硅光電倍增管的增益控制裝置、系統(tǒng)及增益控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光電探測技術領域，尤其涉及一種硅光電倍增管的增益控制裝置、系 統(tǒng)及增益控制方法。
【背景技術】
[0002] 硅光電倍增管（SiPM)是一種新型的固態(tài)半導體探測器，具有非常優(yōu)異的光子計 數(shù)能力，能夠實現(xiàn)弱光探測，近年來越來越廣泛的應用于高能物理實驗、核醫(yī)學儀器和空間 天文探測。SiPM工作電壓較低（〈100V)，具有高的量子效率與高的增益（?106)，非常好 的時間分辨（?120ps)，低功耗，體積小，低成本，對磁場不敏感，因而越來越廣泛的用于代 替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電探測器件光電倍增管（PMT)。在高能物理實驗領域，諸如日本的中微子振蕩實 驗T2K，已經(jīng)大規(guī)模的采用由濱松（Hamamatsu)生產(chǎn)的一種商用的SiPM，即MPPC作為閃爍 體探測器的光探測器件。在核醫(yī)學儀器中，SiPM正被廣泛的研宄用于正電子發(fā)射型計算機 斷層顯像（PET)，與傳統(tǒng)的使用PMT的PET相比，SiPM的成本更低因而降低了PET造價，工 作電壓低，不會因出現(xiàn)因加高壓而出現(xiàn)假信號的現(xiàn)象，且SiPM對磁場不敏感，因而可以與 核磁共振儀MRI成像共同使用，獲得更好的人體成像信息，特別是在腦和神經(jīng)系統(tǒng)疾病方 面的診斷將有著非常重要的表現(xiàn)。在空間天文領域，大氣切侖柯夫成像望遠鏡FACT采用了 1440個SiPM組成的陣列作為光讀出單元。
[0003] 但SiPM的性能對溫度較為敏感，其增益，擊穿電壓及暗計數(shù)均是溫度的函數(shù)，因 而限制了其應用。硅光電倍增管（SiPM)由工作在蓋革模式的光二極管陣列組成，工作電壓 (通常也稱作偏置電壓）Vbias超過雪崩電壓VBD幾伏左右，高于雪崩電壓部分稱為過壓AV， 定義為關系式（1): _4] AV = Vbias-VBD (1)
[0005] SiPM增益G是過壓AV的函數(shù)，二者之間具有以下關系式（2)
[0006] G = G〇? A V (2)
[0007] 其中，G。是過壓為IV時的增益。A V是過壓。
[0008] 由于其所加偏置電壓超過擊穿電壓產(chǎn)生雪崩擊穿，而雪崩擊穿電壓具有正溫度系 數(shù)，隨著溫度的增大，擊穿電壓也會線性的增加：VBD=V°BD+aT，其中a為溫度系數(shù)，￥%為 0°C時的擊穿電壓，T為溫度。如由Hamamatsu生產(chǎn)的MPPC，其溫度系數(shù)為59. 4mV/°C，當初 始過壓為IV時，在偏置電壓不變的情況下，在室溫附近溫度升高10°C，增益則會降低為之 前一半。因而SiPM所加的偏置電壓及工作溫度決定了其工作的性能，通常采用控制偏置電 壓的方式來控制SiPM的增益，并利用外部反饋調節(jié)偏置電壓的方式補償由溫度變化所導 致的過壓變化，從而維持增益的穩(wěn)定。

【發(fā)明內容】

[0009] 在下文中給出關于本發(fā)明的簡要概述，以便提供關于本發(fā)明的某些方面的基本理 解。應當理解，這個概述并不是關于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關 鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念， 以此作為稍后論述的更詳細描述的前序。
[0010] 本發(fā)明提供一種硅光電倍增管的增益控制裝置，用于控制與其串聯(lián)連接的硅光電 倍增管的增益，補償由于溫度變化導致的硅光電倍增管增益漂移，其特征在于，包括串聯(lián)連 接的可控電壓源和至少一個穩(wěn)壓二極管，所述可控電壓源包括至少一個輸入端子，所述至 少一個穩(wěn)壓二極管工作于擊穿狀態(tài)，并且其等效溫度系數(shù)與所述硅光電倍增管的溫度系數(shù) 相同，通過調節(jié)所述可控電壓源的輸入端子上的電壓而控制所述硅光電倍增管的增益。
[0011] 在一個實施例中，所述至少一個穩(wěn)壓二極管包括串聯(lián)的兩個穩(wěn)壓二極管。
[0012] 在一個實施例中，所述可控電壓源包括兩級運算放大電路的級聯(lián)，前級是電壓跟 隨器，后級是單端輸入的同相信號放大器。
[0013] 在一個實施例中，所述單端輸入的同相信號放大器在運算放大器的負輸入端與輸 出端及接地端之間分別僅具有一個電阻。
[0014] 本發(fā)明還提供一種硅光電倍增管增益控制系統(tǒng)，包括根據(jù)上述任一實施例的增益 控制裝置，該系統(tǒng)還包括硅光電倍增管；所述硅光電倍增管連接在所述至少一個穩(wěn)壓二極 管的負極。
[0015] 本發(fā)明還提供一種基于上述任一實施例的增益控制裝置的硅光電倍增管的增益 控制方法，包括：通過調節(jié)所述可控電壓源的輸入電壓改變可控電壓源的輸出電壓，實現(xiàn)硅 光電倍增管增益的控制；可控電壓源的輸入電壓固定時，可控電壓源的輸出電壓的溫度系 數(shù)與所述硅光電倍增管的溫度系數(shù)相同，補償由于溫度變化所導致的硅光電倍增管增益的 漂移，維持硅光電倍增管增益穩(wěn)定。
[0016] 本發(fā)明的技術方案簡單易行，使用元器件較少，只需使用模擬器件即可實現(xiàn)溫度 補償，避免溫度傳感器以及相應的數(shù)字處理單元以及相應的反饋系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的可靠 性。
【附圖說明】
[0017] 參照下面結合附圖對本發(fā)明實施例的說明，會更加容易地理解本發(fā)明的以上和其 它目的、特點和優(yōu)點。附圖中的部件只是為了示出本發(fā)明的原理。在附圖中，相同的或類似 的技術特征或部件將采用相同或類似的附圖標記來表示。
[0018] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例提供的硅光電倍增管增益控制裝置的電路框圖；
[0019] 圖2示出根據(jù)圖1實施例的優(yōu)選的硅光電倍增管增益控制裝置的電路框圖； [0020]圖3是驗證根據(jù)本發(fā)明的一個實施例提供的硅光電倍增管增益控制裝置的實驗 裝置的電路框圖；
[0021] 圖4a是圖3的實驗裝置中使用的SiPM(MPPC)的增益-偏置電壓曲線；
[0022] 圖4b是圖3的實驗裝置中使用的SiPM(MPPC)的擊穿電壓-溫度曲線；
[0023] 圖5a是圖2所示硅光電倍增管增益控制裝置，不同溫度下可控電壓源輸出電壓隨 著控制電壓變化曲線；
[0024] 圖5b是圖2所示的硅光電倍增管增益控制裝置，控制電壓固定時輸出電壓隨著溫 度的變化曲線；
[0025] 圖6是圖2所示的硅光電倍增管增益控制裝置，可控電壓源輸出電壓溫度系數(shù)隨 著控制電壓變化曲線；
[0026] 圖7是在圖3的實驗裝置中，加入本發(fā)明的硅光電倍增管增益控制裝置（溫度補 償模塊）前后MPPC增益溫度漂移系數(shù)隨著過壓的變化曲線；
[0027] 圖8是在圖3的實驗裝置中，加入本發(fā)明的硅光電倍增管增益控制裝置（溫度補 償模塊）前后MPPC增益隨著溫度的變化圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面參照附圖來說明本發(fā)明的實施例。在本發(fā)明的一個附圖或一種實施方式中描 述的元素和特征可以與一個或更多個其它附圖或實施方式中示出的元素和特征相結合。應 當注意，為了清楚的目的，附圖和說明中省略了與本發(fā)明無關的、本領域普通技術人員已知 的部件和處理的表示和描述。
[0029] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例提供的硅光電倍增管增益控制裝置2的電路框 圖。該硅光電倍增管增益控制裝置2實質是一個溫度補償模塊，包括串聯(lián)連接的可控電壓 源3和至少一個穩(wěn)壓二極管Dl、D2,穩(wěn)壓二極管Dl、D2可以用一個穩(wěn)壓二極管4代替?？?控電壓源3包括至少一個輸入端子Vin，穩(wěn)壓二極管D1、D2工作于擊穿狀態(tài)，通過調節(jié)可控電 壓源3的輸入端子Vin上的電壓而調節(jié)加載在SiPM上的偏置電壓，從而控制硅光電倍增管 5的增益。圖1中，Vs用來設置可控電壓源的靜態(tài)工作點。在控制電壓Vin固定的情況下， 增益控制裝置2的輸出電壓具有正的溫度系數(shù)，通過選擇器件使該溫度系數(shù)與SiPM的 溫度系數(shù)一致，從而使得加載在SiPM兩端的偏置電壓與擊穿電壓的差即過壓相對于溫度 維持穩(wěn)定，從而維持SiPM的增益穩(wěn)定，免受溫度影響。在圖1中，硅光電倍增管增益控制裝 置2的輸出電壓即為加載在SiPM上的偏置電壓Vbias，其大小可由控制電壓Vin控制。
[0030] 圖2示出根據(jù)圖1實施例的優(yōu)選的硅光電倍增管增益控制裝置的電路框圖。該實 施例中，可控電壓源包括兩級運算放大電路的級聯(lián)，前級是電壓跟隨器，后級是單端輸入的 同相信號放大器。輸出電壓lut與控制電壓Vin為正比關系為：
[0031]
【主權項】
1. 一種硅光電倍增管的增益控制裝置，用于控制與其串聯(lián)連接的硅光電倍增管的增 益，其特征在于，包括串聯(lián)連接的可控電壓源和至少一個穩(wěn)壓二極管，所述可控電壓源包括 至少一個輸入端子，所述至少一個穩(wěn)壓二極管工作于擊穿狀態(tài)，并且其等效溫度系數(shù)與所 述硅光電倍增管的溫度系數(shù)相同，通過調節(jié)所述可控電壓源的輸入端子上的電壓而控制所 述硅光電倍增管的增益。
2. 根據(jù)權利要求1所述的增益控制裝置，其特征在于，所述至少一個穩(wěn)壓二極管包括 串聯(lián)的兩個穩(wěn)壓二極管。
3. 根據(jù)權利要求1所述的增益控制裝置，其特征在于，所述可控電壓源包括兩級運算 放大電路的級聯(lián)，前級是電壓跟隨器，后級是單端輸入的同相信號放大器。
4. 根據(jù)權利要求3所述的增益控制裝置，其特征在于，所述單端輸入的同相信號放大 器在運算放大器的負輸入端與輸出端及接地端之間分別僅具有一個電阻器。
5. -種硅光電倍增管增益控制系統(tǒng)，包括根據(jù)權利要求1-4中任一項所述的增益控制 裝置，其特征在于，還包括硅光電倍增管，所述硅光電倍增管連接在所述至少一個穩(wěn)壓二極 管的負極。
6. -種基于權利要求1-5任意一項所述的增益控制裝置的硅光電倍增管的增益控制 方法，其特征在于，包括： 通過調節(jié)所述可控電壓源的輸入電壓改變所述可控電壓源的輸出電壓，從而調節(jié)所述 硅光電倍增管的增益；當所述可控電壓源的輸入電壓固定時，使所述可控電壓源的輸出電 壓的溫度系數(shù)與所述硅光電倍增管的溫度系數(shù)相同，維持所述硅光電倍增管的增益穩(wěn)定。
【專利摘要】本發(fā)明涉及硅光電倍增管的增益控制裝置、系統(tǒng)及增益控制方法。該增益控制裝置用于控制與其串聯(lián)連接的硅光電倍增管的增益，包括串聯(lián)連接的可控電壓源和至少一個穩(wěn)壓二極管，可控電壓源包括至少一個輸入端子，穩(wěn)壓二極管工作于擊穿狀態(tài)，并且其等效溫度系數(shù)與硅光電倍增管的溫度系數(shù)相同，通過調節(jié)可控電壓源的輸入端子上的電壓而控制硅光電倍增管的增益。本發(fā)明技術方案簡單，使用元器件較少，只需使用模擬器件即可實現(xiàn)溫度補償，避免溫度傳感器以及相應的數(shù)字處理單元以及相應的反饋系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的可靠性。
【IPC分類】G01T1-24
【公開號】CN104570043
【申請?zhí)枴緾N201410797762
【發(fā)明人】李正偉, 徐玉朋, 劉聰展, 李旭芳, 張翼飛, 趙建領, 路雪峰, 許振玲, 周旭, 張碩, 常治
【申請人】中國科學院高能物理研究所
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月18日