CN111257919A - 一种基于移动触发阈方法评价SiPM探测器的方法 - Google Patents

一种基于移动触发阈方法评价SiPM探测器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于移动触发阈方法评价SiPM探测器的方法，该方法利用SiPM探测器自身各个像素点输出信号基本一致的准数字化特性，通过移动触发阈，统计触发事件计数率变化的方法，对SiPM的主要性能变化做实时的判断与评价。该方法可在不增加附属电路，不将SiPM单独拆出其应用环境的前提下评价其性能及长期变化趋势，提供了一种对SiPM探测器性能稳定性监控的便捷方案，并对其性能校正提供了参考数据。

Description

一种基于移动触发阈方法评价SiPM探测器的方法
技术领域
本发明涉及PET探测器评价技术，特别涉及一种基于移动触发阈方法评价SiPM探测器的方法。
背景技术
SiPM(Silicon Photomultiplier，硅光电倍增管)是一种光电探测器件，发明于二十世纪九十年代末。其基本原理是由工作在盖革模式下的高密度雪崩光电二极管阵列组成，具有高光子探测效率，高定时分辨率，低偏置电压，结构紧凑，抗磁场能力强等优点。随着半导体技术的提升，SiPM的噪声水平在下降，已开始广泛应用于微弱光探测，高能物理及核医学领域。
在使用SiPM探测器进行光脉冲信号探测的应用场合中，为提升测量结果的信噪比或者得到信号的时间信息，都要求相应的配套电路中有触发阈的功能，并且为了得到触发阈的最优值，很多触发阈电路都能够提供触发阈的数字调节功能，用于调试得到最优触发阈。
与传统的微弱光探测器件光电倍增管相比，SiPM也有其噪声大，温漂效应大的缺点，为此，如何对SiPM探测器性能进行评价成为当前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于移动触发阈方法评价SiPM探测器的方法，借助于移动触发阈，统计触发事件计数率，进而实现对SiPM探测器性能的评价。
为了达到上述的目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明提供一种基于移动触发阈方法评价SiPM探测器的方法，所述SiPM探测器连接一触发装置和计数装置，所述计数装置连接一分析装置，所述方法包括：
S1、将SiPM探测器置于避光环境中，连续调整触发装置，获取所述触发装置中各触发阈值对应的本底计数率；
S2、采用所述分析装置对所述本底计数率进行处理，获取处理后的用于评价SiPM探测器的评价信息。
可选地，所述步骤S2包括：
采用所述分析装置对所述本底计数率进行微分处理，来分析本底脉冲幅度分布规律，获取用于评价SiPM探测器的评价信息；
所述评价信息包括：
用于评价SiPM本底噪声水平的结合脉冲幅度的本底脉冲计数率；
用于评价单光子脉冲幅度信息的微分谱中相邻峰位之差；
用于评价SiPM串扰性能的微分谱中多像素脉冲计数占总计数的比值。
可选地，所述步骤S1中的本底计数率包括：
原始的未经校正的第一本底计数率、结合触发装置和计数装置所固有的系统死时间做过校正的第二本底计数率。
可选地，所述方法还包括：
根据所述评价信息对所述SiPM探测器的探测结果进行校正；
或者，根据所述评价信息对所述SiPM探测器的探测结果进行预警。
可选地，SiPM探测器包括：
将SiPM作为核心器件的光探测器和将SiPM作为核心光电转换器件并耦合了闪烁体的辐射探测器。
第二方面，本发明还提供一种用于评价SiPM探测器性能的性能评价电路，所述性能评价电路执行上述第一方面所述的评价SiPM探测器的方法，性能评价电路包括：
连接SiPM探测器的触发装置，所述触发装置用于产生可变触发阈并获取处于避光条件下的SiPM探测器在不同触发阈值下的触发事件；
连接SiPM探测器的计数装置，用于统计所述SiPM探测器的触发事件的本底计数，获取本底计数率；
连接计数装置的分析装置，用于对所述本底计数率进行处理，获取处理后的用于评价SiPM探测器的评价信息。
可选地，所述触发装置包括：用于连接SiPM探测器的前置放大器、成形放大器和AD转换器、使用数字电位器的触发电路；
所述前置放大器、成形放大器、AD转换器与所述触发电路依次连接；
或者，
所述触发装置包括：用于连接SiPM探测器的前置放大器和AD转换器、使用数字电位器的触发电路；
所述前置放大器、AD转换器与所述触发电路依次连接。
可选地，所述触发电路中使用数字电位器调整触发阈值范围是由经过前置放大器放大后的单光子信号大小确定。例如，所述触发电路中使用数字电位器调整触发阈值从0.2mV至10mV，步长为0.2mV；所述计数装置用于对每一个步长采集0.5s数据。
可选地，经过所述前置放大器放大后的单光子信号为0.5V以上。
本发明的有益效果是：
本发明的方法利用SiPM探测器自身各个像素点输出信号基本一致的准数字化特性，通过移动触发阈，统计触发事件计数率变化的方法，对SiPM的主要性能变化做实时的判断与评价。
本发明的方法可不增加附属电路，不将SiPM单独拆出其应用环境的前提下评价其性能及长期变化趋势，在对SiPM探测器性能评价方面具有较大的便捷性，且能够对SiPM探测器性能校正提供了参考数据。
附图说明
图1为SiPM探测器像素脉冲的示意图；
图2为SiPM探测器应用电路基本框图；
图3为SiPM探测器评价电路的部分结构的示意图；
图4为本发明一实施例提供的不同阈值下触发事件的统计分布示意图；
图5为本发明一实施例提供的不同幅度的脉冲计数的统计分布的示意图；
图6为本发明一实施例提供的基于移动触发阈方法评价SiPM探测器的方法的流程示意图。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，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。
为了更好的理解本发明实施例的方案，以下对本发明实施例的结构或原理进行说明。
避光条件下，SiPM探测器的本底脉冲信号由各个像素内自由载流子在盖革模式下的雪崩效应所产生，每个像素的脉冲信号大小都基本一致，且该脉冲信号大小等于单光子入射所产生的光脉冲信号的大小。在一个脉冲信号宽度的时间区间内，通常同时只有一个像素有本底脉冲，若干个像素同时有本底脉冲输出时往往由相邻像素间的串扰所引起。故多像素脉冲的比例可用于评价SiPM探测器像素间的串扰情况。不同数量像素脉冲信号形状的示意图如图1所示。
在通常使用SiPM探测器进行光脉冲信号探测时，其SiPM探测器应用电路的基本电路框图如图2所示。其探测信号的后续处理电路(即SiPM探测器的应用电路)可包括：连接SiPM探测器的前置放大器、计数器或AD转换器、触发电路和数字电位器，所述前置放大器、计数器、触发电路、数字电位器依次连接。
为更好的理解本发明实施例中的电路结构，将评价SiPM探测器性能的性能评价电路进行单独说明。
本实施例中提供一种用于评价SiPM探测器性能的性能评价电路，其包括：连接SiPM探测器的触发装置，所述触发装置用于得到处于避光条件下的SiPM探测器在不同触发阈值下的触发事件；
连接SiPM探测器的计数装置，用于统计所述SiPM探测器的触发事件的本底计数，获取本底计数率；
连接计数装置的分析装置，用于对所述本底计数率进行处理，获取处理后的用于评价SiPM探测器的评价信息。
本实施例中的触发装置就是产生触发阈并得到触发时间的装置。举例来说，触发装置可包括：用于连接SiPM探测器的前置放大器、成形放大器和AD转换器、使用数字电位器的触发电路；所述前置放大器、成形放大器、AD转换器与所述触发电路依次连接，如图3所示。在本实施例中，因为本底脉冲过小，幅度在mV量级，因此设置多级放大器的结构。在实际应用中，还可以设置一个前置放大器即可，无需成形放大器。
需要说明的是，图3所示的基本电路中每一放大器(前置放大器和成形放大器)增益倍数要比常规应用时要大的多，故不能简单地将SiPM应用电路作为本申请中的性能评价电路。因为SiPM单光子信号在mV量级，一般AD转换器量程在V的量级，故专用于SiPM本底分析的电路其总和增益要在100倍以上才可以。在图3中所示的前置放大器的增益高于应用电路中增益至少3-20倍。
举例来说，在本实施例中触发电路中使用数字电位器调整触发阈值从0.2mV至10mV，步长为0.2mV；所述计数装置用于对每一个步长采集0.5s数据。
可理解的是，所述触发电路中使用数字电位器调整触发阈值范围是由经过前置放大器后的单光子信号大小确定，触发阈值范围的上限可为单光子信号幅度的3-7倍之间，步长在单光子信号幅度的0.5倍以下，计数装置数据采集时间根据统计需求设置，0.5s以上直至几分钟均可。
本发明实施例在SiPM探测器避光条件下，利用数字电位器改变触发电路的触发阈，统计不同触发阈下触发事件的计数率，得到本底脉冲计数的积分统计。
上述分析装置可将计数装置的计数统计结果做微分处理，得到不同幅度下的本底脉冲计数分布。即分析装置可对所述本底计数率进行微分处理，来分析本底脉冲幅度分布规律，获取用于评价SiPM探测器的评价信息。
本底脉冲计数率可用于评价SiPM本底噪声；利用微分谱中相邻峰位之差可以得到单光子信号的脉冲幅度；多像素脉冲计数占总计数的比值可用于评价SiPM探测器的串扰性能；多次以上统计结果的变化可用于评价SiPM探测器相应性能的变化。
本实施例中，利用SiPM探测器自身各个像素雪崩光电二极管输出信号基本一致的准数字化特性，通过移动触发阈，统计触发事件计数率变化的方法，对SiPM探测器的主要性能变化做实时的判断与评价。
如图6所示，图6示出了本发明一实施例提供的基于移动触发阈方法评价SiPM探测器的方法的流程示意图。本实施例的方法可包括下述的步骤：
S1、将SiPM探测器置于避光环境中，连续调整触发装置，获取所述触发装置中各触发阈值对应的本底计数率。
在本实施例中，SiPM探测器可包括：将SiPM作为核心器件的光探测器和将SiPM作为核心光电转换器件并耦合了闪烁体的辐射探测器。
可理解的是，SiPM作为一种光电转换器件既可以直接用于近红外、可见、近紫外的直接光探测器，也可以与闪烁体耦合，用做探测放射性的辐射探测器。
S2、采用所述分析装置对所述本底计数率进行处理，获取处理后的用于评价SiPM探测器的评价信息。
举例来说，采用所述分析装置对所述本底计数率进行微分处理，来分析本底脉冲幅度分布规律，获取用于评价SiPM探测器的评价信息。
本实施例的评价信息可包括：用于评价SiPM本底噪声水平的结合脉冲幅度的本底脉冲计数率；用于评价单光子脉冲幅度信息的微分谱中相邻峰位之差；用于评价SiPM串扰性能的微分谱中多像素脉冲计数占总计数的比值。
本实施例中，利用SiPM探测器自身各个像素雪崩光电二极管输出信号基本一致的准数字化特性，通过移动触发阈，统计触发事件计数率变化的方法，对SiPM探测器的主要性能变化做实时的判断与评价。
需要说明的是，上述步骤S1中的本底计数率可包括：原始的未经校正的第一本底计数率、结合触发装置和计数装置所固有的系统死时间做过校正的第二本底计数率。
可理解的是，本底计数率就是没有外界光入射时探测器自身产生的触发事件计数率。上述的第一本地计数率针对的是计数系统得到的未经校正过的计数率。此外，在数据处理系统中都有在工作时不能处理同时产生的其他事件的特性，这段时间称为死时间。在死时间内会造成测试计数率低于真实计数率。通常，采用测试计数率除以扣除了死时间后的真测试时间来进行校正，进而得到第二本地计数率。
在实际应用中，上述图6所示的方法还可包括下述的图中未示出的步骤S3：
S3：根据所述评价信息对所述SiPM探测器的探测结果进行校正；
或者，根据所述评价信息对所述SiPM探测器的探测结果进行预警。
由此，本发明实施例中通过SiPM探测器的应用电路，可同时实现获取SiPM探测器的评价信息，利用该评价信息对SiPM探测器的探测结果进行校正，其操作简便，校正更准确。
即，本实施例中利用SiPM探测器自身各个像素雪崩光电二极管输出信号基本一致的准数字化特性，通过移动触发阈，统计触发事件计数率变化，对SiPM及相关附属电路的主要性能变化做实时的判断与评价。
在图3所示的性能评价电路，使用数字电位器精细调整触发阈值从0.2mV至10mV，步长为0.2mV，每个步长采集0.5s数据，使用计数器统计各个触发阈下的触发事件。不同阈值下触发事件的统计结果如图4所示，对触发事件的统计结果做微分处理，得到不同幅度下本底的脉冲计数分布如图5。
从图5中可见，该SiPM探测器中单光子幅度约为2.8mV，其中单光串扰事件的比例约为20％。
以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于移动触发阈方法评价SiPM探测器的方法，其特征在于，所述SiPM探测器连接一触发装置和计数装置，所述计数装置连接一分析装置，所述方法包括：
S1、将SiPM探测器置于避光环境中，连续调整触发装置，获取所述触发装置中各触发阈值对应的本底计数率；
S2、采用所述分析装置对所述本底计数率进行处理，获取处理后的用于评价SiPM探测器的评价信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
采用所述分析装置对所述本底计数率进行微分处理，来分析本底脉冲幅度分布规律，获取用于评价SiPM探测器的评价信息；
所述评价信息包括：
用于评价SiPM本底噪声水平的结合脉冲幅度的本底脉冲计数率；
用于评价单光子脉冲幅度信息的微分谱中相邻峰位之差；
用于评价SiPM串扰性能的微分谱中多像素脉冲计数占总计数的比值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中的本底计数率包括：
原始的未经校正的第一本底计数率、结合触发装置和计数装置固有的系统死时间做过校正的第二本底计数率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述评价信息对所述SiPM探测器的探测结果进行校正；
或者，根据所述评价信息对所述SiPM探测器的探测结果进行预警。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，SiPM探测器包括：
将SiPM作为核心器件的光探测器和将SiPM作为核心光电转换器件并耦合了闪烁体的辐射探测器。
6.一种用于评价SiPM探测器性能的性能评价电路，其特征在于，包括：
连接SiPM探测器的触发装置，所述触发装置用于产生可变触发阈并获取处于避光条件下的SiPM探测器在不同触发阈值下的触发事件；
连接SiPM探测器的计数装置，用于统计所述SiPM探测器的触发事件的本底计数，获取本底计数率；
连接计数装置的分析装置，用于对所述本底计数率进行处理，获取处理后的用于评价SiPM探测器的评价信息。
7.根据权利要求6所述的性能评价电路，其特征在于，所述触发装置包括：用于连接SiPM探测器的前置放大器、成形放大器和AD转换器、使用数字电位器的触发电路；
所述前置放大器、成形放大器、AD转换器与所述触发电路依次连接；
或者，
所述触发装置包括：用于连接SiPM探测器的前置放大器和AD转换器、使用数字电位器的触发电路；
所述前置放大器、AD转换器与所述触发电路依次连接。
8.根据权利要求7所述的性能评价电路，其特征在于，所述触发电路中使用数字电位器调整触发阈值范围是由经过前置放大器放大后的单光子信号大小确定。
9.根据权利要求7所述的性能评价电路，其特征在于，经过所述前置放大器放大后的单光子信号为0.5V以上。
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