CN111426379B - 一种抗信号堆积的高精度定时硅光电倍增二极管系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种抗信号堆积的高精度定时硅光电倍增二极管系统，包括若干硅光电倍增二极管，所述若干二极管分别串联各自的雪崩淬灭电阻Rq和寄生电容Cq组成若干二极管像素，所述若干二极管的阳极输出端口接地，所述若干二极管的快速输出端口通过耦合电容Cf和各二极管像素相连形成一个信号输出端口，所述信号输出端口连接至时间信号处理单元和能量信号处理单元以分别输出时间处理信号和能量处理信号。本发明的一种抗信号堆积的高精度定时硅光电倍增二极管系统即充分利用快输出端口快速精准脉冲的精确时间性能、减轻或解决了电荷测量通道的堆积和基线涨落问题，并且可以减少信号连接至只有一个端口连接。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种抗信号堆积的高精度定时硅光电倍增二极管系统。
背景技术
硅光电倍增二极管(Silicon Photomultiplier，SiPM)作为一种光电探测器件有着广泛的用途。因为其具有很高的内部增益，可以用作极弱光甚至是单光子探测传感器件。每个被传感器吸收的光子平均可以通过盖格雪崩(Geiger Mode Avalanche)产生大约106个电子电荷的信号。由于该器件产生的大信号和内部快速雪崩倍增过程，其输出的电信号常被用作各种可见光脉冲的高精度定时信号。现有技术如：光子飞行时间测量设备(Timeof Flight)便是基于该原理，例如核医学中的飞行时间正电子发射断层成像(Time ofFlight Positron Emission Tomography，ToFPET)和光学雷达成像(light detection andran-ging，LiDAR)。部分硅光电倍增二极管除了阳极和阴极外，还专门配备了快速输出端口用来进行定时测量。如公开号为WO/2011/117309的专利公开了硅光电倍增管和读出方法(Silicon photomultiplier and readout method)，如图1所示，展示了该种传感器在阴极接偏置高压时从阳极和快速端口输出电压信号的形状。快速输入端口输出信号具有快速上升沿和窄脉宽，适用于高精度定时测量；阳极输出端口则输出慢速信号，脉宽较宽，通常可用于输出信号的电荷测量从而可以断定进入传感器表面的光子数目。
由该传感器组成的飞行时间系统通常存在以下若干问题：
1.通常为了能够获取相对准确的光子电荷与数目信息，阳极输出端会端接阻值较小的接地端接电阻(50-100Ω)。由于传感器复杂的结构和电学模型，该端接电阻会对快速端口信号产生影响，减缓其信号上升速度和幅度从而劣化定时精度。
2.SiPM在室温下产生暗噪声脉冲会由于阳极输出的宽脉冲在信号基线上产生堆积效应。基线堆积会进一步导致电荷测量误差。这种测量误差会在ToFPET和LiDAR应用中越发明显，特别是ToFPET高计数率随着宽脉冲形状而引起基线堆积和涨落会进一步影响高能γ光子的探测效率和性能，室外LiDAR测量场景中的背景光也会有类似效果。
3.在部分应用例如TOFPET中，大阵列传感器需要高密度的电子学配合进行探测器模块的读出和信号处理。虽然SiPM快输出端口可以提供简便而准确的时间测量方案，但是由于每个传感器需要配备两个输出端口，导致探测器和集成电路芯片之间过密的连接方式，从而使得系统设计过于复杂。
针对以上技术问题，故需对其进行改进。
发明内容
基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种抗信号堆积的高精度定时硅光电倍增二极管系统。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种抗信号堆积的高精度定时硅光电倍增二极管系统，包括若干硅光电倍增二极管，所述若干二极管分别串联各自的雪崩淬灭电阻Rq和寄生电容Cq组成若干二极管像素，所述若干二极管的阳极输出端口接地，所述若干二极管的快速输出端口通过耦合电容Cf和各二极管像素相连形成一个信号输出端口，所述信号输出端口连接至时间信号处理单元和能量信号处理单元以分别输出时间处理信号和能量处理信号。
作为优选方案，所述时间信号处理单元包括高频低阻抗运放电路。
作为优选方案，所述高频低阻抗运放电路连接有甄别器。
作为优选方案，所述高频低阻抗运放电路为高频低阻抗运放器。
作为优选方案，所述能量信号处理单元包括跨导运算放大电路。
作为优选方案，所述跨导运算放大电路连接有基线堆积抑制电路。
作为优选方案，所述跨导运算放大电路为跨导运算放大器。
本发明与现有技术相比，有益效果是：本发明的一种抗信号堆积的高精度定时硅光电倍增二极管系统即充分利用快输出端口快速精准脉冲的精确时间性能、减轻或解决了电荷测量通道的堆积和基线涨落问题，并且可以减少信号连接至只有一个端口连接。
附图说明
图1是现有技术中的传感器在阴极接偏置高压时从阳极和快速端口输出电压信号的形状示意图；
图2是本发明实施例一的抗信号堆积的高精度定时硅光电倍增二极管模块的系统电子学方案示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例一：
如图2所示，展示了本实施的抗信号堆积的高精度定时硅光电倍增二极管模块，图2中左侧为硅光电倍增二极管探测器的等效电路结构，若干二极管分别串联各自的雪崩淬灭电阻Rq和寄生电容Cq组成若干二极管像素，其中二极管像素可以用电压源、导通电阻Rp、雪崩开关和二极管电容等效Cp进行等效，每一个像素是一个雪崩二极管，同时串联一个电阻Rq用来淬灭二极管的雪崩，这个雪崩二极管加电阻Rq组成一个像素，整个器件由成千上万个像素并联而成，不雪崩的其他像素可以认为将其并联连接，模型里面将它们的电学模型变成诸多集成的参数。这些集成参数，就是将单个雪崩的像素里面的参数Rq、Cq,、Cf,、Cp等乘以没有雪崩的像素数，其中Rp没有集成参数等效，因为没有雪崩的时候没有Rp。若干二极管的阳极输出端口接地，若干二极管的快速输出端口通过耦合电容Cf和各二极管像素相连形成一个信号输出端口，信号输出端口连接至时间信号处理单元和能量信号处理单元以分别输出时间处理信号和能量处理信号。
由于雪崩淬灭时间常数τquench＝Cp·Rq，其电流馈通通路需要阳极提供最小的对地阻抗才能使通过Cf耦合传递的信号达到最快上升速度和最宽带宽。故而在优化的高精度读出系统里，阳极接地连接，该处理方法可以有效解决高精度定时系统中的问题1“通常为了能够获取相对准确的光子电荷与数目信息，阳极输出端会端接阻值较小的接地端接电阻(50-100Ω)。由于传感器复杂的结构和电学模型，该端接电阻会对快速端口信号产生影响，减缓其信号上升速度和幅度从而劣化定时精度”。
信号处理主要有两部分组成，时间处理单元和能量处理单元。时间处理单元由一个高频低阻抗运放电路进行高频定时信号的拾取，优选的，高频低阻抗运放电路选用高频低阻抗运放器或其他能够实现高频低阻抗运放功能的电器元器件，比如射频运放器件。能量处理单元则选用跨导运算放大电路，优选的，跨导运算放大电路选择跨到运算放大器或其他能够实现跨到运算放大功能的电器元器件；跨到运算放大器连接有基线堆积抑制电路，其全部输出信号经过单独的基线堆积抑制电路之后进行进一步的信号处理。基线堆积电路具有可调电阻Rt，用来进行适配调节，Rc、CC用来改变信号波形形状以进行基线堆积抑制，主要用来降低信号的宽度从而减少基线堆积，调节部分由需要调节的硅光电倍增二极管的的输出尾部时间常数决定，由于传感器输出的时间常数根据不同的传感器阻抗有不同的适配条件，故而可调电阻用来进行尾部恢复时间调节从而抑制基线堆积。该适配单元传递函数的分子部分可以和硅光电倍增二极管快速输出窄脉冲相互抵消从而实现脉冲尾部的快速恢复。这种特殊的设计可以有效地解决问题2“SiPM在室温下产生暗噪声脉冲会由于阳极输出的宽脉冲在信号基线上产生堆积效应。基线堆积会进一步导致电荷测量误差。这种测量误差会在ToFPET和LiDAR应用中越发明显，特别是ToFPET高计数率随着宽脉冲形状而引起基线堆积和涨落会进一步影响高能γ光子的探测效率和性能，室外LiDAR测量场景中的背景光也会由类似效果。”带来的基线堆积所造成的测量误差的纠正。优选的，时间信号处理单元和能量信号处理单元可以选用其他能够处理时间处理信号和能量处理信号的电器元气件或者电路。
高频低阻抗运放电路连接有甄别器，由于跨导运算方法器并不会分取宽频低阻抗运放的输入电流从而不会对高频信号的甄别器产生过多的影响。从而实现同时高精度的飞行时间和电荷数量的测量，即解决了问题3“在部分应用例如TOFPET中，大阵列传感器需要高密度的电子学配合进行探测器模块的读出和信号处理。虽然SiPM快输出端口可以提供简便而准确的时间测量方案，但是由于每个传感器需要配备两个输出端口，导致探测器和集成电路芯片之间过密的连接方式，从而使得系统设计过于复杂。”所带来的系统过于冗杂的问题。
本实施例的抗信号堆积的高精度定时硅光电倍增二极管模块即充分利用快输出宽口快速精准脉冲的精确时间性能、减轻或解决了电荷测量通道的堆积和基线涨落问题，并且可以减少信号连接至只有一个端口连接。应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种抗信号堆积的高精度定时硅光电倍增二极管系统，包括若干硅光电倍增二极管，其特征在于，所述若干二极管分别串联各自的雪崩淬灭电阻Rq和寄生电容Cq组成若干二极管像素，所述若干二极管的阳极输出端口接地，所述若干二极管的快速输出端口通过耦合电容Cf和各二极管像素相连形成一个信号输出端口，所述信号输出端口连接至时间信号处理单元和能量信号处理单元以分别输出时间处理信号和能量处理信号。
2.如权利要求1所述的一种抗信号堆积的高精度定时硅光电倍增二极管系统，其特征在于，所述时间信号处理单元包括高频低阻抗运放电路。
3.如权利要求2所述的一种抗信号堆积的高精度定时硅光电倍增二极管系统，其特征在于，所述高频低阻抗运放电路连接有甄别器。
4.如权利要求3所述的一种抗信号堆积的高精度定时硅光电倍增二极管系统，其特征在于，所述高频低阻抗运放电路为高频低阻抗运放器。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种抗信号堆积的高精度定时硅光电倍增二极管系统，其特征在于，所述能量信号处理单元包括跨导运算放大电路。
6.如权利要求5所述的一种抗信号堆积的高精度定时硅光电倍增二极管系统，其特征在于，所述跨导运算放大电路连接有基线堆积抑制电路。
7.如权利要求6所述的一种抗信号堆积的高精度定时硅光电倍增二极管系统，其特征在于，所述跨导运算放大电路为跨导运算放大器。
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