阅读说明：本技术 用于SiPM管偏置电压的电源及核信号探测装置 (Power supply for SiPM tube bias voltage and nuclear signal detection device ) 是由 唐恭富 李进 廖鹏 姚飞 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了用于SiPM管偏置电压的电源及核信号探测装置,该电源包括连续可调升压电路和实时SiPM管增益自动校正电路；所述连续可调升压电路采用两级电压并联负反馈闭环可调升压电路产生SiPM管的偏置电压；所述实时SiPM管增益自动校正电路接收SiPM管所需增益量及特性参数,并根据实时采集的SiPM管的环境温度实时调节连续可调升压电路产生的SiPM管的偏置电压,从而实现SiPM增益自动校正。本发明采用两级电压并联负反馈闭环可调升压电路,完成升压初始电压,通过引入实时SiPM管增益自动校正电路实现精确、稳定的控制升压电源电路的输出,满足用SiPM管作核信号检测和核素识别。(The invention discloses a power supply for SiPM tube bias voltage and a nuclear signal detection device, wherein the power supply comprises a continuously adjustable booster circuit and a real-time SiPM tube gain automatic correction circuit; the continuous adjustable booster circuit adopts a two-stage voltage parallel negative feedback closed loop adjustable booster circuit to generate bias voltage of the SiPM tube; the real-time SiPM tube gain automatic correction circuit receives the gain amount and the characteristic parameters required by the SiPM tube and adjusts the bias voltage of the SiPM tube generated by the continuously adjustable booster circuit in real time according to the environment temperature of the SiPM tube acquired in real time, so that the SiPM gain automatic correction is realized. The invention adopts a two-stage voltage parallel negative feedback closed loop adjustable booster circuit to finish boosting initial voltage, realizes accurate and stable control of the output of the booster power supply circuit by introducing a real-time SiPM tube gain automatic correction circuit, and meets the requirements of using the SiPM tube for nuclear signal detection and nuclide identification.)

用于SiPM管偏置电压的电源及核信号探测装置

技术领域

本发明涉及核检测设备技术领域，具体涉及用于SiPM管偏置电压的电源及核信号探测装置。

背景技术

硅光电倍增管(SiPM)是一种用于PET(Positrom Emission Tomography)的光电探测器件，主要进行核信号光电转换和放大，它的优点是尺寸小，工作电压低，功耗小，对磁场不敏感等优点，但其缺点是增益对环境温度很敏感，对其偏置电压的纹波和精度极高。因此，用SiPM管检测核信号其偏置电压精度、稳定性和SiPM管的自动增益校正是关键技术之一，目前,没有专用的SiPM偏置电压电源，一般采用普通的电源用作SiPM管偏置电压，其稳定性差、纹波较大，也没有SiPM管的自动增益校正，难以满足用SiPM管作核信号检测和核素识别。

发明内容

为了克服现有SiPM管偏置电压稳定性差的技术问题，本发明提供了解决上述问题的用于SiPM管偏置电压的电源，本发明采用两级电压并联负反馈闭环可调升压电路，完成升压初始电压，通过引入实时SiPM管增益自动校正电路实现精确、稳定的控制升压电源电路的输出，从而解决了基于SiPM管阵列探测器的稳定性问题，满足用SiPM管作核信号检测和核素识别。

本发明通过下述技术方案实现：

用于SiPM管偏置电压的电源，包括连续可调升压电路和实时SiPM管增益自动校正电路；所述连续可调升压电路采用两级电压并联负反馈闭环可调升压电路产生SiPM管的偏置电压；所述实时SiPM管增益自动校正电路接收SiPM管所需增益量及特性参数，并根据实时采集的SiPM管的环境温度实时调节连续可调升压电路产生的SiPM管的偏置电压，从而实现SiPM增益自动校正。

优选的，所述连续可调升压电路包括微型平面变压器B、运算放大器U1、电压调节器U2和降噪器M；所述实时SiPM管增益自动校正电路的输出端通过依次串联的电阻R4、电阻R5和电容C1连接在运算放大器U1的输出端，所述运算放大器U1的反相输入端与电阻R4和电阻R5的公共连接端连接；所述运算放大器U1的输出端通过电阻R6与电压调节器U2的FB端连接，所述电压调节器U2的GND端接地GND，所述电阻R6与FB端的公共连接端通过电阻R8接地GND，所述电压调节器U2的Vc端接电源VCC，所述微型平面变压器B的N1端接电源VCC，所述微型平面变压器B的N2端接所述芯片的LX端，所述微型平面变压器B的N3端接所述微型平面变压器B的N4端，所述微型平面变压器B的N5端接二极管D1的正端，所述二极管D1的负端接降噪器M的IN端。所述微型平面变压器B的N4端接二极管D2的正端，所述二极管D2的负端通过电容C3接地GND，所述二极管D2的负端还通过电容C2与二极管管D1与IN端的公共连接端连接，且所述二极管D1、IN端与电容C2的公共连接端通过电阻R2与所述电阻R6、电阻R8与FB端的公共连接端连接，所述降噪器M的GND端接地GND，所述降噪器M的输出端通过依次串联的电阻R3、电阻R7接地GND，且电阻R3和电阻R7的公共连接端通过电阻R1与运算放大器U1的正相输入端连接；所述降噪器M的输出端与所述实时SiPM管增益自动校正电路连接。本发明采用电压调节控制器与平面变压器、降噪器实现两级电压并联负反馈闭环可调升压电路。

优选的，所述实时SiPM管增益自动校正电路包括：

A/D转换处理电路，用于接收连续可调升压电路的输出电压，并将模拟信号转换为数字信号发送给微处理器MCU；

环境温度检测处理电路，用于接收温度传感器的信号并进行处理，将处理后的信号发送给微处理器MCU；

微处理器MCU，通过通信接口接收SiPM管所需增益量及特性参数，且实时监测SiPM管的环境温度以及连续可调升压电路的输出电压并进行处理得到SiPM管所需偏置电压并将其发送给D/A转换处理电路；

D/A转换处理电路，用于接收微处理器MCU输出的数字信号，并将其转换成模拟信号，发送给连续可调升压电路，实时控制连续可调升压电路输出电压的大小，以满足SiPM管偏置电压的要求。本发明通过引入A/D、D/A、MCU、温度传感器等，再采用数字PID控制调节技术，精确、稳定的控制升压电源电路的输出，根据SiPM管的应用环境温度变化实时调节SiPM的偏置电压，从而实现SiPM增益自动校正。

优选的，所述微处理器MCU电路通过CAN总线接口接收SiPM管所需增益量及特性参数。

优选的，所述实时SiPM管增益自动校正电路采用数字PID控制技术自动校正SiPM管增益。

另一方面，本发明还提出了一种核信号探测装置，该装置采用如上所述的用于SiPM管偏置电压的电源。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明建立了用于SiPM管偏置电压的电源电路，深入地研究所需电源特点，采用电压调节控制器与平面变压器、降噪器实现两级电压并联负反馈闭环可调升压电路，完成升压初始电压，通过引入A/D、D/A、MCU、温度传感器、CAN通信，再采用数字PID控制调节技术，精确、稳定的控制升压电源电路的输出，根据SiPM管的应用环境温度变化实时调节SiPM的偏置电压，从而实现SiPM增益自动校正。升压电路的输出30VDC～90VDC,噪声不大于0.1mVP-P,调节分辨率不大于5mV，在环境温度-20℃～60℃条件下SiPM管的最大增益漂移小于0.1％。从而解决了基于SiPM管阵列探测器的稳定性问题，满足用SiPM管作核信号检测和核素识别。

2、本发明采用基于SiPM管的使用环境温度控制SiPM管偏置电压使其SiPM管放大增益不随环境温度而变。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的电路结构示意图。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提出了一种用于SiPM管偏置电压的电源，如图1所示，该电源包括连续可调升压电路和实时SiPM管增益自动校正电路；所述连续可调升压电路采用两级电压并联负反馈闭环可调升压电路产生SiPM管的偏置电压；所述实时SiPM管增益自动校正电路接收SiPM管所需增益量及特性参数，并根据实时采集的SiPM管的环境温度实时调节连续可调升压电路产生的SiPM管的偏置电压，从而实现SiPM增益自动校正。

在本实施例中，连续可调升压电路采用电压调节器、平面变压器和降噪器实现两级电压并联负反馈闭环可调升压电路，完成升压初始电压；通过引入包括A/D、D/A、MCU和环境温度检测电路的实时SiPM管增益自动校正电路，再采用数字PID控制调节技术，精确、稳定的控制升压电源电路的输出，根据SiPM管的应用环境温度变化实时调节SiPM的偏置电压，从而实现SiPM增益自动校正。具体的，如图1所示，连续可调升压电路包括：包括微型平面变压器B、运算放大器U1、电压调节器U2和降噪器M；所述实时SiPM管增益自动校正电路的输出端(即D/A转换处理电路的输出端)通过依次串联的电阻R4、电阻R5和电容C1连接在运算放大器U1的输出端，所述运算放大器U1的反相输入端与电阻R4和电阻R5的公共连接端连接；所述运算放大器U1的输出端通过电阻R6与电压调节器U2的FB端连接，所述电压调节器U2的GND端接地GND，所述电阻R6与FB端的公共连接端通过电阻R8接地GND，所述电压调节器U2的Vc端接电源VCC，所述微型平面变压器B的N1端接电源VCC，所述微型平面变压器B的N2端接所述电压调节器U2的LX端，所述微型平面变压器B的N3端接所述微型平面变压器B的N4端，所述微型平面变压器B的N5端接二极管D1的正端，所述二极管D1的负端接降噪器M的IN端。所述微型平面变压器B的N4端接二极管D2的正端，所述二极管D2的负端通过电容C3接地GND，所述二极管D2的负端还通过电容C2与二极管管D1与IN端的公共连接端连接，且所述二极管D1、IN端与电容C2的公共连接端通过电阻R2与所述电阻R6、电阻R8与FB端的公共连接端连接，所述降噪器M的GND端接地GND，所述降噪器M的输出端通过依次串联的电阻R3、电阻R7接地GND，且电阻R3和电阻R7的公共连接端通过电阻R1与运算放大器U1的正相输入端连接；所述降噪器M的输出端与所述A/D转换处理电路的输入端连接。

本实施例中，实时SiPM管增益自动校正电路包括：

A/D转换处理电路，用于接收连续可调升压电路的输出电压(即降噪器M输出端的输出电压)，并将模拟信号转换为数字信号发送给微处理器MCU；

环境温度检测处理电路，用于接收温度传感器的信号并进行处理，将处理后的信号发送给微处理器MCU；

微处理器MCU，通过通信接口(本实施例中，采用CAN总线接口)接收SiPM管所需增益量及特性参数，且实时监测SiPM管的环境温度以及连续可调升压电路的输出电压并进行处理得到SiPM管所需偏置电压(根据SiPM管的应用环境温度变化实时调节SiPM的偏置电压，从而实现SiPM增益自动校正)并将其发送给D/A转换处理电路；

D/A转换处理电路，用于接收微处理器MCU输出的数字信号，并将其转换成模拟信号，发送给连续可调升压电路(即所述D/A转换处理电路的输出端与电阻R4连接)，实时控制连续可调升压电路输出电压的大小，以满足SiPM管偏置电压的要求。本发明通过引入A/D、D/A、MCU、温度传感器等，再采用数字PID控制调节技术，精确、稳定的控制升压电源电路的输出，根据SiPM管的应用环境温度变化实时调节SiPM的偏置电压，从而实现SiPM增益自动校正。

实施例2

本实施例2提供了上述实施例提出的用于SiPM管偏置电压的电源在核信号探测装置上进行实施，该电源输出电压30VDC～90VDC连续可调，噪声不大于0.1mVp-p,调节分辨率不大于5mV；SiPM管增益自动校正电路通过CAN总线接收SiPM管所需增益量及特性参数，实时采集跟踪SiPM管的环境温度、升压电路的输出电压(SiPM的偏置电压)，采用PID控制技术自动校正SiPM管的增益，在环境温度-20℃～60℃条件下SiPM管的最大增益漂移小于0.1％。从而实现了基于SiPM管阵列探测器的稳定性问题，满足用SiPM管作核信号检测和核素识别。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。