一种星载Si-APD探测器反向偏压自动调节方法与流程

本发明涉及X射线脉冲星单粒子探测技术领域，特别涉及一种星载Si-APD探测器反向偏压自动调节装置及方法，应用于空间X射线脉冲星单粒子探测器反向偏压的调节。

背景技术：

在深空探测领域，中子星发出的X射线作为一个稳定的基准，可以作为导航参考。由于到达近地轨道后的光谱能量只有单光子量级，针对X射线单粒子的捕获有多种方法，如正比计数器、电子倍增CCD(EMCCD)、半导体探测器等。

硅雪崩二极管(Si-APD)探测器的工作电压是其能否正常工作的关键。电压过大时，Si-APD内部热噪声引起的雪崩会致使Si-APD连续不断输出脉冲，即进入暗计数状态，光子输出淹没在这些脉冲中；电压较小时，Si-APD雪崩增益不足或无法发生雪崩效应，使得单光子输出淹没在底噪声中，无法探测。Si-APD外加偏置电压工作可调范围根据Si-APD掺杂层厚度不同而不同，通常为100V量级。根据实验室真空环境测试结果反映，同批次Si-APD临界雪崩反向偏置电压均有不同，甚至差别较大，但偏置电压随温度呈线性变化。另外，根据Si-APD探测器探测需求，其临界雪崩反向偏置电压为一个范围值。最后，Si-APD探测器在轨工作时受太阳辐射会产生温度变化，且在轨工作与地面试验时存在温度差异，这就需要对Si-APD探测器反向偏置电压进行实时调节。

由于Si-APD探测器由于其自身的优点，适合于X射线单光子的探测，但Si-APD的临界雪崩电压控制，特别是采用多个Si-APD以及所选探测器偏压较高时，常规方法将会使整个电路的体积、功耗等变大。

技术实现要素：

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种星载Si-APD探测器反向偏压自动调节装置及方法，解决同类型探测器由于工艺、制造等因素带来的不同偏压需求所带来的问题，从而实现星载Si-APD探测器反向偏压自动调节装置的轻量化与小型化。

本发明的上述目的可通过以下方案实现：一种星载Si-APD探测器反向偏压自动调节装置，包括：FPGA、温度传感器、数字电位计、高压电源模块以及S1、S2……、Sn等多个Si-APD探测器模块。每个Si-APD探测器模块构成均完全一样，均由滑动变阻器Radj、电阻R1、电阻R2、电容C1、Si-APD(硅雪崩二极管)探测器组成；

所述温度传感器U2用于感知星载Si-APD探测器反向偏压自动调节装置所处环境温度，并感知结果输出至FPGA；FPGA与数字电位计U3相连，FPGA将获得的温度值换算成数字电位计U3所需配置码，通过发送所述配置码实时更改数字电位计U3输出电压的变化；高压电源模块U4与数字电位计U3相连，伴随数字电位计U3输出电压的变化，高压电源模块U4高压输出也实时发生变化；高压电源模块U4与滑动变阻器Radj的1脚相连，滑动变阻器Radj的2脚用于手动调节且与电阻R1的一端相连，滑动变阻器Radj的3脚接地,提前获得滑动变阻器Radj的分压系数，即滑动脚2所在的位置，进而实现对高压模块输出高压的分压，其中R23表示滑动变阻器Radj的脚2与脚3之间的电阻值；S1、S2……、Sn等多个Si-APD探测器模块构成一样。其中探测器模块中电阻R1与电容C1构成R-C无源低通滤波，滤除所供高压的噪声，电阻R1的另外一端与电阻R2的一端及用于高压电源滤波的电容C1的一端相连；电容C1的另一端接地，电阻R2的另一端与Si-APD探测器的输出端即光电流输出端Iout相连，Si-APD探测器另一侧接地。

所述高压电源模块U4的高压输出与低压输入即数字电位计U3的输出电压为固定比例40:1的关系，输入低压最高为+5V。

所述探测器模块中的电容C1、滑动变阻器Radj、电阻R1、电阻R2均为耐500V高压器件。

所述滑动变阻器Radj的最大阻值为2M欧姆，且功率大于0.05W。

所述探测器模块中的电容C1为10nF～1000nF；为更好的实现滤波效果，C1可用多个不同容值的高耐压值电容并联替代。

所述探测器模块中的电阻R1为1M欧姆，电阻R2为100M欧姆。

所述数字电位计U3工作于分压模式，从而控制高压电源模块U4的低压输入的变化，且控制数字电位计U3分压滑动头的配置码与所控制的电压为线性变化关系。

一种星载Si-APD探测器反向偏压自动调节方法，实现方法如下：

(1)在真空实验室环境下，选用的同一型号Si-APD探测器反向偏置电压随温度变化关系进行测量确定，求出每个Si-APD探测器在临界雪崩状态时最大反向偏置电压及最小反向偏置电压随温度变化的拟合线性表达关系式；

(2)利用步骤(1)中确定的拟合线性表达关系，计算每个Si-APD探测器模块中Radj的分压系数并将滑动变阻器Radj的2脚调节到对应位置，其中R23表示滑动变阻器Radj的脚2与脚3之间的电阻值；

(3)确定数字电位计U3配置码与温度的关系式并预存于FPGA中；

(4)数字电位计U3接收FPGA配置码可输出0～5V的电压，之后输出给高压电源模块U4实现40倍升压，进而实现0～200V的电压输出；

(5)高压电源模块U4输出电压供给S1、S2……、Sn等多个Si-APD探测器模块；

(6)最后，FPGA通过温度传感器U2实时感知工作环境温度，利用配置码与温度的关系，实时对数字电位计U3发送相应配置码，进而控制高压电源模块U4输出电压的变化，完成每一个Si-APD探测器模块最优临界偏压的自动控制。

所述步骤(1)中的线性表达关系式为：

其中，

为第i个探测器在临界雪崩区的最大临界反向偏压，为第i个探测器在临界雪崩区的最小临界反向偏压，为拟合曲线系数，T为变化温度。

所述步骤(1)中数字电位计U3配置码D随温度变化的关系

其中，D为数字电位计U3的配置码，T为星载Si-APD探测器所处的环境温度，khv、bhv为系数。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明探测器模块中的电容C1及电阻R1构成低通滤波，滤除探测器偏压噪声，有效改善探测器信噪比；

(2)本发明通过根据探测器特性及工作需求，计算出探测器模块中的电阻R2的具体值，有效完成探测器(U5)从临界雪崩状态到淬灭状态的切换；

(3)本发明通过温度传感器U2感知探测系统所处环境温度，U1根据其温度值及预定拟合曲线计算当前温度下探测器反向偏置电压，从而向数字电位计U3发送相应指令改变数字电位计U3输出电压的变化，从而改变高压电源模块U4输出高压的变化；

(4)本发明通过滑动变阻器Radj改变高压电源模块U4加在每一个探测器模块上的偏压，克服同类型探测器由于工艺、制造等因素带来的不同偏压需求所带来的问题，从而实现探测器不同偏压的最优自动控制。

附图说明

图1为本发明的一种星载Si-APD探测器反向偏压自动调节方法示意图，

图2所示为固定温度下Si-APD探测器随反向偏压变化示意图，

图3为本发明数字电位计U3在分压状态下各端电压示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，本发明提供的一种星载Si-APD探测器反向偏压自动调节装置，包括FPGA U1、温度传感器U2、数字电位计U3、高压电源模块U4、滑动变阻器Radj、电阻R1、电阻R2、电容C1、Si-APD探测器U5、光电流输出端Iout；

包括FPGA U1、温度传感器U2、数字电位计U3、高压电源模块U4、滑动变阻器Radj、电阻R1、电阻R2、电容C1、Si-APD探测器U5、光电流输出端Iout；

其中：U1与温度传感器U2相连用于环境温度感知；U1与数字电位计U3相连，U1通过发送指令信息实时更改数字电位计U3输出电压的变化；高压电源模块U4与数字电位计U3相连，伴随数字电位计U3的输出电压的变化，高压电源模块U4输出高压也发生变化；高压电源模块U4与滑动变阻器Radj的1脚相连，滑动变阻器Radj的2脚用于手动调节滑片的位置并且与电阻R1的一端相连，滑动变阻器Radj的3脚接地；电阻R1的另外一端与电阻R2的一端及高压电源滤波电容C1的一端相连；电容C1的另一端接地，电阻R2的另一端与探测器U5的输出端即，U5光电流输出端Iout相连，探测器U5另一侧接地。

在上述的一种星载Si-APD探测器反向偏压自动调节方法中，Si-APD探测器模块中的电容C1、滑动变阻器Radj、电阻R1、电阻R2均为高耐压值器件。

在上述的一种星载Si-APD探测器反向偏压自动调节方法中，滑动变阻器Radj的最大阻值为2M欧姆，且功率大于0.05W。

在上述的一种星载Si-APD探测器反向偏压自动调节方法中，Si-APD探测器模块中的电阻R1与电容C1构成R-C无源低通滤波，滤除所供高压的噪声。其中，电阻R1为1M欧姆，电容C1为10nF～1000nF，为更好的实现滤波效果，这里的C1可用多个不同容值的高耐压值电容并联替代。

在上述的一种星载Si-APD探测器反向偏压自动调节方法中，电阻R2跟所用Si-APD探测器的特性及工作方式有很大关系，其阻值不能太大也不能太小。太大，由于热噪声及探测器暗电流噪声等影响，将会使系统的信噪比显著降低。太小，探测器发生雪崩击穿时，不能有效淬灭，损害系统，不利于系统探测X射线单粒子。综合所选探测器及探测所需，取电阻R2为100M欧姆。

如图2所示，为固定温度下Si-APD探测器随反向偏压变化示意图，其中雪崩二极管模式与盖革模式的分界为探测器的反向击穿电压(图2中所示约为160V)。为探测X脉冲星单粒子，探测器需工作于临界雪崩区，即尽可能获得大的增益，但又不允许进入盖革模式(增益无穷大)。探测器发生淬灭时，探测器要处于图中所示光电二极管模式(此时增益趋近于0)。

本发明的关键在于确定每个Si-APD探测器模块中的滑动变阻器Radj的分压系数以及数字电位计U3配置码随温度的变化关系式。

将滑动变阻器Radj的2脚调节到1的位置，此时分压系数为1。之后，根据实验所测记录表，求得探测器反向偏置电压随温度变化的拟合曲线：

如图2所示，在Si-APD探测器临界雪崩区(此时增益很大)，为第i个探测器在临界雪崩区的最大临界反向偏压，为第i个探测器在临界雪崩区的最小临界反向偏压，为拟合曲线系数，T为变化温度；

根据公式(2-1)和公式(2-2)求得第i个探测器反向偏压的均值随温度变化的关系式：

其中，

在上述的一种星载Si-APD探测器反向偏压自动调节方法中，根据公式(2-3)求得高压电源模块U4输出高压随温度的变化曲线：

VhV＝khvT+bhv (2-4)

其中，VhV为高压电源输出电压。

其中，N为探测器个数。

其中，round(*)为取整函数，取四舍五入后最近的整数值，例如则bhv＝145。

在上述的一种星载Si-APD探测器反向偏压自动调节方法中，根据公式(2-3)和公式(2-4)结合滑动变阻器Radj可求得每一个探测器模块中滑动变阻器Radj的分压调节系数Ci：

根据公式(2-7)求得每个滑动变阻器Radj上R23的电阻值，R23＝Ci·Radj，进而调节每个滑动变阻器Radj上2脚所在位置；

在上述的一种星载Si-APD探测器反向偏压自动调节方法中，由于所选数字电位计U3为8bit控制，对应配置码跟输出电压的关系式为：

其中，D为配置码值，VW为数字电位计U3在分压模式下滑动输出端电压的大小，VA为数字电位计U3在分压模式下A端所加电压，VB为数字电位计U3在分压模式下B端所加电压，如图3所示。这里VA＝5V,VB＝0V，所以，公式(9)可表示为：

在上述的一种星载Si-APD探测器反向偏压自动调节方法中，高压电源模块U4输出高压对应输入低压的关系为：

Vhv＝40·VL (2-10)

其中VL为高压电源模块U4的低压输入，根据数字电位计U3跟高压电源模块U4的连接关系，有VL＝VW，结合公式(2-4)、(2-9)、(2-10)最终确定数字电位计配置码D随温度变化的关系：

在上述的一种星载Si-APD探测器反向偏压自动调节方法中，FPGA通过温度传感器U2感知环境温度变化，结合公式(2-11)发送相应的配置码，最终使得各个探测器能够有效的工作于临界雪崩状态。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方法，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。