CN105737978B - 一种基于mppc增益可数字化调整的光子计数装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MPPC增益可数字化调整的光子计数装置。所述装置由高压产生电路、MPPC、I‑V转换电路、二级输出增益调整电路、温度采集电路、制冷片驱动电路和半导体制冷片组成，其中，所述高压产生电路和所述二级输出增益调整电路使用I2C总线与外部控制器相连，通过控制器设置光子计数器的输出增益与内部高压输出值。所述装置能够对光子计数器的增益实施数字化设置，对MPPC的工作电压实施数字化调整，对MPPC的工作环境实施恒温控制，实现用同一台设备测定具有不同光强的多种被测物质的目的。
Description
技术领域
本发明属于光电探测和自动控制技术领域，具体涉及一种基于MPPC增益可数字化调整的光子计数装置。
背景技术
MPPC是一种被称为硅光电倍增器（SiPM、硅PM）的产品，是由多个工作在盖格模式的APD像素组成的光子计数产品。虽然MPPC从根本上来讲是一种光电半导体，但是它有着优秀的光子计数能力，并适用于各种需要进行极弱光测量的应用之中。MPPC可在低电压下进行工作，其特点是高增益、高光子探测效率、高反应速度、优秀的时间分辨率、以及较宽的光谱响应范围，而且它的表现已经满足了较高层级的光子计数的要求。另外，MPPC还具备磁场不灵敏、抗金属冲击等固体产品本身所特有的优点。
I-V转换电路是利用运算放大器将电流信号转换成电压信号的一种电路。
如今在光电探测器领域中，硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SPM）是一颗正在冉冉升起的闪亮新星。自二十世纪九十年代末被发明以来，硅光电倍增管经历了几代产品的技术革新，在近几年终于实现了商业化，并且在高能物理、粒子探测、医疗检疫、核医学等领域开始崭露头角。
目前MPPC虽然在噪声水平、极微弱光探测能力方面还不及传统的光电倍增管产品，不过由于其低操作电压、抗机械冲击能力强、结构紧凑性、高温稳定性和耐曝光等特点，获得了高度的关注和认可。MPPC是由多个工作在盖格模式的APD像素组成，与传统的APD相比，在室温下MPPC也可以获得106增益，并且对噪声也进行了有效的控制。作为半导体探测器产品中的一员，MPPC继承了半导体探测器的大部分优势，并且在增益、信噪比、响应速度方面有更好的表现。此外，MPPC亦拥有高光子探测效率、反应快速、优秀的时间分辨率、以及较宽的光谱响应范围等性能优势。因此它可以满足众多领域的探测需求。
但是，基于MPPC的光子计数器在使用过程中也存在一些问题，主要包括三个方面：
一是光子计数器的动态增益设置。在通常的I-V转换电路中可以通过设置增益的倍数来确定输入电流与输出电压之间的关系，这个放大倍数可以被电路中的电阻所确定，但这个电路的系统带宽是受到与这个电阻匹配的电容的影响的，因此这个电阻一旦被调整好就不应该对其进行进一步的调整，但是为了使用同一台设备测定多种被测物质，这就需要对光子接收装置进行不同的增益调整。
二是对MPPC的工作电压实施动态调整。由于MPPC的特点，MPPC的输出增益与它两端的电压呈线性关系，因此实践中往往需要通过动态地改变这个电压，以达到控制MPPC的输出增益的目的。
三是对MPPC的恒温控制。由于MPPC的光电转换效率受温度的影响较大，因此为了得到一个稳定的光子计数器，需要让MPPC在一个恒温的条件下工作，这就需要对MPPC的工作环境实施恒温控制。
由于MPPC技术进入产品市场应用较晚，因此目前市场上还没有成熟的可用于比较的同类产品及技术方案。
发明内容
为了解决基于MPPC的光子计数器使用过程中存在的问题，本发明提供一种基于MPPC增益可数字化调整的光子计数装置，所述装置能够对光子计数器的增益实施数字化设置，对MPPC的工作电压实施数字化调整，对MPPC的工作环境实施恒温控制，实现使用同一台设备测定具有不同光强的多种被测物质的目的。
为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：
如附图1所示，一种基于MPPC增益可数字化调整的光子计数装置，由高压产生电路、MPPC、I-V转换电路、二级输出增益调整电路、温度采集电路、制冷片驱动电路和半导体制冷片组成。其中，所述高压产生电路和所述二级输出增益调整电路使用I2C总线与外部控制器相连，通过控制器设置光子计数器的输出增益与内部高压输出值；所述高压产生电路的输入端连接外部低压输入，输出端连接所述MPPC输入端；所述MPPC的输出端和所述I-V转换电路的输入端连接；所述I-V转换电路的输出端与所述二级输出增益调整电路连接；所述二级输出增益调整电路的输出端和外部控制器的采样电路相连接。所述温度采集电路的输出端与所述制冷片驱动电路相连接，所述制冷片驱动电路的输出端和所述半导体制冷片连接。
如附图2所示，在所述二级输出增益调整电路中，运算放大器U1被用作MPPC的I-V转换功能；电阻R3确定第一级转换的放大倍数，电容C1用来匹配使用带宽，第一级电路的放大倍数为固定值。运算放大器U2用作第二级的电压放大电路，此电路的运算放大比例是由U14产生的阻值确定的，U14是一个I2C接口的数控电位器。使用外部控制器通过总线设置运算放大倍数，进而确定MPPC转换电路的增益。
如附图3所示，在所述高压产生电路中，U9的作用是提供MPPC高压的电荷泵，此电荷泵通过Pin9（ADJ）上的反馈电压对输出电压进行调整，本发明在这个设置反馈电压的电路中增加一个可数字调整的电位器U11，所述电位器U11用来确定输入至U9的反馈电压，最终确定输出的高压值。
如附图4所示，在光子计数器装置中使用了I2C控制总线的结构，因此在模块温度控制电路中也使用了一个I2C接口的温度传感器。通过I2C总线设置好需要的温度点，当环境温度超过或低于设置的温度区间的时，温度传感器会输出警告信号，通过警告信号控制半导体制冷片驱动电路来改变环境温度，使温度稳定到设定点。
本发明的优点和有益效果为：能够根据测量需求，通过数字方式动态调节光子计数器的输出增益和MPPC的工作电压；能够对MPPC的工作环境实施恒温控制，以保证MPPC的光电转换效率处于稳定状态。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明所述一种基于MPPC增益可数字化调整的光子计数装置的整体结构图。
图中，包括低压输入，高压产生电路，高压输出， MPPC，电流信号， I-V转换电路，电压信号，二级输出增益调整电路，调理后电压， I2C总线，控制器，电压采样电路， SPI总线，温度采集电路，制冷片驱动电路，半导体制冷片。
图2为本发明所述的二级输出增益调整电路图。
图中，U1、U2是运算放大器，R2、R3、R4、R5、R6是电阻，C1是电容，U14是数控电位器。
图3为本发明所述的高压产生电路图。
图中，U9是电荷泵，U11是数控电位器，R1是电阻。
图4为本发明所述的MPPC恒温控制电路图。
图中，包括温度采集电路，光电耦合器，制冷片驱动器，半导体制冷片， I2C总线，控制器。
具体实施方式
实施例
参见图1，一种基于MPPC增益可数字化调整的光子计数装置，由高压产生电路、MPPC、I-V转换电路、二级输出增益调整电路、温度采集电路、制冷片驱动电路和半导体制冷片组成。其中，所述高压产生电路和所述二级输出增益调整电路使用I2C总线与外部控制器相连，通过控制器设置光子计数器的输出增益与内部高压输出值；所述高压产生电路的输入端连接外部低压输入，输出端连接所述MPPC的输入端；所述MPPC的输出端和所述I-V转换电路的输入端连接；所述I-V转换电路的输出端与所述二级输出增益调整电路连接；所述二级输出增益调整电路的输出端和外部控制器的电压采样电路相连接。所述温度采集电路的输出端与所述制冷片驱动电路相连接，所述制冷片驱动电路的输出端和所述半导体制冷片连接。
参见图2，在所述二级输出增益调整电路中，运算放大器U1被用作MPPC的I-V转换功能；电阻R3确定第一级转换的放大倍数，电容C1用来匹配使用带宽，第一级电路的放大倍数为固定值。运算放大器U2用作第二级的电压放大电路，此电路的运算放大比例是由U14产生的阻值确定的，U14是一个I2C接口的数控电位器。使用外部控制器通过I2C总线(10)设置运算放大倍数，进而确定MPPC转换电路的增益。
参见图3，在所述高压产生电路中，U9的作用是提供MPPC高压的电荷泵，此电荷泵通过Pin9（ADJ）上的反馈电压对输出电压进行调整，本发明在这个设置反馈电压的电路中增加一个可数字调整的电位器U11，所述电位器U11用来确定输入至U9的反馈电压，最终确定输出的高压值。
参见图4，在光子计数器装置中使用了I2C控制总线的结构，因此在模块温度控制电路中也使用一个I2C接口的温度传感器，传感器型号为ADT7410。通过I2C总线设置好需要的温度点，当环境温度超过或低于设置的温度区间时，温度传感器ADT7410会输出两个警告信号，通过这两个信号控制半导体制冷片驱动电路来改变环境温度，使温度稳定到设定点。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (1)
1.一种基于MPPC增益可数字化调整的光子计数装置，其特征在于：所述装置由高压产生电路、MPPC、I-V转换电路、二级输出增益调整电路、温度采集电路、制冷片驱动电路和半导体制冷片组成，其中，所述高压产生电路和所述二级输出增益调整电路使用I2C总线与外部控制器相连，通过控制器设置光子计数装置的输出增益与内部高压输出值；所述高压产生电路的输入端连接外部低压输入，输出端连接所述MPPC的输入端；所述MPPC的输出端和所述I-V转换电路的输入端连接；所述I-V转换电路的输出端与所述二级输出增益调整电路连接；所述二级输出增益调整电路的输出端和外部控制器的电压采样电路相连接；所述温度采集电路的输出端与所述制冷片驱动电路相连接，所述制冷片驱动电路的输出端和所述半导体制冷片连接；
运算放大器U1被用作MPPC的I-V转换电路；电阻R3和R4给运算放大器U1提供一个合理的偏置电压，电阻R3确定第一级放大倍数，电容C1用来匹配使用带宽，运算放大器U1的放大倍数为固定值；运算放大器U2用作所述二级输出增益调整电路，此电路的运算放大比例由一个具有I2C接口的数控电位器U14产生的阻值确定，使用外部控制器通过总线设置运算放大器U2的放大倍数，进而确定运算放大器U2的增益；所述运算放大器U1的反相输入端和输出端之间并联有电阻R2，所述电阻R2上并联有电容C1，所述运算放大器U1的反相输入端通过MPPC与75V的VDD连接；所述运算放大器U1的同相输入端连接有电阻R3、R4，所述电阻R3的另一端与VDD连接，所述电阻R4的另一端接地；所述运算放大器U1的输出端与所述运算放大器U2的反相输入端连接，所述运算放大器U2的反相输入端和输出端之间并联有电阻R5，所述电阻R5上并联有数控电位器U14，所述运算放大器U2的同相输入端接地，输出端与电阻R6串联；
在所述高压产生电路中，U9是提供MPPC高压的电荷泵，此电荷泵通过反馈电压对输出电压进行调整，在设置反馈电压的电路中增加一个可数字化调整的电位器U11，通过调节电位器U11改变输入至U9的反馈电压，最终确定输出的高压值；
在光子计数器装置的温度采集电路中使用一个具有I2C接口的温度传感器，通过I2C总线设置好需要的温度点，当环境温度超过或低于设置的温度区间时，所述温度传感器输出警告信号，通过警告信号控制半导体制冷片驱动电路改变环境温度，使温度稳定到设定点。
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