加入温度补偿模块前，当MPPC的过压小于2.52V时MPPC的温漂系数大于2％/℃，过压越小温度系数越大，当过压为2V时，温度系数可以达到2.8％/℃。当加入温度补偿模块后，温度系数小于0.5％/℃，当过压为2V时，MPPC增益的温度系数可以减小到0.32％/℃，与预期的相符。由此可见可控电压源模块对MPPC的增益进行温度补偿后将MPPC的温漂系数降低了一个量级，有效的补偿了由温度变化导致的MPPC的增益漂移。
实测加上温度补偿模块前后MPPC的增益随着温度的变化情况，温度范围为-42.7℃到20.9℃，结果如图8所示。不进行温度补偿时，MPPC在室温的增益为4.9×105。当温度降低到-27.8℃时，增益增加到了1.4×106,其增益增大了184％，MPPC的增益与温度满足线性关系G(T)＝A+BT，其中A＝8.74×105，B＝-18285.1。当进行温度补偿后，MPPC的增益随着温度的增加而线性增加，其中A＝4.89×105，B＝2426。对比可以发现B系数加入温度补偿后比未加温度补偿前减小了一个量级，因而利用本方案进行SiPM的增益控制和温度是可行的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种硅光电倍增管的增益控制装置，用于控制与其串联连接的硅光电倍增管的增益，其特征在于，包括串联连接的可控电压源和至少一个稳压二极管，所述可控电压源包括至少一个输入端子，所述至少一个稳压二极管工作于击穿状态，并且其等效温度系数与所述硅光电倍增管的温度系数相同，通过调节所述可控电压源的输入端子上的电压而控制所述硅光电倍增管的增益；
所述至少一个稳压二极管包括串联的两个稳压二极管；
所述可控电压源包括两级运算放大电路的级联，前级是电压跟随器，后级是单端输入的同相信号放大器；
所述单端输入的同相信号放大器在运算放大器的负输入端与输出端及接地端之间分别仅具有一个电阻器。
2.一种硅光电倍增管增益控制系统，包括根据权利要求1所述的增益控制装置，其特征在于，还包括硅光电倍增管，所述硅光电倍增管连接在所述至少一个稳压二极管的负极。
3.一种基于权利要求1所述的增益控制装置的硅光电倍增管的增益控制方法，其特征在于，包括：
通过调节所述可控电压源的输入电压改变所述可控电压源的输出电压，从而调节所述硅光电倍增管的增益；当所述可控电压源的输入电压固定时，使所述可控电压源的输出电压的温度系数与所述硅光电倍增管的温度系数相同，维持所述硅光电倍增管的增益稳定。
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