[发明专利]一种控制电路、线性补偿方法及固态光电倍增模组

说明书

本发明的实施方式提供了一种控制电路、线性补偿方法及固态光电倍增模组。所述控制电路包括用于驱动固态光电倍增管的可调高压电源电路和用于进行二阶线性补偿的前端模拟电路。所述可调高压电源电路包括前级负高压开关变换电路和后级线性稳压电路；所述前级负高压开关变换电路包括低压供电电源、开关升压电路和负高压变换电路；所述后级线性稳压电路采用高压运放实现，用于对前级负高压开关变换电路的输出进行稳压。所述线性补偿方法为：对所述非线性区域的响应曲线进行二阶多项式拟合，根据二阶多项式的参数计算二阶线性补偿电路的参数，然后对二阶线性补偿电路进行参数设置。所述固态光电倍增模组包括控制电路、光学接收镜头和固态光电倍增管。

技术领域

本发明的实施方式涉及单光子探测领域，更具体地，本发明的实施方式涉及一种固态光电倍增管（SiPM）的控制电路、所述控制电路的线性补偿方法及固态光电倍增模组。

背景技术

传统的实现单光子成像和荧光探测的传感器一般采用玻璃真空封装的光电倍增管（PMT）。利用1000V左右的高压电场驱动，可以实现10的6次方级别的光电增益。但玻璃真空封装和千伏以上的高压使得管子使用的时候存在结构复杂、小型化难度大、磁场敏感等问题。而固态光电倍增管（SiPM）采用半导体工艺，由工作在盖格模式下的雪崩光电二极管（APD）阵列构成，能够实现10的6次方级别的光电增益和大面积光信号探测，使用环境和结构灵活，便于集成，能够克服PMT的缺点，同时只要几十伏的偏置电压即可工作，是单光子成像和荧光探测领域对PMT的良好补充和替换。

固态光电倍增管（SiPM）需要加载几十伏特的偏置电压，让探测器内部的APD单元工作在盖格模式下，形成高增益。盖格模式的工作电压是在APD单元雪崩点电压上再增加2到5伏特左右的电压，这个再增加的电压称为过压值。电子雪崩增益受过压值控制，呈现线性控制关系。高压电源的噪声不仅会影响探测器的雪崩增益，带来信号噪声，而且也会干扰探测信号电路，使得探测电路的信噪比下降。需要给SiPM提供高稳定和低噪声的高压电源才能充分发挥SiPM的特性。

固态光电倍增管（SiPM）由APD单元阵列构成，内部的单元一旦捕捉到光子由雪崩效应形成高增益电流脉冲即点火后，需要等待一段恢复时间t_p，才能捕捉新的光子进行二次点火，而且APD单元阵列的数量有限，当所有的单元都被点火，就达到了探测器的光能量探测上限，即传感器达到饱和状态。所以，随着探测光子数的增加，探测器的输出呈现非线性，导致固态光电倍增管（SiPM）线性工作区域较窄问题。

采用固态光电倍增管（SiPM）实现的传感器，其光子捕捉发生在二极管PN节中的耗尽层，耗尽层中的低能电子捕捉光子，跃迁为自由电子，通过盖格模式下的雪崩效应形成光电倍增。但由于半导体的特性，即使在没有光子照射的暗环境下也会存在自由电子的跃迁，通过倍增形成暗计数噪声；同时光信号在盖格模式下的电子倍增过程中，电子碰撞的随机性也会形成散粒噪声和像元的串扰噪声。温度是固态光电倍增管（SiPM）暗计数噪声的重要影响因素，温度越低，PN节中耗尽层越稳定，产生暗计数噪声也就越低。让探测器工作在越低温度下暗计数噪声也就越低。但SiPM在响应光信号的过程中的散粒噪声由雪崩碰撞的过程产生，耗尽层中的电子状态越稳定，雪崩碰撞的方向性也会越单调，反而造成每次雪崩过程的增益差异性增强，散粒噪声变大。因而越低的温度会使得电子状态越稳定，散粒噪声变大。另外，追求更低的工作温度，需要装置提供的制冷功耗也就越大，反而会增加电源噪声的干扰。

发明内容

但是，现有探测器的技术方案中，固态光电倍增管的高压电源电压不够稳定且噪声高，固态光电倍增管（SiPM）线性工作区域窄，暗计数噪声与散粒噪声之间存在矛盾。

为此，非常需要一种改进的固态光电倍增管的电源模组及控制方法，以使固态光电倍增模组的电源电压稳定且噪声低、线性工作区得到加宽、工作温度与散粒噪声之间达到一个好的平衡点。