一種效率穩(wěn)定的單光子探測器及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種效率穩(wěn)定的單光子探測器及控制方法，其方法是使制冷盒工作在恒定的最大功率下，保證制冷盒內(nèi)部與外界的溫差保持一定，當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時，通過單片機控制加載在雪崩光電二極管兩端反向偏壓的大小，來保證單光子探測器在不同溫度下探測效率的穩(wěn)定。本發(fā)明能最大效率的利用半導(dǎo)體制冷片的性能，用單片機控制方式代替了復(fù)雜的PID控制，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，更加符合商業(yè)化生產(chǎn)的需求。
【專利說明】一種效率穩(wěn)定的單光子探測器及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及單光子探測器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說是一種效率穩(wěn)定的單光子探測器及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著單光子探測器應(yīng)用的范圍越來越廣，對單光子探測器的適用性也要求越來越高。由于單光子探測器中的核心器件雪崩光電二極管必須工作于低溫條件下，因而對系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)提出了很高的要求。目前主流的單光子探測器的制冷方案一般采用比例、積分、微分(PID)溫度控制，PID的優(yōu)點是可將雪崩光電二極管穩(wěn)定在某一確定的溫度，從而保證單光子探測器探測效率的穩(wěn)定。然而PID溫度控制也有一些缺陷，即它必須預(yù)留出一定的溫度控制范圍，以適應(yīng)不同的外界溫度。而且溫控過程需要經(jīng)歷測量比較和反饋調(diào)節(jié)的過程，因此到達(dá)目標(biāo)溫度所需的時間比較長。
[0003]此外，作為衡量單光子探測器性能的重要指標(biāo)之一，系統(tǒng)的暗計數(shù)水平與雪崩光電二極管(APD)的工作溫度密切相關(guān)，而且暗計數(shù)與溫度大體成正相關(guān)的關(guān)系:即APD工作溫度越低，系統(tǒng)暗計數(shù)水平也越低。這一特性也引出了 PID溫控技術(shù)的另一個缺陷:當(dāng)單光子探測器的環(huán)境溫度變化時，例如處在室外低溫的環(huán)境，這時制冷器本來有能力提供更低的APD工作溫度，從而使探測器獲得更好的性能，但是PID卻只能使系統(tǒng)工作在設(shè)定值，這實際上是對制冷器制冷效率的一種浪費。
[0004]因此，如果使制冷器一直工作在最大制冷功率，即可使APD始終工作在當(dāng)前條件下的最佳溫度狀態(tài)，并且這種最佳狀態(tài)可以隨著外界環(huán)境溫度變化自動調(diào)節(jié)。不過這種方案也會帶來一個問題，那就是隨著溫度改變，APD的探測效率也會發(fā)生變化，因此如何同時實現(xiàn)“最佳溫度”和“效率穩(wěn)定”成了這一方案是否可行的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提出的一種效率穩(wěn)定的單光子探測器及控制方法，其能最大效率的利用半導(dǎo)體制冷片的性能，并可保證單光子探測器在不同溫度下探測效率的穩(wěn)定。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明目的具體技術(shù)方案是:
一種效率穩(wěn)定的單光子探測器，特點是該探測器包括穩(wěn)定電壓源、制冷盒、單片機及高壓模塊，所述制冷盒內(nèi)設(shè)有半導(dǎo)體制冷片、雪崩光電二極管及溫敏電阻，雪崩光電二極管及溫敏電阻與半導(dǎo)體制冷片固定連接；穩(wěn)定電壓源連接半導(dǎo)體制冷片，溫敏電阻及高壓模塊連接單片機，高壓模塊連接雪崩光電二極管。
[0007]—種效率穩(wěn)定的單光子探測器的控制方法，該方法包括以下具體步驟:
a、為單光子探測器的制冷盒內(nèi)的半導(dǎo)體制冷片提供使其制冷功率最大的恒定電壓
源；
b、單光子探測器的制冷盒內(nèi)的溫度通過溫敏電阻將溫度信號傳輸給單片機； C、單片機根據(jù)溫度信號，控制高壓模塊輸出；高壓模塊的輸出即為加載在雪崩光電二極管兩端的反向偏壓；
d、當(dāng)單光子探測器的制冷盒外界溫度變化時，改變加載在雪崩光電二極管兩端的反向偏壓，保證單光子探測器效率穩(wěn)定；其中:
所述控制高壓模塊輸出是:繪制在相同探測效率下單光子探測器的溫度與雪崩光電二極管兩端的反向偏壓關(guān)系圖，并計算出這種關(guān)系圖的數(shù)學(xué)函數(shù)，將該數(shù)學(xué)函數(shù)輸入單片機，最后通過單片機對高壓模塊的輸出進(jìn)行控制。
[0008]本發(fā)明使制冷工作在恒定的最大功率下，保證制冷盒內(nèi)部與外界的溫差保持一定，當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時，通過單片機控制加載在雪崩光電二極管兩端反向偏壓的大小，保證了單光子探測器在不同溫度下探測效率的穩(wěn)定。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點是:能最大效率的利用半導(dǎo)體制冷片的性能，用單片機控制方式代替了復(fù)雜的PID控制，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，更加符合商業(yè)化生產(chǎn)的需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明的單光子探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為溫度變化時本發(fā)明方法工作流程圖。
【具體實施方式】
[0011]以下結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明特征及其他相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì)說明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解:
參閱圖1，本發(fā)明的單光子探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括穩(wěn)定電壓源、制冷盒、單片機及高壓模塊，所述制冷盒內(nèi)設(shè)有半導(dǎo)體制冷片、雪崩光電二極管及溫敏電阻，雪崩光電二極管及溫敏電阻與半導(dǎo)體制冷片固定連接；穩(wěn)定電壓源連接半導(dǎo)體制冷片，溫敏電阻及高壓模塊連接單片機，高壓模塊連接雪崩光電二極管。
[0012]穩(wěn)定的電壓源給制冷盒中的半導(dǎo)體制冷片供電，使半導(dǎo)體制冷片工作在最大功率下，保證制冷盒內(nèi)部溫度與外界環(huán)境溫度的差值一定。溫敏電阻實時監(jiān)控制冷盒內(nèi)部的溫度，并將制冷盒內(nèi)部的溫度信息傳輸給單片機處理。單片機通過控制高壓模塊來改變加載在雪崩光電二極管兩端的反向偏壓，實現(xiàn)雪崩光電二極管探測效率的控制。
[0013]參閱圖2，溫度變化時本發(fā)明方法工作流程為:接通電源，當(dāng)制冷盒內(nèi)的溫度下降到雪崩光電二極管可以正常工作時，溫敏電阻將此時的溫度信息傳輸給單片機，單片機開啟高壓模塊，將高壓加載在雪崩光電二極管兩端，使單光子探測器工作在某一探測效率下。當(dāng)外界溫度升高時，制冷盒內(nèi)部溫度也隨之升高，單光子探測器的探測效率下降，單片機通過接收到的溫度信息，增大加載在雪崩光電二極管兩端的反向偏壓，單光子探測器探測效率增大，從而保證單光子探測器探測效率的穩(wěn)定。當(dāng)外界溫度下降時，制冷盒內(nèi)部溫度也隨之下降，單光子探測器探測效率增大，單片機通過接收到的溫度信息，降低加載在雪崩光電二極管兩端的反向偏壓，單光子探測器探測效率下降，來保證單光子探測器探測效率的穩(wěn)定。
[0014]為了保證單光子探測器探測效率的穩(wěn)定，單片機必須根據(jù)溫度變化，精確調(diào)節(jié)加載在雪崩光電二極管兩端反向偏壓。為了實現(xiàn)這種精確調(diào)節(jié)，首先必須測出在相同探測效率下單光子探測器的溫度與反向偏壓關(guān)系圖，然后從這種關(guān)系圖中，計算出適合這種關(guān)系圖的數(shù)學(xué)函數(shù)，最后通過編程保證單片機上對高壓模塊的準(zhǔn)確控制。通過單片機的控制，整個溫度變化調(diào)節(jié)時間可以控制在毫秒量級。
實施例
[0015]a、為功率36瓦的單光子探測器的制冷盒內(nèi)的半導(dǎo)體制冷片提供電壓為12V的恒壓電源，使其制冷功率最大；
b、單光子探測器的制冷盒內(nèi)的溫度為-60~-50°C，通過溫敏電阻將溫度信號傳輸給單片機；
C、單片機根據(jù)溫度信號，控制高壓模塊輸出；高壓模塊的輸出即為加載在雪崩光電二極管兩端的反向偏壓；
d、當(dāng)單光子探測器的制冷盒外界溫度發(fā)生變化，制冷盒內(nèi)部溫度隨之變化，溫敏電阻將溫度信號傳遞給單片機，單片機通過改變加載在雪崩光電二極管兩端的反向偏壓，保證單光子探測器效率穩(wěn)定在10% ；
其中，所述控制高壓模塊輸出是:當(dāng)單光子探測器探測效率在10%時，測量雪崩光電二極管在不同工作溫度下相應(yīng)的反向偏壓，(以下數(shù)據(jù)為某一臺探測器的實驗數(shù)據(jù))其關(guān)系表如下:
【權(quán)利要求】
1.一種效率穩(wěn)定的單光子探測器，其特征在于該探測器包括穩(wěn)定電壓源、制冷盒、單片機及高壓模塊，所述制冷盒內(nèi)設(shè)有半導(dǎo)體制冷片、雪崩光電二極管及溫敏電阻，雪崩光電二極管及溫敏電阻與半導(dǎo)體制冷片固定連接；穩(wěn)定電壓源連接半導(dǎo)體制冷片，溫敏電阻及高壓模塊連接單片機，高壓模塊連接雪崩光電二極管。
2.—種權(quán)利要求1所述單光子探測器的控制方法，其特征在于該方法包括以下具體步驟: a、為單光子探測器的制冷盒內(nèi)的半導(dǎo)體制冷片提供使其制冷功率最大的恒定電壓源； b、單光子探測器的制冷盒內(nèi)的溫度通過溫敏電阻將溫度信號傳輸給單片機； C、單片機根據(jù)溫度信號，控制高壓模塊輸出；高壓模塊的輸出即為加載在雪崩光電二極管兩端的反向偏壓； d、當(dāng)單光子探測器的制冷盒外界溫度變化時，改變加載在雪崩光電二極管兩端的反向偏壓，保證單光子探測器效率穩(wěn)定；其中: 所述控制高壓模塊輸出是:繪制在相同探測效率下單光子探測器的溫度與雪崩光電二極管兩端的反向偏壓關(guān)系圖，并計算出這種關(guān)系圖的數(shù)學(xué)函數(shù)，將該數(shù)學(xué)函數(shù)輸入單片機，通過單片機對高壓模塊的輸出進(jìn)行控制。
【文檔編號】G01J11/00GK103557950SQ201310538619
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月5日
【發(fā)明者】陳杰, 曾卓西, 曾和平 申請人:上海朗研光電科技有限公司