CN110398767B - 射线探测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射线探测电路。该射线探测电路包括：射线信号放大模块以及时间数字转换器TDC；其中，所述射线信号放大模块用于接收原始射线信号，并将所述原始射线信号放大至饱和状态，得到饱和射线信号；所述TDC用于接收所述饱和射线信号，并根据所述饱和射线信号的前、后沿时间，获得所述原始射线信号的时间信息和所述原始射线信号的能量信息。根据本发明，可以简化射线探测电路的设计，同时实现射线的时间信息和能量信息的高精度测量。

Description

射线探测电路

技术领域

本发明涉及射线探测技术领域，更具体地，涉及一种射线探测电路。

背景技术

在射线探测领域，常常需要对射线到达的时间信息及能量信息进行测量，即，将射线的时间信息及能量信息转换为电信号，再通过电子学技术转换为数据记录下来。

对于时间信息的测量，就是通常所说的定时，根据需求又衍生出各种不同的定时技术，如，常见的前沿定时、恒比定时、过零定时、高速采样定时等。如图1所示，最常用的前沿定时是当信号幅度超过某个阈值V_th时，比较器输出电平翻转，形成的数字脉冲输入时间数字转换器(Time-to-Digital Converter，TDC)得到过阈时间t1、t2来表征时间信息。

对于能量信息的测量，通常有两种方法，一种是采用对信号进行采样积分的方法，即，通过模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)将幅度电压值数字化后求和积分，如图2中所示。另一种是过阈时间(Time Over Threshold，TOT)法，将信号放大成形后，用TDC测量过阈脉冲的前沿及后沿，得到脉冲过阈时间宽度来表征能量信息，如图3中所示。

传统的射线探测电路通常由测量时间信息的定时电路和测量能量信息的能量测量电路组成。其中，如图4所示，定时电路中主要包括放大器、比较器以及TDC；采用采样积分法的能量测量电路，如图5所示，主要包括放大器、ADC，采用TOT法的能量测量电路，如图6所示，主要包括放大器、比较器和TDC。

现有的射线探测电路设计较为复杂，而且如果线路板的布局稍有不慎，比较器的数字电路部分的噪声容易耦合到模拟电路部分，影响测量结果。因此，发明人认为，可以对现有的时间能量测量电路进行改进，在保证较高的测量精度的基础上，使其更加简单易实现。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于射线探测的新技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种射线探测电路，其中，包括：

射线信号放大模块以及TDC；

其中，所述射线信号放大模块用于接收原始射线信号，并将所述原始射线信号放大至饱和状态，得到饱和射线信号；

所述TDC用于接收所述饱和射线信号，并根据所述饱和射线信号的前、后沿时间，获得所述原始射线信号的时间信息和所述原始射线信号的能量信息。

可选的，所述将所述原始射线信号放大至饱和状态被设置为使得所述饱和射线信号具有与所述TDC的输入端相匹配的电平特性。

可选的，所述射线信号放大模块为高带宽放大器。

可选的，所述TDC根据所述饱和射线信号的前、后沿时间，获得所述原始射线信号的时间信息，具体包括：

所述TDC将所述饱和射线信号的前沿时间确定为所述原始射线信号的时间信息。

可选的，所述TDC根据所述饱和射线信号的前、后沿时间，获取所述原始射线信号的能量信息，具体包括：

所述TDC将所述饱和射线信号的后沿时间与前沿时间之差，确定为所述原始射线信号的能量信息。

根据本发明的一个实施例，可以简化射线探测电路的设计，同时实现射线的时间信息和能量信息的高精度测量。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1示出了现有技术中时间信息测量电路的信号处理示意图。

图2示出了现有技术中采用采样积分法的能量信息测量电路的信号处理示意图。

图3示出了现有技术中采用TOT法的能量信息测量电路的信号处理示意图。

图4示出了现有技术中时间信息测量电路的结构示意图。

图5示出了现有技术中采用采样积分法的能量信息测量电路的结构示意图。

图6示出了现有技术中采用TOT法的能量信息测量电路的结构示意图。

图7示出了本发明的射线探测电路的原理示意图。

图8示出了本发明射线探测电路的信号处理示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图7示出了本发明的射线探测电路的原理示意图。

如图7所示，射线探测电路包括：射线信号放大模块以及TDC；其中，所述射线信号放大模块用于接收原始射线信号，并将所述原始射线信号放大至饱和状态，得到饱和射线信号。所述TDC用于接收所述饱和射线信号，并根据所述饱和射线信号的前、后沿时间，获得所述原始射线信号的时间信息和所述原始射线信号的能量信息。

其中，原始射线信号的时间信息是指探测到射线信号的时间，原始射线信号的能量信息，是指原始射线信号中所携带的能量。

具体的，所述TDC根据所述饱和射线信号的前、后沿时间，获得所述原始射线信号的时间信息包括：所述TDC将所述饱和射线信号的前沿时间确定为所述原始射线信号的时间信息。所述TDC根据所述饱和射线信号的前、后沿时间，获取所述原始射线信号的能量信息包括：所述TDC将所述饱和射线信号的后沿时间与前沿时间之差，确定为所述原始射线信号的能量信息。

通常，原始射线信号是模拟信号，而TDC的输入端需要输入数字电平，所以现有技术中通常需要通过比较器将模拟信号转换为数字信号，以与TDC的输入端的电平特性相匹配。

而在本例中，射线信号放大模块将所述原始射线信号放大至饱和状态，得到饱和射线信号。原始射线信号经过射线信号放大模块的高倍数放大后，幅度超过射线信号放大模块的工作电压的部分，将会形成与工作电压相同的平顶，类似于数字信号的平顶，这就是放大至饱和状态。将原始射线信号放大至饱和状态后会形成一种“类数字信号”，具有与TDC的输入端相匹配的电平特性。这样，TDC就可以识别经过射线信号放大模块放大的饱和射线信号，而不需要经过比较器转换。

需要说明的是，饱和射线信号虽然不是数字信号，但只要信号幅度、信号前沿及信号后沿的斜率满足TDC输入端能响应的要求，就能够被TDC所识别，从而得到饱和射线信号的前沿时间和后沿时间。

进一步的，射线信号放大模块的带宽最好不小于原始射线信号的前沿的频率。这样，原始射线信号通过射线信号放大模块时才不会影响前沿的速度，信号的定时精度才不会变差。而对于射线信号放大模块来说，随着放大倍数的增加，其带宽会变小。因此在本例中，射线信号放大模块要在保证使原始射线信号饱和放大的同时，其带宽最好不小于原始射线信号的前沿的频率。

在一个例子中，射线信号放大模块可以为高带宽放大器。如图8所示，原始射线信号经过高带宽放大器进行高倍数放大，使放大后的射线信号处于饱和状态，得到饱和射线信号。然后将饱和射线信号直接输入TDC，得到其前沿时间t1和后沿时间t2。其中，前沿时间代表原始射线信号的时间信息T＝t1，后沿时间与前沿时间之间的差值代表原始射线信号的能量信息E＝f(t2-t1)。

例如，在一个实际应用的例子中，使用硅光电倍增管(SiPM或MPPC)耦合20mm长度的硅酸钇镥(LYSO)闪烁体，探测511keV的正电子湮灭产生的伽玛射线，采用本例的射线探测电路，射线信号直接进入TDC测量其前沿时间及后沿时间。得到两条20mm长度LYSO晶体的511keV伽玛射线的符合时间分辨(coincidence time resolution，CTR)可达到330ps，对22Na的511keV伽玛射线能量分辨率经过非线性校正后为大约12.5％，满足飞行时间正电子发射断层成像(TOF-PET)的需求。

本实施例的射线探测电路，采用射线信号放大模块和TDC组合的简单结构实现了时间信息和能量信息的同时测量。区别于现有的射线探测电路，直接将饱和放大后的模拟信号输入TDC，只要放大后的模拟信号的前后沿满足TDC的触发条件，就可以使用TDC直接得到饱和射线信号的前沿时间和后沿时间。而原始射线信号不经过成形直接通过射线信号放大模块进行放大，可以很好的保留原始射线信号的前沿时间，使得测量精度高。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种射线探测电路，其中，包括：

射线信号放大模块以及时间数字转换器TDC；

其中，所述射线信号放大模块用于接收原始射线信号，并将所述原始射线信号放大至饱和状态，得到饱和射线信号；

所述TDC用于接收所述饱和射线信号，并根据所述饱和射线信号的前、后沿时间，获得所述原始射线信号的时间信息和所述原始射线信号的能量信息；所述时间信息是指探测到所述原始射线信号的时间，所述能量信息是指所述原始射线信号中所携带的能量。

2.根据权利要求1所述的射线探测电路，其中，所述将所述原始射线信号放大至饱和状态被设置为使得所述饱和射线信号具有与所述TDC的输入端相匹配的电平特性。

3.根据权利要求1所述的射线探测电路，其中，所述射线信号放大模块为高带宽放大器。

4.根据权利要求1所述的射线探测电路，其中，所述TDC根据所述饱和射线信号的前、后沿时间，获得所述原始射线信号的时间信息，具体包括：

所述TDC将所述饱和射线信号的前沿时间确定为所述原始射线信号的时间信息。

5.根据权利要求1所述的射线探测电路，其中，所述TDC根据所述饱和射线信号的前、后沿时间，获得所述原始射线信号的能量信息，具体包括：

所述TDC将所述饱和射线信号的后沿时间与前沿时间之差，确定为所述原始射线信号的能量信息。

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