基于波形面积的雪崩光探测器增益测量方法

摘要

本发明公开了基于波形面积的雪崩光探测器增益测量方法，具体为：1)将多像素光子探测器输出的雪崩信号通过高速放大器放大后输入到通用数字示波器中，由通用数字示波器显示出波形电压值；2)将通用数字示波器显示的波形电压值对时间进行积分求出波形面积值；3)在计算机内嵌入计算模块，利用计算模型对波形面积值进行处理获取增益值；4)重复1)～3)至少100次获得多个增益值；5)对经获取的所有增益值进行直方图统计，并绘制出统计直方图，该统计直方图的峰值对应的增益值为多像素光子探测器的平均增益。本发明的雪崩光探测器增益测量方法解决了现有雪崩光探测器增益测量方法中存在的系统复杂、通用性不强及测量便捷性差的问题。

说明书

技术领域

本发明属于微弱光探测方法技术领域，具体涉及一种基于波形面积的雪崩光探测器增益测量方法。

背景技术

所谓光探测器的增益是指光探测器的输出信号幅度和初始信号幅度之比；信号幅度包括有电荷量、电压或电流等。

现有光探测器增益的测量方法主要有以下三种：

第一种方法是利用电压表或电流表直接测量输出信号幅度和初始信号幅度，两者的比值即为增益；该种方法适用于增益较小的探测器(参考文献：R.H.Haitz，A.Goetzberger，R.M.ScarlettandW.Shockley,AvalancheeffectsinSiliconp-njunctions.I.LocalizedPhotomultiplicationstudiesonmicroplasmas，Journalofappliedphysics，Vol.34，No.(6)，1963，pp.1581-1590)；

第二种方法是使用电荷数字转换器(即QDC，ChargetoDigitalConverter)或模数转换器(即ADC，AnalogtoDigitalConverter)或多道分析器(即MCA，Multi-ChannelAnalyzer)将光探测器输出的信号电荷量转化为数字量进行增益测量；通过分析相邻两光电子峰的道数之差，乘以仪器的电荷转换率，即可算出探测器的增益；(参考文献：PaoloFinocchiaro，AlfioPappalardo,LuigiCosentino，etal.,CharacterizationofaNovel100-ChannelSiliconPhotomultiplier—PartII：ChargeandTime，IEEETRANSACTIONSONELECTRONDEVICES，VOL.55，NO.10，OCTOBER，(2008)pp.2765-2773)；

第三种方法是利用放射性元素辐射的具有特征能量的射线来标定探测器的增益，(参考文献：G.F.Knoll，RadiationDetectionandmeasurement，2ndedition,Wiley,NewYork，2001,pp395.；A.N.Otte，J.Hose，R.Mirzoyan，A.Romaszkiewicz,M.Teshima，A.Theaa,Ameasurementofthephotondetectionefficiencyofsiliconphotomultipliers，NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA,567(2006)360–363)。

第一类方法只适用于增益较小的探测器，对于高增益的探测器(>10⁵)，探测器已具有单光子响应能力，采用这种方法测量的结构不准确。

第二类增益测量方法，其对应的系统较为复杂，所需的高速QDC、门产生器等仪器造价昂贵，且属于专用测量装置，通用性不强，详见参考文献：(M.Grodzicka，M.Moszy′nski，T.Szcz，etal.，EnergyresolutionofsmallscintillationdetectorswithSiPMlightreadout，JINST，VOL.8，P02017，(2013)1-17)。另外在利用该方法进行测量之前，需要事先对QDC的电荷数字转化率进行定标，所以测量步骤较为繁琐。

第三种方法需要在完备的核辐射保护装置下进行测量，否则对人体有伤害，给测量造成了不便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于波形面积的雪崩光探测器增益测量方法，解决了现有雪崩光探测器增益测量方法中存在的系统复杂、通用性不强及测量便捷性差的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于波形面积的雪崩光探测器增益测量方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、由稳压电源进行供电，将多像素光子探测器输出的雪崩信号输入到通用数字示波器中，由通用数字示波器显示出波形电压值；

若待测多像素光子探测器的信号幅度太小，就要先将多像素光子探测器输出的雪崩信号通入高速放大器内进行放大，再输入通用数字示波器中；

步骤2、经步骤1后，将通用数字示波器显示的波形电压值对时间进行积分，求取出波形面积值；

步骤3、预先在计算机内嵌入计算模块，利用计算机内的计算模型对经步骤2得到的波形面积值A进行处理，获取增益值；

步骤4、为了提高测量的准确性，要重复步骤1～步骤3至少100次，获得多个增益值；

步骤5、对经步骤4获取的多个增益值进行直方图统计，完成基于波形面积的雪崩光探测器增益的测量。

本发明的特点还在于：

步骤2中波形面积值A通过如下算法获得：

$>A=\underset{T_a}{\overset{T_b}{\Sigma }}V\left(t_i\right)·\Delta t;$>

式中，V(t_i)是在时间点t_i测量的电脉冲波形信号的电压值，Δt是采样时间间隔，T_a、T_b分别是采样时间的起始时刻和终止时刻。

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、利用计算机内嵌的计算模型将经步骤2得到的波形面积值A换算为电荷量Q，具体按照以下算法实施：

$>Q=\frac{A}{R_s};$>

在式中，R_s是负载电阻值，A是波形面积值，也是电压波形的积分值；

步骤3.2、将经步骤3.1换算得到的电荷量Q除以测量时间内初始载流子的电量e，即得到多像素光子探测器的增益值Gain；

$>Gain=\frac{Q}{e}=\frac{\int I\left(t\right)dt}{e}=\frac{\int V\left(t\right)dt}{R_s\times e}=\frac{A}{R_s\times e};$>

式中，Gain为探测器的增益值；

若步骤1中采用了高速放大器，在进行增益换算时，只要将电荷量Q再除以高速放大器的增益系数η即可，具体按照以下算法实施：

$>Gain=\frac{Q}{\eta \times e}=\frac{\int I\left(t\right)dt}{\eta \times e}=\frac{\int V\left(t\right)dt}{\eta \times R_s\times e}=\frac{A}{\eta \times R_s\times e}.$>

多像素光子探测器采用MPPCC11209-10型多像素光子探测器。

高速放大器采用HSA-Y-2-40放大器。

步骤5具体按照以下方式实施：

经步骤4获得多个增益值后，利用计算机内置的直方图统计软件根据多个增益值绘制出统计直方图，该统计直方图的峰值对应的增益值即为多像素光子探测器的平均增益，从而完成基于波形面积的雪崩光探测器增益的测量。

通用数字示波器为DPO4102B-L型数字示波器。

稳压电源为IT6235型精密稳压电源，用于提供电力供应。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明基于波形面积的雪崩光探测器增益测量方法，无需利用其它定标手段定标即可实现待测探测器的增益测量，测量便捷，符合当今人们对于便捷性的需求。

(2)本发明基于波形面积的雪崩光探测器增益测量方法，只需使用实验室通用的测试仪器及示波器进行测量，有效的降低了测量成本，解决了现有方法存在的测试系统价格高昂，测量成本高的问题。

(3)本发明基于波形面积的雪崩光探测器增益测量方法通用性强，适用范围广泛，具有非常大的应用前景。

附图说明

图1是本发明基于波形面积的雪崩光探测器增益测量方法中涉及的测量系统的工作状态示意图；

图2是本发明基于波形面积的雪崩光探测器增益测量方法的流程图；

图3是利用本发明基于波形面积的雪崩光探测器增益测量方法测得的多像素光子探测器增益随偏压的变化趋势图。

图中，1.多像素光子探测器，2.高速放大器，3.通用数字示波器，4.计算机，5.稳压电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于波形面积的雪崩光探测器增益测量方法中应用的测量装置，其结构如图1所示，包括有多像素光子探测器1，多像素光子探测器1外接稳压电源5，多像素光子探测器1依次与高速放大器2、通用数字示波器3及计算机4连接；计算机4内嵌有计算模型，该计算模型能求取波形面积，并将波形面积换算为增益值，还能对增益值进行统计；最终通过对获取的所有增益值进行统计，实现本发明基于波形面积的雪崩光探测器增益的测量方法。

本发明基于波形面积的雪崩光探测器增益测量方法，如图2所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1、由稳压电源5进行供电，将多像素光子探测器1输出的雪崩信号输入到通用数字示波器3中，由通用数字示波器3显示出波形电压值；

若待测多像素光子探测器1的信号幅度太小，就要先将多像素光子探测器1输出的雪崩信号通入高速放大器2内进行放大，再输入通用数字示波器3中；

其中的多像素光子探测器1采用MPPCC11209-10型多像素光子探测器；

当然，也可以用单点探测器或探测器阵列来替代多像素光子探测器1；

高速放大器2为HSA-Y-2-40放大器，3dBbandwidth10kHz-1.9GHz，noisefigure4.9dB，voltageGain40dB(100×)；

通用数字示波器3为DPO4102B-L型数字示波器；利用通用数字示波器3可以记录和传输多像素光子探测器1输出的雪崩信号波形数据；

稳压电源5为IT6235型精密稳压电源，用于提供电力供应。

步骤2、经步骤1后，将通用数字示波器3显示的波形电压值对时间进行积分，求取出波形面积值A；

波形面积值A按照如下算法获得：

$>A=\underset{T_a}{\overset{T_b}{\Sigma }}V\left(t_i\right)·\Delta t;$>

式中，V(t_i)是在时间点t_i测量的电脉冲波形信号的电压值，Δt是采样时间间隔，T_a、T_b分别是采样时间的起始时刻和终止时刻。

步骤3、预先在计算机4内嵌入计算模块，利用计算机4内的计算模型对经步骤2得到的波形面积值A进行处理，获取增益值，具体处理方法如下：

步骤3.1、利用计算机4内嵌的计算模型将经步骤2得到的波形面积值A换算为电荷量Q，具体按照以下算法实施：

$>Q=\frac{A}{R_s};$>

在式中，R_s是负载(取信号)电阻值，A是波形面积值，也是电压波形的积分值；

步骤3.2、将经步骤3.1换算得到的电荷量Q除以测量时间内初始载流子的电量e，即得到多像素光子探测器1的增益值Gain；

$>Gain=\frac{Q}{e}=\frac{\int I\left(t\right)dt}{e}=\frac{\int V\left(t\right)dt}{R_s\times e}=\frac{A}{R_s\times e};$>

式中，Gain为探测器的增益值；

若步骤1中采用了高速放大器2，在进行增益换算时，只要将电荷量Q再除以高速放大器2的增益系数η即可，具体按照以下算法实施：

$>Gain=\frac{Q}{\eta \times e}=\frac{\int I\left(t\right)dt}{\eta \times e}=\frac{\int V\left(t\right)dt}{\eta \times R_s\times e}=\frac{A}{\eta \times R_s\times e}.$>

步骤4、为了提高测量的准确性，要重复步骤1～步骤3至少100次，获得多个增益值；

步骤5、对经步骤4获取的多个增益值进行直方图统计，完成基于波形面积的雪崩光探测器增益的测量，具体按照以下方式实施：

经步骤4获得多个增益值后，利用计算机4内置的直方图统计软件根据多个增益值绘制出统计直方图，该统计直方图的峰值对应的增益值即为多像素光子探测器1的平均增益，从而完成基于波形面积的雪崩光探测器增益的测量。

本发明基于波形面积的雪崩光探测器增益测量方法的原理如下：

当弱光信号照射到多像素光子探测器1时，多像素光子探测器1将输出具有一定时间宽度的电脉冲信号，该电脉冲信号可以用一个电流(I)或电压(V)随时间t变化的函数I(t)或V(t)表示；

将I(t)或V(t)对时间积分后，就能够得到电脉冲信号对应的输出电荷量Q，具体如式(1)所示：

$>Q=\int I\left(t\right)dt=\frac{\int V\left(t\right)dt}{R_s}=\frac{A}{R_s}---\left(1\right);$>

在式(1)中，R_s是负载(取信号)电阻值，A是电压波形的积分值，即波形面积值；很显然，在R_s一定的情况下，输出的电荷量Q和波形积分值A成正比，两者具有一一对应的关系；

将电荷量Q(即式(1))除以一个载流子的电量e(即元电荷的电量)，就能够得到多像素光子探测器1的增益大小，具体算法如下：

$>Gain=\frac{Q}{e}=\frac{\int I\left(t\right)dt}{e}=\frac{\int V\left(t\right)dt}{R_s\times e}=\frac{A}{R_s\times e}---\left(2\right);$>

在式(2)中，Gain为探测器的增益值；

若待测多像素光子探测器1的信号幅度太小，可以先将多像素光子探测器1的信号通入高速放大器2内进行放大，再采集波形和换算；此时在进行增益换算时，只需将式(2)再除以高速放大器2的增益系数η即可，具体如式(3)所示：

$>Gain=\frac{Q}{\eta \times e}=\frac{\int I\left(t\right)dt}{\eta \times e}=\frac{\int V\left(t\right)dt}{\eta \times R_s\times e}=\frac{A}{\eta \times R_s\times e}---\left(3\right);$>

在具体操作中，波形面积值A可以通过如下算法获得：

$>A=\underset{T_a}{\overset{T_b}{\Sigma }}V\left(t_i\right)·\Delta t---\left(4\right);$>

式(4)中，V(t_i)是在时间点t_i测量的电脉冲波形信号的电压值，Δt是采样时间间隔，T_a、T_b分别是采样时间的其实时刻和终止时刻。

为了提高增益测量的置信度，通常对一系列波形面积值A进行直方图统计，从而获得平均增益。

本发明基于波形面积的雪崩光探测器增益测量方法具有如下优点：

(1)无需利用其它定标手段定标即可实现待测探测器的增益测量；

(2)只需使用实验室通用的测试仪器及示波器进行测量，无需购买专用的实验仪器，降低了测量成本；

(3)可以实时获取增益值，无需离线进行数据分析，从而在短时间内获得探测器的增益值。

本发明基于波形面积的雪崩光探测器增益测量方法的准确性验证，具体如下：

如图3所示，可以看出测得的多像素光子探测器增益随偏压的变化近似成线性关系，与文献所测结果一致(参考文献：OrlandoSoto,RimskyRojas,SergeyKuleshov，HaykHakobyan，AlamToro，WilliamK.Brooks，CharacterizationofnovelHamamatsuMultiPixelPhotonCounter(MPPC)arraysfortheGlueXexperiment，NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA，2013，http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2013.06.071i)。在探测器说明书的推荐偏压下(68.5V)，本发明基于波形面积的雪崩光探测器增益的测量方法所测得的增益值(2.25×10⁵)与探测器说明书的标称值(2.3×10⁵)也是一致的。说明本发明基于波形面积的雪崩光探测器增益的测量方法是正确可信的。

实施例

如图1所示，本实施例中所采用的多像素光子探测器1是MPPCC11209-10型(日本滨松公司生产)；高速放大器2为HSA-Y-2-40，3dBbandwidth10kHz-1.9GHz，noisefigure4.9dB，voltageGain40dB(100×)，德国FEMTO公司生产；通用数字示波器3为DPO4102B-L型数字示波器，(1GHzbandwidth，5GSa/s,Tektronix公司生产)；稳压电源5为IT6235型精密稳压电源(中国台湾艾德克斯公司生产)；

本实施例的工作原理是:

多像素光子探测器1通过稳压电源5加偏压，信号输出端通过同轴电缆连接到高速放大器2进行放大，再通入通用数字示波器3的模拟通道CH1，用以对信号进行记录，通用数字示波器3通过USB数据传输线实时传输波形数据到计算机4上，利用虚拟仪器软件(LabVIEW)根据式(3)编程进行实时积分，获得波形面积值并换算为增益值，并对一系列增益值进行直方图统计，统计直方图的峰值对应的增益值即为光探测器的平均增益。

需要说明的是，上述实施例仅为说明本发明而非限制本发明的专利范围，任何基于本发明的等同变换技术，均应在本发明的保护范围内。