[实用新型]一种硅光电倍增器的片上读出系统

说明书

技术领域

本发明涉及高能物理与粒子物理应用、核医学装备和生物医学光子学领域，尤其涉及一种硅光电倍增器的片上读出系统。

背景技术

硅光电倍增器是一种多个工作在计数模式下的雪崩二极管组成的阵列。该器件中组成阵列的微元(Mirco-Cell)是雪崩二极管，能够快速地响应作用光子。由于作用光子的数目在绝大多数应用中都大于1，因而有必要将雪崩二极管做成阵列，以响应不同数目的光子。在一个较短的时间周期内，响应光子的微元数目与射入光子的期望具有单调的对应关系。根据这种对应关系，测量微元数目能够间接地反映射入光子束的流强。

硅光电倍增器在闪烁光探测、微弱光探测、量子物理和高能物理实验中的应用中，需要标记光子束的开始时间和一段时间内的激活微元数目。现有的硅光电倍增器读出技术通常采用模拟电流加和/电信号处理的两步处理方式。其中，模拟电流加和是指对每一个微元的模拟电信号进行加和，电信号处理是指对这个总的模拟电流(或者某个电阻器件上的电压)信号进行信号处理，获得其开始时间和激活微元数目。

已有的电信号处理方法包括：前沿甄别(Leading Edge Discrimination，以下简称LED)方法是最简单也最常用的SiPM电信号处理方法，可以大量地集成在模拟芯片中用作闪烁探测器系统中的读出电路，其定义为：闪烁脉冲的上升沿穿过甄别阈值的时间点。前沿甄别对不同幅值的脉冲获得的翻转时间偏移期望是不同的。这表现在幅值大的脉冲先越过甄别阈值，而幅值小的脉冲后越过甄别阈值。或者解释为：固定阈值除以脉冲的不同幅值得到的相对阈值是不同的。相对阈值小的情形，翻转时间提前到来；相对阈值大的情形，翻转时间推迟到来。

为了解决前沿甄别的缺陷，研究者利用延迟线开发了恒比甄别(Constant Fraction Discrimination，以下简称CFD)方法。在该方法中，闪烁脉冲被分成两路，分别送入延迟单元和衰减单元后再一同输入比较器。或者一路延迟并放大送入比较器，另一路直接送入比较器。比较器输出的过零点被标定为闪烁脉冲的到达时间。恒比甄别方法在理论上消除了闪烁脉冲不同幅值带给时间标记的误差。其原理可以解释为用一个和脉冲高度相关的阈值获得前沿的翻转时间，或者解释为用一个双极型的滤波器把脉冲成型为双极型的信号再获得过零翻转时间。然而，由于性能较好的恒比甄别器需要高带宽的延迟线，采用恒比甄别的PET 系统具有高昂的成本。此外，恒比甄别的性能十分依赖于给定的参数，在通道数较多的情况下恒比甄别的参数调节会大大增加开发的难度。

前沿甄别和恒比甄别都存在模拟和数字的版本。当闪烁脉冲被数字化后，许多复杂但精确地时间估计方法逐渐在现有的系统中应用开来。

谢庆国在2005年采用上升沿拟合法获取了与恒比甄别相类似的时间分辨率，而由于该方法能够以较低的成本实现闪烁脉冲的数字化，在学术界产生了较大的影响。其方法的实质是用若干个过阈值点拟合一条直线，然后将该直线的截距作为闪烁脉冲的到达时间。

多阈值平均法是在谢庆国方法基础上发展起来的一种更加简明的方法，其实现步骤是把谢庆国方法中的拟合/截距精简为多阈值点的平均值，这种方法的计算量小，且没有斜率项的时间标记方法对于噪声更加稳定。

能量归一化甄别法是在前沿甄别时，添加能量归一化操作。由于该方法已经修正了前沿甄别法的时间游走误差，因而比前沿甄别法的精确度更高。然而，这种方法要求闪烁脉冲的数字化器具有较高的采样率，因而在实际系统的应用中受到了限制。

由于以上方法通常在微元电流加和之后进行光束信号的处理，信息受到了极大的减损，时间分辨率上略显不足、灵活度低或者需要较高的计算量，有必要提出一种时间分辨率好、计算量小、结构更加灵活的硅光电倍增器的片上读出系统，在光电转换的最早阶段实现对光束信息的直接数字化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种硅光电倍增器的片上读出系统，该系统能在雪崩二极管响应光子的最早阶段实现数字化，具有时间空间分辨率较好、计算量小、可重复性好、系统的适应性强、不依赖于光束特性并且可以学习光束数据中的固有特性等优点。

为实现上述目的，本发明提供一种硅光电倍增器的片上读出系统，包括以下模块：