CN203116857U

CN203116857U - 一种适用于mppc的高速门模式探测电路

Info

Publication number: CN203116857U
Application number: CN 201320071148
Authority: CN
Inventors: 孔伟斌; 梁焰; 王致远; 任旻; 王晓萌; 黄建华; 赵冬燕; 吴光; 曾和平
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2023-02-07

Abstract

本实用新型公开了一种适用于MPPC的高速门模式探测电路，涉及MPPC偏置电路、正弦门模块和信号提取模块，所述MPPC偏置电路由MPPC与直流偏置电压、限流电阻以及取样电阻串联组成，所述正弦门模块与MPPC的阴极相连，所述信号提取模块与MPPC的阳极相连；其中正弦门模块的正弦波门控脉冲能够快速的控制所述MPPC在雪崩模式和线性模式之间切换，信号提取模块可以最大程度地保留雪崩信号的完整性，得到携带光子数信息的雪崩信号。本实用新型的优点是，克服了传统被动抑制模式电路探测速率低，后脉冲效应大的缺点，并且改善了以往门探测模式下雪崩信号谐波失真的问题，可以应用于光子数可分辨探测等弱光探测领域，能有效提高MPPC分辨光子数的能力。

Description

一种适用于MPPC的高速门模式探测电路

技术领域

本实用新型涉及灵敏光电探测技术，具体涉及一种适用于MPPC的高速门模式探测电路。

背景技术

在灵敏光电探测领域，基于光电倍增管（PMT）及雪崩光电二极管（APD）探测器的研究已取得的了非常大的进展。近几年，尤其是基于雪崩光电二极管的探测器可以实现单光子水平的探测，极大的提高了灵敏光电探测的应用领域。

单个雪崩光电二极管，例如硅-雪崩光电二极管（Si APD），当其偏置电压超过雪崩击穿电压时，APD就工作在盖格模式，单个光子激发的光生载流子能够导致自持性的雪崩，经后端电路对雪崩脉冲的提取放大，即可得到对应单个光子的雪崩信号，实现对单个光子的探测。对于单个工作在盖格模式下APD，由多个光子同时到达激发的雪崩信号幅度与单个光子激发的雪崩幅度几乎一样，不能用现有的科学仪器测量和区分，难以实现光子数可分辨探测。

多像素光子计数器（MPPC）是一种M×N的两维的Si APD阵列，这些Si APD具有共同的阴极与阳极输出。当MPPC两端偏置电压超过它们的击穿电压，这些Si APD就工作在盖格模式，每个Si APD在接收到光子时，都可能被激发而产生自持性的雪崩，形成宏观雪崩电流脉冲，可以被传统的电流检测电路检测到，所以工作在盖格模式的MPPC是一个拥有M×N个Si APD的多像素单光子探测器。因为MPPC中所有的Si APD结构上共阴极和阳极输出，当多个光子同时入射到不同的MPPC上时，这些Si APD产生的雪崩电流最终线性叠加输出，雪崩脉冲幅度与发生自持雪崩的Si APD数量成正比，所以通过鉴别MPPC的雪崩脉冲幅度可以分辨到达MPPC上的光子数，实现光子数可分辨探测。这种光子数可分辨特性使得MPPC在随机数产生，荧光探测，目标物漫反射率探测及光子计数激光测距技术等应用上有很大前景。

为了实现光子数可分辨，MPPC需要能够抑制入射光子所产生的自持雪崩的探测电路，避免烧坏器件。一般采用被动抑制电路，即MPPC与一个限流大电阻串联，当MPPC中的任意一个或多个Si APD发生雪崩时，会产生较大的雪崩电流，雪崩电流流过限流大电阻形成压降，使得加载在MPPC两端的偏置电压降低，进而抑制了雪崩，此刻偏置电压低于MPPC的击穿电压，MPPC上所有的Si APD离开盖格模式，因此在抑制过程中MPPC不能探测光子。随着雪崩电流的不断减小，大电阻两端的压降也随之降低，MPPC的偏置电压又恢复到雪崩前的状态，可以再次探测单光子。提取出来的雪崩信号再经过后端放大，得到放大后适合用于数模转换的信号。经过模拟信号转换到数字信号，就可以读出对应的光子数，实现光子数可分辨探测。

上述被动抑制模式，MPPC的恢复时间是由限流大电阻和MPPC的结电容及分布电容所决定，电阻越大，雪崩抑制效果越好，但是所需的恢复时间也越久，通常电阻的取值在数十千欧姆量级，恢复时间在微秒量级，因此，被动模式下单光子探测速率非常低，通常低于1MHz。另外，被动抑制电路中，因为雪崩持续时间长，所以MPPC的后脉冲效应较为严重。这个模式的不足之处就是，探测速率慢，后脉冲大，死时间长，阻碍了应用发展。

发明内容

本实用新型的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种适用于MPPC的高速门模式探测电路，该探测电路内正弦门模块通过采用正弦门探测模式控制MPPC对弱光信号的探测，通过采用信号提取模块来提取雪崩信号，以实现高速的MPPC光子数可分辨探测，改进被动模式探测速率低，后脉冲效应大的不足。

本实用新型目的实现由以下技术方案完成：

一种适用于MPPC的高速门模式探测电路，涉及MPPC偏置电路，所述MPPC偏置电路由所述MPPC与直流偏置电压、限流电阻以及取样电阻串联组成，其特征在于所述探测电路由正弦门模块和信号提取模块组成，所述正弦门模块与所述MPPC的阴极相连，所述信号提取模块与所述MPPC的阳极相连。

所述正弦门模块包括正弦波发生器、与所述正弦波发生器相连的信号放大器以及与所述信号放大器相连的带阻滤波器，所述带阻滤波器与所述MPPC的阴极相连。

所述信号提取模块包括两级低通滤波器以及与所述两级低通滤波器相连的放大器，所述两级低通滤波器经所述取样电阻与所述MPPC的阳极相连。

本实用新型的优点是，将正弦门探测技术应用于MPPC，正弦门正向峰脉冲使MPPC具有灵敏探测能力，而负向脉冲实现“抑制”的功能；不但降低了探测器的恢复时间使得高速探测成为可能，并且提高了探测器在高速工作时的光子数分辨能力；由于正弦波的频谱成分单一，引入的额外噪声小，故正弦门的使用更为后续信号处理提供了方便，整体提高了系统的信噪比；采用低通滤波器取代带阻滤波器，尽量减小了谐波失真问题，保证了雪崩电信号的完整性，进一步的提高了光子数分辨能力。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图；

图2为本实用新型的MPPC阴极的信号示意图；

图3为本实用新型的电路实例图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本实用新型的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例：如图1所示，本实施例具体为一种适用于多像素光子计数器（MPPC）的高速门模式探测电路，涉及MPPC偏置电路，该MPPC偏置电路由MPPC与直流偏置电压、限流电阻R1以及取样电阻R2串联组成，该探测电路采用正弦门模式探测电路，主要由正弦门模块和信号提取模块组成，该正弦门模块与MPPC的阴极相连，该信号提取模块与MPPC的阳极相连。

正弦波门模块，其中包括正弦波发生器U0、信号放大器U1、带阻滤波器U2，各元件依次串联。正弦波发生器U0产生正弦波，通过放大器U1放大后，再经过带阻滤波器U2滤除边带和谐波噪声，得到具有一定幅度频率的正弦波信号，耦合在直流偏置上，加载到MPPC阴极。正弦门的正向峰瞬间提高了MPPC的偏置电压，使其中的Si APD(硅-雪崩光电二极管)超过击穿电压，因此只有在正弦门正向峰脉冲时间内MPPC才处于盖格模式，而其在负向脉冲时候MPPC的偏压瞬间被拉低，实现“湮灭”的功能，使得后脉冲快速的抑制，转到线性探测模式，等正向脉冲到来时，又快速恢复到雪崩探测模式工作，这使得暗计数和后脉冲大大的降低。

信号提取模块，其中包括两级低通滤波器(即低通滤波器U3和U4)、放大器U5，各元件依次串联。MPPC工作在雪崩模式下，在有光子激发MPPC产生雪崩信号后，取样电阻R1提取出信号，经两级低通滤波器除去MPPC电容噪声后，经放大器放大，得到雪崩信号，实现光子数可分辨探测。

首先，加载在MPPC两端的直流偏压小于其击穿电压，在光子到达的时刻，同步产生一个正弦波正向探测门脉冲，交流耦合至MPPC的阴极，抬高MPPC两端电压至雪崩电压之上。在这种模式下，正弦波正向脉冲瞬间提高了MPPC的偏置电压，使其超过击穿电压，因此只有在门脉冲内MPPC才处于盖格模式，而其他时候MPPC两端由于正弦门负向脉冲的作用，迅速被拉低到击穿电压之下，使其处于线性探测模式，不响应单光子，有效的抑制了后脉冲，这样也大大降低了暗计数。由于MPPC的等效结电容会使得输入的门脉冲在取样电阻上产生充放电脉冲，通常称之为尖峰噪声，该噪声幅度随着重复频率的提高而增大，并将雪崩淹没于尖峰噪声之中，需要抑制尖峰噪声，才能提取雪崩信号。由于正弦门产生的噪声频谱成分简单，因此采用低通滤波的方法直接将噪声滤去，电路简单。

如图2所示为MPPC阴极的信号示意图，正弦门正向峰脉冲使MPPC具有灵敏探测能力，而负向脉冲实现“抑制”的功能。不但降低了探测器的恢复时间使得高速探测成为可能，并且提高了探测器在高速工作时的光子数分辨能力。由于正弦波的频谱成分单一，引入的额外噪声小，故正弦门的使用更为后续信号处理提供了方便，整体提高了系统的信噪比。此外，由于传统的信号处理电路中使用的带阻滤波器会引起信号不同频率成分的延时或衰减不一，造成较大的谐波失真，使得不同光子数所造成的雪崩电脉冲信号之间的区别较小，导致光子数分辨能力变弱。

如图3所示为具体的电路实例图，它由MPPC偏置电路、正弦波门模块和信号提取模块组成。

MPPC偏置电路是由MPPC与直流偏置电压V_bias以及限流电阻R1、取样电阻R2串联组成，其中直流偏压源V_bias约为70.5V，MPPC的击穿电压是69.7V，限流电阻R_q约为10千欧。

正弦波门模块由正弦波发生器U0、高速放大器U1、带阻滤波器组成。正弦波发生器U0产生200MHz正弦波信号，经过高速放大器U1将信号幅度放大到6 Vpp，经过中心频率为200MHz，带宽为10MHz的带阻滤波器滤去除被放大的边带噪声和谐波噪声，得到6 Vpp的200MHz正弦波门信号。将此信号通过电容C1耦合到直流偏置上，耦合的信号加载到MPPC的阴极。当正弦门正向峰来到的时候，MPPC两端的电压瞬间被抬高到雪崩电压之上，使得MPPC工作在雪崩状态，此时MPPC可以响应单个光子，而当正弦门负向峰来到的时候，MPPC两端的电压瞬间被拉低到雪崩电压之下，使得MPPC处于线性模式，同时快速的抑制雪崩电流，等到下一个周期正向峰到来时，再次恢复到雪崩探测模式，实现正弦门控的高速探测模式。当光子触发探测器并形成雪崩脉冲后，由于载流子泄放不完全等原因，若不采取相应措施产生后脉冲的机率较大，影响信号的提取并对于快速进入下次探测有较大的影响。正弦门相对于一般的脉冲门而言，其负向峰可将MPPC两端的电压完全钳制在击穿电压一下，对于抑制后脉冲起到了很好的效果。

信号提取模块由取样电阻R_s、低通滤波器U3、低通滤波器U4、放大器U2组成。光生载流子经过倍增层形成雪崩电流，经过50欧的取样电阻R_s将电流信号转换成电压信号，形成雪崩脉冲。经过两级低通滤波器滤波，截止频率185MHz，在200MHz时衰减40dB，由于采用的是正弦门，故其产生的充放电信号（尖峰噪声）的频谱简单，主要是200MHz及其谐波，利用低通滤波器可以很好地抑制由于门控信号所造成的尖峰噪声。更重要的是，雪崩信号各频谱成分的幅度与相位关系最大程度上的得以保留，然后经放大器U2放大，得到的雪崩信号随着光子数的不同，幅度相应变化且分层清晰，实现了光子数可分辨探测。通过示波器(DSA70604, Tektronix)，可以看到不同光子数激发的雪崩信号。

Claims

1.一种适用于MPPC的高速门模式探测电路，涉及MPPC偏置电路，所述MPPC偏置电路由所述MPPC与直流偏置电压、限流电阻以及取样电阻串联组成，其特征在于所述探测电路由正弦门模块和信号提取模块组成，所述正弦门模块与所述MPPC的阴极相连，所述信号提取模块与所述MPPC的阳极相连。

2.根据权利要求1所述的一种适用于MPPC的高速门模式探测电路，其特征在于所述正弦门模块包括正弦波发生器、与所述正弦波发生器相连的信号放大器，以及与所述信号放大器相连的带阻滤波器，所述带阻滤波器与所述MPPC的阴极相连。

3.根据权利要求1所述的一种适用于MPPC的高速门模式探测电路，其特征在于所述信号提取模块包括两级低通滤波器以及与所述两级低通滤波器相连的放大器，所述两级低通滤波器经所述取样电阻与所述MPPC的阳极相连。