硅光电倍增管的增益控制装置、系统及增益控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种硅光电倍增管的增益控制装置、系 统及增益控制方法。
【背景技术】
[0002] 硅光电倍增管（SiPM)是一种新型的固态半导体探测器，具有非常优异的光子计 数能力，能够实现弱光探测，近年来越来越广泛的应用于高能物理实验、核医学仪器和空间 天文探测。SiPM工作电压较低（〈100V)，具有高的量子效率与高的增益（?106)，非常好 的时间分辨（?120ps)，低功耗，体积小，低成本，对磁场不敏感，因而越来越广泛的用于代 替传统的光电探测器件光电倍增管（PMT)。在高能物理实验领域，诸如日本的中微子振荡实 验T2K，已经大规模的采用由滨松（Hamamatsu)生产的一种商用的SiPM，即MPPC作为闪烁 体探测器的光探测器件。在核医学仪器中，SiPM正被广泛的研宄用于正电子发射型计算机 断层显像（PET)，与传统的使用PMT的PET相比，SiPM的成本更低因而降低了PET造价，工 作电压低，不会因出现因加高压而出现假信号的现象，且SiPM对磁场不敏感，因而可以与 核磁共振仪MRI成像共同使用，获得更好的人体成像信息，特别是在脑和神经系统疾病方 面的诊断将有着非常重要的表现。在空间天文领域，大气切仑柯夫成像望远镜FACT采用了 1440个SiPM组成的阵列作为光读出单元。
[0003] 但SiPM的性能对温度较为敏感，其增益，击穿电压及暗计数均是温度的函数，因 而限制了其应用。硅光电倍增管（SiPM)由工作在盖革模式的光二极管阵列组成，工作电压 (通常也称作偏置电压）Vbias超过雪崩电压VBD几伏左右，高于雪崩电压部分称为过压AV， 定义为关系式（1): _4] AV = Vbias-VBD (1)
[0005] SiPM增益G是过压AV的函数，二者之间具有以下关系式（2)
[0006] G = G〇? A V (2)
[0007] 其中，G。是过压为IV时的增益。A V是过压。
[0008] 由于其所加偏置电压超过击穿电压产生雪崩击穿，而雪崩击穿电压具有正温度系 数，随着温度的增大，击穿电压也会线性的增加：VBD=V°BD+aT，其中a为温度系数，￥%为 0°C时的击穿电压，T为温度。如由Hamamatsu生产的MPPC，其温度系数为59. 4mV/°C，当初 始过压为IV时，在偏置电压不变的情况下，在室温附近温度升高10°C，增益则会降低为之 前一半。因而SiPM所加的偏置电压及工作温度决定了其工作的性能，通常采用控制偏置电 压的方式来控制SiPM的增益，并利用外部反馈调节偏置电压的方式补偿由温度变化所导 致的过压变化，从而维持增益的稳定。
【发明内容】
[0009] 在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理 解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关 键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念， 以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0010] 本发明提供一种硅光电倍增管的增益控制装置，用于控制与其串联连接的硅光电 倍增管的增益，补偿由于温度变化导致的硅光电倍增管增益漂移，其特征在于，包括串联连 接的可控电压源和至少一个稳压二极管，所述可控电压源包括至少一个输入端子，所述至 少一个稳压二极管工作于击穿状态，并且其等效温度系数与所述硅光电倍增管的温度系数 相同，通过调节所述可控电压源的输入端子上的电压而控制所述硅光电倍增管的增益。
[0011] 在一个实施例中，所述至少一个稳压二极管包括串联的两个稳压二极管。
[0012] 在一个实施例中，所述可控电压源包括两级运算放大电路的级联，前级是电压跟 随器，后级是单端输入的同相信号放大器。
[0013] 在一个实施例中，所述单端输入的同相信号放大器在运算放大器的负输入端与输 出端及接地端之间分别仅具有一个电阻。
[0014] 本发明还提供一种硅光电倍增管增益控制系统，包括根据上述任一实施例的增益 控制装置，该系统还包括硅光电倍增管；所述硅光电倍增管连接在所述至少一个稳压二极 管的负极。
[0015] 本发明还提供一种基于上述任一实施例的增益控制装置的硅光电倍增管的增益 控制方法，包括：通过调节所述可控电压源的输入电压改变可控电压源的输出电压，实现硅 光电倍增管增益的控制；可控电压源的输入电压固定时，可控电压源的输出电压的温度系 数与所述硅光电倍增管的温度系数相同，补偿由于温度变化所导致的硅光电倍增管增益的 漂移，维持硅光电倍增管增益稳定。
[0016] 本发明的技术方案简单易行，使用元器件较少，只需使用模拟器件即可实现温度 补偿，避免温度传感器以及相应的数字处理单元以及相应的反馈系统，增加了系统的可靠 性。
【附图说明】
[0017] 参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其 它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似 的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。
[0018] 图1为根据本发明的一个实施例提供的硅光电倍增管增益控制装置的电路框图；
[0019] 图2示出根据图1实施例的优选的硅光电倍增管增益控制装置的电路框图； [0020]图3是验证根据本发明的一个实施例提供的硅光电倍增管增益控制装置的实验 装置的电路框图；
[0021] 图4a是图3的实验装置中使用的SiPM(MPPC)的增益-偏置电压曲线；
[0022] 图4b是图3的实验装置中使用的SiPM(MPPC)的击穿电压-温度曲线；
[0023] 图5a是图2所示硅光电倍增管增益控制装置，不同温度下可控电压源输出电压随 着控制电压变化曲线；
[0024] 图5b是图2所示的硅光电倍增管增益控制装置，控制电压固定时输出电压随着温 度的变化曲线；
[0025] 图6是图2所示的硅光电倍增管增益控制装置，可控电压源输出电压温度系数随 着控制电压变化曲线；
[0026] 图7是在图3的实验装置中，加入本发明的硅光电倍增管增益控制装置（温度补 偿模块）前后MPPC增益温度漂移系数随着过压的变化曲线；
[0027] 图8是在图3的实验装置中，加入本发明的硅光电倍增管增益控制装置（温度补 偿模块）前后MPPC增益随着温度的变化图。
【具体实施方式】
[0028] 下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描 述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应 当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知 的部件和处理的表示和描述。
[0029] 图1为根据本发明的一个实施例提供的硅光电倍增管增益控制装置2的电路框 图。该硅光电倍增管增益控制装置2实质是一个温度补偿模块，包括串联连接的可控电压 源3和至少一个稳压二极管Dl、D2,稳压二极管Dl、D2可以用一个稳压二极管4代替。可 控电压源3包括至少一个输入端子Vin，稳压二极管D1、D2工作于击穿状态，通过调节可控电 压源3的输入端子Vin上的电压而调节加载在SiPM上的偏置电压，从而控制硅光电倍增管 5的增益。图1中，Vs用来设置可控电压源的静态工作点。在控制电压Vin固定的情况下， 增益控制装置2的输出电压具有正的温度系数，通过选择器件使该温度系数与SiPM的 温度系数一致，从而使得加载在SiPM两端的偏置电压与击穿电压的差即过压相对于温度 维持稳定，从而维持SiPM的增益稳定，免受温度影响。在图1中，硅光电倍增管增益控制装 置2的输出电压即为加载在SiPM上的偏置电压Vbias，其大小可由控制电压Vin控制。
[0030] 图2示出根据图1实施例的优选的硅光电倍增管增益控制装置的电路框图。该实 施例中，可控电压源包括两级运算放大电路的级联，前级是电压跟随器，后级是单端输入的 同相信号放大器。输出电压lut与控制电压Vin为正比关系为：
[0031]
【主权项】
1. 一种硅光电倍增管的增益控制装置，用于控制与其串联连接的硅光电倍增管的增 益，其特征在于，包括串联连接的可控电压源和至少一个稳压二极管，所述可控电压源包括 至少一个输入端子，所述至少一个稳压二极管工作于击穿状态，并且其等效温度系数与所 述硅光电倍增管的温度系数相同，通过调节所述可控电压源的输入端子上的电压而控制所 述硅光电倍增管的增益。
2. 根据权利要求1所述的增益控制装置，其特征在于，所述至少一个稳压二极管包括 串联的两个稳压二极管。
3. 根据权利要求1所述的增益控制装置，其特征在于，所述可控电压源包括两级运算 放大电路的级联，前级是电压跟随器，后级是单端输入的同相信号放大器。
4. 根据权利要求3所述的增益控制装置，其特征在于，所述单端输入的同相信号放大 器在运算放大器的负输入端与输出端及接地端之间分别仅具有一个电阻器。
5. -种硅光电倍增管增益控制系统，包括根据权利要求1-4中任一项所述的增益控制 装置，其特征在于，还包括硅光电倍增管，所述硅光电倍增管连接在所述至少一个稳压二极 管的负极。
6. -种基于权利要求1-5任意一项所述的增益控制装置的硅光电倍增管的增益控制 方法，其特征在于，包括： 通过调节所述可控电压源的输入电压改变所述可控电压源的输出电压，从而调节所述 硅光电倍增管的增益；当所述可控电压源的输入电压固定时，使所述可控电压源的输出电 压的温度系数与所述硅光电倍增管的温度系数相同，维持所述硅光电倍增管的增益稳定。
【专利摘要】本发明涉及硅光电倍增管的增益控制装置、系统及增益控制方法。该增益控制装置用于控制与其串联连接的硅光电倍增管的增益，包括串联连接的可控电压源和至少一个稳压二极管，可控电压源包括至少一个输入端子，稳压二极管工作于击穿状态，并且其等效温度系数与硅光电倍增管的温度系数相同，通过调节可控电压源的输入端子上的电压而控制硅光电倍增管的增益。本发明技术方案简单，使用元器件较少，只需使用模拟器件即可实现温度补偿，避免温度传感器以及相应的数字处理单元以及相应的反馈系统，增加了系统的可靠性。
【IPC分类】G01T1-24
【公开号】CN104570043
【申请号】CN201410797762
【发明人】李正伟, 徐玉朋, 刘聪展, 李旭芳, 张翼飞, 赵建领, 路雪峰, 许振玲, 周旭, 张硕, 常治
【申请人】中国科学院高能物理研究所
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月18日