CN107526096B - 一种修正温度对SiPM增益影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种修正温度对SiPM增益影响的方法，该方法通过一种SiPM暗计数测量算法计算得到SiPM输出信号中的暗计数率，利用暗计数率与SiPM工作温度之间的固定关系，确定SiPM的当前温度，并在此基础上确定SiPM需要调节的工作偏压增量参数。从而有效地修正温度对SiPM增益的影响，提高了系统的稳定性，降低了硬件成本，并提高了系统效率。

Description

一种修正温度对SiPM增益影响的方法

【技术领域】

本发明属于辐射探测技术领域，具体涉及一种修正温度对SiPM(silicon photonmultiplier)增益影响的新方法。

【背景技术】

随着半导体技术的发展，新型硅基光子探测器SiPM得到了快速进步。相较于传统PMT(photon multiplier tuber)，SiPM具有很多优点，例如：磁场不灵敏特性、体积小、位置分辨率高，以及工作偏压低等。因此其在很多涉及辐射探测的研究方向，包括高能物理实验、宇宙射线观测、核医学成像和核安全等，有着广泛的应用前景。但是SiPM也存在一些缺点，例如暗计数和温度效应。其中温度效应主要是指SiPM的增益会随着其自身温度变化而变化，这将造成其输出信号的非线性。因此如何修正温度对SiPM增益的影响成为人们研究的热点之一。

现有技术中可以直接监视SiPM工作电流以代表SiPM的暗电流，通过暗电流与温度之间的对应关系得到SiPM的工作温度。再结合SiPM增益与工作温度的关系，和SiPM增益与工作电压的关系，通过调节SiPM工作电压的方式实现稳定其增益的目的，修正温度对增益的影响。但是由于SiPM的工作电流特别小约为几十uA，因此对其实现精确监测是较为困难的；另外当SiPM的计数率较高时，SiPM的工作电流主要由其正常放电引起，不能用于直接代表其暗电流。因此该种温度效应修正方法存在其困难和缺点。现有技术的另一种方法是直接监测SiPM周围的环境温度。同样通过调节SiPM工作电压的方式实现稳定其增益的目的。该方法实施较为容易，但同样存在一些缺点。例如SiPM周围的环境温度并不能准确代表SiPM自身的工作温度，导致修正存在一定的误差；另外增加一个温度测量电路会增加电路的复杂性和成本。现有技术中的第三种方法是直接监测SiPM暗计数信号的幅度变化以获得SiPM增益的变化情况，同样通过调节SiPM工作电压的方式实现稳定其增益的目的。该方法工作的困难在于SiPM暗计数信号通常只有几毫伏，在低噪声电路中只略微高出基线噪声信号，对其幅度进行精确监测本身困难重重。

【发明内容】

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种修正温度对SiPM增益影响的新方法。

本发明采用的技术方案具体如下：

一种修正温度对SiPM增益影响的方法，包括以下步骤：

(1)SiPM探测器输出模拟电压信号到SiPM信号处理电路，所述SiPM信号处理电路包括一个ADC和一个FPGA，所述ADC以1GHz的时钟频率将所述模拟电压信号数字化，数字化过程中的每一个采样点用14bit的数据表达，从而获得信号波形数据序列；

(2)所述ADC将数字化得到信号波形数据序列发送到所述FPGA芯片；

(3)所述FPGA对输入的信号波形数据序列进行实时处理获得SiPM暗计数率；

(4)所述FPGA基于暗计数率与温度之间的对应关系计算得到SiPM的当前温度；再结合SiPM增益与温度之间的对应关系计算得到SiPM增益的变化量；然后结合SiPM增益与工作偏压的对应关系，代入SiPM增益的变化量计算得到需要调节的工作偏压增量参数；

(5)所述FPGA将得到的工作偏压增量参数通过控制总线发送到SiPM偏压电路；

(6)所述SiPM偏压电路接收FPGA发送的工作偏压增量参数，实时调节其输出到SiPM探测器的电压，最终实现稳定SiPM增益的功能。

进一步地，所述步骤(3)中，所述FPGA基于SiPM暗计数测量算法对输入的信号波形数据序列进行实时处理获得SiPM暗计数率，具体包括：

(3.1)所述信号波形数据序列首先经过探测器信号识别逻辑，对探测器信号和基线信号进行识别；

(3.2)通过基线信号长度对识别出的基线信号进行判别，如果基线信号长度大于10us，则该基线信号被送入暗计数信号甄别逻辑，否则舍弃该基线信号；

(3.3)暗计数信号甄别逻辑对输入的基线信号进行统计，获取该基线信号中的暗计数信号个数；

(3.4)暗计数信号甄别逻辑将得到的暗计数信号个数除以相应基线信号的时间长度，得到该基线信号的暗计数率。

进一步地，所述步骤(3.1)具体包括：探测器信号识别逻辑设置有10mV的触发阈值，将信号波形数据序列中的每一个信号采样点与该触发阈值进行比较，当信号采样点的幅度大于10mV触发阈值时触发探测器信号识别功能，并且如果大于触发阈值的信号的脉冲宽度大于50ns，则识别为探测器信号，其他信号则为基线信号。

进一步地，暗计数信号甄别逻辑将幅度大于2mV阈值，并且脉冲宽度大于30ns的信号计为一个暗计数信号。

进一步地，所述ADC的采样率为1GHz，有效采样精度11bit。

进一步地，所述ADC的输入动态范围是0-1V。

进一步地，所述ADC与FPGA之间通过高速LVDS接口连接。

进一步地，所述SiPM偏压电路是一个程控电路，其输出电压范围为20V～70V，输出电流大于等于5mA。

本发明的有益效果为：在没有增加额外温度传感器或电流监测电路的情况下，实时获得SiPM的工作温度信息，降低了SiPM探测器系统的电路复杂性，提高了系统稳定性，降低了硬件成本，并提高了系统效率。

【附图说明】

此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明SiPM信号处理电路与偏压电路结构示意图。

图2是本发明SiPM暗计数测量算法的流程图。

图3是本发明温度修正算法的流程图。

【具体实施方式】

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参见附图1，其示出了本发明用于修正温度对SiPM增益影响的电路结构图，该电路结构包括SiPM探测器、SiPM信号处理电路和SiPM偏压电路。基于该电路结构，下面对本发明的方法进行详细说明。

(1)首先，SiPM探测器输出模拟电压信号到所述SiPM信号处理电路，所述SiPM信号处理电路具有一个高速高精度(采样率1GHz，有效采样精度11bit)ADC和一个FPGA，所述ADC的输入动态范围是0-1V，ADC以1GHz的时钟频率将所述模拟电压信号数字化，数字化过程中的每一个采样点用14bit的数据表达，从而获得信号波形数据序列。

(2)所述ADC将数字化得到信号波形数据序列发送到所述FPGA芯片。优选的，ADC与FPGA之间通过高速LVDS接口连接，从而ADC通过所述高速LVDS接口发送所述信号波形数据序列。

(3)所述FPGA基于本发明提出的SiPM暗计数测量算法对输入的信号波形数据序列进行实时处理获得SiPM暗计数率。

参见附图2，其示出了本发明SiPM暗计数测量算法的具体过程，包括以下步骤3.1-3.4：

(3.1)所述信号波形数据序列首先经过探测器信号识别逻辑，对探测器信号和基线信号进行识别。

具体地，探测器信号识别逻辑设置有10mV的触发阈值，将信号波形数据序列中的每一个信号采样点与该触发阈值进行比较，当信号采样点的幅度大于10mV触发阈值时触发探测器信号识别功能，并且如果大于触发阈值的信号的脉冲宽度大于50ns(即连续50ns的信号采样点的幅度都大于触发阈值)，则识别为探测器信号，其他信号则为基线信号。

(3.2)通过基线信号长度对识别出的基线信号进行判别，如果基线信号长度大于10us，则该基线信号被送入暗计数信号甄别逻辑，否则舍弃该基线信号。

(3.3)暗计数信号甄别逻辑对输入的基线信号进行统计，获取该基线信号中的暗计数信号个数。

优选的，暗计数信号甄别逻辑将幅度大于2mV阈值，并且脉冲宽度大于30ns的信号(即连续30ns的信号幅度都大于2mV阈值)计为一个暗计数信号。

(3.4)暗计数信号甄别逻辑将得到的暗计数信号个数除以相应基线信号的时间长度，得到该基线信号的暗计数率。

通过上述步骤3.1-3.4的暗计数测量算法，FPGA就获得了暗计数率，此后FPGA就可以通过执行如图3所示的温度修正算法来获取工作偏压增量参数。

(4)所述FPGA实时获取SiPM暗计数测量算法的暗计数率，通过SiPM芯片手册中给出的暗计数率与温度之间的对应关系计算得到SiPM的当前温度。再结合SiPM芯片手册中给出的SiPM增益与温度之间的对应关系计算得到SiPM增益的变化量。然后结合SiPM芯片手册中给出的SiPM增益与工作偏压的对应关系，代入SiPM增益的变化量计算得到需要调节的工作偏压增量参数。

(5)所述FPGA将得到的工作偏压增量参数通过控制总线发送到SiPM偏压电路。

(6)SiPM偏压电路接收FPGA发送的工作偏压增量参数，实时调节其输出到SiPM探测器的电压，最终实现稳定SiPM增益的功能。

优选的，所述SiPM偏压电路是一个程控电路，其输出电压范围为20V～70V，输出电流大于等于5mA。

通过上述过程，本发明基于对SiPM输出信号中暗计数率的实时监测，利用暗计数率与SiPM工作温度之间的固定关系，在没有增加额外温度传感器或电流监测电路的情况下，实时获得SiPM的工作温度信息，从而根据其工作温度设置其偏压电路的工作偏压增量，可以有效地修正温度对SiPM增益的影响，提高了系统的稳定性，降低了硬件成本，并提高了系统效率。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (8)

1.一种修正温度对SiPM增益影响的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)SiPM探测器输出模拟电压信号到SiPM信号处理电路，所述SiPM信号处理电路包括一个ADC和一个FPGA，所述ADC以1GHz的时钟频率将所述模拟电压信号数字化，数字化过程中的每一个采样点用14bit的数据表达，从而获得信号波形数据序列；

(2)所述ADC将数字化得到信号波形数据序列发送到所述FPGA芯片；

(3)所述FPGA对输入的信号波形数据序列进行实时处理获得SiPM暗计数率；

(4)所述FPGA基于暗计数率与温度之间的对应关系计算得到SiPM的当前温度；再结合SiPM增益与温度之间的对应关系计算得到SiPM增益的变化量；然后结合SiPM增益与工作偏压的对应关系，代入SiPM增益的变化量计算得到需要调节的工作偏压增量参数；

(5)所述FPGA将得到的工作偏压增量参数通过控制总线发送到SiPM偏压电路；

(6)所述SiPM偏压电路接收FPGA发送的工作偏压增量参数，实时调节其输出到SiPM探测器的电压，最终实现稳定SiPM增益的功能。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述FPGA基于SiPM暗计数测量算法对输入的信号波形数据序列进行实时处理获得SiPM暗计数率，具体包括：

(3.1)所述信号波形数据序列首先经过探测器信号识别逻辑，对探测器信号和基线信号进行识别；

(3.2)通过基线信号长度对识别出的基线信号进行判别，如果基线信号长度大于10us，则该基线信号被送入暗计数信号甄别逻辑，否则舍弃该基线信号；

(3.3)暗计数信号甄别逻辑对输入的基线信号进行统计，获取该基线信号中的暗计数信号个数；

(3.4)暗计数信号甄别逻辑将得到的暗计数信号个数除以相应基线信号的时间长度，得到该基线信号的暗计数率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3.1)具体包括：探测器信号识别逻辑设置有10mV的触发阈值，将信号波形数据序列中的每一个信号采样点与该触发阈值进行比较，当信号采样点的幅度大于10mV触发阈值时触发探测器信号识别功能，并且如果大于触发阈值的信号的脉冲宽度大于50ns，则识别为探测器信号，其他信号则为基线信号。

4.根据权利要求2-3任意一项所述的方法，其特征在于，暗计数信号甄别逻辑将幅度大于2mV阈值，并且脉冲宽度大于30ns的信号计为一个暗计数信号。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于，所述ADC的采样率为1GHz，有效采样精度11bit。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于，所述ADC的输入动态范围是0-1V。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述ADC与FPGA之间通过高速LVDS接口连接。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SiPM偏压电路是一个程控电路，其输出电压范围为20V～70V，输出电流大于等于5mA。