CN109613586B - 一种带有补偿电阻的电阻网络位置读出电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于γ射线探测技术领域，尤其涉及一种带有补偿电阻的电阻网络位置读出电路及减小阻抗的方法。带有补偿电阻的电阻网络位置读出电路，其包括电阻网络和补偿电阻；电阻网络包括两个列电阻单元和位于两个列电阻单元的电阻之间的多个行电阻单元，其中，每一个行电阻单元均包括多个串联的行电阻，相邻行电阻之间具有一个信号输入节点，补偿电阻与信号串行相连并与节点连接。本发明通过串联补偿电阻，使光电器件的对地阻抗达到一致，以补偿电阻网络结构对不同位置信号输出阻抗的影响，进而改善了阵列中不同位置输出信号波形差异，提高了γ射线探测器的位置精度和γ射线能量峰位的一致性。
Description
技术领域
本发明属于γ射线探测技术领域，尤其涉及一种带有补偿电阻的电阻网络位置读出电路及减小阻抗的方法。
背景技术
硅光电倍增管(SiPM)，是工作在盖革模式下的雪崩光电二极管阵列，与传统的光电倍增管相比，增益大，工作电压低，同时具有体积小，重量轻，工艺兼容性好，对磁场不敏感的优点，随着其技术日趋成熟，在微弱光探测，辐射探测等领域，发挥着重要作用，逐渐代替光电倍增管(PMT)在核探测领域的作用。
在核医学领域，PMT通常用阵列的形式使用，而具有更小光电灵敏区域的SiPM，需要更大规模的阵列的形式使用，更加需要电阻网络将后端的电子学通道数目降下来。基于SiPM的γ射线探测器，需要将单片的SiPM组合成阵列，得到较大的灵敏区面积，与闪烁晶体阵列耦合。当γ射线入射到闪烁晶体内，产生的光子经SiPM转化为电信号，经放大器放大后进行模数转换，数字信号经计算机计算后得到γ射线位置信息X,Y(闪烁晶体位置)和能量信息。如果阵列中每一个SiPM信号都进行放大读出和数字化，就需要复杂且昂贵的电子学系统，或开发专用读出电路(ASIC)，因此减小SiPM阵列输出信号的数量，成为一种灵活，低成本的应用方法。
在众多的简化方法中，离散位置读出电路(discretized positioning circuit，DPC)是最有效的电阻网络方法，它由多行和两列电阻组成电阻网络，如图1所示，二极管图示所代表的SiPM的阳极连接到电阻网络位置读出电路的行电阻单元的信号输入节点，因此可以将大规模的M*N阵列SiPM简化为A，B，C，D 4路输出，所用后续电子学通道数量少，只需4路运算放大器和模数转换器就能实现信号的读出。离散位置读出电路最初应用于位置灵敏管和多阳极光电倍增管，他将阵列单元的输出信号连接到行电阻单元的节点，通过电流在行列电阻网络中的衰减确定信号的位置。位置计算方法如下：
离散位置读出电路在阵列中单元数量较小时，得到了很好的图像，当阵列规模扩大后，电阻数量增加，其X，Y方向由于阻抗分布的不对称性，影响了γ射线的位置分辨精度，使探测器能量分辨、时间分辨性能下降。
任何形式的电阻网络，网络并不是无限延展，边沿和中心的阻抗不会相同，在位置读出的电子网络中各个结点的电阻优先考虑的是位置解析，而无法兼顾阻抗特征。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在的因阻抗分布的不对称性，影响了γ射线的位置分辨精度，使探测器能量分辨、时间分辨性能下降的技术问题，本发明提供一种带有补偿电阻的电阻网络位置读出电路及减小阻抗的方法。
(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：
一种带有补偿电阻的电阻网络位置读出电路，其包括电阻网络和补偿电阻；
电阻网络包括两个列电阻单元和位于两个列电阻单元的电阻之间的多个行电阻单元，其中，每一个行电阻单元均包括多个串联的行电阻，相邻行电阻之间具有一个信号输入节点，补偿电阻与信号串行相连并与节点连接。
优选的，列电阻单元包括多个串联设置的列电阻，其中，相邻列电阻之间具有行电阻单元的连接节点；
行电阻单元的一端与其中一个列电阻单元的节点连接，另一端与另一个列电阻单元上的节点连接。
优选的，光电器件的输出信号串型通过补偿电阻与行电阻单元的信号输入节点连接。
优选的，光电器件为光电倍增管或硅光电倍增管。
优选的，通过调整补偿电阻的阻值使光电器件的对地阻抗一致。
优选的，补偿电阻的阻值计算方法为：先测量出电阻网络的各馈入点的对地阻抗，确定最大阻抗值，据此设定对地阻抗基准，小于该阻值的，用基准阻值减去实际阻抗值，得到的差值就是串联电阻的阻值，此时获得网络的最小阻抗。各个补偿电阻增加一个阻抗常量值，电阻网络可以获得其他阻抗值。
优选的，行电阻单元信号输入节点的对地阻抗越大，补偿电阻阻值越小。
优选的，列电阻的两端为信号输出端，行电阻根据闪烁晶体的空间位置进行调整，信号输出端输出信号后通过运算放大器放大后转换成数字信号，然后进行位置计算。
一种用于减小如以上所述带有补偿电阻的电阻网络位置读出电路阻抗差异的方法，其特征在于，调整补偿电阻的阻值，使每个光电器件出口具有相同的对地阻抗。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明提供的带有补偿电阻的电阻网络位置读出电路，通过串联补偿电阻，使光电器件的对地阻抗达到一致，以补偿电阻网络结构对不同位置信号输出阻抗的影响，进而改善了阵列中不同位置输出信号波形差异，提高了γ射线探测器的位置精度和γ射线能量峰位的一致性。
附图说明
图1：传统离散位置读出的电阻网络的电路图；
图2：M*N SiPM阵列示意图；
图3：SiPM结构图；
图4：SiPM偏置电压图；
图5：带有串联电阻的离散位置读出的电阻网络的电路图。
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。
本发明公开了一种带有补偿电阻的电阻网络位置读出电路，在本实施方式中，以DPC网络为例说明，讨论电路的组成、工作方式和原理，如何通过补偿电阻缩小阵列在X，Y方向阻抗分布的不对称性，提高了γ射线探测器的位置分辨精度和能量分辨精度。
为实现上述目的，本发明的技术方案是在阵列中每个SiPM单元的信号输出端串联一个电阻，然后接入离散位置读出电路的行电阻网络节点。因此本发明涉及的电路主要包括4部分，阵列SiPM，SiPM偏置电路，串联电阻及离散位置读出电路的行列电阻。
如图2所示，其显示的是M*N的SiPM阵列示意图，其可以组成不同灵敏区面积的光电传感器，通过与闪烁体耦合，可以设计出不同尺寸的γ射线探测器。
在γ射线探测器的实际应用中，以PET系统为例，单个γ射线探测器模块尺寸通常大于50mm*50mm，4*4阵列SiPM面积无法满足要求，在增加阵列规模时，传统的电阻网络位置读出电路存在一定的问题，X，Y方向阻抗分布的不对称性严重影响了γ射线的位置分辨精度，使探测器能量分辨、时间分辨性能下降。
如图3所示，其显示的是SiPM单元结构，SiPM单元结构由N个单光子雪崩二极管及其淬灭电阻Rq组成，雪崩二极管工作在盖革模式下，依靠淬灭电阻Rq使其淬灭电流下降，停止雪崩。使用中，可以在SiPM阴极(N极)加正偏压。
SiPM由N个单光子雪崩二极管及其淬灭电阻组成，当闪烁体产生的光子入射到SiPM灵敏区，产生的光电子在电场作用下运动，产生电流信号，电流经过取信号电阻R，转化为电压信号，进入后端电路，淬灭电阻的作用是在雪崩电流产生后使二极管两端的偏压降低到击穿电压以下，终止雪崩。SiPM的结电容和猝灭电阻使其输出信号的恢复时间长，因此γ射线的位置分辨精度对波形十分敏感，波形变化会影响计算出的位置，γ射线能谱、时间信息均依赖于回路的阻抗特征。
如图4所示，其显示的是SiPM偏置电压图，可以在阳极(P极)加负偏压使p-n结两端的电压大于击穿电压，SiPM通过雪崩倍增，获得较大增益。因此SiPM信号可以从阴极输出，也可以从阳极输出。SiPM输出信号的形状，即与SiPM内部淬灭电阻的阻值Rq和结电容Cq有关，也受外部对地阻抗大小影响，较大的结电容和淬灭电容使SiPM信号恢复时间长，如果SiPM的信号直接进入离散位置读出电路，由于电路中各节点阻抗差异，就会导致阵列中不同位置SiPM输出信号的形状有较大差异，这种差异导致A,B,C,D输出信号加和后计算出的位置不准确，同时经过模数转化得到的γ射线能量也会因为信号形状不同，产生较大差异，同时也会影响前端的偏置回路，从而影响从偏置回路取出的信息，比如时间信息。因此通过选取合理的串联电阻阻值Rs，使SiPM的对地阻抗一致，减小SiPM输出波形差异，可以提高探测器的位置分辨精度，γ射线能谱峰位一致性也会变好，进一步提高基于SiPM的γ射线探测器性能。
如图5所示，本实施方式提出的带有补偿电阻的电阻网络位置读出电路，SiPM阵列为10*10，共100个SiPM单元。每行有10个节点，共10行，行列电阻Rr，Rc可以根据闪烁体晶条的空间位置进行调整，得到A,B,C,D信号后通过运算放大器放大后转换成数字信号，进行位置计算。每个SiPM阴极加正偏压，阳极输出信号。每个信号串联一个电阻Rs，读出电路共计100个串联电阻Rs，Rs的值与行节点的对地阻抗值相加为一定值，该值即SiPM阳极的对地阻抗，因此通过增加Rs，可以使阵列中每个SiPM的输出端，对地阻抗一致，由行节点阻抗不一致引起的波形差异缩小，经计算出的位置精度提高，γ射线能量和时间测量也得到改善。
在本实施方式中，还提供了一种用于减小如以上所述带有补偿电阻的电阻网络位置读出电路阻抗差异的方法，调整补偿电阻的阻值，使每个光电器件出口具有相同的对地阻抗。
具体的，调整补偿电阻的方法，当电阻网络位置读出电路的电路结构确定后，各个结点电阻阻值确定后，各个信号馈入点的阻抗也就固定了，但精确计算电阻网络各点的阻抗是很困难的事。为了每个光电器件出口得到一致的对地阻抗，可以先测量出网络的各馈入点的对地阻抗，确定最大阻抗值，据此设定对地阻抗基准，小于该阻值的，用基准阻值减去实际阻抗值，得到的差值就是串联电阻的阻值。行节点的对地阻抗越大，串联电阻阻值越小。
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 (6)
1.一种带有补偿电阻的电阻网络位置读出电路，其特征在于：包括电阻网络和补偿电阻；
电阻网络包括两个列电阻单元和位于两个列电阻单元的电阻之间的多个行电阻单元，其中，每一个行电阻单元均包括多个串联的行电阻，相邻行电阻之间具有一个信号输入节点，补偿电阻与信号串行相连并与节点连接；
列电阻单元包括多个串联设置的列电阻，其中，相邻列电阻之间具有行电阻单元的连接节点；
行电阻单元的一端与其中一个列电阻单元的行电阻单元的连接节点连接，另一端与另一个列电阻单元上的行电阻单元的连接节点连接；
光电器件的输出信号串型通过补偿电阻与行电阻单元的信号输入节点连接，通过调整补偿电阻的阻值使光电器件的对地阻抗一致。
2.根据权利要求1所述的带有补偿电阻的电阻网络位置读出电路，其特征在于，光电器件为光电倍增管或硅光电倍增管。
3.根据权利要求1所述的带有补偿电阻的电阻网络位置读出电路，其特征在于，补偿电阻的阻值计算方法为：先测量出电阻网络的各馈入点的对地阻抗，确定最大阻抗值，据此设定对地阻抗基准，小于该阻值的，用基准阻值减去实际阻抗值，得到的差值就是串联电阻的阻值，此时获得网络的最小阻抗，各个补偿电阻增加一个阻抗常量值，电阻网络可以获得其他阻抗值。
4.根据权利要求1所述的带有补偿电阻的电阻网络位置读出电路，其特征在于，行电阻单元信号输入节点的对地阻抗越大，补偿电阻阻值越小。
5.根据权利要求1所述的带有补偿电阻的电阻网络位置读出电路，其特征在于，列电阻的两端为信号输出端，行电阻根据闪烁晶体的空间位置进行调整，信号输出端输出信号后通过运算放大器放大后转换成数字信号，然后进行位置计算。
6.一种用于减小如权利要求1-5任意一项所述带有补偿电阻的电阻网络位置读出电路阻抗差异的方法，其特征在于，调整补偿电阻的阻值，使每个光电器件出口具有相同的对地阻抗。
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