CN108336894A - 一种提高光电倍增管输出信号信噪比的装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高光电倍增管输出信号信噪比的装置及控制方法，提高光电倍增管输出信号信噪比的装置包括有光电倍增管模块、高压电源模块、电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块、显示模块、信号输出模块和CPU模块，CPU模块通过监视显示模块测量的信号波形，对电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块进行控制，通过改变电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块的感抗、容抗和阻抗的默认值，以达到提高光电倍增管输出信号信噪比的目的，控制方法采用CPU模块中的复合算法，有益效果：提高光电倍增管输出信号信噪比。

Description

一种提高光电倍增管输出信号信噪比的装置及控制方法

技术领域

本发明涉及核辐射探测器领域，特别涉及一种提高光电倍增管输出信号信噪比的装置及控制方法。

背景技术

光电倍增管是一种能将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件，广泛的应用于核辐射探测器领域。主要是应用在闪烁探测器上，用于将闪烁晶体转化而来的光子收集起来转化成光电子，并将其倍增放大，作为信号输出。当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子，这些光电子经过多次的二次发射倍增放大，使得在光电倍增管的阳极能收集到大量的电子作为输出信号。若想光电倍增管的输出信号有较大的信噪比，就要求加在光电倍增管阴极与阳极之间的电压十分稳定，纹波更小。而市面上的高压电源均具有不同大小的纹波，会对光电倍增管的输出信号造成干扰，减小信噪比，所以就需要我们在光电倍增管的阴、阳极与高压电源输出端之间设计一种装置并提出一种控制该装置的控制方法，使加在光电倍增管阴、阳两极之间的电压更加稳定，且光电倍增管阳极输出的信号不受高压电源纹波的影响。

发明内容

本发明的目的是为了进一步降低现有高压电源所具有的纹波对光电倍增管输出信号的影响，提高光电倍增管输出信号的信噪比。

本发明提供的一种提高光电倍增管输出信号信噪比的装置包括光电倍增管模块、高压电源模块、电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块、显示模块、信号输出模块和CPU模块，其中光电倍增管模块与高压电源模块相连，高压电源模块与电感模块相连，电感模块与第一电阻模块相连，第一电阻模块与第二电阻模块、第三电阻模块和电容模块相连，第二电阻模块还与光电倍增管模块相连，电容模块与显示模块相连，电容模块还与信号输出模块相连，CPU模块与电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块、显示模块相连。

光电倍增管模块的主体是一个光电倍增管，所述的光电倍增管具有一个光阴极、固定数量的打拿极和一个阳极，按照光阴极、固定数量的打拿极、阳极的顺序排列，在相邻的光阴极与打拿极、打拿极与打拿极、打拿极与阳极之间连有用于分压的电阻，电阻的数量比打拿极的数量多一个，在光阴极与阳极之间连有一个用于稳压的电容，打拿极与阳极之间的电阻和靠近阳极的打拿极与打拿极之间的电阻两端也并联有用于稳压的电容，电容的数量为三个。

高压电源模块是一个电压源，具有正电压接线柱和地接线柱，地接线柱为正电压接线柱输出电压的零电位，正电压接线柱的输出电压为直流正电压。

电感模块为一个数字可编程电感，引出两个感抗值接线柱和一个控制接线柱，在两个感抗值接线柱之间，所述的数字可编程电感容抗值和阻抗值小于感抗的1％，控制接线柱通过接收控制信号，改变两个感抗值接线柱之间的感抗值。

第一电阻模块、第二电阻模块和第三电阻模块为数字电位计，分别引出两个阻抗值接线柱和一个控制接线柱，在两个阻抗值接线柱之间，所述的数字电位计容抗值和感抗值小于阻抗的1％，控制接线柱通过接收控制信号，改变两个阻抗值接线柱之间的阻抗值。

电容模块为一个数字可编程电容器，分别引出两个容抗值接线柱和一个控制接线柱，在两个容抗值接线柱之间，所述的数字可编程电容感抗值和阻抗值小于容抗的1％，控制接线柱通过接收控制信号，改变两个容抗值接线柱之间的容抗值。

高压电源模块正电压接线柱与电感模块的一个感抗值接线柱相连；电感模块的另一个感抗值接线柱与第一电阻模块的一个阻抗值接线柱相连；第一电阻模块的另一个阻抗值接线柱与第二电阻模块的一个阻抗值接线柱相连，还与第三电阻模块的一个阻抗值接线柱，电容模块的一个容抗值接线柱相连。

第二电阻模块的另一个阻抗值接线柱与光电倍增管的阳极相连。

第三电阻模块的另一个阻抗值接线柱与高压电源模块的地接线柱相连。

显示模块具有两个功能，一个功能利用显示模块带有的高速ADC对前面所述的光电倍增管模块、高压电源模块、电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块组成的电路输出的电压信号进行高速且精确的采样和测量，采样频率为100MHz,采样精度为14位；另一个功能是运用一个LED显示屏及配套的显示电路的波形显示，LED显示屏能显示一个波形图，所述的波形图以采样电路所测量到的电压信号的值为纵坐标，以采样时间为横坐标。显示模块引出信号接收接线柱、信号地接线柱和信号输出接线柱。

显示模块的信号接收接线柱与电容模块的另一个容抗值接线柱相连，信号地接线柱与高压电源模块的地接线柱相连。

信号输出模块利用滤波电路和整形电路对前面所述的光电倍增管模块、高压电源模块、电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块组成的电路输出的信号进行整形和滤波，将输出的信号调制成一个标准的脉冲信号，并引出信号输出模块正极和信号输出模块负极，以及信号输出模块的信号输入接线柱和地接线柱，信号输出模块正极和信号输出模块负极用以作为信号的输出端。

信号输出模块的信号输入接线柱与显示模块的信号输出接线柱相连，地接线柱与高压电源模块的地接线柱相连。

CPU模块为整个装置的控制模块，所述的CPU模块集成了复合算法，通过监视显示模块测量的信号波形，对电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块进行控制，通过改变电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块的感抗、容抗和阻抗的默认值，以达到提高光电倍增管输出信号信噪比的目的。所述的CPU模块引出七个接线柱，包括五个控制接线柱、一个信号输入接线柱和一个地接线柱。

CPU模块的五个控制接线柱分别和电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块的控制接线柱相连；信号输入接线柱与显示模块的信号输出接线柱相连；地接线柱与高压电源模块的地接线柱相连。

本发明提供的提高光电倍增管输出信号信噪比的控制方法，其具体方法如下所述：

控制方法采用CPU模块中的复合算法，其具体步骤如下：

步骤一、系统启动时，所述的电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块的感抗值、容抗值和阻抗值均为零。所述的显示模块开始工作，将测量到的信号波形回传给CPU模块，显示模块停止工作；

步骤二、CPU模块对回传的信号波形进行解析，将信号波形中的各种成分解析出来，包括目标信号和其他干扰成分，将解析出的信号和干扰成分作为输入参量输入一个物理模型，所述的物理模型能通过计算给出电感模块感抗值、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块阻抗值，以及电容模块的容抗值的理论值，所述的理论值能使输出的信号波形没有干扰成分，目标信号无损失；

步骤三、CPU模块向电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块发出指令，使电感模块感抗值、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块阻抗值、电容模块容抗值变成CPU模块计算出的理论值；

步骤四、显示模块开始工作，将测量到的信号波形回传给CPU模块；

步骤五、CPU模块发出指令，控制电感模块的感抗值在小于理论值百分之五到大于百分之五之间以理论值的百分之零点一为步长进行调节，将每一个感抗值与测量到的信号波形一一对应，找出使输出的信号波形干扰成分最小，信噪比最高，同时目标信号损失最小的电感模块感抗值，将其设为电感模块感抗值；

步骤六、CPU模块发出指令，控制第一电阻模块的阻抗值在小于理论值百分之五到大于百分之五之间以理论值的百分之零点一为步长进行调节，将每一个阻抗值与测量到的信号波形一一对应，找出使输出的信号波形干扰成分最少，信噪比最高，同时目标信号损失最小的第一电阻模块阻抗值，将其设为第一电阻模块阻抗值；

步骤七、CPU模块发出指令，控制第二电阻模块的阻抗值在小于理论值百分之五到大于百分之五之间以理论值的百分之零点一为步长进行调节，将每一个阻抗值与测量到的信号波形一一对应，找出使输出的信号波形干扰成分最少，信噪比最高，同时目标信号损失最小的第二电阻模块阻抗值，将其设为第二电阻模块阻抗值；

步骤八、CPU模块发出指令，控制第三电阻模块的阻抗值在小于理论值百分之五到大于百分之五之间以理论值的百分之零点一为步长进行调节，将每一个阻抗值与测量到的信号波形一一对应，找出使输出的信号波形干扰成分最少，信噪比最高，同时目标信号损失最小的第三电阻模块阻抗值，将其设为第三电阻模块阻抗值；

步骤九、CPU模块发出指令，控制电容模块的容抗值在小于理论值百分之五到大于百分之五之间以理论值的百分之零点一为步长进行调节，将每一个容抗值与测量到的信号波形一一对应，找出使输出的信号波形干扰成分最少，信噪比最高，同时目标信号损失最小的电容模块的容抗值，将其设为电容模块容抗值；

步骤十、重复以上步骤五至步骤九的过程十次，优化出干扰成分最少，信噪比最高，同时目标信号衰减最小的输出的信号波形。

本发明的工作原理：

运用CPU模块中复合算法的控制方法，通过CPU模块控制电感模块感抗值、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块阻抗值以及电容模块容抗值，进而控制所述的光电倍增管模块、高压电源模块、电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块组成的电路输出信号的波形，再通过显示模块将测量到的信号波形回传给CPU模块。重复上述过程，在一定的循环次数内，最大限度地减小信号波形中的干扰成分，并避免目标信号的损失，以达到降低现有高压电源所具有的纹波对光电倍增管输出信号的影响，提高光电倍增管输出信号的信噪比的目的。

本发明的有益效果：

本发明提供的提高光电倍增管输出信号信噪比的装置通过对容性、感性和阻性器件的有效组合降低了现有高压电源所具有的纹波对光电倍增管输出信号的影响；提高光电倍增管输出信号的信噪比；本发明使用了更加优化的控制方法，通过对所述的电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块的感抗值、容抗值和阻抗值的动态调节，找到最佳的组合方式进一步地提高了光电倍增管输出信号的信噪比。

附图说明

图1为本发明所述的一种提高光电倍增管输出信号信噪比的装置整体结构示意图。

图2为具体实施方式所述的使用了复合算法的一种提高光电倍增管输出信号信噪比的装置的电路图。

1、光电倍增管模块 2、高压电源模块 3、电感模块 4、第一电阻模块 5、第二电阻模块 6、第三电阻模块 7、电容模块 8、显示模块9、信号输出模块 10、CPU模块。

具体实施方式

请参阅图1至图2所示：

在本实施例中，光电倍增管模块1采用滨松R6877A-27，在光电倍增管相邻的光阴极与打拿极、打拿极与打拿极、打拿极与阳极之间连有用于分压的电阻，电阻的数量比打拿极多一个，在光阴极与阳极之间连有用于稳压的电容，打拿极与阳极之间的电阻和靠近阳极的打拿极与打拿极之间的电阻两端也并联有用于稳压的电容，电容的数量为三个。高压电源模块2采用一个输出电压为+1500V的高压电源。电感模块3采用了一个可编程电感，第一电阻模块4、第二电阻模块5、第三电阻模块6均采用一个数字电位计，其中第一电阻模块4为数字电位计1，第二电阻模块5为数字电位计2，第三电阻模块6为数字电位计3，电容模块7采用一个可编程电容，显示模块8采用一个以stm32f103c8t6为核心的LED显示屏，信号输出模块9采用一个带有BNC接头的绝缘板，CPU模块10采用一个stm32f103c8t6最小系统的核心板。

光电倍增管的光阴极与高压电源的GND相连，阳极与数字电位计2的一端相连，高压电源的+1500V输出与可编程电感的一端相连，可编程电感的另一端与数字电位计1的一端相连，数字电位计1的另一端与数字电位计2的另一端、数字电位计3的一端、可编程电容的一端相连，数字电位计3的另一端与高压电源的GND相连。可编程电容的另一端与LED显示屏的信号输入端相连，LED显示屏的信号输出正极与负极分别与BNC接头的正极与负极相连。

Stm32f103c8t6最小系统核心板的五个引脚分别与可编程电感、数字电位计1、数字电位计2、数字电位计3、可编程电容的控制端相连，还有一个引脚与LED显示屏的信号输出端相连。

本发明提供的提高光电倍增管输出信号信噪比的控制方法，其具体方法如下所述：

步骤一、系统启动时，所述的可编程电感、数字电位计1、数字电位计2、数字电位计3、可编程电容的感抗值、阻抗值和容抗值均为零。LED显示屏开始工作，将测量到的信号波形回传给stm32f103c8t6芯片，LED显示屏停止工作；

步骤二、stm32f103c8t6芯片对回传的信号波形进行解析，将信号波形中的各种成分解析出来，包括目标信号和其他干扰成分，将解析出的信号和干扰成分作为输入参量输入一个物理模型，所述的物理模型能通过计算给出可编程电感感抗值、数字电位计1、数字电位计2、数字电位计3的阻抗值，以及可编程电容的容抗值的理论值，所述的理论值能使输出的信号波形没有干扰成分，目标信号无损失；

步骤三、stm32f103c8t6芯片向可编程电感、数字电位计1、数字电位计2、数字电位计3、可编程电容发出指令，使可编程电感感抗值、数字电位计1、数字电位计2、数字电位计3阻抗值、可编程电容容抗值变成stm32f103c8t6芯片计算出的理论值；

步骤四、LED显示屏开始工作，将测量到的信号波形回传给stm32f103c8t6芯片；

步骤五、stm32f103c8t6芯片发出指令，控制可编程电感的感抗值在小于理论值百分之五到大于百分之五之间以理论值的百分之零点一为步长进行调节，将每一个感抗值与测量到的信号波形一一对应，找出使输出的信号波形干扰成分最少，信噪比最高，同时目标信号损失最小的可编程电感感抗值，将其设为可编程电感感抗值；

步骤六、stm32f103c8t6芯片发出指令，控制数字电位计1的阻抗值在小于理论值百分之五到大于百分之五之间以理论值的百分之零点一为步长进行调节，将每一个阻抗值与测量到的信号波形一一对应，找出使输出的信号波形干扰成分最少，信噪比最高，同时目标信号损失最小的数字电位计1阻抗值，将其设为数字电位计1阻抗值；

步骤七、stm32f103c8t6芯片发出指令，控制数字电位计2的阻抗值在小于理论值百分之五到大于百分之五之间以理论值的百分之零点一为步长进行调节，将每一个阻抗值与测量到的信号波形一一对应，找出使输出的信号波形干扰成分最少，信噪比最高，同时目标信号损失最小的数字电位计2阻抗值，将其设为数字电位计2阻抗值；

步骤八、stm32f103c8t6芯片发出指令，控制数字电位计3的阻抗值在小于理论值百分之五到大于百分之五之间以理论值的百分之零点一为步长进行调节，将每一个阻抗值与测量到的信号波形一一对应，找出使输出的信号波形干扰成分最少，信噪比最高，同时目标信号损失更小的数字电位计3阻抗值，将其设为数字电位计3阻抗值；

步骤九、stm32f103c8t6芯片发出指令，控制可编程电容的容抗值在小于理论值百分之五到大于百分之五之间以理论值的百分之零点一为步长进行调节，将每一个容抗值与测量到的信号波形一一对应，找出使输出的信号波形干扰成分最少，信噪比最高，同时目标信号损失最小的可编程电容容抗值，将其设为可编程电容容抗值；

步骤十、重复以上步骤五至步骤九的过程十次，优化出直干扰成分最少，信噪比最高，同时目标信号衰减最小的输出的信号波形。

Claims (8)

1.一种提高光电倍增管输出信号信噪比的装置，其特征在于：包括有光电倍增管模块、高压电源模块、电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块、显示模块、信号输出模块和CPU模块。

2.根据权利要求1所述的一种提高光电倍增管输出信号信噪比的装置，其特征在于：其中光电倍增管模块与高压电源模块相连，高压电源与电感模块相连，电感模块与第一电阻模块相连，第一电阻模块与第二电阻模块、第三电阻模块和电容模块相连，第二电阻模块与光电倍增管模块相连，电容模块与显示模块相连，显示模块与信号输出模块相连。

3.根据权利要求1所述的一种提高光电倍增管输出信号信噪比的装置，其特征在于：电感模块为一个数字可编程电感，所述的数字可编程电感容抗值和阻抗值小于感抗的1％。

4.根据权利要求1所述的一种提高光电倍增管输出信号信噪比的装置，其特征在于：第一电阻模块、第二电阻模块和第三电阻模块为数字电位计，所述的数字电位计容抗值和感抗值小于阻抗的1％。

5.根据权利要求1所述的一种提高光电倍增管输出信号信噪比的装置，其特征在于：电容模块为一个数字可编程电容器，所述的数字可编程电容感抗值和阻抗值小于容抗的1％。

6.根据权利要求1所述的一种提高光电倍增管输出信号信噪比的装置，其特征在于：CPU模块与电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块、显示模块相连。

7.根据权利要求2或6所述的一种提高光电倍增管输出信号信噪比的装置，其特征在于：CPU模块为整个装置的控制模块，所述的CPU模块集成了复合算法，通过监视显示模块测量的信号波形，对电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块进行控制，通过改变电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块的感抗、容抗和阻抗的默认值，以达到提高光电倍增管输出信号信噪比的目的。

8.一种提高光电倍增管输出信号信噪比的装置的控制方法，其特征在于：

其具体方法如下所述：

步骤一、系统启动时，所述的电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块的感抗值、容抗值和阻抗值均为零；所述的显示模块开始工作，将测量到的信号波形回传给CPU模块，显示模块停止工作；

步骤二、CPU模块对回传的信号波形进行解析，将信号波形中的各种成分解析出来，包括目标信号和其他干扰成分，将解析出的信号和干扰成分作为输入参量输入一个物理模型，所述的物理模型能通过计算给出电感模块感抗值、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块阻抗值，以及电容模块的容抗值的理论值，所述的理论值能使输出的信号波形没有干扰成分，目标信号无损失；

步骤三、CPU模块向电感模块、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块、电容模块发出指令，使电感模块感抗值、第一电阻模块、第二电阻模块、第三电阻模块阻抗值、电容模块容抗值变成CPU模块计算出的理论值；

步骤四、显示模块开始工作，将测量到的信号波形回传给CPU模块；

步骤五、CPU模块发出指令，控制电感模块的感抗值在小于理论值百分之五到大于百分之五之间以理论值的百分之零点一为步长进行调节，将每一个感抗值与测量到的信号波形一一对应，找出使输出的信号波形干扰成分最小，信噪比最高，同时目标信号损失最小的电感模块感抗值，将其设为电感模块感抗值；

步骤六、CPU模块发出指令，控制第一电阻模块的阻抗值在小于理论值百分之五到大于百分之五之间以理论值的百分之零点一为步长进行调节，将每一个阻抗值与测量到的信号波形一一对应，找出使输出的信号波形干扰成分最少，信噪比最高，同时目标信号损失最小的第一电阻模块阻抗值，将其设为第一电阻模块阻抗值；

步骤七、CPU模块发出指令，控制第二电阻模块的阻抗值在小于理论值百分之五到大于百分之五之间以理论值的百分之零点一为步长进行调节，将每一个阻抗值与测量到的信号波形一一对应，找出使输出的信号波形干扰成分最少，信噪比最高，同时目标信号损失最小的第二电阻模块阻抗值，将其设为第二电阻模块阻抗值；

步骤八、CPU模块发出指令，控制第三电阻模块的阻抗值在小于理论值百分之五到大于百分之五之间以理论值的百分之零点一为步长进行调节，将每一个阻抗值与测量到的信号波形一一对应，找出使输出的信号波形干扰成分最少，信噪比最高，同时目标信号损失最小的第三电阻模块阻抗值，将其设为第三电阻模块阻抗值；

步骤九、CPU模块发出指令，控制电容模块的容抗值在小于理论值百分之五到大于百分之五之间以理论值的百分之零点一为步长进行调节，将每一个容抗值与测量到的信号波形一一对应，找出使输出的信号波形干扰成分最少，信噪比最高，同时目标信号损失最小的电容模块的容抗值，将其设为电容模块容抗值；

步骤十、重复以上步骤五至步骤九的过程十次，优化出干扰成分最少，信噪比最高，同时目标信号衰减最小的输出的信号波形。