CN109507717A - 一种SiPM探测器架构 - Google Patents

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熊健
吴和宇
于庆泽
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    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation
    • G01T1/2914—Measurement of spatial distribution of radiation
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Abstract

本发明属于医疗器械核医学技术领域，尤其涉及一种SiPM探测器架构。SiPM探测器架构中SiPM阵列板设置在探头阵列的上侧，且探头阵列与SiPM阵列板紧密光学耦合；SiPM阵列板的上侧依次设置有导热绝缘缓冲垫和散热制冷模块；两个第一板级连接器的第一端穿过散热制冷模块和导热绝缘缓冲垫与SiPM阵列板连接；两个第一板级连接器的第二端分别与时间处理板和能量处理板的第一端连接；时间处理板和能量处理板的第二端分别与一个第二板级连接器的第二端连接，两个第二板级连接器的第二端与电源适配板连接。该探测器的温度稳定性和信号信噪比，并且实现一体化供电、成本低、生产装配效率高和维护简单。

Description

一种SiPM探测器架构
技术领域
本发明属于医疗器械核医学技术领域，尤其涉及一种SiPM探测器架构。
背景技术
正电子发射断层(Positron Emission Tomography)作为一种核医学分子功能成像技术，可以提供各个器官或组织的功能性医学图像。
目前PET系统中的探测器光电传感器传统都是采用PMT(Photomultiplier Tube)，PMT易受到电磁干扰(对磁场非常敏感)、工作电压高(1000V-1500V)。PMT特殊的结构导致在产品化生产阶段，需要特殊工艺组装和焊接过程，这对产品可靠性带来了挑战。另外PMT工作电压高，系统散热要求更高、电气安全设计要求更严格、绝缘和系统维护投入成本非常高。
SiPM(Silicon Photomultiplier,硅光电倍增管)随着技术的商业化，逐渐广泛的应用到PET系统。SiPM目前暗计数率大幅降低、光电探测效率高、增益高、封装固态小型化、操作电压低、输出一致性好，成本低，而且磁场对SiPM没有影响，因此SiPM更适合大规模批量化生产，不需要人工焊接过程。
SiPM因为光电转换的灵敏区域小，探测器的制造总是伴随比PMT数目多的多的SiPM组成的阵列，它的电子学通道数目非常多，信号的引出和处理也变的非常复杂。SiPM有很强的温度依赖性，它的使用伴随着制冷的结构件的空间布局和热传导效率问题，也伴随着制冷结构和信号的引出处理的空间避让问题；读出电路，特别是分离元件组成的读出电路，电路器件的散热也与电路板的空间位置结构有关系。这些都要求探测器设计需要一种特殊的结构设计。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在的技术问题，本发明提供一种SiPM探测器架构。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种SiPM探测器架构，其包括探头阵列，SiPM阵列板，导热绝缘缓冲垫，散热制冷模块，第一板级连接器，时间处理板，能量处理板，第二板级连接器和电源适配板；
SiPM阵列板设置在探头阵列的上侧，且探头阵列与SiPM阵列板紧密光学耦合；
SiPM阵列板的上侧依次设置有导热绝缘缓冲垫和散热制冷模块；
两个第一板级连接器的第一端穿过散热制冷模块和导热绝缘缓冲垫与SiPM阵列板连接；
两个第一板级连接器的第二端分别与时间处理板和能量处理板的第一端连接；
时间处理板和能量处理板的第二端分别与一个第二板级连接器的第二端连接，两个第二板级连接器的第二端与电源适配板连接。
优选的，电源适配板还通过第三板级连接器与后续板卡连接。
优选的，SiPM阵列板与探头阵列还通过固定件机械固定。
优选的，导热绝缘缓冲垫包括导热硅胶或导热硅脂。
优选的，散热制冷模块包括半导体制冷模块、循环水制冷模块或液氮制冷模块。
优选的，SiPM阵列板、能量处理板、时间处理板和电源适配板通过板级连机器实现垂直互联，一体化供电。
优选的，探测器通过第三板级连机器与后续板卡进行时间信息、能量信息、电能、温度和控制信息的传递。
优选的，导热绝缘缓冲垫、散热制冷模块上设置有通孔，第一板级连接器穿过通孔与SiPM阵列板连接。
优选的，时间处理板、能量处理板相互平行设置，且两者之间存在间距。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明提供的SiPM探测器架构，采用SiPM阵列板去除了探测器人工焊接的特殊工艺过程，产品化效率高：SiPM阵列板实现自动化贴装，不需要PMT系统那样的人工焊接，提升了成品合格率和生产效率，节约了成本；
温度稳定性高、信噪比优异：采用散热制冷模块方式，保证探测器温度相对稳定，保证了时间和能量信息的信噪比和稳定性，对物理信息的探测失真度降低；
电气安全性高、信号之间串扰小、抗干扰能力强：SiPM只需要数十伏特的偏置电压，电气绝缘和安全系数高。时间和能量信息独立路径处理，串扰小，电气布局和走线技术保障了信号的抗干扰能力强；
一体化供电、成本低，结构紧凑：采用电源适配板的一体化供电方式，解决了探测器单独供电所带来的成本高昂、结构和电气设计复杂度的问题，实现低成本的，紧凑型的一体化供电，装配快捷，维护成本低。
附图说明
图1为本发明具体实施方式提供的SiPM探测器架构的主视图；
图2为本发明具体实施方式提供的SiPM探测器架构的侧视图。
【附图标记说明】
1：探头阵列；2：SiPM阵列板，3：导热绝缘缓冲垫；4：散热制冷模块；5：第一板级连接器；6：时间处理板；7：能量处理板；8：第二板级连接器；9：电源适配板；10：第三板级连接器。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图1、图2所示，在本实施方式中，提供了一种SiPM探测器架构，其包括探头阵列1，SiPM阵列板2，导热绝缘缓冲垫3，散热制冷模块4，第一板级连接器5，时间处理板6，能量处理板7，第二板级连接器8和电源适配板9。
SiPM阵列板2设置在探头阵列1的上侧，且探头阵列1与SiPM阵列板2紧密光学耦合。
SiPM阵列板2的上侧依次设置有导热绝缘缓冲垫3和散热制冷模块4。
两个第一板级连接器5的第一端穿过散热制冷模块4和导热绝缘缓冲垫3与SiPM阵列板2连接。
两个第一板级连接器5的第二端分别与时间处理板6和能量处理板7的第一端连接。
时间处理板6和能量处理板7的第二端分别与一个第二板级连接器8的第二端连接，两个第二板级连接器8的第二端与电源适配板9连接。
SiPM探测器架构中，SiPM阵列板2与探头阵列1进行光学耦合和机械固定，这部分集成了探测器、SiPM和相关的偏置电路。导热绝缘缓冲垫3放置在散热制冷模块与SiPM阵列板2中间，既缓冲了机械压力对SiPM及其电子元器件的冲击，又实现热传导。SiPM阵列板2的热量经过导热绝缘缓冲垫3，传输到散热制冷模块4，通过热平衡来控制SiPM光电传感器温度和增益的稳定性、降低探测器输出暗计数和热噪声，探测器输出信号的信噪比和稳定性有所保证和提升。
电源适配板9还通过第三板级连接器10与后续板卡连接，探测器通过第三板级连机器10与后续板卡进行时间信息、能量信息、电能、温度和控制信息的传递。
具体的，第二板级连接器8和第三板级连接器10分别固定在电源适配板的两侧，将处理过的能量、时间信息传输到后续处理板卡进行数字化处理。电源适配板提供探测器模块所需所有电源轨，并为传输能量、时间和温度等信息提供通路，实现探测器一体化供电、低成本和结构简洁紧凑的目的，装配快捷，维护成本低；
第三板级连机器10，传输探测器所需的总电源、控制信号、时间能量和温度信息等关键信息。相比线缆传输，第三板级连接器10对模数混合等关键信息传输，具备更低的串扰、抗干扰能力更优的优势。
SiPM阵列板2与探头阵列1还通过固定件机械固定。其中，固定件可以为卡扣，插接槽和插接凸起相配合的结构。
导热绝缘缓冲垫3是具有良好的热传导功能而又电性绝缘的材料，如导热硅脂、导热硅胶垫等材料。
散热制冷模块4包括半导体制冷模块、循环水制冷模块或液氮制冷模块。散热制冷模块在缓冲垫一侧平整而保证良好的导热性能。
SiPM阵列板2、能量处理板7、时间处理板6和电源适配板9通过板级连机器实现垂直互联，一体化供电。此种装配方式具有以下优点，成本低，结构紧凑简洁，装配快捷，维护成本低。
导热绝缘缓冲垫3、散热制冷模块4上设置有通孔，第一板级连接器5穿过通孔与SiPM阵列板2连接。
具体的，第一板级连接器5，固定在SiPM阵列板2上，通过导热绝缘缓冲垫3、散热制冷模块4的狭窄穿孔，输出能量信号到能量处理板，输出时间信号到时间处理板，输出温度信息并将工作电压传输到SiPM阵列板2。接插件尽可能选用高密度、穿孔尽可能小，以保证SiPM阵列板2的温度均匀性。
时间处理板6、能量处理板7相互平行设置，且两者之间存在间距。时间处理板6和能量处理板7为PCB板，在物理空间隔离开，分别处理时间信息，能量、电压和温度信息，这样可以大幅减弱时间、能量信号和电源相互串扰，增强产品的EMC性能，提高传输路径上信号的信噪比；以此同时，时间处理板6和能量处理板7形成平行结构，有利于风道设计，循环风能够穿过两PCB板之间的空间和两侧而带走PCB板上产生的热量，实现探测器内部各个板卡充分的散热，组装方便、快捷；这中直插式通体的板式结构，减少了接插件的数量，同时有效增加了PCB的利用效率。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种SiPM探测器架构，其特征在于：包括探头阵列，SiPM阵列板，导热绝缘缓冲垫，散热制冷模块，第一板级连接器，时间处理板，能量处理板，第二板级连接器和电源适配板；
SiPM阵列板设置在探头阵列的上侧，且探头阵列与SiPM阵列板紧密光学耦合；
SiPM阵列板的上侧依次设置有导热绝缘缓冲垫和散热制冷模块；
两个第一板级连接器的第一端穿过散热制冷模块和导热绝缘缓冲垫与SiPM阵列板连接；
两个第一板级连接器的第二端分别与时间处理板和能量处理板的第一端连接；
时间处理板和能量处理板的第二端分别与一个第二板级连接器的第二端连接，两个第二板级连接器的第二端与电源适配板连接。
2.根据权利要求1所述的SiPM探测器架构，其特征在于，电源适配板还通过第三板级连接器与后续板卡连接。
3.根据权利要求1所述的SiPM探测器架构，其特征在于，SiPM阵列板与探头阵列还通过固定件机械固定。
4.根据权利要求1所述的SiPM探测器架构，其特征在于，导热绝缘缓冲垫包括导热硅胶或导热硅脂。
5.根据权利要求1所述的SiPM探测器架构，其特征在于，散热制冷模块包括半导体制冷模块、循环水制冷模块或液氮制冷模块。
6.根据权利要求1所述的SiPM探测器架构，其特征在于，SiPM阵列板、能量处理板、时间处理板和电源适配板通过板级连机器实现垂直互联，一体化供电。
7.根据权利要求2所述的SiPM探测器架构，其特征在于，探测器通过第三板级连机器与后续板卡进行时间信息、能量信息、电能、温度和控制信息的传递。
8.根据权利要求1所述的SiPM探测器架构，其特征在于，导热绝缘缓冲垫、散热制冷模块上设置有通孔，第一板级连接器穿过通孔与SiPM阵列板连接。
9.根据权利要求1所述的SiPM探测器架构，其特征在于，时间处理板、能量处理板相互平行设置，且两者之间存在间距。
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