采用多像素光子計數(shù)器的單光子探測模塊設計

楊延麗，鄭新旺，楊光松

(1.集美大學誠毅學院，福建 廈門 361021；2.集美大學海洋信息工程學院，福建 廈門 361021)

0 引言

化學發(fā)光是指在反應體系中某種物質(zhì)的分子吸收了反應所釋放的能量，由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，然后再從激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)時，會把能量以光輻射的形式釋放出來。處于激發(fā)態(tài)的中間體返回到基態(tài)時所釋放的光輻射波長范圍為300～650 nm，化學發(fā)光釋放的光子數(shù)范圍大約在每秒幾百到幾千萬之間，最大發(fā)光強度約為108RUL/s(RUL，相對發(fā)光單位，1 RUL=1～10個光子)，這是一種非常微弱的光信號[1]。在光信號極其微弱時，光電流就不再是連續(xù)的，會離散成一個個的光子，稱為單光子。這時，需要采用高靈敏度的單光子探測器對這種非常微弱的光信號進行單光子計數(shù)，從而探測微弱光的強度，實現(xiàn)生物、醫(yī)學等領域的化學發(fā)光免疫分析。

目前一般化學發(fā)光單光子計數(shù)大多采用光電倍增管(photo multiplier tube，PMT)作為光電傳感器，它具有增益高、暗電流低等優(yōu)點，但是體積較大、探測效率低，特別是工作時必須配上千伏的偏置電壓，限制了它在小型、便攜式的儀器中的應用。多像素光子計數(shù)器(multi-pixel photon counter，MPPC)是一種新型的單光子計數(shù)器，它的一個Pixel是指一個雪崩光電二極管(avalanche photo diode，APD)，可以實現(xiàn)超低量級的微弱光探測。APD工作在蓋革模式(Geiger-mode)下，當接收到一個光子時，所產(chǎn)生的光生載流子觸發(fā)雪崩，雪崩擊穿后的光電轉(zhuǎn)換增益可達105～107。MPPC又稱為硅光電倍增器(SiPM)，它由數(shù)百至數(shù)萬個直徑為幾微米到幾十微米的APD單元陣列集成在同一個單晶硅片上構成[2]，它可以在較低的工作電壓下有較高的增益，輸出信號幅度正比于同時發(fā)生雪崩擊穿的APD單元數(shù)目。MPPC具有目前最優(yōu)秀的光子數(shù)分辨能力，沒有像線性模式APD那樣大的增益起伏或過噪聲，具有比光電倍增管好得多的單光子分辨本領，具有體積小、工作電壓低、不受磁場干擾、可靠性高等優(yōu)點[3]。為了克服PMT的缺點，本文采用MPPC替代PMT，設計一種便攜式單光子計數(shù)模塊，并分析電路特點和誤差原因，提出軟硬件改進措施，以期提升變異系數(shù)、線性相關系數(shù)等指標。

1 采用多像素光子計數(shù)器的單光子探測模塊設計方案

本設計選用的MPPC的型號為日本濱松S11028-100，它是帶制冷的MPPC多像素光子計數(shù)器，其峰值靈敏度波長440 nm，光譜響應范圍320～900 nm，與化學發(fā)光的中心波長和范圍相匹配。S11028-100探測面積1 mm×1 mm，像素100個，像素尺寸100 μm×100 μm，時間分辨率200～300 ps，增益2.4×106，工作電壓(68.25±10)V。本模塊整體設計方案如圖1所示。S11028自帶內(nèi)部溫度傳感器和兩級熱電制冷器，采用微處理器的ADC獲取其內(nèi)部溫度，根據(jù)溫度情況由I/O口控制熱電制冷器，將工作溫度恒定在-10℃左右。S11028在恒定低溫下工作，可以大大降低暗噪聲。高壓偏置電源微調(diào)由微處理器的DAC2控制。單光子入射到APD陣列后，所產(chǎn)生的光生載流子觸發(fā)雪崩產(chǎn)生脈沖，將光子脈沖信號放大后送入高速甄別器，與DAC1產(chǎn)生的參考電平進行比較，去掉噪聲和干擾，甄別出光子信號，將其送入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器生成脈沖波，再送入微處理器進行光子計數(shù)。

2 模塊硬件電路設計

單光子計數(shù)探測模塊的硬件電路主要包括高壓偏置電源、制冷控制電路、跨導放大器、高速比較器、觸發(fā)器和微處理器。

2.1 MPPC光子探測原理

MPPC的每一個APD都工作在蓋革模式下，APD單元偏置電壓Vr高于擊穿電壓Vbr若干伏，當其中一個APD單元接收到一個光子時，按一定的概率產(chǎn)生一個光電子，該電子在耗盡區(qū)產(chǎn)生誘導雪崩擊穿，產(chǎn)生一個恒定的電脈沖輸出，其光電轉(zhuǎn)換增益可達105～106。為了防止雪崩被擊穿，淬滅電阻提供一個回路放電，雪崩管回到初始狀態(tài)，等待下一個光子打來。由于MPPC的結(jié)構特點，適合采用無源抑制的工作方式[4]，其工作電路和等效電路如圖2所示。圖2a中，輸出信號從Rs淬滅電阻上得到，送入放大器。圖2b是 MPPC的等效電路，其中：MPPC等效為一個開關和一個電壓源的串聯(lián)；Vbr是MPPC內(nèi)每一個APD的雪崩擊穿電壓；Rd是APD的體電阻，約幾百到幾千Ω不等；Cd是APD的結(jié)電容，一般為pF量級；Cs為電路分布電容。APD處于雪崩觸發(fā)就緒狀態(tài)時，相當于K打開；當有光子入射時，光陰極把光子通過內(nèi)電光效應轉(zhuǎn)換成光電子，觸發(fā)雪崩，相當于K閉合；電容Cs、Cd通過體電阻Rd放電，抑制開始，時間常數(shù)Tq=Rd(Cs+Cd)，當Cs上的電壓下降到小于擊穿電壓Vbr時，雪崩終止，相當于K斷開；外加反向偏置偏壓Vr通過大電阻RL重新給Cs和Cd充電，以恢復APD上的偏置電壓到擊穿電壓Vbr以上，時間常數(shù)為Tr=RL(Cs+Cd)。由此可知，RL足夠大能使雪崩電流迅速降低。

2.2 高壓偏置電源和制冷控制電路

作為單光子探測器的偏置電源需要滿足以下幾個條件：1)電壓要滿足該型號的規(guī)格要求，能夠達到雪崩擊穿電壓以上；2)能夠提供足夠大的電流，滿足雪崩時電流迅速增大的要求；3)電源紋波要足夠小，有足夠的穩(wěn)定性，減小由于電壓抖動帶來的噪聲。另外MPPC對溫度變化比較敏感，其暗電流、暗計數(shù)噪聲、雪崩電壓等會隨著溫度的變化而變化，需要恒定的工作溫度才能穩(wěn)定地工作。暗計數(shù)噪聲大部分是溫度導致的，降低工作溫度需要降低噪聲，但是溫度太低也會導致靈敏度下降，所以需要選擇合適的工作溫度。

本模塊選用EMCO公司的高精度低噪聲偏置電源CA02P-5，輸出電壓最大可達200 V，最大輸出電流5 mA，紋波系數(shù)小于0.01%，滿足S11028的要求。CA02P-5通過DAC控制輸出電壓，可以靈活地通過軟件進行偏置電源調(diào)節(jié)。它還提供一個低阻抗的電壓監(jiān)視器，用于監(jiān)測S11028的工作電壓情況。最后輸出在pin1 HV腳，在pin1上加較大電容，外接LC濾波電路，得到低紋波設計。該電源設計成獨立模塊，用鐵盒封閉，以便減少對外界電路的影響。

偏置電源和制冷控制電路如圖3和圖4所示。制冷控制選用ThermOptics公司的半導體熱電制冷專用驅(qū)動芯片DN1221，設計目標是將S11028工作溫度控制在-10 ℃。查S11028內(nèi)部負溫度系數(shù)熱敏電阻參數(shù)表，可知-10 ℃對應的阻值RT為40 kΩ，根據(jù)DN1221的要求pin2和pin3之間所接RS要等于目標溫度下的熱敏電阻阻值，故接一個50 kΩ精密電位器。

2.3 放大電路設計

從MPPC獲得的單光子光電流信號需轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后進一步放大[5]，將放大后的信號從背景噪聲中識別并提取出來，最后轉(zhuǎn)換成標準矩形脈沖信號輸出。在化學發(fā)光微弱光范圍內(nèi)，MPPC輸出脈沖寬度為10～20 ns的負向電流，以及輸出幅度不等、離散的電流脈沖信號。化學發(fā)光免疫反應發(fā)光頻率范圍約為50 MHz左右，因此前置放大器中放大帶寬應該在100 MHz以上。為此，本模塊選用TI公司的THS3001，它是電流負反饋型的高速運算放大器，具有420 MHz的-3 dB帶寬、低噪聲，并且在帶寬內(nèi)平坦度良好，轉(zhuǎn)換速率高達6500 V/μs ，在大信號應用場合只需要40 ns的建立時間，滿足信號快速響應的要求。THS3001還具有非常低的非諧波失真，在頻率為1 MHz時THD小于-96 dB，反向輸入端輸入偏置電流僅為2 μA。由于本模塊需要放大負極性脈沖信號，所以使用±5 V雙極性電源供電。

在微弱光電檢測電路中，微弱信號提取的關鍵在于前置放大器的設計。第一級放大器的重點在于抑制噪聲，后級放大電路則需要重點考慮增益、帶寬、阻抗匹配、穩(wěn)定性等。本電路采用電流反饋型放大電路，減少帶寬損失。共采用四級放大，一則可以獲得正的輸出信號，二則可以減少后級放大電路大信號輸入對帶寬的影響，獲得一個較理想的幅頻特性。第一級為電流—電壓(I/V)轉(zhuǎn)換的電流反饋運放電路，有效的光信號都比較微弱，再由MPPC轉(zhuǎn)化成的光電流信號更微弱。利用電流反饋運放電路讓光電流向反饋電阻流動，從而在放大電路輸出端轉(zhuǎn)化成為電壓。前置放大器具有相對較低的噪聲，以及相對較大的帶寬，比較適合MPPC輸出的微弱信號的提取。第二級至第三級為反向比例運放，第四級為射極跟隨器。

電流反饋運放的反向輸入電阻非常小，所以它對反向輸入端雜散電容的敏感度比電壓反饋運放要小很多，這對電流—電壓轉(zhuǎn)換非常有利。電流反饋運放的增益和帶寬是相互獨立的，電流反饋放大器的帶寬和穩(wěn)定性僅受反饋電阻影響，-3 dB帶寬計算公式為：

fC=(2πRFCC)-1。

其中：RF為跨阻電阻；CC為運放寄生電容，在本文中取320 pF[6]。代入?yún)?shù)可得：RF=(2πfCCC)-1=(2×3.14×420×103×320×10-12)-1=1185 Ω。 反饋電阻RF取值為1.2 kΩ，RF取值合適有利于增加運放穩(wěn)定性，消除過沖。

為驗證放大器設計思路，使用Multisim軟件分別對輸入端、四級輸出端進行了仿真測試。整體仿真放大電路如圖5所示，向輸入端輸入400 μA的脈沖電流信號，從第四級輸出幅值為3.3 V的正脈沖信號。仿真輸出總波形如圖6所示，其中V3、V4、V5波形分別是圖5中所標識的測試點的波形。本模塊放大電路的第一級原理圖如圖7所示，實物如圖8所示，從示波器最后一級輸出實測到的波形如圖9所示，圖9中上面的波形為放大電路第一級輸出200 mV脈沖，圖9中下面的波形為第四級輸出4 V脈沖。

2.4 甄別和脈沖整形輸出電路

通常情況下，光子信號脈沖幅度要比噪聲信號幅度大，噪聲信號往往伴隨著光子脈沖信號產(chǎn)生，或者在光子脈沖信號之間以不規(guī)律的小脈沖出現(xiàn)。所以，可以通過信號幅度鑒別的方式來濾除噪聲。MPPC每個像素在探測到光子時輸出脈沖的幅度是相同的，多個像素最終輸出信號是單個輸出信號相互疊加的結(jié)果。圖10為光脈沖在MPPC中激發(fā)并被線性放大后的輸出波形，當有雙光子同時被探測到，輸出的幅度等于兩個脈沖疊加的高度。同理，當有三個光子被同時探測到，則輸出幅度是三個脈沖疊加的高度[7]。可以采用雙閾值的鑒別方法區(qū)分單光子和雙光子，這種鑒別器有兩個閾值電平VH和VL。當脈沖電平低于VL時，此時脈沖屬于噪聲和干擾，計數(shù)值為0；當脈沖電平處于VL和VH之間時，屬于單光子脈沖，計數(shù)值為1；當脈沖電平大于VH時，屬于雙光子脈沖，計數(shù)值為2[8]。至于三光子及以上的多光子脈沖，由于光子計數(shù)服從泊松分布，采用軟件校正的方法進行修正。

光子脈沖信號送入高速比較器AD8611的正輸入端，比較正輸入端與負輸入端的電壓，甄別出有效的光子信號脈沖。AD8611是8引腳單路4 ns高速比較器，速度快延遲小，具有鎖存功能和互補輸出，輸入頻率可達100 MHz，3～5 V的單電源供電。AD8611具備高速特性，滿足本模塊對有效脈沖信號鑒別的需要。某些化學發(fā)光需要寬量程，當發(fā)光強度稍大時，已經(jīng)從一個個單光子變成光電流了，此時單光子計數(shù)的方式不再適用。為了解決這個高端飽和的問題，在輸出電路上增加一路ADC采集光電流電路，放大電路輸出端，一路送入比較器，一路送入運放TLC2722，用差分方式送入微處理器12 bit ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再根據(jù)標定數(shù)值轉(zhuǎn)換成對應的光子數(shù)。

3 單光子計數(shù)軟件修正

圖10是光子在MPPC上激發(fā)并線性放大后，在示波器觀察到的MPPC輸出波形圖。多個光子同時打在MPPC時，總輸出信號是每個接受到光子的像素輸出信號相互疊加的結(jié)果。軌跡波峰越高，代表著入射的光子數(shù)越多，每條軌跡間隔約100 mV，MPPC每個像素的增益均勻性比較一致。這種多光子脈沖，使用多級閾值鑒別的方法很難實現(xiàn)，由于入射光子統(tǒng)計結(jié)果服從泊松分布[10]，并且光子越密集，在同一分辨時間長度內(nèi)出現(xiàn)的光子數(shù)越多，誤差越大，這種脈沖堆積得采用軟件的辦法進行校正。

經(jīng)過兩種校正方法對比，第一種按脈沖堆積發(fā)生的概率估算的誤差太大，并且只能用近似的固定誤差比例計算，無法滿足量程的要求；第二種內(nèi)插法計算結(jié)果比第一種小，并且可以靈活地根據(jù)實測值進行修正，基本滿足要求。

4 指標測試

參照國家行業(yè)標準YY/T 1174—2010《半自動化學發(fā)光免疫分析儀的規(guī)定》[13]，主要測試指標標準為：變異系數(shù)(CV)CV≤2%，穩(wěn)定性A≤3%，不小于3個發(fā)光數(shù)量級范圍內(nèi)線性相關系數(shù)r≥0.99。測試方法采取該國標中規(guī)定的試劑法和參考光源法，測試所用光源采用中心波長465 nm藍光LED加不同衰減片的方法模擬單光子脈沖[14～15]，該光源采用化學發(fā)光試劑標準品標定。

4.1 與PMT儀器對比測試

表1 PMT和MPPC分別測試參考光源Tab.1 PMT and MPPC test reference light source respectively

該PMT儀器采用濱松CR115，橡膠套覆蓋被測孔后通過光纖棒導光，將單孔發(fā)光導至PMT光陰極測試光子數(shù)。

由于MPPC是由蓋革模式雪崩光電二極管陣列組成的，光生載流子在高電場下電離產(chǎn)生新的電子—空穴對。新產(chǎn)生的載流子同樣也會被加速產(chǎn)生電子—空穴對。而PMT的增益來自于倍增系統(tǒng)的二次電子發(fā)射效應。MPPC具有優(yōu)良的時間分辨率，同時入射的光子越多輸出脈沖越高，這些特性使MPPC測得的相對光子數(shù)值遠大于PMT。

由表1可知，本MPPC模塊的各個參考光源發(fā)光值重復性(變異系數(shù)CV)都小于1.1%，而傳統(tǒng)使用PMT測試的儀器只能做到小于8%。

4.2 測光值變異系數(shù)和線性相關系數(shù)測試

按照國標將參考光源的下限值測試10次，計算變異系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 光源下限值(1000)測試結(jié)果Tab.2 Test result of lower limit of light source(1000)

由表2可知變異系數(shù)小于2%，滿足國標要求。

線性回歸相關系數(shù)按照國標要求進行。已知濃度的標準品測發(fā)光值，依濃度(取對數(shù))和發(fā)光值(取對數(shù))的關系方程可求出標準濃度。把高值標準品稀釋出5個梯度，分別測3次發(fā)光值并取對數(shù)值，用關系方程測算其濃度值，畫出濃度實際值與測算值的線性相關性曲線(見圖11)。由此，計算出相關系數(shù)r=0.9967，滿足國標大于0.99的要求，但線性度需要進一步提升改進。

為了更客觀地衡量本模塊的性能指標，同等條件下分別測試PMT儀器和本模塊的本底數(shù)值各10次，結(jié)果如表3所示。

表3 本底測試結(jié)果Tab.3 Background test rsesult

從本底測試情況來看，本模塊的變異系數(shù)較小，僅為0.66%。雖然MPPC模塊測得得本底數(shù)據(jù)是相對光子數(shù)，表明MPPC的計數(shù)靈敏度很高，但是MPPC本底整體偏大，這跟它本身暗計數(shù)比PMT高得多的特性有關[16]。

5 結(jié)論

本文設計了一種用于化學發(fā)光分析的單光子探測模塊。采用MPPC取代傳統(tǒng)PMT作為光子探測器，設計了MPPC高壓偏置電路、制冷電路、微弱光電流放大電路、甄別和整形電路，在軟件上對暗噪聲和脈沖堆積效應進行了分析和誤差修正，進一步提高了單光子計數(shù)結(jié)果的準確性。經(jīng)測試可以用于實際的化學發(fā)光分析儀器對單光子進行計數(shù)，關鍵指標滿足國標要求。但是本模塊也存在本底偏大和量程高端線性度不夠好等問題，后續(xù)研究將進一步分析和改善這些性能。