CN113639862B - 一种光子数标定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光子数标定装置及方法。本方法为：1)利用光电探测器采集目标光分布场中的光信号，并将其转换成电信号后发送给前端模拟读出电子学电路；2)前端模拟读出电子学电路从收到的电信号中读出光电探测器中各独立光电器件输出的电信号传输给数据采集卡；温度传感器采集光电器件的温度信息并发送给数据采集卡；3)数据采集卡对收到的电信号进行波形采样数字化后发送给数据处理单元，以及对收到的温度信息进行数字化后发送给数据处理单元；4)数据处理单元根据收到的温度信息及对应光电器件的温度系数计算出各光电器件的工作电压；以及根据波形采样数字化后的信号计算出目标光分布场中的光子数。
Description
技术领域
本发明属于粒子探测技术领域，涉及一种光强度标定方法，尤其涉及一种光子数标定装置及方法。
背景技术
光电探测器利用光电效应或电离碰撞原理将光子转换成电信号，进一步通过信号放大处理与数字化技术实现对光子数的测量。对于高能物理、核物理、宇宙线物理、核医学等领域中的闪烁探测器和切伦科夫探测器而言，闪烁体或切伦科夫辐射体输出的光子数与入射粒子的能量相关。因此，如果已知闪烁体或切伦科夫辐射体的光输出，那么对光子数的绝对测量意味着对高能粒子能量的绝对测量；如果已知入射粒子能量，那么对光子数的绝对测量意味着对闪烁体或切伦科夫辐射体光输出的绝对测量。
对于光子数的绝对测量，目前最普遍也最常用的技术是单光电子做比法。但对于很多光电探测器阵列尤其是大面积探测器阵列而言，单电子测量能力与大面积、高动态测量范围无法兼容，因此从应用设计和集成度的角度考虑可能会放弃单光电子测量，而是将大面积光电探测器阵列放置于一个已知光分布场中，对其进行光子数测量能力标定。因此，已知光密度的光分布场对于光电探测器的标定至关重要。
而对于标定用的光布分场的光密度测量，则亟需一种高精度、高稳定性的绝对光子数测量方法及装置。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种光子数标定装置及方法。本发明所涉及的绝对光子数标定方法及装置以光电转换探测器件(如PMT、PD、APD或SiPM)作为光传感器，自行设计低噪声、高增益前端模拟电子学读出电路为模拟信号读出、放大电路，以高精度波形采样技术实现模拟脉冲信号的数字化和波形采样，结合光源-探测器电子学时间符合触发模式降低单光电子信号采集过程中的噪声误触发概率，最终获取了分辨良好的光电子谱。
本发明的技术方案为：
一种光子数标定装置，其特征在于，包括光电探测器、温度补偿回路、前端模拟读出电子学电路、数据采集卡和数据处理单元；所述温度补偿回路包括用于采集所述光电探测器温度信息的温度传感器、可编程电源；其中，
所述光电探测器，用于采集目标光分布场中的光信号，并将其转换成电信号后发送给所述前端模拟读出电子学电路；
所述前端模拟读出电子学电路，用于读出所述光电探测器中各独立光电器件输出的电信号，并对所述电信号放大处理后传输给所述数据采集卡；每一光电器件设置一所述温度传感器；
所述温度传感器，用于采集所述光电器件的温度信息并发送给所述数据采集卡；
所述数据采集卡，用于对收到的所述电信号进行波形采样数字化后发送给所述数据处理单元，以及对收到的所述温度信息进行数字化后发送给所述数据处理单元；
所述数据处理单元，用于根据收到的温度信息及对应光电器件的温度系数计算出各光电器件的工作电压，并将当前计算所得工作电压写入所述可编程电源以调整对应光电器件的电压；以及根据波形采样数字化后的信号计算出该目标光分布场中的光子数。
进一步的，所述光电探测器为由多个光电器件构成的光探测阵列。
进一步的，所述数据采集卡工作在光源时间符合触发模式；其中所述LED光源内部的驱动卡在发出一个驱动所述LED光源发光的信号时，同步发出一个触发所述数据采集卡进行波形采样数字化处理的信号。
进一步的，所述数据采集卡根据光电器件的温度T和光电器件的温度补偿系数(VT)计算出对应光电器件的工作电压V_T＝V_T0+VT*(T-T0)；其中，获取所述温度补偿系数VT的方法为：将光子数标定装置工作在温度控制箱中且测试光电子谱，控制温度控制的箱温度从-30℃至40℃进行变化，获取光子数标定装置的单光电子增益G，线性拟合G随温度T的变化关系GT＝△G/△T；再测量光电器件单光电子增益G随工作电压的关系GV＝△G/△V，再利用GT/GV获取光电器件的温度补偿系数VT＝△V/△T。
进一步的，所述数据处理单元首先根据波形采样数字化后的信号计算得到光电子谱，然后利用所述光电子谱中各光电子峰的间距得到标定装置的单光电子绝对增益G，再根据所述单光电子绝对增益G、光电器件的光电转换效率PDE、该目标光分布场中入射到标定装置光接收面的光子在标定装置上响应出的电荷信号Q，计算出光分布场中的光子数Nphoton。
进一步的，所述数据处理单元根据脉冲波形的有效宽度自主调整波形积分宽度，其方法为：数据采集卡将脉冲波形按照4ns的时间间隔进行采样、单次采样时间为2μs；然后根据脉冲波形的最高点所在时间点t0及脉冲上升时间t_up、脉冲下降时间t_down确定脉冲积分时间区间：t0-t_up至t0+t_down。
一种光子数标定方法，其特征在于，包括步骤：
1)利用光电探测器采集目标光分布场中的光信号，并将其转换成电信号后发送给前端模拟读出电子学电路；
2)所述前端模拟读出电子学电路从收到的所述电信号中读出所述光电探测器中各独立光电器件输出的电信号，并对其放大处理后传输给所述数据采集卡；每一光电器件设置一所述温度传感器；所述温度传感器采集所述光电器件的温度信息并发送给所述数据采集卡；
3)所述数据采集卡对收到的所述电信号进行波形采样数字化后发送给所述数据处理单元，以及对收到的所述温度信息进行数字化后发送给所述数据处理单元；
4)所述数据处理单元根据收到的温度信息及对应光电器件的温度系数计算出各光电器件的工作电压，并将当前计算所得工作电压写入所述可编程电源以调整对应光电器件的电压；以及根据波形采样数字化后的信号计算出该目标光分布场中的光子数。
利用光电子谱(光电子数一般小于10)中各光电子峰的间距得到标定装置的绝对增益G，再根据标定装置的单光电子绝对增益G、光电器件的光电转换效率PDE、光分布场中入射到标定装置光接收面的光子在标定装置上响应出的电荷信号Q(ADC count或库仑)计算出光分布场中的光子数Nphoton(见公式1)。
为实现探测器在不同环境温度下良好的工作稳定性，本发明以温度传感器及可编程电源为基础，为标定装置内部建立了远程可控、环境自适应的温度补偿回路。本发明将多个独立的光电器件拼合成一个大面积光探测阵列，以提高标定探测器的光接收面积；在供电端添加隔离滤波设计、在信号输出端独立读出的前端模拟读出电子学电路，以降低大面积光探测阵列的串扰噪声；考虑探测器及电子学基线变化对单光电子峰位置的影响，本发明以1p.e、2p.e、3p.e…的间距作为标定装置的单光电子增益；最后，本标定装置以便携式光探测设备呈现，便于携带和变换场地使用。
本标定装置及方法包括光电器件(包含PMT、PD、APD、SiPM等几种选择)、前端模拟电子学读出电路、数据采集卡、温度补偿回路、便携式机械箱体，光源时间符合触发模式以及峰间距测探测器绝对增益方式。其中：
标定装置所用的光电器件在接收采集到目标光分布场中的光信号后，通过光电效应或电离碰撞将光信号转换成电信号；本发明将多个独立的光电器件拼合成一个大面积光探测阵列，以提高标定探测器的光接收面积；同时在供电端添加隔离滤波设计、在信号输出端独立读出的前端模拟读出电子学电路，以降低大面积光探测阵列的串扰噪声。
前端模拟读出电子学电路独立读出各独立光电器件输出的电信号，并经过低噪声、高带宽、大增益放大处理后传输给数据采集卡。
多通道数据采集卡接收前端电子学传输的电脉冲信号并进行波形采样数字化、接收温度传感器读回的温度信息并进行数字化。本发明设计数据采集卡工作在光源时间符合触发模式，以避免在标定装置在采集单光电子弱信号时被噪声误触发、从而降低标定测量噪声本底。为保证光源时间符合触发模式，LED光源内部的驱动卡在发出一个驱动LED光源发光的信号时，也会同步发出一个信号去触发标定装置内部的数据采集卡，这种数据采集设计方案可以使标定装置在采集信号尤其是单光电子信号时提高信噪比、降低被噪声误触发的概率，优化光电子谱的信号分辨。这种时间符合技术在探测器时间分辨测量和飞行时间探测器测量飞行时间时会有用到，也会在两个探测器时间符合测量有效信号用到，但利用光源触发探测设备以提高有效触发率这种方法为本发明首次提出。
温度补偿回路基于温度传感器、数据处理单元以及可编程电源建立，功能是在温度变化时，保障光电器件性能的稳定性(如增益、光探测效率等；。数据处理单元根据温度传感器读回的温度和光电器件的温度系数计算出光电器件与温度相适应的工作电压，并将该新电压值写入可编程电源以调整光电器件的电压。SiPM电压随温度的调整同样可依托于温度传感器、可编程电源及电子学FPGA完成。
便携式机械箱体将光电器件、前端电子学、数据采集卡、温度补偿回路及配套线缆附件等部件集成装载为一个手提式便携设备，便于携带、更换工作场地甚至是野外工作。
本发明的绝对标定装置前端电子学、温度补偿回路及光电器件工作读出原理图如图2所示，温度补偿回路中，温度传感器实时测量光电器件温度T并将温度T通过数据采集卡传输至计算机终端，数据处理单元(基于CVI自行编写)根据温度T和光电器件的温度补偿系数(VT)计算出新的工作电压V_T；V_T＝V_T0+VT*(T-T0)；其中，T0是光电器件的出厂性能检测温度(一般为20℃或25℃)，V_T0为T0时对应的工作电压；关于光电器件的温度补偿系数VT的获取，是让标定装置工作在温度控制箱中且测试光电子谱，改变温箱温度从-30℃至40℃，获取标定装置的单光电子增益G，线性拟合G随温度T的变化关系GT＝△G/△T；再测量光电器件单光电子增益G随工作电压的关系GV＝△G/△V，再利用GT/GV获取光电器件的温度补偿系数VT＝△V/△T(本发明中补偿系数VT获取方式是利用单光电子增益测量的，而不是利用LED信号，因此可以规避LED光源的温度效应等稳定性问题)。光电器件工作读出电路用于光子打到光电器件表面后，将会通过光电器件转换为电流脉冲信号，该电流信号在光电器件阳极经电阻RL转换为电压脉冲信号传输与模拟放大电路。模拟放大电路用于放大处理光电器件输出的电脉冲信号，增大信号幅度、优化信噪比以及提高信号在后续传输处理过程中的抗干扰能力。经模拟放大电路处理后的信号将传输至数据采集卡进行触发甄别以及数字化，最终传输至计算机数据处理单元。
前端模拟读出电子学电路光电器件将光信号转换成电信号后，在光电器件的工作回路中将会有电流脉冲信号。前端电子学通过电阻RL将电流脉冲转换成电压脉冲，再通过电压深度正反馈电路对信号放大(电压反馈放大比电流反馈放大具有更好的信噪比；正反馈放大比负反馈放大具有更佳的噪声压制效果)，在经过电阻Ro源端匹配(消除信号反射)及电容Co旁路去耦滤波后，传输至数据采集卡。同时电路芯片选型为低噪声高带宽运算放大器，在PCB布局设计中，将该芯片放置区域设为无属性、不敷铜属性，以将电路中的寄生电容最小化，提高电路稳定性和消除带宽限制。
在计算机终端的信号处理算法中，根据脉冲波形的有效宽度自主调整波形积分宽度、降低本底噪声影响；通过改变脉冲积分宽度研究光电器件后脉冲对初始光信号的测量；通过拟合光电子谱中各光电子峰的间距来测量标定装置的绝对增益，消除了探测器自身电子学基线高低对单光电子信号测量精度的影响；得到绝对增益后，需要根据该增益对光场进行标定。其中利用改变脉冲积分宽度来研究光电器件中后脉冲对光信号的测量影响是本发明首次提出的；改变脉冲积分区间宽度后，同步计算单光电子谱下的绝对增益及同一光信号的测量结果，可以获取后脉冲对光信号的测量结果影响以及粗略的后脉冲时间信息。数据采集卡将脉冲波形按照4ns的时间间隔进行采样、单次采样时间为2μs并将数据传回计算机。积分方式：计算机根据脉冲波形的最高点所在时间点t0，及脉冲上升时间t_up、脉冲下降时间t_down确定脉冲积分时间区间：t0-t_up至t0+t_down。而t0的确定由寻脉冲波形最大值结合LED光源的发光频率确定，如果光源发光周期随机，则只通过寻脉冲波形最高点的方式确定。在发明方法中，主要使用发光周期规律的LED光源，但也兼容发光周期不随机的光源；对于脉冲积分区间的确定以及脉冲波形积分，均通过在计算机终端编写程序实现。
本发明的优点如下：
本发明所涉及标定装置将多个光电器件拼合在一起，结合信号独立读出设计和电源供电端隔离滤波设计，在降低噪声串扰的前提下提高了光电探测器的有效光探测面积；
温度补偿回路的设计使得本标定装置(尤其是采用半导体型光电器件时)能在环境温度变化时依然保持良好的工作稳定性；
自行设计低噪声、高增益前端电子学为模拟信号读出、放大电路，以高精度波形采样数据采集卡实现模拟脉冲信号的数字化和波形采样，结合光源-探测器电子学时间符合触发模式降低单光电子信号测量过程中的噪声误触发概率，最终获取了单光电子分辨良好的光电子谱；
在计算机终端的信号处理算法中，根据脉冲波形的有效宽度自主调整波形积分宽度、降低本底噪声影响；通过改变脉冲积分宽度研究光电器件后脉冲对初始光信号的测量；通过拟合光电子谱各光电子峰的间距来测量标定装置的绝对增益，消除了探测器自身电子学基线高低对单光电子信号测量精度的影响。
附图说明
图1为绝对光子数标定装置工作框图。
图2为绝对标定装置前端电子学、温度补偿回路及光电器件工作读出原理图；
其中，1-温度补偿回路，2-光电器件工作读出电路，3-前端模拟电子学读出电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
假定上述光电器件为硅光电倍增管(SiPM)，假定9片SiPM拼合成3*3光探测阵列，假定SiPM的光子探测效率(PDE)已知。以下是本光子数标定装置研制的具体实施形式：
9片SiPM拼成3*3光电转换阵列，整体有效光探测面积为15mm*15mm；为避免SiPM之间的噪声串扰，在共电源端，为每片SiPM之间添加了滤波电路隔离设计；每片SiPM在被光子击中后的电脉冲信号经由独立的模数电子学通道进行读出、放大成形处理和数字化波形采样。
温度补偿回路由温度传感器、数据处理单元、可编程电源组成。数据处理单元根据温度传感器读回的温度和光电器件的温度系数计算出光电器件与温度相适应且保持其增益不变的工作电压，并将该新电压值写入可编程电源以调整光电器件的电压。温度补偿时间间隔根据与温度变化速率调整，一般为30s一次；但不仅限于这种补偿时间频次，例如可以在标定装置被触发“唤醒”时进行补偿且每次唤醒持续时间不得大于一定时间(如30s)。可编程电源与计算机之间的通讯为TCP/IP协议但不仅限于TCP/IP协议，温度传感器数据读回为数据采集卡传输但不仅限于数据采集卡传输。
便携式机械箱体将光电器件、前端电子学、数据采集卡、温度补偿回路及配套线缆附件等部件集成装载为一个手提式便携设备，便于携带、更换工作场地甚至是野外工作。
光源驱动装置在驱动光源发光后，会延迟一定时间或同步发出一个触发信号去唤醒标定装置进行数据采集，以避免标定装置对噪声误采集。同时相较于过阈触发模式而言，本发明所涉及的触发模式更适用于小信号在一定本底噪声下的有效触发。
在对光源的光分布场进行标定过程中，先通过调弱光源，使在一个电子学周期内被标定装置采集到的光电子数<＝5个；通过拟合光电子谱中1p.e、2p.e、3p.e、4p.e、5p.e峰的峰间距，再结合SiPM已知的光子探测效率PDE，以获取标定装置的光子测量增益G。再将光源调制正常使用或待标定状态，利用增益G对光源在空间中光分布场的光子数Nphoton进行标定。
光电器件接收到光信号后，将输出电荷信号，电荷信号经前端模拟电子学处理后传输至数据采集卡进行数字化，最终传输至计算机的脉冲波形积分面积即为Q；在计算机终端的信号处理算法中，根据脉冲波形的有效宽度自主调整波形积分宽度、降低本底噪声影响；通过改变脉冲积分宽度研究光电器件后脉冲对初始光信号的测量。
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种光子数标定装置，其特征在于，包括光电探测器、温度补偿回路、前端模拟读出电子学电路、数据采集卡和数据处理单元；所述温度补偿回路包括用于采集所述光电探测器温度信息的温度传感器、可编程电源；其中，
所述光电探测器，用于采集目标光分布场中的光信号，并将其转换成电信号后发送给所述前端模拟读出电子学电路；
所述前端模拟读出电子学电路，用于读出所述光电探测器中各独立光电器件输出的电信号，并对所述电信号放大处理后传输给所述数据采集卡；每一光电器件设置一所述温度传感器；
所述温度传感器，用于采集所述光电器件的温度信息并发送给所述数据采集卡；
所述数据采集卡，用于对收到的所述电信号进行波形采样数字化后发送给所述数据处理单元，以及对收到的所述温度信息进行数字化后发送给所述数据处理单元；
所述数据处理单元，用于根据收到的温度信息及对应光电器件的温度系数计算出各光电器件的工作电压，并将当前计算所得工作电压写入所述可编程电源以调整对应光电器件的电压；以及根据波形采样数字化后的信号计算出该目标光分布场中的光子数。
2.如权利要求1所述的光子数标定装置，其特征在于，所述光电探测器为由多个光电器件构成的光探测阵列。
3.如权利要求1所述的光子数标定装置，其特征在于，所述数据采集卡工作在光源时间符合触发模式；其中LED光源内部的驱动卡在发出一个驱动LED光源发光的信号时，同步发出一个触发所述数据采集卡进行波形采样数字化处理的信号。
4.如权利要求1所述的光子数标定装置，其特征在于，所述数据采集卡根据光电器件的温度T和光电器件的温度补偿系数VT计算出对应光电器件的工作电压V_T＝V_T0+VT*(T-T0)；其中，获取所述温度补偿系数VT的方法为：将光子数标定装置工作在温度控制箱中且测试光电子谱，控制温度控制的箱温度从-30℃至40℃进行变化，获取光子数标定装置的单光电子增益G，线性拟合G随温度T的变化关系GT＝△G/△T；再测量光电器件单光电子增益G随工作电压的关系GV＝△G/△V，再利用GT/GV获取光电器件的温度补偿系数VT＝△V/△T。
5.如权利要求1～4任一所述的光子数标定装置，其特征在于，所述数据处理单元首先根据波形采样数字化后的信号计算得到光电子谱，然后利用所述光电子谱中各光电子峰的间距得到标定装置的单光电子绝对增益G，再根据所述单光电子绝对增益G、光电器件的光电转换效率PDE、该目标光分布场中入射到标定装置光接收面的光子在标定装置上响应出的电荷信号Q，计算出光分布场中的光子数Nphoton。
6.如权利要求1～4任一所述的光子数标定装置，其特征在于，所述数据处理单元根据脉冲波形的有效宽度自主调整波形积分宽度，其方法为：数据采集卡将脉冲波形按照4ns的时间间隔进行采样、单次采样时间为2μs；然后根据脉冲波形的最高点所在时间点t0及脉冲上升时间t_up、脉冲下降时间t_down确定脉冲积分时间区间：t0-t_up至t0+t_down。
7.一种基于权利要求1～6任一所述光子数标定装置的光子数标定方法，其特征在于，包括步骤：
1)利用光电探测器采集目标光分布场中的光信号，并将其转换成电信号后发送给前端模拟读出电子学电路；
2)所述前端模拟读出电子学电路从收到的所述电信号中读出所述光电探测器中各独立光电器件输出的电信号，并对其放大处理后传输给所述数据采集卡；每一光电器件设置一所述温度传感器；所述温度传感器采集所述光电器件的温度信息并发送给所述数据采集卡；
3)所述数据采集卡对收到的所述电信号进行波形采样数字化后发送给所述数据处理单元，以及对收到的所述温度信息进行数字化后发送给所述数据处理单元；
4)所述数据处理单元根据收到的温度信息及对应光电器件的温度系数计算出各光电器件的工作电压，并将当前计算所得工作电压写入所述可编程电源以调整对应光电器件的电压；以及根据波形采样数字化后的信号计算出该目标光分布场中的光子数。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述数据处理单元首先根据波形采样数字化后的信号计算得到光电子谱，然后利用所述光电子谱中各光电子峰的间距得到标定装置的单光电子绝对增益G，再根据所述单光电子绝对增益G、光电器件的光电转换效率PDE、该目标光分布场中入射到标定装置光接收面的光子在标定装置上响应出的电荷信号Q，计算出光分布场中的光子数Nphoton。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述数据处理单元根据脉冲波形的有效宽度自主调整波形积分宽度，其方法为：数据采集卡将脉冲波形按照4ns的时间间隔进行采样、单次采样时间为2μs；然后根据脉冲波形的最高点所在时间点t0及脉冲上升时间t_up、脉冲下降时间t_down确定脉冲积分时间区间：t0-t_up至t0+t_down。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述数据采集卡工作在光源时间符合触发模式；其中LED光源内部的驱动卡在发出一个驱动LED光源发光的信号时，同步发出一个触发所述数据采集卡进行波形采样数字化处理的信号。
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