[发明专利]用于测量光子信息的装置和光子测量设备

说明书

公开一种用于测量光子信息的装置和光子测量设备。装置包括：信号转换模块，用于将光电传感器输出的初始信号转换为电压形式的转换信号；积分比较模块，用于对初始信号和来自负反馈模块的反馈信号的差进行积分，并基于积分信号与转换信号的结合结果与参考电平之间的大小关系生成比较信号，积分信号为用于代表初始信号和反馈信号的差的积分的信号；传输控制模块，用于利用时钟信号控制比较信号的传输以输出数字信号；负反馈模块，用于将数字信号转换为反馈信号并且将反馈信号反馈给积分比较模块；测量模块，用于根据比较信号和/或数字信号确定光电传感器检测到的高能光子的到达时间。上述装置和设备所需电路元件少，可实现高精度时间测量。

技术领域

本发明涉及电路领域，具体地，涉及一种用于测量光子信息的装置和光子测量设备。

背景技术

在高能光子(X射线、伽玛光子等)测量系统的前端检测装置一般包含闪烁晶体、光电检测器(或称光电传感器)和光子测量前端电路三部分。高能光子与闪烁晶体相互作用后产生能量较低的可见光子群。光电传感器把可见光子群携带的光信号转换为电信号。光子测量前端电路的主要目的是通过测量光电传感器产生的电信号，来获取高能光子的能量和到达时间。例如，在正电子发射成像(PET)及单光子发射成像(SPECT)系统中，伽玛光子与闪烁晶体，例如硅酸钇镥(LYSO)晶体，相互作用后产生能量较低的可见光子群。光电传感器，例如光电倍增管(PMT)或者硅光电倍增管(SiPM)等，把可见光子群携带的光信号转换为电信号。光子测量前端电路测量光电传感器产生的电信号，获取伽玛光子的能量和到达时间。

为了避免常规技术中的通过模数转换器(ADC)采样计算出来的能量受光电传感器输出的电信号的起始时间的影响的问题，目前提出一种改进的光子测量前端电路，其利用积分模块对光电传感器输出的电信号进行积分，当积分模块中累积的电荷达到一定量时，可以触发脉冲信号。然后可以基于脉冲信号获得高能光子的能量和到达时间等信息。

利用改进的光子测量前端电路测量高能光子的到达时间时，存在以下问题。研究证明，通过测量高能光子作用到闪烁晶体上时产生的前几个可见光子发生的时间，可以取得最佳的时间分辨率。因此，在改进的光子测量前端电路中，期望通过设定系统参数，使得在积分模块累积了n个(例如5个)可见光子产生的电荷后触发，生成可用于时间测量的脉冲信号。然而，这种方法不一定能够取得最佳的时间分辨率，原因如下：(1)、大部分诸如SiPM的光电传感器对单可见光子的响应时间较长，产生的电荷需要较长时间才能够全部被积分模块收集到。这样，多个可见光子产生的电信号的波形在时间上可能存在重叠。也就是说，可能在积分模块尚未完全完成对第一个可见光子产生的电信号的积分时，已经接收到第二个可见光子产生的电信号并开始对该电信号进行积分。因此，积分模块累积n个可见光子产生的电荷并触发脉冲信号的时间，长于第n个可见光子实际发生的时间。例如，n＝5时，触发时间可能为第十几甚至第几十个可见光子发生的时间。(2)、在目前的技术条件下，诸如SiPM的光电传感器中的暗事件率较高。暗事件产生的电荷会累积在积分模块中。当高能光子作用到闪烁晶体上时，如果积分模块已经累积了m个暗事件产生的电荷，触发理论上发生在积分模块累积了第n-m个可见光子产生的电荷后，而不是第n个。由于暗事件和高能光子都是随机出现的，因此m的值可能在0～n-1的范围内均匀分布。因此，产生可用于时间测量的脉冲信号时，由高能光子导致的在积分模块中累积的电荷，不一定是n个可见光子产生的电荷，而可能是在1～n的范围内的任意数目的可见光子产生的电荷。也就是说，用于判定高能光子的到达时间的电荷基线可能发生漂移，因此测量得到的到达时间与实际到达时间相比也可能发生漂移。由于上述原因，利用改进的光子测量前端电路测量高能光子的到达时间时，测量精度可能受到影响。

因此，需要提供一种用于测量光子信息的装置，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。

发明内容

为了至少部分地解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于测量光子信息的装置和光子测量设备。