一种用于单光子探测器工作环境温度控制系统的制作方法

本实用新型涉及单光子高效率探测技术领域，特别涉及一种用于单光子探测器工作环境温度控制系统。

背景技术：

在量子信息技术中，单光子探测作为重要的组成部分是不可或缺的，现有单光子探测大都采用的是雪崩光电二极管实现，在雪崩光电二极管探测单光子时，若要提高探测效率，雪崩二极管大都需要工作在-30°恒温的密封盒内，雪崩二极管工作在此环境下有较低的暗计数和后脉冲，有利于探测输出信号的提取和处理。

目前，该恒温的密封盒采用如图1的方式来实现，根据目标温度，计算出相应的DAC目标电压，并将此目标电压值(V1)和热敏电阻电压值(V2)相比较。若V1>V2，则半导体冷面进行加热操作，若V1<V2，半导体冷面则进行制冷操作。若V1＝V2，则制冷片冷面温度达到设定目标值，温度保持恒定。因此，只要确保V1<＝V2，那么半导体制冷片就会进行制冷操作，不会进行制热导致破坏制冷片本身和雪崩二极管。

上述方式中容易出现一下缺陷：

1、测温点的热敏电阻两个电极安装时容易发生短路，即V2＝0V(该热敏电阻被导热胶粘在一个金属座上，该金属座用于固定雪崩二极管)，导致V1>V2。

2、半导体制冷片的正负引线若接反，冷面会加热，热面会制冷。

假如该结构中出现制冷片制热的情况，则后果是：

1、本来用于制冷的冷面产生高温，影响制冷性能，甚至高温(超过120°)融解冷面内部的半导体焊接点，造成制冷片彻底损坏。

2、昂贵的雪崩二极管被高温加热后，探测效率严重降低。

上述两种情况发生后，就需要更换新的半导体制冷片和雪崩二极管。整个安装过程非常繁琐，半导体制冷片和散热结构是强力胶合的，拆卸故障半导体制冷片等同于将其破坏。更换雪崩二极管情况类似，都是高耗时和高成本的。

技术实现要素：

本实用新型目的在于提供一种用于单光子探测器工作环境温度控制系统，以解决现有技术中单光子探测过程由于测温点的热敏电阻两个电极安装时发生短路或是半导体制冷片的正负引线接反导致控温系统控温失误，造成雪崩二极管探测效率严重降低以及半导体制冷片或雪崩二极管损坏的技术性缺陷。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种用于单光子探测器工作环境温度控制系统，所述单光子探测器采用半导体制冷片制冷，包括温度控制单元与故障监测单元，所述温度控制单元包括半导体制冷片控制器、限幅电路以及温度传感器，所述故障监测单元包括中央控制器，所述温度传感器设定在半导体制冷片的冷面上，所述限幅电路分别连接半导体制冷片控制器、温度传感器以及目标电压模块，所述目标电压模块连接中央控制器，所述中央控制器与温度传感器连接。

优选地，所述限幅电路包括上限电压比较器、下限电压比较器以及三路复用器，所述上限电压比较器的同相输入端与下限电压比较器的异相输入端均与连接温度传感器，所述上限电压比较器的异相输入端与下限电压比较器的同相输入端均与目标电压模块连接，所述上限电压比较器的输出端、下限电压比较器的输出端以及目标电压模块均连接三路复用器的输入端，所述上限电压比较器的同相输入端与下限电压比较器的异相输入端均连接三路复用器的输入端，所述三路复用器的输出端连接半导体制冷片控制器。

与现有技术相比，本实用新型有以下有益效果：

本实用新型的用于单光子探测器工作环境温度控制系统，通过限幅电路规避测温点的热敏电阻两个电极安装时发生短路或是半导体制冷片的正负引线接反所带来温控失灵的缺陷，确保单光子工作时出现上述情况可及时发现，避免了电极电路或半导体制冷片的正负引线接反导致雪崩二极管探测效率严重降低或半导体制冷片、雪崩二极管损坏，以此提高雪崩二极管工作效率，降低了探测工作成本。

附图说明

图1为现有技术的单光子探测器工作环境温度控制系统的电路原理图；

图2为本实用新型用于单光子探测器工作环境温度控制系统的电路原理图；

图3为本实用新型限幅电路的电路原理图；

图4为故障时热敏电阻端测到的异常电压波形；

图5为故障导致的异常电压经过限幅电路后的安全电压波形。

图中：半导体制冷片100，半导体制冷片控制器200，限幅电路300，上限电压比较器310、下限电压比较器320以及三路复用器330，温度传感器400，中央控制器500，目标电压模块600。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型进行清楚、完整地描述。

如图2所示，一种用于单光子探测器工作环境温度控制系统，所述单光子探测器采用半导体制冷片100制冷，包括温度控制单元与故障监测单元，所述温度控制单元包括半导体制冷片控制器200、限幅电路300以及温度传感器400，所述故障监测单元包括中央控制器500，所述温度传感器500设定在半导体制冷片的冷面上，所述限幅电路300分别连接半导体制冷片控制器200、温度传感器400以及目标电压模块600，所述目标电压模块600连接中央控制器500，所述中央控制器500与温度传感器400连接。所述限幅电路300包括上限电压比较器310、下限电压比较器320以及三路复用器330，所述上限电压比较器310的同相输入端与下限电压比较器320的异相输入端均与连接温度传感器400，所述温度传感器400将从半导体制冷片的冷面上采集的温度电压信号传输至上限电压比较器310的同相输入端与下限电压比较器320的异相输入端，所述上限电压比较器310的异相输入端与下限电压比较器320的同相输入端均与目标电压模块600连接，所述上限电压比较器310的输出端、下限电压比较器320的输出端以及目标电压模块600均连接三路复用器330的输入端，所述上限电压比较器310的同相输入端与下限电压比较器320的异相输入端均连接三路复用器330的输入端，所述三路复用器330的输出端连接半导体制冷片控制器200。

控制系统工作原理如下:

如图2、图3所示，从电学来看，本质就是确保热敏电阻电压V1(以下简称V1)<＝目标电压V2(以下简称V2)，而且V2只能变小(制冷)不能增大(加热)，甚至出现电气连接错误，也可以保证V1<＝V2，这样就可以保证制冷片和雪崩二极管的安全。

温度控制系统的工作逻辑是：V2>V1，则进行制冷，V2<V1,则进行加热。

异常情况分2种：1、如果上电后V2开始增大(原始状态约为1.25V)，则说明制冷片在加热，制冷片的正负引线接反；2、如果上电后，V2的值近乎为0，制冷片也会加热(因为V2远小于设定的目标电压值V1，因此控制逻辑会以为温度已经远低于目标温度，需要进行加热)，这种情况往往是热敏电阻两根引线短路所致。

以上2种情况可以根据V2的值进行判断，然后将V2值经过一个限幅电路，把V2的值限定在一个正常范围内，即可保证V1<＝V2，那么制冷片只能进行制冷，不能进行加热，这样就可以保护制冷片和雪崩二极管。

如图4、图5所示，设计中可设置电压下限VL略低于V1目标电压，电压上限VL略高于室温电压，

如果VL<V2<VH，则V3＝V2；

如果V2<VL，则V3＝VL；

如果V2>VH，则V3＝VH；

其中，V3为实际输出电压。

这样就可以保证V2在安全范围内，也就意味着器件可以工作在安全的温度范围内。

同时根据读取的热敏电阻电压(故障时，此电压往往接近于0)，在PC控制端界面增加显示错误信息以及可能的故障原因来指导用户纠正电路错误。

综合本实用新型结构可知，本实用新型的用于单光子探测器工作环境温度控制系统，通过限幅电路规避测温点的热敏电阻两个电极安装时发生短路或是半导体制冷片的正负引线接反所带来温控失灵的缺陷，确保单光子工作时出现上述情况可及时发现，避免了电极电路或半导体制冷片的正负引线接反导致雪崩二极管探测效率严重降低或半导体制冷片、雪崩二极管损坏，以此提高雪崩二极管工作效率，降低了探测工作成本。