技术领域

本发明涉及光学测量技术领域， 提出了一种基于雪崩光电二级管高灵敏度、 宽带可见光波段谱线强度测量方法， 具体为一种高灵敏度、 宽带氢或氘 alpha谱 线强度测量方法和系统。

背景技术

在中国科学院等离子体物理研究所自行研制的 托卡马克装置 EAST中， 对处 于可见光波长（390 _n m -780 nm) 范围内谱线强度的测量是不可或缺的重要诊断 。

为了研究不同参数的等离子体所发出的处于可 见光波长 （390 nm-780 nm) 范围内谱线强度的变化， 尤其需要研究托卡马克工作气体 （氢气或者氘气） 的 alpha谱线的强度变化， 需要高灵敏度、 宽带氢或氘 alpha谱线强度测量系统。

目前国内外普遍采用 PIN 光电二级管或者光电倍增管来实现处于可见光 波 长 （390 nm-780 nm) 范围内氢或氘 alpha谱线强度测量。

采用 PIN光电二级管， 由于响应差， 从而灵敏度低， 系统带宽窄。 采用光电 倍增管， 体积大， 可接近性差， 容易受环境磁场干扰。

发明内容

本发明的目的是一种高灵敏度、宽带氢或氘 alpha谱线强度测量方法和系统， 以解决现有测量氢或氘 alpha谱线强度系统基于 PIN光电二级管或者光电倍增管 的技术存在的带宽窄、 灵敏度低或者是体积大、可接近性差、 易受磁场干扰等问 题。

为了达到上述目的， 本发明所采用的技术方案为：

一种高灵敏度、 宽带氢或氘 alpha谱线强度测量方法和系统， 其特征在于： 包括由雪崩光电二极管构成的氢、 氘 alpha光接收模块、 由精确高速运算放大器 构成的电流电压转换模块、 由视频运算放大器构成的输出放大模块，所述 雪崩光 电二极管的阳极通过导线与所述精确高速运算 放大器的反相输入端连接，所述精 确高速运算放大器的输出端通过导线与所述视 频运算放大器的反相输入端连接， 所述氢、 氘 alpha光接收模块的雪崩光电二极管将氢或氘 alpha光信号转化为电 流信号传送至电流电压转换模块，由电流电压 转换模块的精确高速运算放大器转 换成电压信号并放大后传送至输出放大模块， 最后由输出放大模块的视频运算放 大器再次放大后输出。

所述的一种高灵敏度、 宽带氢或氘 alpha谱线强度测量方法和系统， 其特征 在于： 所述氢、 氘 alpha光接收模块中雪崩光电二极管阴极接有偏� ��电路， 所述 偏压电路包括电池组， 电池组正、 负极之间串联接有电阻、 电容， 从所述电阻、 电容之间引出有导线接入所述雪崩光电二极管 的阴极。

所述的一种高灵敏度、 宽带氢或氘 alpha谱线强度测量方法和系统， 其特征 在于： 所述雪崩光电二极管配置有滤光片， 氢或氘 alpha光通过滤光片射入雪崩 光电二极管。

所述的一种高灵敏度、 宽带氢或氘 alpha谱线强度测量方法和系统， 其特征 在于： 所述电流电压转换模块中精确高速运算放大器 的同相输入端接地，输出端 和反相输入端之间接有相互并联的反馈电阻、 反馈电容，精确高速运算放大器的 正、 负电源端对应接外部电源正、 负极， 精确高速运算放大器的正、 负电源端还 分别各自通过并联的电容接地。

所述的一种高灵敏度、 宽带氢或氘 alpha谱线强度测量方法和系统， 其特征 在于： 所述输出放大模块中视频运算放大器的同相输 入端接地，输出端和反相输 入端之间接有电阻，反相输入端通过另一电阻 引入精确高速运算放大器输出端上 的导线， 视频运算放大器的正、 负电源端对应接外部电源正、 负极， 视频运算放 大器的正、 负电源端还分别各自通过并联的电容接地。

本发明中， 对处于可见光波长（390 nm-780 nm)范围内谱线氢或氘 alpha强 度测量， 氢、 氘 alpha光接收模块通过雪崩光电二级管将光通量� ��换为电流， 由 于雪崩光电二级管对光通量响应高，具有内增 益，从而完成了第一级转换和放大。

电流电压转化模块将氢、 氘 alpha光接收模块的电流转换成电压信号， 提供 放大功能， 完成第二级放大，在这一级采用具有场效应管 输入的精确高速运算放 大器,提供高增益且保证宽带性能。

输出放大模块采用高性能的视频运算放大器， 对电流电压转化模块的输出信 号进一步放大， 便于信号采集和示波器观察。

本发明灵敏度高， 系统带宽宽， 体积小， 结构紧凑， 可接近性好， 不受环境 磁场影响。

附图说明 图 1为本发明系统框图。

图 2为本发明系统电路原理图。

图 3为本发明氢、 氘 alpha光接收模块电路图。

图 4为本发明电流电压转化模块电路图。

图 5为本发明输出放大模块电路图。

具体实施方式

如图 1〜图 5所示。一种高灵敏度、宽带氢或氘 alpha谱线强度测量方法和系 统， 包括由雪崩光电二极管 APD构成的氢、 氘 alpha光接收模块、 由精确高速 运算放大器 OPA827构成的电流电压转换模块、 由视频运算放大器 AD811构成 的输出放大模块， 雪崩光电二极管 APD的阳极通过导线与精确高速运算放大器 OPA827的反相输入端连接， 精确高速运算放大器 OPA827的输出端通过导线与 视频运算放大器 AD811的反相输入端连接，氢、氘 alpha光接收模块的雪崩光电 二极管 APD将光信号转化为电流信号传送至电流电压转 换模块， 由电流电压转 换模块的精确高速运算放大器 OPA827 转换成电压信号并放大后传送至输出放 大模块， 最后由输出放大模块的视频运算放大器 AD811再次放大后输出。

氢、 氘 alpha光接收模块中雪崩光电二极管 APD阴极接有偏压电路， 偏压 电路包括电池组， 电池组正、 负极之间串联接有电阻 Rl、 电容 Cl， 从电阻 Rl、 电容 C1之间引出有导线接入雪崩光电二极管 APD的阴极。雪崩光电二极管 APD 配置有滤光片 T， 可见光通过滤光片 Τ射入雪崩光电二极管 APD。

电流电压转换模块中精确高速运算放大器 OPA827的同相输入端接地，输出 端和反相输入端之间接有相互并联的反馈电阻 R _F 、 反馈电容 C _F ， 精确高速运算 放大器 OPA827 的正、 负电源端对应接外部 ± 9V 电源， 精确高速运算放大器 OPA827的正、 负电源端还分别各自通过并联的电容 C2、 C3和 C4、 C5接地。

输出放大模块中视频运算放大器 AD811 的同相输入端接地， 输出端和反相 输入端之间接有电阻 R _F 1，反相输入端通过另一电阻 R引入精确高速运算放大器 OPA827输出端上的导线，视频运算放大器 AD811的正、负电源端对应接外部土 9V 电源， 视频运算放大器 AD811 的正、 负电源端还分别各自通过并联的电容 C6、 C7和 C8、 C9接地。

氢、氘 alpha光接收模块采用雪崩光电二级管（如 PerkinElmer公司或 EG&G 公司的 C30956EH ) , 采用滤光片， 将处于可见光波长 （390 nm-780nm ) 范围内 某个特定波长范围内光通量转换为电流信号， 在本系统中， 波长范围为 （660土 10 ) nm。 由于雪崩光电二级管响应高， 具有内增益， 从而构成高灵敏度接收单 元。在这一级可以采用电池组构成雪崩光电二 级管的偏压电路， 从而减少供电系 统的干扰，这是其中一个关键。

电流电压转化模块将氢、 氘 alpha光接收模块的电流转换成电压信号， 提供 放大功能，完成第二级放大， 在这一级采用具有场效应管输入的精确高速运 算放 大器 （如 Burr- Brown公司的 0PA627或 0PA637 ) ，提供高增益且保证宽带性能。 在这一级主要的要点是如何确定反馈电容的值 。在这一级设计中关键因素是（1 ) 雪崩光电二级管的电容 ， （2 )反馈电阻的大小 RP， ( 3 )反馈电容的大小 C,：。 选 择合适的反馈电容 C _F 可以优化系统的频率响应。 为了最大限度获得二阶平坦的 巴特沃斯频率响应， 反馈极点由以下方式确定-

其中： C 为雪崩光电二级管的电容， R.为反馈电阻的阻值， C _F 为反馈电容 的大小， GBP为 0PA627的增益带宽积。

在这一级 -3dB带宽为：

电阻 RP选择为 8k Ω ,电容 C。为 10pf， 通过优化， 反馈电容折中取为 10pf. 输出放大模块， 采用高性能的视频运算放大器 （如 Analog devi ce 公司的 AD811 ) ,对电流电压转化模块的输出信号进一步放大� �便于信号采集和示波器观 察。 在这一级， 选择了高速的视频运算放大器 AD811 , 其压摆率达到 2500 V/us , 具有优异的直流精度， 最大输入离散电压仅为 3 mv。

系统整体性能： 增益为 9 X 10 ⁶ V/I, 系统带宽为 1ΜΗζ。 依据本发明的方法， 在可见光波长（390 nm-780 nm)范围内可以开展高灵敏度、 宽带的光谱强度测量 和应用。