專利名稱：一種高靈敏度、寬帶氫或氘a(chǎn)lpha譜線強(qiáng)度測量方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，提出了一種基于雪崩光電二級管高靈敏度、寬帶 可見光波段譜線強(qiáng)度測量方法，具體為一種高靈敏度、寬帶氫或氘a(chǎn)lpha譜線強(qiáng)度測量方 法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在中國科學(xué)院等離子體物理研究所自行研制的托卡馬克裝置EAST中，對處于可 見光波長(390 nm -780 nm)范圍內(nèi)譜線強(qiáng)度的測量是不可或缺的重要診斷。為了研究不同參數(shù)的等離子體所發(fā)出的處于可見光波長(390 nm-780 nm)范圍內(nèi) 譜線強(qiáng)度的變化，尤其需要研究托卡馬克工作氣體(氫氣或者氘氣)的alpha譜線的強(qiáng)度變 化，需要高靈敏度、寬帶氫或氘a(chǎn)lpha譜線強(qiáng)度測量系統(tǒng)。目前國內(nèi)外普遍采用PIN光電二級管或者光電倍增管來實現(xiàn)處于可見光波長 (390 nm-780 nm)范圍內(nèi)氫或氘a(chǎn)lpha譜線強(qiáng)度測量。采用PIN光電二級管，由于響應(yīng)差，從而靈敏度低，系統(tǒng)帶寬窄。采用光電倍增管， 體積大，可接近性差，容易受環(huán)境磁場干擾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是一種高靈敏度、寬帶氫或氘a(chǎn)lpha譜線強(qiáng)度測量方法和系統(tǒng)，以 解決現(xiàn)有測量氫或氘a(chǎn)lpha譜線強(qiáng)度系統(tǒng)基于PIN光電二級管或者光電倍增管的技術(shù)存在 的帶寬窄、靈敏度低或者是體積大、可接近性差、易受磁場干擾等問題。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為
一種高靈敏度、寬帶氫或氘a(chǎn)lpha譜線強(qiáng)度測量方法和系統(tǒng)，其特征在于包括由雪崩 光電二極管構(gòu)成的氫、氘a(chǎn)lpha光接收模塊、由精確高速運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流電壓轉(zhuǎn)換 模塊、由視頻運(yùn)算放大器構(gòu)成的輸出放大模塊，所述雪崩光電二極管的陽極通過導(dǎo)線與所 述精確高速運(yùn)算放大器的反相輸入端連接，所述精確高速運(yùn)算放大器的輸出端通過導(dǎo)線與 所述視頻運(yùn)算放大器的反相輸入端連接，所述氫、氘a(chǎn)lpha光接收模塊的雪崩光電二極管 將氫或氘a(chǎn)lpha光信號轉(zhuǎn)化為電流信號傳送至電流電壓轉(zhuǎn)換模塊，由電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的 精確高速運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大后傳送至輸出放大模塊，最后由輸出放大模塊 的視頻運(yùn)算放大器再次放大后輸出。所述的一種高靈敏度、寬帶氫或氘a(chǎn)lpha譜線強(qiáng)度測量方法和系統(tǒng)，其特征在于 所述氫、氘a(chǎn)lpha光接收模塊中雪崩光電二極管陰極接有偏壓電路，所述偏壓電路包括電 池組，電池組正、負(fù)極之間串聯(lián)接有電阻、電容，從所述電阻、電容之間引出有導(dǎo)線接入所述 雪崩光電二極管的陰極。所述的一種高靈敏度、寬帶氫或氘a(chǎn)lpha譜線強(qiáng)度測量方法和系統(tǒng)，其特征在于 所述雪崩光電二極管配置有濾光片，氫或氘a(chǎn)lpha光通過濾光片射入雪崩光電二極管。
所述的一種高靈敏度、寬帶氫或氘a(chǎn)lpha譜線強(qiáng)度測量方法和系統(tǒng)，其特征在于 所述電流電壓轉(zhuǎn)換模塊中精確高速運(yùn)算放大器的同相輸入端接地，輸出端和反相輸入端之 間接有相互并聯(lián)的反饋電阻、反饋電容，精確高速運(yùn)算放大器的正、負(fù)電源端對應(yīng)接外部電 源正、負(fù)極，精確高速運(yùn)算放大器的正、負(fù)電源端還分別各自通過并聯(lián)的電容接地。所述的一種高靈敏度、寬帶氫或氘a(chǎn)lpha譜線強(qiáng)度測量方法和系統(tǒng)，其特征在于 所述輸出放大模塊中視頻運(yùn)算放大器的同相輸入端接地，輸出端和反相輸入端之間接有電 阻，反相輸入端通過另一電阻引入精確高速運(yùn)算放大器輸出端上的導(dǎo)線，視頻運(yùn)算放大器 的正、負(fù)電源端對應(yīng)接外部電源正、負(fù)極，視頻運(yùn)算放大器的正、負(fù)電源端還分別各自通過 并聯(lián)的電容接地。本發(fā)明中，對處于可見光波長(390 nm-780 nm)范圍內(nèi)譜線氫或氘a(chǎn)lpha強(qiáng)度測 量，氫、氘a(chǎn)lpha光接收模塊通過雪崩光電二級管將光通量轉(zhuǎn)換為電流，由于雪崩光電二級 管對光通量響應(yīng)高，具有內(nèi)增益，從而完成了第一級轉(zhuǎn)換和放大。電流電壓轉(zhuǎn)化模塊將氫、氘a(chǎn)lpha光接收模塊的電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，提供放大 功能，完成第二級放大，在這一級采用具有場效應(yīng)管輸入的精確高速運(yùn)算放大器，提供高 增益且保證寬帶性能。輸出放大模塊采用高性能的視頻運(yùn)算放大器，對電流電壓轉(zhuǎn)化模塊的輸出信號進(jìn) 一步放大，便于信號采集和示波器觀察。本發(fā)明靈敏度高，系統(tǒng)帶寬寬，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，可接近性好，不受環(huán)境磁場影 響。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)框圖。圖2為本發(fā)明系統(tǒng)電路原理圖。圖3為本發(fā)明氫、氘a(chǎn)lpha光接收模塊電路圖。圖4為本發(fā)明電流電壓轉(zhuǎn)化模塊電路圖。圖5為本發(fā)明輸出放大模塊電路圖。
具體實施例方式如圖廣圖5所示。一種高靈敏度、寬帶氫或氘a(chǎn)lpha譜線強(qiáng)度測量方法和系統(tǒng)， 包括由雪崩光電二極管APD構(gòu)成的氫、氘a(chǎn)lpha光接收模塊、由精確高速運(yùn)算放大器0PA827 構(gòu)成的電流電壓轉(zhuǎn)換模塊、由視頻運(yùn)算放大器AD811構(gòu)成的輸出放大模塊，雪崩光電二極 管APD的陽極通過導(dǎo)線與精確高速運(yùn)算放大器0PA827的反相輸入端連接，精確高速運(yùn)算放 大器0PA827的輸出端通過導(dǎo)線與視頻運(yùn)算放大器AD811的反相輸入端連接，氫、氘a(chǎn)lpha 光接收模塊的雪崩光電二極管APD將光信號轉(zhuǎn)化為電流信號傳送至電流電壓轉(zhuǎn)換模塊，由 電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的精確高速運(yùn)算放大器0PA827轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大后傳送至輸出放 大模塊，最后由輸出放大模塊的視頻運(yùn)算放大器AD811再次放大后輸出。氫、氘a(chǎn)lpha光接收模塊中雪崩光電二極管APD陰極接有偏壓電路，偏壓電路包括 電池組，電池組正、負(fù)極之間串聯(lián)接有電阻R1、電容Cl，從電阻R1、電容Cl之間引出有導(dǎo)線 接入雪崩光電二極管APD的陰極。雪崩光電二極管APD配置有濾光片T，可見光通過濾光片T射入雪崩光電二極管APD。電流電壓轉(zhuǎn)換模塊中精確高速運(yùn)算放大器0PA827的同相輸入端接地，輸出端和 反相輸入端之間接有相互并聯(lián)的反饋電阻Rf、反饋電容CF，精確高速運(yùn)算放大器0PA827的 正、負(fù)電源端對應(yīng)接外部士9V電源，精確高速運(yùn)算放大器0PA827的正、負(fù)電源端還分別各 自通過并聯(lián)的電容C2、C3和C4、C5接地。輸出放大模塊中視頻運(yùn)算放大器AD811的同相輸入端接地，輸出端和反相輸入端 之間接有電阻&1，反相輸入端通過另一電阻R引入精確高速運(yùn)算放大器0PA827輸出端 上的導(dǎo)線，視頻運(yùn)算放大器AD811的正、負(fù)電源端對應(yīng)接外部士9V電源，視頻運(yùn)算放大器 AD811的正、負(fù)電源端還分別各自通過并聯(lián)的電容C6、C7和C8、C9接地。氫、氘a(chǎn)lpha光接收模塊采用雪崩光電二級管(如PerkinElmer公司或EG&G公司 的C30956EH)，采用濾光片，將處于可見光波長(390 nm-780nm)范圍內(nèi)某個特定波長范圍內(nèi) 光通量轉(zhuǎn)換為電流信號，在本系統(tǒng)中，波長范圍為(660士 10)nm。由于雪崩光電二級管響應(yīng) 高，具有內(nèi)增益，從而構(gòu)成高靈敏度接收單元。在這一級可以采用電池組構(gòu)成雪崩光電二級 管的偏壓電路，從而減少供電系統(tǒng)的干擾，這是其中一個關(guān)鍵。電流電壓轉(zhuǎn)化模塊將氫、氘a(chǎn)lpha光接收模塊的電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，提供放 大功能，完成第二級放大，在這一級采用具有場效應(yīng)管輸入的精確高速運(yùn)算放大器(如 Burr-Brown公司的0PA627或0PA637)，提供高增益且保證寬帶性能。在這一級主要的要 點(diǎn)是如何確定反饋電容的值。在這一級設(shè)計中關(guān)鍵因素是(1)雪崩光電二級管的電容CD， (2)反饋電阻的大小&，(3)反饋電容的大小CF。選擇合適的反饋電容Cf可以優(yōu)化系統(tǒng)的 頻率響應(yīng)。為了最大限度獲得二階平坦的巴特沃斯頻率響應(yīng)，反饋極點(diǎn)由以下方式確定
1 j GBP MfCf — γ 4i&fCs
其中Cd為雪崩光電二級管的電容，&為反饋電阻的阻值，Cf為反饋電容的大小，GBP 為0PA627的增益帶寬積。在這一級_3dB帶寬為
=I GBP Jt
猶 _ ]j HfCd
電阻&選擇為池Ω，電容Cd為IOpf，通過優(yōu)化，反饋電容折中取為IOpf. 輸出放大模塊，采用高性能的視頻運(yùn)算放大器(如Analog device公司的AD811)，對電 流電壓轉(zhuǎn)化模塊的輸出信號進(jìn)一步放大，便于信號采集和示波器觀察。在這一級，選擇了高 速的視頻運(yùn)算放大器AD811，其壓擺率達(dá)到2500 V/us，具有優(yōu)異的直流精度，最大輸入離散 電壓僅為3 mv。系統(tǒng)整體性能增益為9X IO6 V/I,系統(tǒng)帶寬為1MHz。依據(jù)本發(fā)明的方法，在可 見光波長(390 nm-780 nm)范圍內(nèi)可以開展高靈敏度、寬帶的光譜強(qiáng)度測量和應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種高靈敏度、寬帶氫或氘a(chǎn)lpha譜線強(qiáng)度測量方法和系統(tǒng)，其特征在于包括由雪 崩光電二極管構(gòu)成的氫、氘a(chǎn)lpha光接收模塊、由精確高速運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流電壓轉(zhuǎn) 換模塊、由視頻運(yùn)算放大器構(gòu)成的輸出放大模塊，所述雪崩光電二極管的陽極通過導(dǎo)線與 所述精確高速運(yùn)算放大器的反相輸入端連接，所述精確高速運(yùn)算放大器的輸出端通過導(dǎo)線 與所述視頻運(yùn)算放大器的反相輸入端連接，所述氫、氘a(chǎn)lpha光接收模塊的雪崩光電二極 管將氫或氘a(chǎn)lpha光信號轉(zhuǎn)化為電流信號傳送至電流電壓轉(zhuǎn)換模塊，由電流電壓轉(zhuǎn)換模塊 的精確高速運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大后傳送至輸出放大模塊，最后由輸出放大模 塊的視頻運(yùn)算放大器再次放大后輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度、寬帶氫或氘a(chǎn)lpha譜線強(qiáng)度測量方法和系統(tǒng)， 其特征在于所述氫、氘a(chǎn)lpha光接收模塊中雪崩光電二極管陰極接有偏壓電路，所述偏壓 電路包括電池組，電池組正、負(fù)極之間串聯(lián)接有電阻、電容，從所述電阻、電容之間引出有導(dǎo) 線接入所述雪崩光電二極管的陰極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度、寬帶氫或氘a(chǎn)lpha譜線強(qiáng)度測量方法和系統(tǒng)， 其特征在于所述雪崩光電二極管配置有濾光片，氫或氘a(chǎn)lpha光通過濾光片射入雪崩光 電二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度、寬帶氫或氘a(chǎn)lpha譜線強(qiáng)度測量方法和系統(tǒng)， 其特征在于所述電流電壓轉(zhuǎn)換模塊中精確高速運(yùn)算放大器的同相輸入端接地，輸出端和 反相輸入端之間接有相互并聯(lián)的反饋電阻、反饋電容，精確高速運(yùn)算放大器的正、負(fù)電源端 對應(yīng)接外部電源正、負(fù)極，精確高速運(yùn)算放大器的正、負(fù)電源端還分別各自通過并聯(lián)的電容 接地。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度、寬帶氫或氘a(chǎn)lpha譜線強(qiáng)度測量方法和系統(tǒng)， 其特征在于所述輸出放大模塊中視頻運(yùn)算放大器的同相輸入端接地，輸出端和反相輸入 端之間接有電阻，反相輸入端通過另一電阻引入精確高速運(yùn)算放大器輸出端上的導(dǎo)線，視 頻運(yùn)算放大器的正、負(fù)電源端對應(yīng)接外部電源正、負(fù)極，視頻運(yùn)算放大器的正、負(fù)電源端還 分別各自通過并聯(lián)的電容接地。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高靈敏度、寬帶氫或氘a(chǎn)lpha譜線強(qiáng)度測量方法和系統(tǒng)，氫、氘a(chǎn)lpha光接收模塊的雪崩光電二極管將光信號轉(zhuǎn)化為電流信號傳送至電流電壓轉(zhuǎn)換模塊，由電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的精確高速運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大后傳送至輸出放大模塊，最后由輸出放大模塊的視頻運(yùn)算放大器再次放大后輸出。本發(fā)明靈敏度高，系統(tǒng)帶寬寬，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，可接近性好，不受環(huán)境磁場影響。依據(jù)本發(fā)明的方法，在可見光波長(390nm-780nm)范圍內(nèi)可以開展高靈敏度、寬帶的光譜強(qiáng)度測量和應(yīng)用。
文檔編號G01T1/16GK102141631SQ20101061577
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者凌必利, 張凌, 王嵎民, 高偉 申請人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所