CN111337967B - 一种消除电荷共享装置及像素探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种消除电荷共享装置及像素探测系统，所述消除电荷共享装置包括：前置电路、最大逻辑电路、求和过阈电路、仲裁逻辑电路和计数电路；前置电路用于根据芯片输出的信号生成中心像素的甄别信号；最大逻辑电路用于将中心像素的甄别信号与中心像素相邻西、北、西北三个像素的甄别信号进行比较，确定中心像素的最大值信号；求和过阈电路用于将中心像素的甄别信号与中心像素相邻西、北、西北三个像素的甄别信号进行求和后与全局阈值比较，得到中心像素的求和过阈信号；仲裁逻辑电路用于仲裁判断，获得仲裁信号；计数电路用于根据仲裁信号确定是否加一，以实现消除电荷共享进而提高像素探测系统的探测效率。

Description

一种消除电荷共享装置及像素探测系统

技术领域

本发明涉及电荷共享技术领域，特别是涉及一种消除电荷共享装置及像素探测系统。

背景技术

探测器是一套由专用传感器阵列及其电路构成的信号采集系统，其作为获取粒子反应产生的新粒子信息的装置，在高能物理领域有着广泛的应用。而在目前主流的多种探测器中，像素探测器又以其良好的集成度、高位置分辨率常常在高能物理实验探测系统中处于关键地位。其中，光子计数型探测器以其高计数率和良好能量分辨特性在高能物理以外的辐射探测和成像领域也有着广泛的应用。

所谓的光子计数法，就是基于传统的核电子学探测方法，先对入射信号进行电荷积分与放大，然后通过过阈甄别的方法转换为数字脉冲，再通过计数器进行累加计数，相当于完成了对入射光通量的数字积分。

像素探测器在进行能量探测时，当X光或带电粒子在传感器内产生电子空穴对后，电子空穴对将沿电场方向漂移到收集极表面，进而被读出电路接收放大。在这一过程中，电荷束团的直径将随漂移过程不断增加，其在收集极平面上的束斑大小与漂移距离直接相关，当束斑同时击中几个像素时，各像素所接收的电荷量之和为束团的实际能量，即电荷共享效应。

在光子计数型探测器中，分布于不同像素的同一束斑电荷有可能因多数过阈而导致重复计数，也有可能因为电荷较为分散且在阈值之下而导致计数丢失，这两种情况都将使得探测器的能量分辨率降低，从而影响探测器的探测效率。

考虑到电荷共享效应造成计数偏差的根本原因，消除方法可以归纳为“多像素总电荷统计”和“多像素束斑中心仲裁”两种方法的结合。“多像素总电荷统计”主要是为了准确获得束斑的总能量，即通过束斑的总能量与能量阈进行比较，决定是否进行计数累加，而非在各像素中独立进行判断。这样就消除了目前系统在总能量较大时可能导致多像素过阈的重复计数问题。“多像素束斑中心仲裁”主要是为了准确获知束斑击中中心，通俗的说就是为了获知应该在哪个像素进行计数累加动作。直观的办法即是将多个击中像素中信号最大的像素作为击中位置，这样就消除了目前产品中当总能量较小而导致的全部击中像素均不过阈的计数丢失问题。以上两项逻辑仲裁必须相互配合，单独任意一种都无法构成电荷共享效应决策的充要条件。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种消除电荷共享装置及像素探测系统，以实现消除电荷共享进而提高像素探测系统的探测效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种消除电荷共享装置，所述消除电荷共享装置包括：

前置电路，用于根据前一级探测器输出的信号生成中心像素的甄别信号；

最大逻辑电路，与所述前置电路连接，用于将中心像素的甄别信号与中心像素相邻西、北、西北三个像素的甄别信号进行比较，确定中心像素的最大值信号；

求和过阈电路，与所述前置电路连接，用于将中心像素的甄别信号与中心像素相邻西、北、西北三个像素的甄别信号进行求和后与全局阈值比较，得到中心像素的求和过阈信号；

仲裁逻辑电路，分别与所述最大逻辑电路和所述求和过阈电路连接，用于将所述中心像素的求和过阈信号、所述中心像素的最大值信号、中心像素相邻的东、南、东南三个像素的最大信号以及与中心像素相邻的东南像素的求和过阈信号进行仲裁判断，获得仲裁信号；

计数电路，与所述仲裁逻辑电路连接，用于根据所述仲裁信号确定是否加一。

可选的，所述前置电路包括：倒装焊、前置放大器、反馈电容和第一比较器；所述倒装焊分别与所述前置放大器的一端和所述反馈电容的一端连接，所述前置放大器的另一端和所述反馈电容的另一端分别与所述第一比较器的正输入端连接，所述第一比较器的负输入端输入局部阈值，所述第一比较器的输出端分别与所述最大逻辑电路和所述求和过阈电路连接。

可选的，所述最大逻辑电路包括CLC电路和第一寄存器；所述CLC电路分别与第一寄存器和所述第一比较器的输出端连接；

所述CLC电路用于将中心像素的甄别信号与中心像素相邻西、北、西北三个像素的甄别信号进行比较，确定最大值信号；

所述第一寄存器用于存储最大值信号。

可选的，所述求和过阈电路包括：

电源、第一恒流源、第一充电开关、第二恒流源、第二充电开关、第三恒流源、第三充电开关、第四恒流源、第四充电开关、复位电容、复位开关、第二比较器、第一或门和第二寄存器；所述电源通过第一恒流源与所述第一充电开关的一端连接，所述第一充电开关的另一端分别与所述复位电容的一端、所述复位开关的一端和所述第二比较器的正输入端连接；所述电源通过第二恒流源与所述第二充电开关的一端连接，所述第二充电开关的另一端分别与所述复位电容的一端、所述复位开关的一端和所述第二比较器的正输入端连接；所述电源通过第三恒流源与所述第三充电开关的一端连接，所述第三充电开关的另一端分别与所述复位电容的一端、所述复位开关的一端和所述第二比较器的正输入端连接；所述电源通过第四恒流源与所述第四充电开关的一端连接，所述第四充电开关的另一端分别与所述复位电容的一端、所述复位开关的一端和所述第二比较器的正输入端连接；所述复位电容的另一端和所述复位开关的另一端均接地，所述第二比较器的负输入端输入全局阈值，所述第二比较器的输出端通过所述第二寄存器与所述仲裁逻辑电路连接，所述第一或门的第一输入端输入所述前置电路输出的中心像素的甄别信号，所述第一或门的第二输入端、第三输入端和第四输入端依次输入中心像素相邻西、北、西北三个像素的甄别信号，所述第一或门的输出端输出复位信号。

可选的，所述仲裁逻辑电路包括：

第一非门，用于将中心像素相邻的东像素的最大信号进行“取反”操作，获得东像素的最大取反信号；

第二非门，用于将中心像素相邻的南像素的最大信号进行“取反”操作，获得南像素的最大取反信号；

第三非门，用于将中心像素相邻的东南像素的最大信号进行“取反”操作，获得东南像素的最大取反信号；

第一与门，用于将中心像素相邻的东、南、东南三个像素的最大取反信号以及与中心像素相邻的东南像素的求和过阈信号进行“与”操作，获得第一信号；

第二与门，分别与所述最大逻辑电路和所述求和过阈电路连接，用于将中心像素的最大值信号与求和过阈信号进行“与”操作，获得第二信号；

第二或门，分别与所述第一与门和所述第二与门连接，用于将所述第一信号和所述第二信号进行“或”操作，获得仲裁信号。

本发明还提供一种像素探测系统，包括上述消除电荷共享装置、芯片以及像素探测器；所述消除电荷共享装置集成在所述芯片内部，所述芯片用于消除所述像素探测器的电荷共享。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种消除电荷共享装置及像素探测系统，所述消除电荷共享装置包括：前置电路、最大逻辑电路、求和过阈电路、仲裁逻辑电路和计数电路；前置电路用于根据芯片输出的信号生成中心像素的甄别信号；最大逻辑电路用于将中心像素的甄别信号与中心像素相邻西、北、西北三个像素的甄别信号进行比较，确定中心像素的最大值信号；求和过阈电路用于将中心像素的甄别信号与中心像素相邻西、北、西北三个像素的甄别信号进行求和后与全局阈值比较，得到中心像素的求和过阈信号；仲裁逻辑电路用于仲裁判断，获得仲裁信号；计数电路用于根据仲裁信号确定是否加一，以消除电荷共享进而提高像素探测系统的探测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例消除电荷共享装置结构图；

图2为本发明实施例前置电路；

图3为本发明实施例求和过阈电路；

图4为本发明实施例最大值电路；

图5为本发明实施例仲裁逻辑电路；

图6为本发明实施例像素阵列的方位图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种消除电荷共享装置及像素探测系统，以实现消除电荷共享进而提高像素探测系统的探测效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例消除电荷共享装置结构图，如图1所示，本发明提供了一种消除电荷共享装置，所述消除电荷共享装置包括：

前置电路，用于根据前一级探测器输出的信号生成中心像素的甄别信号；

最大逻辑电路，与所述前置电路连接，用于将中心像素的甄别信号与中心像素相邻西、北、西北三个像素的甄别信号进行比较，确定中心像素的最大值信号；

求和过阈电路，与所述前置电路连接，用于将中心像素的甄别信号与中心像素相邻西、北、西北三个像素的甄别信号进行求和后与全局阈值比较，得到中心像素的求和过阈信号；

仲裁逻辑电路，分别与所述最大逻辑电路和所述求和过阈电路连接，用于将所述中心像素的求和过阈信号、所述中心像素的最大值信号、中心像素相邻的东、南、东南三个像素的最大信号以及与中心像素相邻的东南像素的求和过阈信号进行仲裁判断，获得仲裁信号；

计数电路，与所述仲裁逻辑电路连接，用于根据所述仲裁信号确定是否加一。

如图6所示，行为级解决方案为一个5行*5列的像素阵列，其中以某一像素为中心，其相邻依次为东、南、西、北、东南、东北、西南、西北八个像素，以此类推，该像素阵列中每个像素都有相邻的八个像素；然后每个像素都与其相邻的西、北、西北三个像素进行求和运算。需要注意的是，该解决方案的前提条件是即使光子计数型探测器中存在电荷共享效应，一个光子信号所产生的电荷云也不会超过110um*110um的面积，该前提条件可能因不同应用中的探测器材料、探测器厚度、光子信号特征等有所不同。

如图2所示，倒装焊用于芯片与传感器的互连，是芯片实际应用时的输入接口，反馈电容C_f用于调节电荷灵敏前放的电荷增益。像素探测器的芯片输出的信号首先经前置放大器放大-Av倍之后传给第一比较器，实现该信号与局部阈值的比较并给出中心像素的甄别信号，用于确认该甄别信号是否为过阈的光子能量信号。

具体的，所述前置电路包括：倒装焊、前置放大器Av、反馈电容C_f和第一比较器；所述倒装焊分别与所述前置放大器Av的一端和所述反馈电容C_f的一端连接，所述前置放大器Av的另一端和所述反馈电容C_f的另一端分别与所述第一比较器的正输入端连接，所述第一比较器的负输入端输入局部阈值，所述第一比较器的输出端分别与所述最大逻辑电路和所述求和过阈电路连接。

“多像素束斑中心仲裁”逻辑中心像素的甄别信号与中心像素相邻西、北、西北三个像素甄别信号进行比较通过CLC电路进行实现。如图4所示，中心像素的甄别信号与相邻三个像素的甄别信号经CLC电路处理后，得到最大值的信号，由第一寄存器U6进行寄存。其中CLC电路全称为combinational logic circuit，该电路用于实现判断最大值逻辑，即CLC电路接收到四个输入信号后，能够判断出某一输入信号是否为四个输入信号中的最大值，并给出判断结果。

其中CLC电路的具体实现如图4矩形框图中所示，该电路由组合逻辑电路组成，有AB C D四个输入和一个Y输出，其中满足Y＝ABCD’+ABC’D+AB’CD+A’BCD逻辑表达式。

具体的，所述最大逻辑电路包括CLC电路和第一寄存器U6；所述CLC电路分别与第一寄存器U6和所述第一比较器的输出端连接；所述CLC电路用于将中心像素的甄别信号与中心像素相邻西、北、西北三个像素的甄别信号进行比较，确定最大值信号；所述第一寄存器U6用于存储最大值信号。

在“多像素总电荷统计”逻辑中,中心像素的甄别信号与相邻三个像素的甄别信号求和通过第一恒流源I1给电容充电的电路进行实现。如图3所示，甄别信号为第一充电开关S1，即电容的充电时间由甄别信号控制；四个甄别信号的“或”信号控制电容的复位，即其为复位开关S2；电容充电后的电压信号经比较器与全局阈值比较，得到中心像素的求和过阈信号后经第二寄存器U5进行寄存。

具体的，所述求和过阈电路包括：

电源VDD、第一恒流源I1、第一充电开关S1、第二恒流源I2、第二充电开关S2、第三恒流源I3、第三充电开关S3、第四恒流源I4、第四充电开关S4、复位电容C1、复位开关S2、第二比较器U7、第一或门U1和第二寄存器U5；所述电源VDD通过第一恒流源I1与所述第一充电开关S1的一端连接，所述第一充电开关S1的另一端分别与所述复位电容C1的一端、所述复位开关S2的一端和所述第二比较器U7的正输入端连接，所述电源VDD通过第二恒流源I2与所述第二充电开关S2的一端连接，所述第二充电开关S2的另一端分别与所述复位电容C1的一端、所述复位开关S2的一端和所述第二比较器U7的正输入端连接，所述电源VDD通过第三恒流源I3与所述第三充电开关S3的一端连接，所述第三充电开关S3的另一端分别与所述复位电容C1的一端、所述复位开关S2的一端和所述第二比较器U7的正输入端连接，所述电源VDD通过第四恒流源I4与所述第四充电开关S4的一端连接，所述第四充电开关S4的另一端分别与所述复位电容C1的一端、所述复位开关S2的一端和所述第二比较器U7的正输入端连接，所述复位电容C1的另一端和所述复位开关S2的另一端均接地，所述第二比较器U7的负输入端输入全局阈值，所述第二比较器U7的输出端通过所述第二寄存器U5与所述仲裁逻辑电路连接，所述第一或门U1的第一输入端输入所述前置电路输出的中心像素的甄别信号，所述第一或门U1的第二输入端、第三输入端和第四输入端依次输入中心像素相邻西、北、西北三个像素的甄别信号，所述第一或门U1的输出端输出复位信号。

如图5所示，所述仲裁逻辑电路包括：第一非门U29、第二非门U28、第三非门U27、第一与门U3、第二与门U4和第二或门U2；所述第一非门U29、所述第二非门U28、所述第三非门U27分别与所述第一与门U3连接，所述第二与门U4分别与所述最大逻辑电路和所述求和过阈电路连接，所述第二或门U2分别与所述第一与门U3和所述第二与门U4连接。

所述第一非门U29用于将中心像素相邻的东像素的最大信号进行“取反”操作，获得东像素的最大取反信号；所述第二非门U28用于将中心像素相邻的南像素的最大信号进行“取反”操作，获得南像素的最大取反信号；所述第三非门U27用于将中心像素相邻的东南像素的最大信号进行“取反”操作，获得东南像素的最大取反信号；所述第一与门U3用于将中心像素相邻的东、南、东南三个像素的最大取反信号以及与中心像素相邻的东南像素的求和过阈信号进行“与”操作，获得第一信号；所述第二与门U4用于将中心像素的最大值信号与求和过阈信号进行“与”操作，获得第二信号；所述第二或门U2用于将所述第一信号和所述第二信号进行“或”操作，获得仲裁信号。

本发明输入信号首先经前置放大器放大-Av倍之后传给比较器，实现该信号与局部阈值的比较并给出甄别信号，用于确认该甄别信号是否为过阈的光子能量信号。之后中心像素的甄别信号分为两路，一路用于实现“多像素总电荷统计”逻辑，即将中心像素的甄别信号与相邻西、北、西北三个像素的甄别信号进行求和后与全局阈值比较得到中心像素的求和过阈信号，确认该求和过阈信号是否为目标探测能量信号；另一路用于实现“多像素束斑中心仲裁”逻辑，即将中心像素的甄别信号与相邻西、北、西北三个像素的甄别信号比较是否为最大值信号，即进行最大值判断逻辑。之后该中心像素的求和过阈信号、最大值信号与相邻的东、南、东南三个像素的最大信号以及相邻的东南像素的求和过阈信号进行仲裁判断，仲裁逻辑的输出信号决定计数器是否加一，若仲裁逻辑判断结果为“真”，那么计数电路将实现加“1”操作。另外，由于该解决方案依赖于芯片中各像素之间的信息交互，故其中某一像素在接收相邻像素的信号时，也需要同时将其自身甄别信号传给相邻的东、南、东南三个像素；将最大值信号传给相邻的西、北、西北三个像素；将求和过阈信号传给相邻的西北像素，即每个像素与其他像素都有一个七进七出的互连关系。最终，该方案可消除电荷共享效应对光子计数型芯片的计数影响。

本发明还提供一种像素探测系统，包括上述消除电荷共享装置、芯片以及像素探测器；所述消除电荷共享装置集成在所述芯片内部，所述芯片用于消除所述像素探测器的电荷共享。本发明通过设置上述消除电荷共享装置消除电荷共享效应对探测器计数的影响，可以大大提升光子计数型像素探测器的能量分辨率、位置分辨率，进而极大提高探测器的探测效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种消除电荷共享装置，其特征在于，所述消除电荷共享装置包括：

前置电路，用于根据前一级探测器输出的信号生成中心像素的甄别信号；

最大逻辑电路，与所述前置电路连接，用于将中心像素的甄别信号与中心像素相邻西、北、西北三个像素的甄别信号进行比较，确定中心像素的最大值信号；

求和过阈电路，与所述前置电路连接，用于将中心像素的甄别信号与中心像素相邻西、北、西北三个像素的甄别信号进行求和后与全局阈值比较，得到中心像素的求和过阈信号；

仲裁逻辑电路，分别与所述最大逻辑电路和所述求和过阈电路连接，用于将所述中心像素的求和过阈信号、所述中心像素的最大值信号、中心像素相邻的东、南、东南三个像素的最大信号以及与中心像素相邻的东南像素的求和过阈信号进行仲裁判断，获得仲裁信号；

计数电路，与所述仲裁逻辑电路连接，用于根据所述仲裁信号确定是否加一。

2.根据权利要求1所述的消除电荷共享装置，其特征在于，所述前置电路包括：倒装焊、前置放大器、反馈电容和第一比较器；所述倒装焊分别与所述前置放大器的一端和所述反馈电容的一端连接，所述前置放大器的另一端和所述反馈电容的另一端分别与所述第一比较器的正输入端连接，所述第一比较器的负输入端输入局部阈值，所述第一比较器的输出端分别与所述最大逻辑电路和所述求和过阈电路连接。

3.根据权利要求2所述的消除电荷共享装置，其特征在于，所述最大逻辑电路包括CLC电路和第一寄存器；所述CLC电路分别与第一寄存器和所述第一比较器的输出端连接；

所述CLC电路用于将中心像素的甄别信号与中心像素相邻西、北、西北三个像素的甄别信号进行比较，确定最大值信号；

所述第一寄存器用于存储最大值信号。

4.根据权利要求1所述的消除电荷共享装置，其特征在于，所述求和过阈电路包括：

电源、第一恒流源、第一充电开关、第二恒流源、第二充电开关、第三恒流源、第三充电开关、第四恒流源、第四充电开关、复位电容、复位开关、第二比较器、第一或门和第二寄存器；所述电源通过第一恒流源与所述第一充电开关的一端连接，所述第一充电开关的另一端分别与所述复位电容的一端、所述复位开关的一端和所述第二比较器的正输入端连接；所述电源通过第二恒流源与所述第二充电开关的一端连接，所述第二充电开关的另一端分别与所述复位电容的一端、所述复位开关的一端和所述第二比较器的正输入端连接；所述电源通过第三恒流源与所述第三充电开关的一端连接，所述第三充电开关的另一端分别与所述复位电容的一端、所述复位开关的一端和所述第二比较器的正输入端连接；所述电源通过第四恒流源与所述第四充电开关的一端连接，所述第四充电开关的另一端分别与所述复位电容的一端、所述复位开关的一端和所述第二比较器的正输入端连接；所述复位电容的另一端和所述复位开关的另一端均接地，所述第二比较器的负输入端输入全局阈值，所述第二比较器的输出端通过所述第二寄存器与所述仲裁逻辑电路连接，所述第一或门的第一输入端输入所述前置电路输出的中心像素的甄别信号，所述第一或门的第二输入端、第三输入端和第四输入端依次输入中心像素相邻西、北、西北三个像素的甄别信号，所述第一或门的输出端输出复位信号。

5.根据权利要求1所述的消除电荷共享装置，其特征在于，所述仲裁逻辑电路包括：

第一非门，用于将中心像素相邻的东像素的最大信号进行“取反”操作，获得东像素的最大取反信号；

第二非门，用于将中心像素相邻的南像素的最大信号进行“取反”操作，获得南像素的最大取反信号；

第三非门，用于将中心像素相邻的东南像素的最大信号进行“取反”操作，获得东南像素的最大取反信号；

第一与门，用于将中心像素相邻的东、南、东南三个像素的最大取反信号以及与中心像素相邻的东南像素的求和过阈信号进行“与”操作，获得第一信号；

第二与门，分别与所述最大逻辑电路和所述求和过阈电路连接，用于将中心像素的最大值信号与求和过阈信号进行“与”操作，获得第二信号；

第二或门，分别与所述第一与门和所述第二与门连接，用于将所述第一信号和所述第二信号进行“或”操作，获得仲裁信号。

6.一种像素探测系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的消除电荷共享装置、芯片以及像素探测器；所述消除电荷共享装置集成在所述芯片内部，所述芯片用于消除所述像素探测器的电荷共享。

Images