CN105548848B - 用于测量击穿电压的装置、设备及方法 - Google Patents

用于测量击穿电压的装置、设备及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于测量击穿电压的装置、设备及方法。该装置包括受控电压源、电流检测电路和处理电路。受控电压源的输出端连接传感器单元的输入端，受控电压源用于为传感器单元提供一系列测试偏置电压。电流检测电路的输入端连接传感器单元的输出端，电流检测电路用于检测传感器单元输出的电流信号并生成对应的检测信号。处理电路的输入端连接电流检测电路的输出端，处理电路的输出端连接受控电压源的输入端，处理电路用于控制受控电压源提供一系列测试偏置电压，基于检测信号计算与一系列测试偏置电压分别对应的暗电流，并基于一系列测试偏置电压和暗电流确定传感器单元的击穿电压。本发明可以快速、准确、高效地确定传感器单元的击穿电压。

Description

用于测量击穿电压的装置、设备及方法
技术领域
本发明涉及电路领域，具体地，涉及一种用于测量击穿电压的装置、设备及方法。
背景技术
在高能光子(X射线、伽玛光子等)测量系统中，经常采用诸如硅光电倍增管(Silicon Photomultipliers，SiPM)的光电传感器。SiPM是一种基于硅的光电传感器。SiPM由边长10～100微米左右的小的传感器微元(cell)组成。每个传感器微元都是工作在盖革(Geiger)模式下的雪崩式光电二极管。每个传感器微元每次都只能检测一个可见光子。成百上千的传感器微元组成传感器单元(pixel)。传感器单元的尺寸通常为1平方毫米至几十平方毫米。很多传感器单元组合在一起，又可以组成更大的传感器阵列(例如16x 16个3毫米x 3毫米的传感器单元组成的阵列)。SiPM阵列和闪烁晶体阵列通过光导层耦合在一起，就构成了基于SiPM的前端检测器。基于SiPM的前端检测器广泛应用于高能光子的检测。相比于传统的光电倍增管(Photomultipliers，PMT)，SiPM具有尺寸小、偏置电压低、时间分辨率高、与核磁共振(MRI)磁场兼容等优点。SiPM的一个缺点是其增益受温度影响较大。SiPM增益的变化，对基于SiPM的前端检测器的许多性能有很大影响，并且会影响高能光子的测量结果。本领域技术人员已知的是，传感器单元的增益通常正比于其偏置过压，并且偏置过压等于偏置电压与击穿电压之差。由于偏置电压通常是已知的，因此如果测量出传感器单元的击穿电压，则可以获知其增益变化情况，并且可以进一步对增益变化进行补偿。
因此，需要提供一种用于测量击穿电压的装置，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，根据本发明的一个方面，提供一种用于测量击穿电压的装置。该装置包括受控电压源、电流检测电路和处理电路。受控电压源的输出端连接传感器单元的输入端，受控电压源用于为传感器单元提供一系列测试偏置电压。电流检测电路的输入端连接传感器单元的输出端，电流检测电路用于检测传感器单元输出的电流信号并生成对应的检测信号。处理电路的输入端连接电流检测电路的输出端，处理电路的输出端连接受控电压源的输入端，处理电路用于控制受控电压源提供一系列测试偏置电压，基于检测信号计算与一系列测试偏置电压分别对应的暗电流，并基于一系列测试偏置电压和暗电流确定传感器单元的击穿电压。
根据本发明另一方面，提供一种用于测量击穿电压的设备。该设备包括与传感器阵列中的多个传感器单元一一对应的多个如上所述的用于测量击穿电压的装置。
根据本发明另一方面，提供一种用于测量击穿电压的设备。该设备包括受控电压源、电压控制电路、与传感器阵列中的多个传感器单元一一对应的多个电流检测电路和多个处理电路，其中：受控电压源的输出端分别连接多个传感器单元的输入端，受控电压源用于为多个传感器单元提供一系列测试偏置电压；电压控制电路的输出端连接受控电压源的输入端，电压控制电路用于控制受控电压源提供一系列测试偏置电压；多个电流检测电路中的每一个的输入端连接对应传感器单元的输出端，多个电流检测电路中的每一个用于检测对应传感器单元输出的电流信号并生成对应的检测信号；多个处理电路中的每一个的输入端连接电流检测电路的输出端和电压控制电路的输出端，多个处理电路中的每一个用于基于检测信号计算与一系列测试偏置电压分别对应的暗电流，并基于一系列测试偏置电压和暗电流确定对应传感器单元的击穿电压。
根据本发明另一方面，提供一种用于测量击穿电压的方法。该方法包括：为传感器单元提供一系列测试偏置电压；检测传感器单元输出的电流信号并生成对应的检测信号；基于检测信号计算与一系列测试偏置电压分别对应的暗电流；以及基于一系列测试偏置电压和暗电流确定传感器单元的击穿电压。
根据本发明提供的用于测量击穿电压的装置、设备及方法，通过处理电路控制受控电压源提供的一系列偏置电压以及相应地从电流检测电路获得的一系列暗电流来计算传感器单元的击穿电压。本发明提供的电路结构简单，可以快速、准确、高效地计算出传感器单元的击穿电压，进而有利于及时准确地对传感器单元的增益变化进行补偿。
在发明内容中引入了一系列简化的概念，这些概念将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，
图1示出根据本发明一个实施例的传感器单元以及用于测量击穿电压的装置的示意性框图；
图2示出根据本发明一个实施例的偏置电压与暗电流的关系曲线；
图3示出根据本发明另一个实施例的传感器单元以及用于测量击穿电压的装置的示意性框图；
图4示出根据本发明一个实施例的电流检测电路的示意性框图；
图5示出根据本发明一个实施例的电流检测电路的电路示意图；
图6示出根据本发明一个方面的传感器阵列以及用于测量击穿电压的设备的示意性框图；
图7示出根据本发明另一个方面的传感器阵列以及用于测量击穿电压的设备的示意性框图；以及
图8示出根据本发明一个实施例的用于测量击穿电压的方法的流程图。
具体实施方式
在下文的描述中，提供了大量的细节以便能够彻底地理解本发明。然而，本领域技术人员可以了解，如下描述仅涉及本发明的较佳实施例，本发明可以无需一个或多个这样的细节而得以实施。此外，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
根据本发明的一个方面，提供一种用于测量击穿电压的装置。图1示出根据本发明一个实施例的传感器单元110以及用于测量击穿电压的装置120的示意性框图。如图1所示，用于测量击穿电压的装置120包括受控电压源122、电流检测电路124和处理电路126。
受控电压源122的输出端连接传感器单元110的输入端。受控电压源122用于为传感器单元110提供一系列测试偏置电压。电流检测电路124的输入端连接传感器单元110的输出端。电流检测电路124用于检测传感器单元110输出的电流信号并生成对应的检测信号。处理电路126的输入端连接电流检测电路124的输出端，处理电路126的输出端连接受控电压源122的输入端。处理电路126用于控制受控电压源122提供一系列测试偏置电压，基于检测信号计算与一系列测试偏置电压分别对应的暗电流，并基于一系列测试偏置电压和暗电流确定传感器单元的击穿电压。
受控电压源122受到处理电路126的控制，在处理电路126的控制下将具有某一电压值的偏置电压输出到传感器单元110。例如，受控电压源可以将30V的工作偏置电压输出到传感器单元110，以使传感器单元110进入正常工作状态。受控电压源122可以是例如示波器。
电流检测电路124可以是任何合适的能够检测传感器单元110输出的电流信号的电路。例如，电流检测电路124可以包括示波器，用于检测电流信号并对电流信号进行一些期望处理。可以理解的是，电流检测电路124检测的是传感器单元110在击穿电压测量时段内输出的电流信号。在该击穿电压测量时段内，可能发生有效事件或暗事件，也可能未发生任何事件。在没有事件发生的时段内，传感器单元110输出的电流信号为0，电流检测电路124生成的检测信号也是0。
在本文中，有效事件是指高能光子(例如伽玛光子等)在与传感器单元相连的闪烁晶体中作用而引起的在传感器单元中产生电流信号的事件，暗事件是指噪声(通常是热电子)引起的在传感器单元中产生电流信号的事件。在发生有效事件或暗事件时，传感器单元110可以输出一个脉冲电流信号。为了描述方便，在本文中，将在发生有效事件时传感器单元110输出的脉冲电流信号称为有效电流信号(即有效电流)，将在发生暗事件时传感器单元110输出的脉冲电流信号称为暗电流信号(即暗电流)。有效电流信号的能量远大于暗电流信号的能量，前者通常是后者的几十至几千倍。因此，通过分析传感器单元110输出的电流信号的能量可以确定在传感器单元110中发生的是有效事件还是暗事件。
处理电路126可以是具有数据处理能力的数字电路，在这种情况下，可以通过编程使处理电路126实现各种计算功能。可选地，处理电路126可以采用现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、微控制单元(MCU)或中央处理单元(CPU)来实现。
当希望获知传感器单元110的击穿电压时，可以利用装置120进行测量。装置120的基本工作原理是不断改变施加在传感器单元110上的偏置电压，从而获得一系列暗电流。基于不同偏置电压下的暗电流的大小，可以确定传感器单元的击穿电压。另外，还可以进一步确定传感器单元的偏置过压(等于偏置电压减去击穿电压)。由于偏置过压与传感器单元110的增益通常成正比，因此其可以反映传感器单元110的增益的大小。可以每隔一段时间启动一次装置120，例如每隔10分钟启动一次。装置120可以在较短的时间段内测量传感器单元110的击穿电压。该时间段可以根据需要设定，例如设定为10秒。在该时间段内，处理电路126可以控制受控电压源122输出一系列不同的偏置电压，即一系列测试偏置电压，进而得到一系列暗电流。由于装置120的启动间隔较短，因此温度在该两次启动之间可能变化较小或几乎不变，因此温度可以视为是恒定的，这样可以将传感器单元110在两次启动之间的击穿电压(及增益)视为恒定的。如果每隔10分钟启动一次装置120的话，可以将装置120当前测量得到的击穿电压(及增益)视为在接下来的10分钟内的击穿电压(及增益)。
根据本发明提供的用于测量击穿电压的装置，通过处理电路控制受控电压源提供的一系列偏置电压以及相应地从电流检测电路获得的一系列暗电流来计算传感器单元的击穿电压。本发明提供的电路结构简单，可以快速、准确、高效地计算出传感器单元的击穿电压，进而有利于及时准确地对传感器单元的增益变化进行补偿。
可选地，处理电路126可以通过以下方式控制受控电压源122提供一系列测试偏置电压：如果当前提供的测试偏置电压所对应的暗电流处于暗电流范围之外，则控制受控电压源提供新的测试偏置电压，直至最终提供的测试偏置电压所对应的暗电流处于暗电流范围之内，其中，暗电流范围基于已知击穿电压所对应的已知暗电流而定。处理电路126可以通过以下方式确定传感器单元的击穿电压：确定最终提供的测试偏置电压为传感器单元110的击穿电压。
暗电流范围与已知击穿电压所对应的已知暗电流相关。例如，假设已知击穿电压为25V，其所对应的已知暗电流为1nA，则可以将暗电流范围设定为从0.9nA至1.1nA的范围。0.9nA为暗电流范围的下阈值，1.1nA为暗电流范围的上阈值。当暗电流大于或等于0.9nA并且小于或等于1.1nA时，可以认为其处于暗电流范围之内，此时的偏置电压可以视为是击穿电压。相反，当暗电流小于0.9nA或者大于1.1nA时，可以认为其处于暗电流范围之外，此时的偏置电压可以视为不是击穿电压。可以理解的是，对于某一传感器单元来说，其击穿电压可能随温度变化，但击穿电压所对应的暗电流可能是基本不变的。例如，击穿电压可能从25V变化为26V，但所对应的暗电流可能一直是1nA。这样，对于某一传感器单元来说，可以初始测定一次其击穿电压所对应的暗电流，然后确定其暗电流范围。之后每次测量击穿电压时，均可以采用该暗电流范围。暗电流范围可以根据需要设定为合适的范围，例如可以设定得较窄以提高击穿电压的确定精度。
此外，还可以通过测试偏置电压改变时，暗电流的变化幅度来确定击穿电压。例如，假设初始的测试偏置电压被设定为一个小于当前的击穿电压的值。由于初始测量得到的暗电流小于暗电流范围的下阈值，因此需要逐步增大测试偏置电压。每次增大测试偏置电压时，测量相应的暗电流。如果某次增大后的测试偏置电压仍然小于当前的击穿电压，则测量得到的暗电流的大小和上一次测试偏置电压对应的暗电流相比变化很小。如果某次增大后的测试偏置电压大于当前的击穿电压，则暗电流的大小和上一次测试偏置电压(小于当前的击穿电压)对应的暗电流相比出现较大幅度的变化。此时，可以确定当前的击穿电压位于增大后的测试偏置电压和增大前的测试偏置电压之间。
在每次启动装置120并提供一系列不同的测试偏置电压时，可以从任何合适的测试偏置电压开始测试。这时，可能存在如下两种情况。(1)如果测试得到的暗电流小于暗电流范围的下阈值，说明此时的击穿电压比当前的测试偏置电压高。下一步，装置120可以逐步提高测试偏置电压并检测暗电流，直至暗电流处于暗电流范围之内，此时提供的测试偏置电压即为击穿电压。(2)如果测试得到的暗电流大于暗电流范围的上阈值，说明此时的击穿电压比当前的测试偏置电压低。下一步，装置120可以逐步降低测试偏置电压并检测暗电流，直至暗电流小于处于暗电流范围之内，此时提供的测试偏置电压即为击穿电压。通过本实施例，可以准确确定传感器单元的击穿电压。
可选地，一系列测试偏置电压中的、初始提供的测试偏置电压等于已知击穿电压。
在每次启动装置120并提供一系列不同的测试偏置电压时，可以从上次测量得到的击穿电压，即已知击穿电压开始测试。如上所述，可以每隔10分钟启动一次装置120。这样，可以每隔10分钟测量得到一个击穿电压。在两次测量之间，击穿电压的变化通常不会太大。在下一次测量击穿电压时，可以有目的地将已知击穿电压作为初始的测试偏置电压。这样，可以缩短测量时间，快速地确定当前的击穿电压。
可选地，处理电路126可以通过以下方式控制受控电压源122提供新的测试偏置电压：以电压步长可变方式控制受控电压源122提供新的测试偏置电压。
如上所述，在每次确定暗电流处于暗电流范围之外时，需要提供新的测试偏置电压，也就是调整测试偏置电压的值。处理电路126可以均匀地控制受控电压源122提供新的测试偏置电压，也就是使测试偏置电压每次变化相同的量。例如，如果当前的击穿电压为25.5V，而初始的测试偏置电压为25V，则可以每次将测试偏置电压提高0.1V，这样，需要测量六次才能确定当前的击穿电压。
在实际应用中，还可以采用更高效的击穿电压确定方法。根据本实施例，以电压步长可变方式来提供测试偏置电压，以更快地确定击穿电压。例如，电压步长可变方式可以是二分法。下面举例说明二分法的原理。假设当前的击穿电压为25.5V，而初始的测试偏置电压为25V。第一次测量击穿电压时，发现暗电流小于暗电流范围的下阈值，则可以以将测试偏置电压调整为26V，发现暗电流大于暗电流范围的上阈值。随后，可以将测试偏置电压调整为(25V+26V)/2，即25.5V，此时的暗电流刚好在暗电流范围之内，说明此时的测试偏置电压等于击穿电压。这样，只需测量三次就能确定当前的击穿电压。因此，与电压步长不变的方式相比，电压步长可变的方式的测量效率更高，可以更快速地确定传感器单元的击穿电压。
可选地，处理电路126可以通过以下方式确定传感器单元的击穿电压：基于一系列测试偏置电压和暗电流的关系曲线确定传感器单元110的击穿电压。
下面结合图2描述击穿电压的确定方法。
图2示出根据本发明一个实施例的偏置电压与暗电流的关系曲线。在图2中，用圆圈标出了击穿电压所在位置。从图2中可以明显看出，暗电流在偏置电压小于25V时比较稳定，随偏置电压增大而缓慢增长，当偏置电压接近25V时，暗电流迅速增大。因此，关系曲线存在一个明显的转折点，其可称为拐点。该拐点处即为击穿电压所在位置。因此，在图2所示的实施例中，击穿电压大约是25V。该击穿电压是当前温度下的击穿电压。可以理解的是，对于不同的传感器单元来说，由于其性能可能是不同的，因此在同一温度下的击穿电压也可能是不同的。
基于偏置电压与暗电流的关系曲线确定击穿电压的方式实现简单、方便。在传感器单元的击穿电压完全未知的情况下，采用这种方式测量其击穿电压是比较有效的。
可选地，一系列测试偏置电压中的最大测试偏置电压等于预定电压上限并且一系列测试偏置电压中的最小测试偏置电压等于预定电压下限。该预定电压上限和预定电压下限可以根据需要而定。例如，假设当前温度是25度，根据经验知晓在25度温度下的击穿电压通常为25V，则可以使偏置电压的值在25V附近变化，例如使偏置电压从23V变化到27V，并同时测量一系列暗电流的值。这样，预定电压上限可以是27V，预定电压下限可以是23V。可选地，预定电压上限等于传感器单元110或3100的最大击穿电压，并且预定电压下限等于传感器单元110或3100的最小击穿电压。通常，对于每个高能光子测量系统来说，传感器单元的最大击穿电压和最小击穿电压是已知的。例如，在生产厂商生产该测量系统时，其通常会对系统进行一些测试并将系统的相关参数记录下来。在这些参数中，通常包括传感器单元的最大击穿电压和最小击穿电压。因此，可以将测试偏置电压的变化范围设定为从传感器单元的最小击穿电压至最大击穿电压的范围。这样，在测量击穿电压时，可以无需设定变化范围较大的偏置电压并测量对应的暗电流，从而可以提高测量效率并减小对传感器单元的正常工作的影响。
图3示出根据本发明另一个实施例的传感器单元3100以及用于测量击穿电压的装置3200的示意性框图。图3所示的传感器单元3100、受控电压源3220、电流检测电路3240和处理电路3260与图1所示的传感器单元110、受控电压源122、电流检测电路124和处理电路126相对应，不再赘述。在本实施例中，处理电路3260可以进一步包括击穿电压确定电路3262和电压控制电路3264。击穿电压确定电路3262用于基于检测信号计算与一系列测试偏置电压分别对应的暗电流，并基于一系列测试偏置电压和暗电流确定传感器单元3100的击穿电压。电压控制电路3264用于控制受控电压源3220提供一系列测试偏置电压。
由以上描述可知，处理电路3260可以是具有数据处理能力的数字电路，因此，击穿电压确定电路3262和电压控制电路3264均可以采用数字电路来实现。例如，击穿电压确定电路3262和电压控制电路3264中任一者可以采用FPGA、DSP、CPLD、MCU或CPU来实现。通过编程方式，可以利用诸如FPGA等的数字电路来实现击穿电压确定电路3262和电压控制电路3264的功能。通过分开的电路来实现击穿电压确定电路3262和电压控制电路3264，方便对电路进行管理和维护。
可选地，处理电路126或3260可以包括发送接口，受控电压源122或3220可以包括接收接口。处理电路126或3260可以进一步用于经由发送接口发送控制命令到接收接口，控制命令用于控制受控电压源122或3220提供一系列测试偏置电压。发送接口和接收接口可以是相互匹配的通信接口，用于辅助处理电路126或3260与受控电压源122或3220传输指令或信息。例如，发送接口和接收接口可以是通用串行总线(USB)接口。
可选地，上述用于测量击穿电压的装置120或3200在传感器单元110或3100处于非工作状态时启动。
可以在启动高能光子测量系统之后，在使传感器单元110或3100进入正常工作状态之前，测量传感器单元110或3100的击穿电压。或者在传感器单元110或3100处于两次正常工作状态的间隙，即其处于空闲状态的情况下，测量传感器单元110或3100的击穿电压。由于测量击穿电压时需要调整传感器单元110或3100的偏置电压，因此在传感器单元110或3100处于非工作状态时开始测量击穿电压可以避免干扰传感器单元110或3100的正常工作。
可选地，处理电路126或3260可以进一步用于计算击穿电压与已知击穿电压之间的差值，计算已知偏置电压与差值之和以获得目标偏置电压，并且控制受控电压源122或3220提供目标偏置电压作为传感器单元110或3100的工作偏置电压。
当确定当前的击穿电压之后，可以通过本实施例提供的方法来对增益变化进行补偿。本实施例的原理是通过使传感器单元的工作偏置电压与击穿电压同步变化来抵消击穿电压的变化导致的增益的变化。
具体地，假设，已知击穿电压为Vb0，已知偏置电压为V0，在这种情况下传感器的增益达到期望增益。进一步地，假设当前测量得到的击穿电压为Vb0+ΔV，说明此时击穿电压增大了ΔV。那么可以将当前的工作偏置电压设定为V0+ΔV。由于传感器单元的偏置过压等于偏置电压与击穿电压之差，因此通过上述方式可以使传感器单元的偏置过压保持恒定，进而使传感器单元的增益保持恒定。因此，在测量得到当前的击穿电压的情况下，可以通过与击穿电压的变化同步地调整工作偏置电压来稳定传感器单元的增益，也就是对增益变化进行补偿。
可选地，处理电路126或3260可以进一步用于基于击穿电压和特定偏置电压计算传感器单元的特定偏置过压，并且基于特定偏置过压确定传感器单元在特定偏置电压下的增益。
如上所述，诸如SiPM单元的传感器单元的增益通常正比于传感器单元的偏置过压。并且，偏置过压等于偏置电压与击穿电压之差。传感器单元的击穿电压对温度非常敏感。在传感器单元的偏置电压恒定的情况下，温度升高，传感器单元的击穿电压升高，偏置过压降低，增益降低。温度恒定，偏置电压不稳定的情况下，也会造成传感器单元的增益的显著变化。例如，温度恒定，传感器单元的击穿电压不变，但偏置电压降低，造成偏置过压降低，增益降低。因此，温度和偏置电压都有可能造成传感器单元的增益的显著变化。
在特定温度和特定偏置电压下，如果知道此时的击穿电压，则可以计算此时的偏置过压。通常，传感器单元的增益与偏置过压的对应关系是事先确定的。处理电路126或3260可以维护增益与偏置过压的关系表。可以理解的是，增益与偏置过压的关系为线性，但关系表中可以考虑串扰率(cross talk rate)随增益的变化。因此，通过非线性的关系表可以同时补偿增益和串扰率对有效事件的能量的影响。当计算出某一偏置过压时，可以从维护的关系表中查找出该偏置过压所对应的增益。
假设，传感器单元在正常工作时的工作偏置电压是30V。在通过如图2所示的关系曲线确定击穿电压是25V的情况下，可以计算得到传感器单元正常工作时的偏置过压是30V与25V之差，即5V。随后，可以在已知的增益与偏置过压的关系表中查找5V偏置过压所对应的增益。当然，也可以基于理论或经验建立增益与偏置过压之间的关系式，并利用该关系式直接计算增益。
可选地，特定偏置电压是工作偏置电压。处理电路126或3260可以进一步用于根据以下公式对传感器单元110或3100检测到的有效事件的能量E0进行校正：E＝E0*G0/G，其中，E为经校正的能量，G为传感器单元110或3100在工作偏置电压下的增益，G0为预定常数。
校正有效事件的能量的过程也就是对增益变化进行补偿的过程。在确定传感器单元的增益之后，即可以基于该增益补偿增益变化带来的影响。
在本文中，传感器单元的增益G可以实时计算获得，其可以是随时间变化的量。G0也可以具有任何合适的值，本文不对此进行限制。
例如，G0可以等于例如上文所述的标准增益。通过将在当前时刻测量得到的传感器单元的增益与标准增益进行比较，可以获知当前时刻测量得到的有效事件的能量与在标准增益下的能量的差异，从而可以将当前时刻测量得到的能量校正为在标准增益下的能量。如果对多个传感器单元的能量均进行这样的校正，则相当于将这多个传感器单元的能量放在同一标准下，因此它们的能量可以进行相互比较。例如，如果标准增益是100，而当前时刻测量得到的增益G为200，说明当前的增益增大了1倍。因此测量得到的能量也会比在标准增益下的能量增大1倍。如果测量得到的能量E0是2000，则经校正的能量E可以是1000。
另外，也可以将传感器单元的能量校正为实际的能量。在这种情况下，G0可以设定为1。例如，如果测量得到的有效事件的能量的相对值为1000，传感器单元的增益为10，则可以以1000除以10，得到100。可以将100视为有效事件的能量的实际相对值。该增益补偿的过程也可以在处理电路126或3260中实现。处理电路126或3260是数字电路，通过编程可以简单方便地实现对实际能量的计算。这样，无需添加更多硬件。
可选地，受控电压源122或3220可以进一步用于为传感器单元110或3100提供工作偏置电压。处理电路126或3260可以进一步用于控制受控电压源122或3220提供工作偏置电压，基于检测信号计算有效电流，并且基于有效电流计算有效事件的能量。
受控电压源122或3220为传感器单元110或3100提供工作偏置电压，以使得传感器单元110或3100进入正常工作状态。这样，处理电路126或3260可以基于电流检测电路124或3240输出的检测信号来计算有效电流。该有效电流是在光子入射到传感器单元110或3100上时所产生的，可以反映有效事件的能量的大小。通过本发明提供的装置120或3200来测量有效事件的能量，这种方式可以无需添加额外的硬件，电路集成度高，成本低，并且计算效率高。可以理解的是，在处理电路126或3260中，可以通过不同的模块同时实现对增益的测量和对有效事件的能量的测量，并且还可以实现基于增益对有效事件的能量的校正。
可选地，检测信号是数字信号。数字信号由持续时间相等的高电平和低电平组成，数字信号中的所有高电平之和与电流信号对时间的积分成正比。在一个示例中，电流检测电路可以实现为图4所示的形式，以生成上述数字信号。图4示出根据本发明一个实施例的电流检测电路400的示意性框图。
电流检测电路400可以包括积分电路410、比较电路420、传输控制电路430和负反馈电路440。
积分电路410连接传感器单元(如图1所示的传感器单元110)的输出端和负反馈电路440的输出端。积分电路410用于接收来自传感器单元的电流信号和来自负反馈电路440的反馈信号，对电流信号和反馈信号的差进行积分并且输出积分信号。
电流检测电路400是包括负反馈环节的电路，反馈信号被输入到积分电路410。同时，积分电路410还接收来自传感器单元的电流信号。电流信号和反馈信号的流动方向是相反的。例如，如果电流信号是从积分电路410流向传感器单元的，则可以将反馈信号设定为从负反馈电路440流向积分电路410。因此，对于积分电路410来说，实际上最终输入的是电流信号与反馈信号的差，积分电路410可以对二者的差进行积分。应该注意，图4中示出的箭头方向是信号的传输方向，而不一定是信号的流动方向。积分电路410可以采用模拟积分电路实现，例如通过电阻和电容组成的滤波器电路实现。
如图4所示，比较电路420的一个输入端连接积分电路410的输出端并且比较电路420的另一输入端接入参考电平。比较电路420用于将积分信号与参考电平进行比较并生成比较结果。例如，当积分信号的幅度大于参考电平时，比较电路420可以输出高电平，当积分信号的幅度等于或小于参考电平时，比较电路420可以输出低电平。因此，比较电路420输出的比较结果中可以只存在高电平和低电平两种状态。通常，传感器单元输出的电流信号是随时间变化的脉冲电流信号，在这种情况下，积分信号也是随时间变化的信号。因此，比较电路420输出的比较结果是随时间变化而在高电平和低电平两种状态之间切换的信号。
传输控制电路430的输入端连接比较电路420的输出端。传输控制电路430用于利用时钟信号控制比较结果的传输以输出数字信号。如上所述，比较结果是随时间变化而在高电平和低电平两种状态之间切换的信号。在该比较结果中，高电平和低电平的持续时间可能是实时变化的，是无法确定的。所以可以通过传输控制电路430对比较结果进行时间上的量化，使得每段连续的高电平或低电平的持续时间都是时钟信号的周期的整数倍。这种时间上的量化相当于模数转换过程中的时间离散化，因此，从功能性上来看，可以将比较电路420和传输控制电路430这二者视作一个1位的ADC。在传输控制电路430输出的数字信号中，每个高电平和每个低电平的持续时间相等，均等于时钟信号的周期。在一个示例中，高电平可以代表逻辑电平“1”，低电平可以代表逻辑电平“0”，则数字信号是由逻辑电平“1”和“0”组成的序列。假设时钟信号的频率为100Hz，即周期为0.01s，则在数字信号中，单个“1”或“0”的持续时间是0.01s。另外，可以理解的是，当多个“1”或多个“0”连续出现时，该多个“1”或多个“0”的持续时间是0.01s的整数倍。传输控制电路430可以是寄存器或受时钟信号控制的开关电路等。
负反馈电路440的输入端连接传输控制电路430的输出端。负反馈电路440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电路410。负反馈电路440可以包括数模转换器(DAC)，用于对数字信号进行数模转换以将其转换为模拟信号。具体地，该DAC可以是1位的DAC，以将传输控制电路430输出的由“1”和“0”组成的序列转换为模拟信号，例如转换为幅度随时间变化的电压信号。负反馈电路440可以进一步包括电阻。DAC经由该电阻连接到积分电路410的输入端。因此，上述电压信号将产生流经该电阻的电流信号，即反馈信号。反馈信号可以抵消来自传感器单元的电流信号的一部分，避免积分电路410所输出的积分信号过大，以保持电路稳定。此外，由于反馈信号在不断抵消来自传感器单元的电流信号，所以电流信号引发的反馈信号的累加值可以视作来自传感器单元的电流信号的累加值。同时，反馈信号的幅度与数字信号的幅度成正比。因此，当电流信号的持续时间已经结束并且反馈信号的幅度稳定在零(即针对电流信号的负反馈作用已经停止)时，可以利用数字信号来计算有效事件的能量。应该注意，反馈信号不宜过大或过小。反馈信号过大会导致电流信号的抵消速度过快，使得数字信号包含的误差增大，影响测量精度。相反，反馈信号过小会导致电流信号的抵消速度过慢，使得无法及时减小积分信号的值，从而也会影响测量精度。反馈信号的幅度可以根据实际需要来确定，本发明不对此进行限制。
处理电路126或3260可以基于数字信号中的“1”来计算暗电流。例如，可以对“1”进行累加或计数。如上文所述，传感器单元110或3100中可能发生有效事件或暗事件，二者的能量相差较大。如果没有事件发生时，数字信号中可能存在多个(例如5个以上)连续的“0”，当突然出现“1”时，说明有事件发生。这时，可以开始对数字信号中的“1”进行累加或计数，直至再次出现多个(例如5个以上)连续的“0”为止。在事件结束后，得到一个数值。该数值可以反映事件的能量的大小。根据该数值还可以区分事件是有效事件还是暗事件。例如，如果数值在几十至几百数量级，可以认为事件是暗事件，如果数值在几千数量级，可以认为事件是有效事件。假设，确定事件是暗事件，并且计算得到的数值为200。则可以将该数值200视为是暗事件的相对能量，其也可以表示暗电流的相对值。然而，根据以上关于图4的描述，可知数字信号被转换为反馈信号，抵消了来自传感器单元的电流信号。因此，基于反馈电流的大小与该数值200，可以计算出被抵消的暗电流，从而获知该暗电流的绝对值。
图5示出根据本发明一个实施例的电流检测电路500的电路示意图。电流检测电路500可以包括积分电路510、比较电路520、传输控制电路530和负反馈电路540。
积分电路510可以采用运算放大器、电阻Rin和电容C来实现。比较电路520可以采用比较器实现，其参考电平是地电平。传输控制电路530可以采用D触发器构成的寄存器来实现，其时钟信号的频率是fs’。负反馈电路540可以采用一个DAC和一个电阻Rf来实现。该DAC可以是现场可编程门阵列(FPGA)的一个引脚。整个电流检测电路500可以由模拟电路部分和FPGA部分来实现，根据需要，电路中也可以加入二极管，或者分压电路来减少或者隔绝电路中可能存在的偏置直流电流。如图5所示。本领域技术人员根据以上对电流检测电路400的描述，可以理解电流检测电路500的原理和工作方式，不再赘述。
生成数字化的检测信号可以方便后续对有效事件或暗事件的能量进行计算。
根据本发明的另一方面，提供一种用于测量击穿电压的设备。该设备包括与传感器阵列中的多个传感器单元一一对应的多个上文所述的用于测量击穿电压的装置。图6示出根据本发明一个方面的传感器阵列以及用于测量击穿电压的设备的示意性框图。
如图6所示，传感器阵列包括N个传感器单元610，即传感器单元1、传感器单元2……传感器单元N。用于测量击穿电压的设备包括与N个传感器单元一一对应的N个用于测量击穿电压的装置620。每个装置620与上文所述的装置120相同，均包括受控电压源622、电流检测电路624和处理电路626。本领域技术人员根据以上关于用于测量击穿电压的装置的描述以及结合图1至5能够理解用于测量击穿电压的设备的结构、运行方式和优点等，不再赘述。
需要注意的是，在用于测量击穿电压的设备中，各处理电路626均可以采用如上所述的诸如FPGA的数字电路来实现。可以理解，用于测量击穿电压的设备中的任意数量的处理电路626可以集成在同一诸如FPGA的数字电路中。
可选地，处理电路626可以进一步用于根据检测信号计算对应传感器单元检测到的有效事件的全部或者部分能量E0，并且根据以下公式对能量E0进行校正：E＝E0*G0/G，其中，E为经校正的能量，G为对应传感器单元的增益，G0为预定常数。可选地，G0为每个处理电路626的对应传感器单元的标准增益。对某一传感器阵列来说，各传感器单元的标准增益通常相同。
如上所述，处理电路626可以用于基于击穿电压和特定偏置电压计算对应传感器单元的特定偏置过压，并且基于特定偏置过压确定对应传感器单元在特定偏置电压下的增益。特定偏置电压可以是工作偏置电压。这样，计算出增益后，可以对增益变化进行补偿。
下面结合SiPM进行描述。SiPM单元的增益通常正比于其偏置过压。偏置过压等于偏置电压与击穿电压之差。由于微电子工艺上的原因，不同SiPM单元的击穿电压都有一定的差异。同一系列SiPM单元组成SiPM阵列时，通常采用同一偏置(工作)电压。由于各SiPM单元的击穿电压略有不同，它们的增益也不一样。SiPM阵列中的各SiPM单元之间的增益差异会影响由SiPM阵列组成的前端检测器的性能。通常情况下，需要对组成SiPM阵列的SiPM单元进行测试和筛选，选择击穿电压差异较小的SiPM单元来组成SiPM阵列。这一方面加大了SiPM阵列的制作成本，另一方面SiPM阵列中的各SiPM单元之间的增益也很难做到完全一致。因此，可以实时地测量SiPM阵列中的各SiPM单元的增益，并通过增益补偿的方法，保证各SiPM单元的增益一致。
以上公式E＝E0*G0/G中的“G0/G”实现了对同一传感器阵列中的各传感器单元的增益的归一化，从而可以保证各传感器单元的增益一致。例如，同一传感器阵列中的三个传感器单元的增益可能分别是1，1.5和0.8。因此，对于能量相等的有效事件来说，每个传感器单元检测到的能量将是不同的。然而，所期望的是，这三个传感器单元检测到的能量相同。因此，可以在后续对能量进行校正(也就是对增益变化进行补偿)时，首先利用一个常数G0分别除以1，1.5和0.8，这相当于进行了增益归一化。G0可以根据需要而定。经过能量校正之后，对于整个传感器阵列来说，已经消除了各传感器单元之间的增益差异对能量测量带来的影响。
根据本发明的另一方面，提供一种用于测量击穿电压的设备。该设备包括受控电压源、电压控制电路、与传感器阵列中的多个传感器单元一一对应的多个电流检测电路和多个处理电路。
受控电压源的输出端分别连接多个传感器单元的输入端，受控电压源用于为多个传感器单元提供一系列测试偏置电压。电压控制电路的输出端连接受控电压源的输入端。电压控制电路用于控制受控电压源提供一系列测试偏置电压。多个电流检测电路中的每一个的输入端连接对应传感器单元的输出端，多个电流检测电路中的每一个用于检测对应传感器单元输出的电流信号并生成对应的检测信号。多个处理电路中的每一个的输入端连接电流检测电路的输出端和电压控制电路的输出端，多个处理电路中的每一个用于基于检测信号计算与一系列测试偏置电压分别对应的暗电流，并基于一系列测试偏置电压和暗电流确定对应传感器单元的击穿电压。
图7示出根据本发明另一个方面的传感器阵列以及用于测量击穿电压的设备的示意性框图。
如图7所示，传感器阵列包括N个传感器单元710，即传感器单元1、传感器单元2……传感器单元N。用于测量击穿电压的设备720包括与N个传感器单元一一对应的N个电流检测电路722和处理电路724，以及电压控制电路726和受控电压源728。设备720中的每个电流检测电路722和处理电路724与图6所示实施例中的电流检测电路624和处理电路626相同，不再赘述。设备720中的受控电压源728是单独的电压源，N个传感器单元710共用这一个电压源。相应地，可以配置一个电压控制电路726，用于控制受控电压源728提供偏置电压。各处理电路724与电压控制电路726连接，以获知施加到对应传感器单元上的偏置电压。
可以理解的是，在图6所示的用于测量击穿电压的设备中，由于每个传感器单元使用各自的受控电压源，因此可以对每个传感器单元进行单独的击穿电压测量。这样，提供给每个传感器单元的测试偏置电压可以根据情况自由决定，不受其他传感器单元的限制。因此，在这种情况下，对于每个传感器单元来说，初始的测试偏置电压可以为其自身的已知击穿电压，并且可以采用电压步长可变方式来提供测试偏置电压。而在图7所示的用于测量击穿电压的设备中，由于所有传感器单元共用同一个受控电压源，因此传感器单元需要使用相同的测试偏置电压，在这种情况下，更适用基于偏置电压和暗电流的关系曲线来确定击穿电压的方式。
可以理解的是，电压控制电路726可以采用具有数据处理能力的数字电路实现。此外，图7所示的框图仅是示例。电压控制电路726可以和任意数目的处理电路726集成在一起，例如在同一诸如FPGA的数字电路中实现。
根据本发明的另一方面，提供一种用于测量击穿电压的方法。图8示出根据本发明一个实施例的用于测量击穿电压的方法800的流程图。如图8所示，方法800包括以下步骤。
步骤S810，为传感器单元提供一系列测试偏置电压。
步骤S820，检测传感器单元输出的电流信号并生成对应的检测信号。
步骤S830，基于检测信号计算与一系列测试偏置电压分别对应的暗电流。
步骤S840，基于一系列测试偏置电压和暗电流确定传感器单元的击穿电压。
本领域技术人员根据以上关于用于测量击穿电压的装置的描述以及附图1至5，能够理解本文所公开的用于测量击穿电压的方法800的实施方式及其优点等，为了简洁，本文不对此进行赘述。
现有的针对SiPM的增益补偿方法通常包括如下几种：
(1)温度控制的方法，即通过温度测量和控制系统来直接稳定SiPM的温度，进而稳定SiPM的增益。这种方法需要构建恒温系统，成本高昂。很多情况下，由于物理空间的限制，这种方法可行性不高。
(2)温度补偿的方法，即根据温度变化来调控偏置电压，以稳定SiPM的增益。例如，温度升高时，可以提高偏置电压，以稳定增益。理想情况下，这种方法需要对SiPM阵列中的每一个SiPM单元，设计温度测量和电压控制电路。实际应用中，一组物理空间接近的SiPM单元，可以共用一套温度测量和电压控制电路。这种方法应用最为广泛，但成本较高。
(3)谱峰跟踪的方法。这种方法通过寻找和跟踪在有效事件发生时SiPM检测到的能量谱的光峰(photopeak)谱峰位置，来自动校准增益。这种方法的精度，取决于温度漂移的速度，及有效事件率。要在某一温度实现谱峰的精确定位，需要较多的事件来克服统计误差。通常情况下(例如，PET人体成像)，有效事件率非常低，很难实现实时地跟踪photopeak谱峰。
与上述现有的增益补偿方法相比，本发明提供的通过暗电流测量击穿电压进而对增益进行补偿的方式所采用的电路结构简单，成本低，易于实现。并且，由于传感器单元中的暗事件率很高，因此可以在较短的时间内获得较大的参考数据量，从而可以快速、准确、高效地确定传感器单元的击穿电压，有利于后续对传感器单元的增益变化进行补偿。
虽然本文以SiPM为例描述了本发明的原理和应用，但是应该理解的是，本发明并不局限于此。本发明所提供的用于测量击穿电压的装置及方法还可以应用于PMT或任何其他合适的光电传感器。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (18)

1.一种用于测量击穿电压的装置，包括受控电压源、电流检测电路和处理电路，其中：
所述受控电压源的输出端连接传感器单元的输入端，所述受控电压源用于为所述传感器单元提供一系列测试偏置电压；
所述电流检测电路的输入端连接所述传感器单元的输出端，所述电流检测电路用于检测所述传感器单元输出的电流信号并生成对应的检测信号；
所述处理电路的输入端连接所述电流检测电路的输出端，所述处理电路的输出端连接所述受控电压源的输入端，所述处理电路用于控制所述受控电压源提供所述一系列测试偏置电压，基于所述检测信号计算与所述一系列测试偏置电压分别对应的暗电流，并基于所述一系列测试偏置电压和所述暗电流确定所述传感器单元的击穿电压；
其中，所述检测信号是数字信号，所述数字信号由持续时间相等的高电平和低电平组成，并且所述数字信号中的所有高电平之和与所述电流信号对时间的积分成正比；
所述处理电路进一步用于根据对所述数字信号中的“1”进行累加或计数所获得的数值区分所述传感器单元中发生的事件是有效事件还是暗事件，所述暗电流为发生所述暗事件时所述传感器单元输出的所述电流信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述处理电路通过以下方式控制所述受控电压源提供所述一系列测试偏置电压：
如果当前提供的测试偏置电压所对应的暗电流处于暗电流范围之外，则控制所述受控电压源提供新的测试偏置电压，直至最终提供的测试偏置电压所对应的暗电流处于所述暗电流范围之内，其中，所述暗电流范围基于已知击穿电压所对应的已知暗电流而定；
所述处理电路通过以下方式确定所述传感器单元的击穿电压：
确定所述最终提供的测试偏置电压为所述传感器单元的击穿电压。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述一系列测试偏置电压中的、初始提供的测试偏置电压等于所述已知击穿电压。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述处理电路通过以下方式控制所述受控电压源提供新的测试偏置电压：
以电压步长可变方式控制所述受控电压源提供新的测试偏置电压。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理电路通过以下方式确定所述传感器单元的击穿电压：
基于所述一系列测试偏置电压和所述暗电流的关系曲线确定所述传感器单元的击穿电压。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述一系列测试偏置电压中的最大测试偏置电压等于预定电压上限并且所述一系列测试偏置电压中的最小测试偏置电压等于预定电压下限。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预定电压上限等于所述传感器单元的最大击穿电压，并且所述预定电压下限等于所述传感器单元的最小击穿电压。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理电路进一步包括击穿电压确定电路和电压控制电路，
所述击穿电压确定电路用于基于所述检测信号计算与所述一系列测试偏置电压分别对应的暗电流，并基于所述一系列测试偏置电压和所述暗电流确定所述传感器单元的击穿电压；
所述电压控制电路用于控制所述受控电压源提供所述一系列测试偏置电压。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理电路包括发送接口，所述受控电压源包括接收接口，所述处理电路进一步用于经由所述发送接口发送控制命令到所述接收接口，所述控制命令用于控制所述受控电压源提供所述一系列测试偏置电压。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置在所述传感器单元处于非工作状态时启动。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理电路进一步用于计算所述击穿电压与已知击穿电压之间的差值，计算已知偏置电压与所述差值之和以获得目标偏置电压，并且控制所述受控电压源提供所述目标偏置电压作为所述传感器单元的工作偏置电压。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理电路进一步用于基于所述击穿电压和特定偏置电压计算所述传感器单元的特定偏置过压，并且基于所述特定偏置过压确定所述传感器单元在所述特定偏置电压下的增益。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述特定偏置电压是工作偏置电压，
所述处理电路进一步用于根据以下公式对所述传感器单元检测到的有效事件的能量E0进行校正：
E＝E0*G0/G，
其中，E为经校正的能量，G为所述传感器单元在所述工作偏置电压下的增益，G0为预定常数。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，
所述受控电压源进一步用于为所述传感器单元提供所述工作偏置电压；
所述处理电路进一步用于控制所述受控电压源提供所述工作偏置电压，基于所述检测信号计算有效电流，并且基于所述有效电流计算所述有效事件的能量。
15.一种用于测量击穿电压的设备，包括与传感器阵列中的多个传感器单元一一对应的多个如权利要求1至12任一项所述的用于测量击穿电压的装置。
16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述处理电路进一步用于根据所述检测信号计算对应传感器单元检测到的有效事件的全部或者部分能量E0，并且根据以下公式对所述能量E0进行校正：
E＝E0*G0/G，
其中，E为经校正的能量，G为所述对应传感器单元的增益，G0为预定常数。
17.一种用于测量击穿电压的设备，包括受控电压源、电压控制电路、与传感器阵列中的多个传感器单元一一对应的多个电流检测电路和多个处理电路，其中：
所述受控电压源的输出端分别连接所述多个传感器单元的输入端，所述受控电压源用于为所述多个传感器单元提供一系列测试偏置电压；
所述电压控制电路的输出端连接所述受控电压源的输入端，所述电压控制电路用于控制所述受控电压源提供所述一系列测试偏置电压；
所述多个电流检测电路中的每一个的输入端连接对应传感器单元的输出端，所述多个电流检测电路中的每一个用于检测所述对应传感器单元输出的电流信号并生成对应的检测信号；
所述多个处理电路中的每一个的输入端连接所述电流检测电路的输出端和所述电压控制电路的输出端，所述多个处理电路中的每一个用于基于所述检测信号计算与所述一系列测试偏置电压分别对应的暗电流，并基于所述一系列测试偏置电压和所述暗电流确定所述对应传感器单元的击穿电压；
其中，所述检测信号是数字信号，所述数字信号由持续时间相等的高电平和低电平组成，并且所述数字信号中的所有高电平之和与所述电流信号对时间的积分成正比；
所述多个处理电路中的每一个进一步用于根据对所述数字信号中的“1”进行累加或计数所获得的数值区分所述对应传感器单元中发生的事件是有效事件还是暗事件，所述暗电流为发生所述暗事件时所述对应传感器单元输出的所述电流信号。
18.一种用于测量击穿电压的方法，包括：
为传感器单元提供一系列测试偏置电压；
检测所述传感器单元输出的电流信号并生成对应的检测信号；
基于所述检测信号计算与所述一系列测试偏置电压分别对应的暗电流；以及
基于所述一系列测试偏置电压和所述暗电流确定所述传感器单元的击穿电压；
其中，所述检测信号是数字信号，所述数字信号由持续时间相等的高电平和低电平组成，并且所述数字信号中的所有高电平之和与所述电流信号对时间的积分成正比；
所述基于所述检测信号计算与所述一系列测试偏置电压分别对应的暗电流包括：根据对所述数字信号中的“1”进行累加或计数所获得的数值区分所述传感器单元中发生的事件是有效事件还是暗事件，所述暗电流为发生所述暗事件时所述传感器单元输出的所述电流信号。
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