基于波形面積的雪崩光探測器增益測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于微弱光探測方法技術領域，具體涉及一種基于波形面積的雪崩光探測 器增益測量方法。
【背景技術】
[0002] 所謂光探測器的增益是指光探測器的輸出信號幅度和初始信號幅度之比；信號幅 度包括有電荷量、電壓或電流等。
[0003] 現有光探測器增益的測量方法主要有以下三種：
[0004] 第一種方法是利用電壓表或電流表直接測量輸出信號幅度和初始信號幅度， 兩者的比值即為增益；該種方法適用于增益較小的探測器（參考文獻：R.H.Haitz， A. Goetzberger, R. M. Scarlett and ff. Shockley, Avalanche effects in Silicon p-n junctions. I. Localized Photomultiplication studies on microplasmas, Journal of applied physics, Vol.34, No. (6), 1963, pp. 1581-1590)；
[0005] 第二種方法是使用電荷數字轉換器（即QDC，Charge to Digital Converter)或模 數轉換器（即 ADC，Analog to Digital Converter)或多道分析器（即 MCA，Multi-Channel Analyzer)將光探測器輸出的信號電荷量轉化為數字量進行增益測量；通過分析相鄰兩光 電子峰的道數之差，乘以儀器的電荷轉換率，即可算出探測器的增益；（參考文獻：Paolo Finocchiaro,Alfio Pappalardo, Luigi Cosentino,etal. , Characterization of a Novel 100-Channel Silicon Photomultiplier-Part II ：Charge and Time,IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，VOL. 55, NO. 10, OCTOBER，（2008) pp. 2765-2773);
[0006] 第三種方法是利用放射性元素輻射的具有特征能量的射線來標定探測器的增益， (參考文南犬：G. F. Knoll，Radiation Detection and measurement，2nd edition, Wiley, New York, 2001, pp395. ；A. N. Otte, J. Hose, R. Mirzoyan, A. Romaszkiewicz, M. Teshima, A.Theaa, A measurement of the photon detection efficiency of silicon photomultipliers, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 567(2006)360 - 363)。
[0007] 第一類方法只適用于增益較小的探測器，對于高增益的探測器（>105)，探測器已 具有單光子響應能力，采用這種方法測量的結構不準確。
[0008] 第二類增益測量方法，其對應的系統較為復雜，所需的高速QDC、門產生器 等儀器造價昂貴，且屬于專用測量裝置，通用性不強，詳見參考文獻：(M.Gr〇dZiCka， M. Moszyr nski，T. Szcz，etal.，Energy resolution of small scintillation detectors with SiPM light readout，JINST，VOL. 8, P02017,（2013)1-17)。另外在利用該方法進行 測量之前，需要事先對QDC的電荷數字轉化率進行定標，所以測量步驟較為繁瑣。
[0009] 第三種方法需要在完備的核輻射保護裝置下進行測量，否則對人體有傷害，給測 量造成了不便。
【發明內容】
[0010] 本發明的目的在于提供一種基于波形面積的雪崩光探測器增益測量方法，解決了 現有雪崩光探測器增益測量方法中存在的系統復雜、通用性不強及測量便捷性差的問題。
[0011] 本發明所采用的技術方案是，基于波形面積的雪崩光探測器增益測量方法，具體 按照以下步驟實施：
[0012] 步驟1、由穩壓電源進行供電，將多像素光子探測器輸出的雪崩信號輸入到通用 數字示波器中，由通用數字示波器顯示出波形電壓值；
[0013] 若待測多像素光子探測器的信號幅度太小，就要先將多像素光子探測器輸出的雪 崩信號通入高速放大器內進行放大，再輸入通用數字示波器中；
[0014] 步驟2、經步驟1后，將通用數字示波器顯示的波形電壓值對時間進行積分，求取 出波形面積值；
[0015] 步驟3、預先在計算機內嵌入計算模塊，利用計算機內的計算模型對經步驟2得到 的波形面積值A進行處理，獲取增益值；
[0016] 步驟4、為了提高測量的準確性，要重復步驟1~步驟3至少100次，獲得多個增益 值；
[0017] 步驟5、對經步驟4獲取的多個增益值進行直方圖統計，完成基于波形面積的雪崩 光探測器增益的測量。
[0018] 本發明的特點還在于：
[0019] 步驟2中波形面積值A通過如下算法獲得：
[0021] 式中，VU1)是在時間點h測量的電脈沖波形信號的電壓值，At是采樣時間間隔， Ta、Tb分別是采樣時間的起始時刻和終止時刻。
[0022] 步驟3具體按照以下步驟實施：
[0023] 步驟3. 1、利用計算機內嵌的計算模型將經步驟2得到的波形面積值A換算為電荷 量Q，具體按照以下算法實施：
[0025] 在式中，&是負載電阻值，A是波形面積值，也是電壓波形的積分值；
[0026] 步驟3. 2、將經步驟3. 1換算得到的電荷量Q除以測量時間內初始載流子的電量 e，即得到多像素光子探測器的增益值Gain ;
[0028] 式中，Gain為探測器的增益值；
[0029] 若步驟1中采用了高速放大器，在進行增益換算時，只要將電荷量Q再除以高速放 大器的增益系數η即可，具體按照以下算法實施： CN 105181153 A 說明書 3/6 頁
[0031] 多像素光子探測器采用MPPC Cl 1209-10型多像素光子探測器。
[0032] 高速放大器采用HSA-Y-2-40放大器。
[0033] 步驟5具體按照以下方式實施：
[0034] 經步驟4獲得多個增益值后，利用計算機內置的直方圖統計軟件根據多個增益值 繪制出統計直方圖，該統計直方圖的峰值對應的增益值即為多像素光子探測器的平均增 益，從而完成基于波形面積的雪崩光探測器增益的測量。
[0035] 通用數字示波器為DP04102B-L型數字示波器。
[0036] 穩壓電源為IT6235型精密穩壓電源，用于提供電力供應。
[0037] 本發明的有益效果在于：
[0038] (1)本發明基于波形面積的雪崩光探測器增益測量方法，無需利用其它定標手段 定標即可實現待測探測器的增益測量，測量便捷，符合當今人們對于便捷性的需求。
[0039] (2)本發明基于波形面積的雪崩光探測器增益測量方法，只需使用實驗室通用的 測試儀器及示波器進行測量，有效的降低了測量成本，解決了現有方法存在的測試系統價 格高昂，測量成本高的問題。
[0040] (3)本發明基于波形面積的雪崩光探測器增益測量方法通用性強，適用范圍廣泛， 具有非常大的應用前景。
【附圖說明】
[0041] 圖1是本發明基于波形面積的雪崩光探測器增益測量方法中涉及的測量系統的 工作狀態示意圖；
[0042] 圖2是本發明基于波形面積的雪崩光探測器增益測量方法的流程圖；
[0043] 圖3是利用本發明基于波形面積的雪崩光探測器增益測量方法測得的多像素光 子探測器增益隨偏壓的變化趨勢圖。
[0044] 圖中，1.多像素光子探測器，2.高速放大器，3.通用數字示波器，4.計算機，5.穩 壓電源。
【具體實施方式】
[0045] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0046] 本發明基于波形面積的雪崩光探測器增益測量方法中應用的測量裝置，其結構如 圖1所示，包括有多像素光子探測器1，多像素光子探測器1外接穩壓電源5,多像素光子探 測器1依次與高速放大器2、通用數字示波器3及計算機4連接；計算機4內嵌有計算模型， 該計算模型能求取波形面積，并將波形面積換算為增益值，還能對增益值進行統計；最終通 過對獲取的所有增益值進行統計，實現本發明基于波形面積的雪崩光探測器增益的測量方 法。
[0047] 本發明基于波形面積的雪崩光探測器增益測量方法，如圖2所示，具體按照以下 步驟實施：
[0048] 步驟1、由穩壓電源5進行供電，將多像素光子探測器1輸出的雪崩信號輸入到通 用數字示波器3中，由通用數字示波器3顯示出波形電壓值；
[0049] 若待測多像素光子探測器1的信號幅度太小，就要先將多像素光子探測器1輸出 的雪崩信號通入高速放大器2內進行放大，再輸入通用數字示波器3中；
[0050] 其中的多像素光子探測器1采用MPPC Cl 1209-10型多像素光子探測器；
[0051] 當然，也可以用單點探測器或探測器陣列來替代多像素光子探測器1 ;
[0052] 高速放大器 2 為 HSA-Y-2-40 放大器，3 dB band width IOkHz-L 9GHz， noisefigure 4. 9dB, voltage Gain 40dB(100X)；
[0053] 通用數字示波器3為DP04102B-L型數字示波器；利用通用數字示波器3可以記錄 和傳輸多像素光子探測器1輸出的雪崩信號波形數據；
[0054] 穩壓電源5為IT6235型精密穩壓電源，用于提供電力供應。
[0055] 步驟2、經步驟1后，將通用數字示波器3顯示的波形電壓值對時間進行積分，求取 出波形面積值A ;
[0056] 波形面積值A按照如下算法獲得：
[0058] 式中，VU1)是在時間點