CN111694043B - 光子测量装置及光子测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光子测量装置和光子测量设备。装置包括：反应晶体，反应晶体包括一个或多个晶体单元；电容导体，电容导体包括与一个或多个晶体单元一一对应的一个或多个导体对，每个导体对包括分别布置在对应晶体单元的相对的两侧的第一导体和第二导体，其中，每个晶体单元与对应的导体对构成一个或多个晶体电容单元，每个晶体电容单元包括属于对应晶体单元的任一晶体区域以及夹在该晶体区域两侧的属于对应第一导体的第一导体区域和属于对应第二导体的第二导体区域；检测电路，与电容导体连接，用于检测所有晶体电容单元的介电常数的变化情况，并基于变化情况确定与反应晶体发生反应的高能光子的到达时间。上述装置和设备可实现高精度时间测量。

Description

光子测量装置及光子测量设备

技术领域

本发明涉及光学与电路领域，具体地，涉及一种光子测量装置及光子测量设备。

背景技术

在高能光子(X射线、伽玛光子等)测量系统的前端检测装置一般包含闪烁晶体、光电检测器(或称光电传感器)和光子测量前端电路等部分。高能光子与闪烁晶体相互作用后产生能量较低的可见光子群。光电传感器例如硅光电倍增管(SiPM)、光电倍增管(PMT)等，能够探测可见光子，并把可见光子群携带的光信号转换为电信号。光子测量前端电路的主要目的是通过测量光电传感器产生的电信号，来获取高能光子的能量和到达时间。

但在这种传统检测方法中对时间信息的检测存在一定的缺陷。因为对于闪烁晶体而言，高能光子从进入晶体发生反应到被光电传感器检测到这中间有一系列的反应过程。在这种情况下检测出来的时间信息中包含了晶体由于本身性质带来的系统误差，无法消除。因此，需要提供一种新的测量光子时间信息的技术方案，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。

发明内容

为了至少部分地解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种光子测量装置及光子测量设备。

根据本发明的一个方面，提供一种光子测量装置。该装置包括：反应晶体，所述反应晶体包括一个或多个晶体单元；电容导体，所述电容导体包括与所述一个或多个晶体单元一一对应的一个或多个导体对，每个导体对包括分别布置在对应晶体单元的相对的两侧的第一导体和第二导体，其中，每个晶体单元与对应的导体对构成一个或多个晶体电容单元，每个晶体电容单元包括属于对应晶体单元的任一晶体区域以及夹在该晶体区域两侧的属于对应第一导体的第一导体区域和属于对应第二导体的第二导体区域；检测电路，与所述电容导体连接，用于检测所有晶体电容单元的介电常数的变化情况，并基于所述变化情况确定与所述反应晶体发生反应的高能光子的到达时间。

示例性地，所述检测电路包括与所述所有晶体电容单元一一对应的一个或多个检测电路单元，每个检测电路单元与对应晶体电容单元中的第一导体区域和第二导体区域连接，每个检测电路单元用于检测对应晶体电容单元的介电常数的变化情况。

示例性地，所述一个或多个检测电路单元中的任一检测电路单元包括相互连接的振荡模块和读出模块，所述振荡模块与对应晶体电容单元构成振荡电路，所述读出模块用于检测所述振荡电路中的振荡信号，并确定所述振荡信号的波形从初始波形变化为其他波形的时刻为所述到达时间，其中，所述振荡信号为所述振荡电路中的一个或多个元件上的电压信号和/或所述振荡电路中的电流信号。

示例性地，所述振荡模块包括电阻和/或电感，所述一个或多个元件包括对应晶体电容单元、所述电阻和所述电感中的一个或多个。

示例性地，所述检测电路包括一个或多个检测电路单元，每个检测电路单元与所述所有晶体电容单元中的一个或多个晶体电容单元所对应的第一导体区域和第二导体区域连接，每个检测电路单元用于检测对应的一个或多个晶体电容单元的介电常数的变化情况。

示例性地，所述一个或多个检测电路单元中的任一检测电路单元包括依次连接的高通滤波模块、放大模块和读出模块，所述高通滤波模块与所属检测电路单元所对应的一个或多个晶体电容单元中的第一导体区域或第二导体区域连接，用于接收所属检测电路单元所对应的一个或多个晶体电容单元分别输出的晶体电容信号，并对所述晶体电容信号进行高通滤波，以获得滤波信号；所述放大模块用于对所述滤波信号进行放大，以获得放大信号；所述读出模块用于确定所述放大信号的上升沿出现的时刻为所述到达时间。

示例性地，所述高通滤波模块包括滤波电容和滤波电阻，所述滤波电阻的第一端与所属检测电路单元所对应的一个或多个晶体电容单元中的第一导体区域或第二导体区域连接，所述滤波电阻的第二端接地；所述滤波电容的第一端与所述滤波电阻的第一端连接，所述滤波电容的第二端与所述放大模块连接。

示例性地，所述放大模块包括积分放大电路。

示例性地，每个晶体电容单元的第一导体区域和第二导体区域中不与对应检测电路单元的高通滤波模块连接的导体区域与负高压电源连接，所述负高压电源的大小处于2500伏至3500伏的范围内。

示例性地，所述反应晶体包括m个晶体单元，每个晶体单元与对应的导体对构成n个晶体电容单元，m和n是大于1的自然数，其中，所述检测电路包括n个行检测电路单元和m个列检测电路单元，所述n个行检测电路单元中的第i个行检测电路单元与所有晶体单元中的第i个晶体电容单元连接，所述m个列检测电路单元中的第j个列检测电路单元与第j个晶体单元中的所有晶体电容单元连接，其中，i＝1,2,……,n，j＝1,2,……,m。

示例性地，所述一个或多个晶体单元中的每个晶体单元所对应的第一导体以及第二导体分别布置在该晶体单元的、与耦合面垂直的两侧，所述耦合面是该晶体单元与光电传感器耦合的面。

示例性地，对于所述一个或多个晶体单元中的任一晶体单元，所对应的第一导体和第二导体之一是一体化平面金属板，所对应的第一导体和第二导体中另外一个是一体化平面金属板或离散化平面金属板。

示例性地，所述反应晶体的介电常数大于2000。

示例性地，所述反应晶体的介电常数大于5000。

示例性地，所述所有晶体电容单元的数目大于1，所述检测电路还用于基于所述变化情况确定所述高能光子的反应位置。

示例性地，所述装置还包括：光电传感器，所述光电传感器与所述反应晶体耦合，用于检测所述高能光子与所述反应晶体发生反应时生成的可见光子并生成对应的电信号；光子测量前端电路，与所述光电传感器连接，用于基于所述光电传感器输出的电信号确定所述高能光子的能量、到达时间和反应位置中的一项或多项。

示例性地，所述装置还包括：综合测量电路，与所述检测电路和所述光子测量前端电路连接，用于基于所述检测电路输出的到达时间信息以及所述光子测量前端电路输出的到达时间信息确定所述高能光子的到达时间。

根据本发明另一方面，提供一种光子测量设备，包括上述光子测量装置。

根据本发明实施例的光子测量装置和光子测量设备，通过布置电容导体，使其与反应晶体构成一个或多个晶体电容单元，并通过检测晶体电容单元的介电常数的变化情况来确定高能光子的到达时间。这种通过检测晶体的介电常数来测量光子时间信息的方式可以有效减小光子时间信息测量的系统误差，进而可以提高时间测量精度。

在发明内容中引入了一系列简化的概念，这些概念将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1示出高能光子在闪烁晶体中的反应过程的示意图；

图2示出根据本发明一个实施例的光子测量装置的示意图；

图3a示出根据本发明一个实施例的光子测量装置的示意图；

图3b示出根据本发明另一实施例的光子测量装置的示意图；

图4示出根据本发明一个实施例的通过LRC振荡电路的方式测量光子时间信息的原理示意图；

图5示出根据本发明一个实施例的通过滤波放大电路的方式测量光子时间信息的原理示意图；以及

图6示出根据本发明一个实施例的通道缩减检测方式的示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，提供了大量的细节以便能够彻底地理解本发明。然而，本领域技术人员可以了解，如下描述仅涉及本发明的较佳实施例，本发明可以无需一个或多个这样的细节而得以实施。此外，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

图1示出高能光子在闪烁晶体中的反应过程的示意图。如图1所示，当高能光子入射到闪烁晶体内部时，会经历契尔可夫效应、康普顿散射(康普顿效应)、光电效应、荧光团发光、光电传感器检测到信号等一系列过程。本文所述的光子时间信息是指与高能光子的到达时间，也就是高能光子进入晶体发生反应的时间相关的信息。目前传统的光子时间信息的测量主要聚焦在光电传感器检测到信号阶段，这种情况下测出来的光子时间信息带有较大的系统误差。

根据本发明的实施例，提供一种针对光电效应阶段进行光子时间信息测量的方案，可以极大地减小由高能光子在晶体中反应的后续过程带来的时间信息测量误差。下面介绍这种方案的实现原理。

当高能光子在晶体内部进行光电反应时，可以使晶体内部局部产生电子空穴对，进而产生局部的极化电场，晶体在局部极化电场的作用下会产生电光效应。所谓电光效应是指某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象。因此，反应晶体在电光效应的作用下，晶体局部折射率会发生变化，这一变化时刻可以反映高能光子的到达时间。因此，可以通过检测折射率的变化时刻，来获得光子时间信息。与通过探测闪烁晶体的闪烁光来获得光子时间信息的传统方法相比，这种测量方案可以有效降低系统误差，从而大大提高时间分辨率。

由于折射率的变化可以用介电常数的变化来反映，因此，可以通过检测介电常数的变化时间来获得光子时间信息。反应晶体的折射率可以表征为：n＝ε^1/2，其中，n为折射率，ε为介电常数。根据上述关系表达式，可知介电常数与折射率是平方关系。因此，介电常数的变化比折射率的变化要更为敏感，并且测量介电常数的变化比测量折射率的变化要更容易。此外，介电常数ε又被称为电容率，平板电容的电容值C是和介电常数ε成正比关系的，具体的关系表达式为：C＝ε×A/d，其中A是电容极板的正对面积，d是电容极板的距离。因此，介电常数的变化可以用平板电容的变化来反映。

根据本发明构思，可以在反应晶体上建立起平板电容装置，通过测量平板电容装置的电容变化情况，来检测反应晶体的介电常数的变化情况，通过介电常数发生变化的时间可以获得所需的光子时间信息。这种检测方法能够有效地消除因为晶体本征分辨率带来的测量光子时间信息上的系统误差。反应晶体的介电常数的变化情况(即反应晶体组成的电容的变化情况)的测量有多种实现方法，例如LRC振荡电路、滤波放大电路等，下文将详细描述。

图2示出根据本发明一个实施例的光子测量装置200的示意图。如图2所示，光子测量装置200包括反应晶体210、电容导体220和检测电路230。反应晶体210可以包括一个或多个晶体单元。电容导体220可以包括与一个或多个晶体单元一一对应的一个或多个导体对，每个导体对包括分别布置在对应晶体单元的相对的两侧的第一导体和第二导体，其中，每个晶体单元与对应的导体对构成一个或多个晶体电容单元，每个晶体电容单元包括属于对应晶体单元的任一晶体区域以及夹在该晶体区域两侧的属于对应第一导体的第一导体区域和属于对应第二导体的第二导体区域。

反应晶体210可以是一体化的、仅包括单个晶体单元的连续晶体，也可以是包括多个晶体单元的离散晶体，即，反应晶体210可以包括一个或多个晶体单元。电容导体220可以包括与反应晶体210中的一个或多个晶体单元一一对应的导体对。图2示出了反应晶体210包括单个晶体单元，但这仅是示例而非对本发明的限制，反应晶体210可以包括任意数目的晶体单元。参见图3a和3b，示出根据本发明两种不同实施例的光子测量装置的示意图。如图3a和3b所示，反应晶体包括多个晶体单元，每个晶体单元两侧具有对应的导体对。如图3a或3b所示，位于两个相邻晶体单元之间的分别与这两个相邻晶体单元相对应的导体可以集成在一起，例如可以采用同一金属板实现，其落入本发明的保护范围。

反应晶体210是连续晶体的情况下，该连续晶体可以视为一个晶体单元。相应地，此时电容导体可以包括一个导体对，该连续晶体结合该导体对构成一个或多个晶体电容单元(该一个或多个晶体电容单元可以组成晶体电容组)，并通过布置检测电路230，使得能够针对该晶体电容组中的每个晶体电容单元检测其介电常数的变化，进而确定高能光子的到达时间。反应晶体210是包括多个晶体单元的离散晶体的情况下，可以针对每个晶体单元布置导体对，使每个晶体单元结合对应的导体对构成一个或多个晶体电容单元(该一个或多个晶体电容单元可以组成晶体电容组)，并针对每个晶体电容组中的每个晶体电容单元检测其介电常数的变化，进而确定高能光子的到达时间。

在本文中，所述反应晶体可以是闪烁晶体，也可以是其他类型的能够与高能光子发生反应的晶体，此处反应主要包括光电效应。比较可取的是，反应晶体是高介电常数的反应晶体。例如，反应晶体的介电常数可以大于2000，优选大于5000。介电常数高，发生电光效应时晶体电容单元的介电常数变化会比较明显，有利于检测。

每个导体对包括布置在晶体单元两侧的第一导体和第二导体。第一导体和第二导体中任一者可以是一体化平面金属板，也可以是离散化平面金属板。示例性地，所述金属板可以是铜板。所谓离散化平面金属板可以理解为多个分离的较小金属板组成的整体。参见图3a和3b，示出第一导体为一体化平面金属板，第二导体分别为离散化平面金属板和一体化平面金属板的实施例。

第一导体和第二导体的任意两个正对的区域(即正对的第一导体区域和第二导体区域)以及夹在这两个区域中间的晶体区域可以构成电容器，本文称为晶体电容单元。可以理解，在任一晶体单元两侧的第一导体和第二导体均为一体化平面金属板的情况下，该晶体单元与两侧的第一导体、第二导体构成单个晶体电容单元。在任一晶体单元两侧的第一导体和第二导体之一为离散化平面金属板的情况下，该晶体单元与第一导体、第二导体构成多个晶体电容单元。可选地，基于反应晶体所构成的所有晶体电容单元中的任意两个晶体电容单元的极板面积可以相同，也可以不同。参见图3a，每个晶体单元与对应的第一导体和第二导体构成六个晶体电容单元。

检测电路230与电容导体220连接，用于检测所有晶体电容单元的介电常数的变化情况，并基于变化情况确定与反应晶体发生反应的高能光子的到达时间。

针对每个晶体电容单元，可以利用检测电路230检测该晶体电容单元的介电常数的变化情况，进而确定高能光子的到达时间。示例性地，可以将任一晶体电容单元的介电常数发生变化的时间确定为高能光子的到达时间。

检测电路230可以通过任意合适的方式检测晶体电容单元的介电常数的变化情况，例如其可以通过与晶体电容单元构成振荡电路并检测振荡电路的振荡信号来确定晶体电容单元的介电常数的变化情况，还可以通过对晶体电容单元输出的晶体电容信号进行滤波放大，检测放大信号的突变情况(即上升沿出现情况)来确定晶体电容单元的介电常数的变化情况。

根据本发明实施例的光子测量装置，通过布置电容导体，使其与反应晶体构成一个或多个晶体电容单元，并通过检测晶体电容单元的介电常数的变化情况来确定高能光子的到达时间。如上所述，这种通过检测晶体的介电常数来测量光子时间信息的方式可以有效减小光子时间信息测量的系统误差，进而可以提高时间测量精度。

根据本发明实施例，检测电路230可以包括与所有晶体电容单元一一对应的一个或多个检测电路单元，每个检测电路单元与对应晶体电容单元中的第一导体区域和第二导体区域连接，每个检测电路单元用于检测对应晶体电容单元的介电常数的变化情况。为每个晶体电容单元分别配置对应的检测电路单元，一对一地进行检测，这样可以避免来自不同晶体电容单元的信号互相干扰，检测精度比较高。

根据本发明实施例，一个或多个检测电路单元中的任一检测电路单元包括相互连接的振荡模块和读出模块，振荡模块与对应晶体电容单元构成振荡电路，读出模块用于检测振荡电路中的振荡信号，并确定振荡信号的波形从初始波形变化为其他波形的时刻为到达时间，其中，振荡信号为振荡电路中的一个或多个元件上的电压信号和/或振荡电路中的电流信号。

可选地，所述检测电路单元可以是振荡单元，所述振荡单元可以包括相互连接的振荡模块和读出模块。

如上所述，可以采用LRC振荡电路进行介电常数变化的测量。图4示出根据本发明一个实施例的通过LRC振荡电路的方式测量光子时间信息的原理示意图。如图4所示，使反应晶体的任一晶体电容单元与电阻、电感构成LRC振荡电路，当通过偏置电压向LRC振荡电路中输入能量时，LRC振荡电路会起振，并持续稳定地振荡。可选地，可以检测振荡电路中的一个或多个元件上的电压信号和/或振荡电路中的电流信号，所检测的信号可以称为振荡信号。LRC振荡电路持续稳定振荡时，振荡信号具有规律的波形(例如正弦波)，本文称为初始波形。当因为高能光子引起晶体中的介电常数变化时，晶体电容单元的电容大小发生变化，此时会出现充放电的情况，使得振荡波形发生变化，不再维持初始波形的状态。因此，可以将在稳定振荡的初始波形中出现变化，即从初始波形变化为其他波形的时刻视为高能光子的到达时间。

示例性地，振荡模块可以包括电阻和/或电感，一个或多个元件可以包括对应晶体电容单元、电阻(可以称为振荡电阻)和电感(可以称为振荡电感)中的一个或多个。图4示出了振荡模块包括电阻和电感，但这仅是示例而非对本发明的限制，振荡模块可以仅包括电阻，或仅包括电感，并且振荡模块还可以包括电阻和电感以外的元件。

读出模块可以采用任何合适的能够读出电压和/或电流信号的电路实现，例如，读出模块可以包括电压和/或电流采样电路和时间确定模块，电压和/或电流采样电路用于采样振荡信号，时间确定模块用于检测振荡信号的波形从初始波形变化为其他波形的时刻并确定该时刻为所述到达时间。可选地，时间确定模块可以选用例如但不限于现场可编程门阵列(FPGA)等集成芯片。可选地，电压或电流采样电路可以与时间确定模块集成在一起。

振荡电路结构简单，易于实现，因此，采用上述方案实现光子时间信息测量的成本比较低。

根据本发明实施例，检测电路包括一个或多个检测电路单元，每个检测电路单元与所有晶体电容单元中的一个或多个晶体电容单元所对应的第一导体区域和第二导体区域连接，每个检测电路单元用于检测对应的一个或多个晶体电容单元的介电常数的变化情况。

在一个示例中，检测电路单元与晶体电容单元的数目一致，二者一一对应。如上所述，可以为每个晶体电容单元分别配置对应的检测电路单元，一对一地进行检测，这样可以避免来自不同晶体电容单元的信号互相干扰，检测精度比较高。

在另一个示例中，检测电路单元的数目小于晶体电容单元的数目。每个检测电路单元可以用于检测多个晶体电容单元的介电常数的变化情况，这种方案可以减少电路采用的硬件，降低时间测量所需的成本。

根据本发明实施例，一个或多个检测电路单元中的任一检测电路单元包括依次连接的高通滤波模块、放大模块和读出模块，高通滤波模块与所属检测电路单元所对应的一个或多个晶体电容单元中的第一导体区域或第二导体区域连接，用于接收所属检测电路单元所对应的一个或多个晶体电容单元分别输出的晶体电容信号，并对晶体电容信号进行高通滤波，以获得滤波信号；放大模块用于对滤波信号进行放大，以获得放大信号；读出模块用于确定放大信号的上升沿出现的时刻为到达时间。

可选地，所述检测电路单元可以是滤波放大单元，所述滤波放大单元可以包括依次连接的高通滤波模块、放大模块和读出模块。

可以采用滤波放大电路进行介电常数变化的测量。图5示出根据本发明一个实施例的通过滤波放大电路的方式测量光子时间信息的原理示意图。在图5中，光子测量装置示例性地划分为高压测试前端探测部分和前端读出电路部分。高压测试前端探测部分包括晶体电容单元的一部分，该部分包括与高压电源连接的导体区域，该导体区域可以是第一导体区域和第二导体区域之一。前端读出电路部分包括第一导体区域和第二导体区域中未与高压电源连接的导体区域以及检测电路单元。

正常情况下前端读出电路部分是没有信号流动的。当因为高能光子引起晶体的介电常数变化时，晶体电容单元的电容值发生变化，因为电容器的电荷守恒不会突变，因此晶体电容单元两端的电压会出现突变，又因为高压测试前端探测部分一侧为恒定的负高压，因此前端读出电路部分一侧的电压会出现较小的电压信号(即晶体电容信号)。由于该信号较小，不易测量，因此可以首先通过高通滤波模块对该晶体电容信号进行高通滤波，将低频成分滤除，保留高频成分，并进一步对滤波信号进行放大。经过滤波放大后获得的放大信号检测更容易，相对于晶体电容信号，也能够更灵敏地反映介电常数的变化。

示例性地，高通滤波模块可以包括滤波电容和滤波电阻，滤波电阻的第一端与所属检测电路单元所对应的一个或多个晶体电容单元中的第一导体区域或第二导体区域连接，滤波电阻的第二端接地；滤波电容的第一端与滤波电阻的第一端连接，滤波电容的第二端与放大模块连接。

参见图5，示出了滤波电容C1和滤波电阻R1。滤波电容C1可以通高频阻低频，低频成分从滤波电阻R1一侧通过。测量时间信息的话信号的波形越陡越好，为了测量时间信息更精确，可以过滤低频成分，保留高频成分。滤波电容C1和滤波电阻R1仅是示例，可以采用任何合适的高通滤波电路对晶体电容信号进行滤波。

当滤波电阻R1足够大时，晶体电容信号中的高频成分可以基本完全从滤波电容C1一侧通过，经过滤波电容C1的信号经过放大模块，输出放大信号，放大信号的上升沿出现的时刻就是高能光子的到达时间。放大信号的上升沿出现的时刻可以采用任何现有的上升沿测量方式确定，例如可以确定放大信号的值上升到其峰值的50％的时刻为上升沿出现的时刻。上述50％的比例仅是示例而非对本发明的限制，该比例可以根据需要任意调整。可选地，还可以将放大信号的值与预设阈值相比较，放大信号的值超过预设阈值的时刻视为上升沿出现的时刻。上述比较可以通过比较器实现，例如，读出模块可以包括与放大模块连接的比较器，比较器接收放大模块输出的放大信号作为一个输入，并将代表预设阈值的参考电平作为另一个输入，当放大信号的值超过参考电平时，比较器可以输出高电平或低电平，用于表示上升沿出现。

示例性地，放大模块可以包括积分放大电路。参见图5，示出积分放大电路。

示例性地，读出模块可以选用例如但不限于现场可编程门阵列(FPGA)等集成芯片实现。

根据本发明实施例，每个晶体电容单元的第一导体区域和第二导体区域中不与对应检测电路单元的高通滤波模块连接的导体区域与负高压电源连接，所述负高压电源的大小处于2500伏至3500伏的范围内。

每个晶体电容单元的第一导体区域和第二导体区域中不与对应检测电路单元的高通滤波模块连接的导体区域与恒定的电压连接。比较可取的是，该恒定的电压是负高压，如图5所示。

反应晶体的高压测试端(属于高压测试前端探测部分)接高压电源，反应晶体的读出电路端(属于前端读出电路部分)接地，由于高压测试前端探测部分与前端读出电路部分是完全隔离的，没有在前端读出电路部分中引入高压，因此这样可以避免高压对前端读出电路部分的干扰。但是本发明并不局限于这种方式，例如，还可以将滤波电阻R1的第二端连接正高压电源，将晶体电容单元的第一导体区域和第二导体区域中不与对应检测电路单元的高通滤波模块连接的导体区域接地。

根据本发明实施例，一个或多个晶体单元中的每个晶体单元所对应的第一导体以及第二导体分别布置在该晶体单元的、与耦合面垂直的两侧，所述耦合面是该晶体单元与光电传感器耦合的面。

返回参考图3a和3b，光电传感器耦合在晶体单元的底面，第一导体和第二导体则分别布置在晶体单元的两个竖直侧面。

反应晶体和光电传感器之间可以通过耦合剂(例如光学胶水)、空气耦合等方式耦合在一起。示例性地，反应晶体外侧的六个表面，除了和光电传感器耦合的耦合面以外，都可以被反射材料覆盖。反射材料可以是反射膜、银反射膜(Enhanced Specular Reflector,ESR)、特氟龙(Teflon)、硫酸钡等，本发明不做限制。

根据本发明实施例，装置200还可以包括：光电传感器，光电传感器与反应晶体耦合，用于检测高能光子与反应晶体发生反应时生成的可见光子并生成对应的电信号；光子测量前端电路，与光电传感器连接，用于基于光电传感器输出的电信号确定高能光子的能量和/或到达时间。

本领域技术人员可以理解光电传感器和光子测量前端电路的工作原理，本文不赘述。

根据本发明实施例，装置200还可以包括：综合测量电路，与检测电路230和光子测量前端电路连接，用于基于检测电路输出的到达时间信息以及光子测量前端电路输出的到达时间信息确定高能光子的到达时间。

可选地，可以将传统的光电传感器检测方式以及本发明的基于介电常数的检测方式结合起来，获得最终的光子时间信息测量结果，这样有利于进一步提高光子测量装置的时间检测精度。例如，可以对检测电路230检测的到达时间以及光子测量前端电路检测的到达时间求平均，获得最终的到达时间。又例如，可以用光子测量前端电路检测的到达时间校正检测电路230检测的到达时间，例如，如果光子测量前端电路检测的到达时间与检测电路230检测的到达时间之间的差距大于预设阈值，则丢弃检测电路230检测的到达时间。

通过上述方式，可以使得光子信息解码手段更加多样化。通过光电传感器检测到的信号可以获得高能光子的能量信息、位置信息、时间信息等，通过基于介电常数变化的测量方法可以获得高能光子的时间信息、位置信息。对于光子信息解码的信号来源可以根据不同的性能要求及应用场景进行合理的搭配，解码更加灵活。

根据本发明实施例，对于一个或多个晶体单元中的任一晶体单元，所对应的第一导体和第二导体之一是一体化平面金属板，所对应的第一导体和第二导体中另外一个是一体化平面金属板或离散化平面金属板。

第一导体和第二导体之一是一体化平面金属板，这样可以提高电路集成度，有利于电路稳定。另一导体是一体化平面金属板，这样可以检测高能光子的到达时间。另一导体是离散化平面金属板，则不仅能够检测到达时间信息，还能够确定高能光子的反应位置。

根据本发明实施例，反应晶体包括m个晶体单元，每个晶体单元与对应的导体对构成n个晶体电容单元，m和n是大于1的自然数，其中，检测电路包括n个行检测电路单元和m个列检测电路单元，n个行检测电路单元中的第i个行检测电路单元与所有晶体单元中的第i个晶体电容单元连接，m个列检测电路单元中的第j个列检测电路单元与第j个晶体单元中的所有晶体电容单元连接，其中，i＝1,2,……,n，j＝1,2,……,m。

检测电路230对晶体电容单元的检测可以采用通道一对一检测、通道行列缩减检测等实现方式。通道一对一检测是指检测电路单元与晶体电容单元一一对应，每个检测电路单元检测对应晶体电容单元的介电常数的变化情况，这样能够检测高能光子的到达时间以及进一步的反应位置。通道行列缩减检测是指每个检测电路单元检测多个晶体电容单元的介电常数的变化情况，通过行列组合也能够确定高能光子的到达时间以及进一步的反应位置。通道行列缩减检测适用于上述采用滤波放大方式进行介电常数变化检测的实施例。

图6示出根据本发明一个实施例的通道缩减检测方式的示意图。假设每个晶体单元两侧的第一导体和第二导体均为离散化平面金属板，反应晶体共包括m个晶体单元，每个晶体单元与对应的导体对构成n个晶体电容单元，这样可以组成m×n的晶体电容单元矩阵。可以将每个晶体电容单元输出的晶体电容信号分为两路，一路用于行检测，一路用于列检测。例如，当第2个行检测电路单元以及第3个列检测电路单元同时检测到高能光子时，可以确定高能光子在第3个晶体单元中的第2个晶体电容单元处发生反应。

如图6所示，每个晶体电容单元输出的晶体电容信号分为两路，在这两路信号输入至行检测电路单元和列检测电路单元之前，可以分别经过一个二极管，这些二极管的作用是防止输入行检测电路单元和列检测电路单元的信号发生串扰。

对于m×n的晶体电容单元矩阵来说，采用通道一对一检测的方式需要m×n个检测电路单元，而采用通道行列缩减检测方式仅需要m+n个检测电路单元。可见，通道行列缩减检测方式能够有效减少需要消耗的通道数量，使得同等规模的控制芯片上可以集成更多的通道。

根据本发明实施例，所有晶体电容单元的数目大于1，检测电路230还可以用于基于所有晶体电容单元的介电常数的变化情况确定高能光子的反应位置。

在晶体电容单元的数目大于1的情况下，检测电路230可以在任一晶体电容单元的介电常数发生变化时确定高能光子在该晶体电容单元包括的晶体区域中发生反应，即可以确定高能光子的反应位置。晶体电容单元的数目越多，高能光子的反应位置的测量越准确。

根据本发明另一方面，提供一种光子测量设备。该光子测量设备包括上述光子测量装置200。

光子测量设备可以是正电子发射成像(PET)设备、单光子发射成像(SPECT)设备等。与现有的诸如PET设备的光子测量设备相比，本发明实施例提供的光子测量设备的时间测量精度高，具有极大的应用价值和市场前景。

上文主要采用FPGA来举例说明本发明的实施方法。需要说明的是，FPGA不是本发明的必需实现方案。本发明所述的采用FPGA实现的功能模块还可以通过分立元件构成的数字电路来实现，例如通过数字信号处理器(DSP)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、微控制单元(MCU)或中央处理单元(CPU)等实现。此外，除采用分立元件构成的数字电路以外，本发明所述的采用FPGA实现的功能模块还可以通过专门设计的芯片，例如定制的专用集成电路(ASIC)等实现。

应该注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (18)

1.一种光子测量装置，包括：

反应晶体，所述反应晶体包括一个或多个晶体单元；

电容导体，所述电容导体包括与所述一个或多个晶体单元一一对应的一个或多个导体对，每个导体对包括分别布置在对应晶体单元的相对的两侧的第一导体和第二导体，其中，每个晶体单元与对应的导体对构成一个或多个晶体电容单元，每个晶体电容单元包括属于对应晶体单元的任一晶体区域以及夹在该晶体区域两侧的属于对应第一导体的第一导体区域和属于对应第二导体的第二导体区域；

检测电路，与所述电容导体连接，用于检测所有晶体电容单元的介电常数的变化情况，并基于所述变化情况确定与所述反应晶体发生反应的高能光子的到达时间。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测电路包括与所述所有晶体电容单元一一对应的一个或多个检测电路单元，每个检测电路单元与对应晶体电容单元中的第一导体区域和第二导体区域连接，每个检测电路单元用于检测对应晶体电容单元的介电常数的变化情况。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述一个或多个检测电路单元中的任一检测电路单元包括相互连接的振荡模块和读出模块，

所述振荡模块与对应晶体电容单元构成振荡电路，

所述读出模块用于检测所述振荡电路中的振荡信号，并确定所述振荡信号的波形从初始波形变化为其他波形的时刻为所述到达时间，其中，所述振荡信号为所述振荡电路中的一个或多个元件上的电压信号和/或所述振荡电路中的电流信号。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述振荡模块包括电阻和/或电感，所述一个或多个元件包括对应晶体电容单元、所述电阻和所述电感中的一个或多个。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测电路包括一个或多个检测电路单元，每个检测电路单元与所述所有晶体电容单元中的一个或多个晶体电容单元所对应的第一导体区域和第二导体区域连接，每个检测电路单元用于检测对应的一个或多个晶体电容单元的介电常数的变化情况。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测电路包括一个或多个检测电路单元；每个检测电路单元与所述所有晶体电容单元中的一个或多个晶体电容单元对应；每个检测电路单元用于检测对应的一个或多个晶体电容单元的介电常数的变化情况；所述一个或多个检测电路单元中的任一检测电路单元包括依次连接的高通滤波模块、放大模块和读出模块，

所述高通滤波模块与所属检测电路单元所对应的一个或多个晶体电容单元中的第一导体区域或第二导体区域连接，用于接收所属检测电路单元所对应的一个或多个晶体电容单元分别输出的晶体电容信号，并对所述晶体电容信号进行高通滤波，以获得滤波信号；

所述放大模块用于对所述滤波信号进行放大，以获得放大信号；

所述读出模块用于确定所述放大信号的上升沿出现的时刻为所述到达时间。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述高通滤波模块包括滤波电容和滤波电阻，

所述滤波电阻的第一端与所属检测电路单元所对应的一个或多个晶体电容单元中的第一导体区域或第二导体区域连接，所述滤波电阻的第二端接地；

所述滤波电容的第一端与所述滤波电阻的第一端连接，所述滤波电容的第二端与所述放大模块连接。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述放大模块包括积分放大电路。

9.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，每个晶体电容单元的第一导体区域和第二导体区域中不与对应检测电路单元的高通滤波模块连接的导体区域与负高压电源连接，所述负高压电源的大小处于2500伏至3500伏的范围内。

10.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述反应晶体包括m个晶体单元，每个晶体单元与对应的导体对构成n个晶体电容单元，m和n是大于1的自然数，其中，

所述检测电路包括n个行检测电路单元和m个列检测电路单元，所述n个行检测电路单元中的第i个行检测电路单元与所有晶体单元中的第i个晶体电容单元连接，所述m个列检测电路单元中的第j个列检测电路单元与第j个晶体单元中的所有晶体电容单元连接，其中，i = 1, 2, …… , n，j = 1, 2, ……, m。

11.根据权利要求1至7任一项所述的装置，其特征在于，所述一个或多个晶体单元中的每个晶体单元所对应的第一导体以及第二导体分别布置在该晶体单元的、与耦合面垂直的两侧，所述耦合面是该晶体单元与光电传感器耦合的面。

12.根据权利要求1至7任一项所述的装置，其特征在于，对于所述一个或多个晶体单元中的任一晶体单元，所对应的第一导体和第二导体之一是一体化平面金属板，所对应的第一导体和第二导体中另外一个是一体化平面金属板或离散化平面金属板。

13.根据权利要求1至7任一项所述的装置，其特征在于，所述反应晶体的介电常数大于2000。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述反应晶体的介电常数大于5000。

15.根据权利要求1至7任一项所述的装置，其特征在于，所述所有晶体电容单元的数目大于1，

所述检测电路还用于基于所述变化情况确定所述高能光子的反应位置。

16.根据权利要求1至7任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

光电传感器，所述光电传感器与所述反应晶体耦合，用于检测所述高能光子与所述反应晶体发生反应时生成的可见光子并生成对应的电信号；

光子测量前端电路，与所述光电传感器连接，用于基于所述光电传感器输出的电信号确定所述高能光子的能量、到达时间和反应位置中的一项或多项。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

综合测量电路，与所述检测电路和所述光子测量前端电路连接，用于基于所述检测电路输出的到达时间信息以及所述光子测量前端电路输出的到达时间信息确定所述高能光子的到达时间。

18.一种光子测量设备，包括如权利要求1至17任一项所述的光子测量装置；所述光子测量设备是正电子发射成像设备或单光子发射成像设备。