CN113219514A - 基于SiPM双读出的电子学通道复用方法 - Google Patents

基于SiPM双读出的电子学通道复用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SiPM双读出的电子学通道复用方法，能够将多路探测器通道的信号使用一路电子学通道合并读出，极大程度上减少了电子学通道的数量，进而提高电子学的集成度，能够实现高分辨率、大灵敏区的宇宙线缪子成像装置的高集成度前端电子学设计，并可应用于其它事例率低、探测通道多的装置的读出电子学设计中。

Description

基于SiPM双读出的电子学通道复用方法
技术领域
本发明涉及缪子成像高集成度电子学读出技术领域，尤其涉及一种基于SiPM双读出的电子学通道复用方法。
背景技术
宇宙线缪子穿透性极强且分布广泛，是良好的天然“探针”，由此而生的宇宙线缪子成像技术广泛地应用于建筑测量、地质结构勘测、以及核燃料监测，等等。随着缪子成像装置探测区域的不断增大，位置分辨率的不断提高，探测器单元和读出通道的数量显著增加，前端集成度成为读出电子学的关键技术难点之一。
通常前端电子学通道的数量和探测器读出通道的数量保持一致，一路电子学通道对应一路探测器读出通道，从而根据电子学通道的测量结果反向映射出探测器单元的着火情况。特别地，对于基于闪烁体和SiPM的缪子成像装置，电荷信号从SiPM的阳极读出，除了测量着火情况外，沉积在每个闪烁体内部的能量也能被精确测量，从而根据沉积能量测量结果和闪烁体的几何结构计算缪子穿过闪烁体时更精确的落点。该方法在Liang,Z等人的论文(A cosmic ray imaging system based on plastic scintillator detector withSiPM readout,2020年)中被报道过。然而，随着探测单元和读出通道的数目不断增加，此方法的局限性越来越大，难以同时满足大面积、高分辨率的缪子成像装置的海量通道、高集成度的要求。
由于宇宙线缪子的事例率较低，约为104m-2min-1(Review of Particle Physics,2018年)。目前的电子学的时间测量精度可以轻松达到百纳秒量级，所以即使是大面积的缪子成像装置，多个宇宙线缪子同时击中单层探测器阵列的概率也极低。读出电子学通道的复用成为解决缪子成像装置海量通道、高集成度要求的有效方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于SiPM双读出的电子学通道复用方法，能够同时满足大面积、高分辨率的缪子成像装置对读出电子学海量通道、高集成度的要求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于SiPM双读出的电子学通道复用方法，包括：
对数量为N的单层探测器通道进行分组编号，分为M列，每列L路探测器通道，每一列内所有探测器通道依次编号为1，2，…，L；其中，L、M、N均为正整数；
将一列内所有探测器通道的SiPM的阴极合并读出到一路列电子学读出通道，即共需要M路列电子学读出通道；
将M列内所有编号为i的探测器通道的SiPM的阳极合并读出到第i路行电子学读出通道，i＝1，2，…，L，即共需要L路行电子学读出通道；
根据电子学测量得出各行列电子学读出通道着火情况，并反推探测器通道的着火情况，根据探测器通道着火特点，一路行电子学通道上不会有多路探测器通道着火，将行电子学通道的能量测量值作为缪子击中探测器通道沉积的能量。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，能够将多路探测器通道的信号使用一路电子学通道合并读出，极大程度上减少了电子学通道的数量，进而提高电子学的集成度，能够实现高分辨率、大灵敏区的宇宙线缪子成像装置的高集成度前端电子学设计，并可应用于其它事例率低、探测通道多的装置的读出电子学设计中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于SiPM双读出的电子学通道复用方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种基于SiPM双读出的电子学通道复用方法的示意图；
图3为本发明实施例提供的闪烁体排列结构和单层闪烁体编号示意图；
图4为本发明实施例提供的探测器通道的分组编号示意以及与电子学通道连接结构图；
图5为本发明实施例提供的电子学通道着火情况与探测器通道着火情况的对应图。
具体实施方式
下面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，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种基于SiPM双读出的电子学通道复用方法，如图1所示，主要包括：
步骤S1、对数量为N的单层探测器通道进行分组编号，分为M列，每列L路探测器通道，每一列内所有探测器通道依次编号为1，2，…，L；其中，L、M、N均为正整数。
如果不能恰好满足N＝M×L，第M列探测器通道数目为N除以L的余数，即N-(M-1)×L，下面提供一种对数量为N的单层探测器通道进行分组编号的方式，主要包括：
1)对于由一个条形闪烁体和一个SiPM(硅光电倍增管)构成每路探测器通道，按照条形闪烁体的摆放顺序依次编号为1，2，…，N。
2)编号完成的探测器通道进行分组，编号为1，2，…，L的探测器通道为第1列，编号为(L+1)，(L+2)，…，2L的探测器为第2列，依次类推，编号为[(M-1)×L+1]，[(M-1)×L+2]，…，N的探测器为第M列。
3)对探测器通道进行列内二次编号，依次将第k列的探测器通道的编号j更正为j-(k-1)×L，k＝1，2，…，M，j＝1，2，…，N，经更正后的编号为探测器通道的行号，也即更正后每一列内所有探测器通道依次编号为1，2，…，L。
分析可知：在M，N确定的情况下，使用(M+N)路电子学读出通道最多可以实现(M×N)路探测器通道读出，极大程度上提高了前端读出电子学的集成度。例如M＝N＝100时，仅用200路电子学通道就可以实现10000路探测器通道的读出。
为了获得最高的前端读出电子学集成度，所述L和M的选择满足行和列电子学通道数之和最小原则，先考虑一个不大于N的最大完全平方数A，A＝a2，其中，a为正整数，完全平方数为一个能表示成某个正整数的平方的数；若A＝N，则取L＝M＝a，若A<N≤a(a+1)，则取L＝a，M＝a+1或L＝a+1，M＝a，若a(a+1)<N<(a+1)2则取L＝M＝a+1。
分析可知：满足行和列电子学通道数之和最小原则的L和M取值可能有多组解，但本发明提供的L和M的选取方法一定能够保证(L+M)取得最小值。
步骤S2、将一列内所有探测器通道的SiPM的阴极合并读出到一路列电子学读出通道，即共需要M路列电子学读出通道。
本步骤中，可以将同一列所有探测器通道的SiPM的阴极连接到一起，连接点和高压通过一个电阻相连，且该连接点作为SiPM阴极合并读出点，由读出点连接一路列电子学读出通道。
本领域技术人员可以理解，所述高压即为SiPM的操作电压，出厂时由厂家提供，一般在几十到一百伏特不等。
步骤S3、将M列内所有编号为i的探测器通道的SiPM的阳极合并读出到第i路行电子学读出通道，i＝1，2，…，L，即共需要L路行电子学读出通道。
本步骤中，每一路探测器通道的SiPM阳极和地之间都通过一个电阻相连，每一个SiPM阳极点均作为阳极读出点，将M列内所有编号为i的探测器通道的SiPM的阳极读出点连接到一起，连接点即为SiPM阳极合并读出点。
分析可知，步骤S2中需要M个电阻将高压和阴极合并读出点相连，步骤S3中需要N个电阻将地和阳极读出点相连，共需(M+N)个电阻。
此外，上述步骤S2与步骤S3不区分执行的先后顺序。
步骤S4、根据电子学测量得出各行列电子学读出通道着火情况，并反推探测器通道的着火情况，根探测器据通道着火特点，一路行电子学通道上不会有多路探测器通道着火，将行电子学通道的能量测量值作为缪子击中探测器通道沉积的能量。
本领域技术人员可以理解，“通道着火”是本领域的一种常见说法。当宇宙线缪子击中某一个闪烁体时，则表示被击中的闪烁体所在的探测器通道着火。而着火的探测器通道连接到某一个(行或列)电子学通道，相应的电子学通道也会着火，同时会观测到有效的电信号。判断电子学通道是否“着火”的依据是该电子学通道是否测量到有效的电信号。
所述行列电子学读出通道着火情况包括：
1)仅有一路通道着火，体现为L路行电子学通道和M路列电子学通道中各仅有一路通道着火。
例如，L路行电子学通道和M路列电子学通道均只有一路着火，分别设为p和q，则代表单层探测器中第p行q列探测器通道着火，其中p＝1，2，…，L，q＝1，2，…，M。
2)有且仅有在同一列的两路相邻的通道着火，体现为L路行电子学通道中有两路行号相差为1的通道着火，M路列电子学通道中仅有一路通道着火。
例如，有两路相邻行电子学通道(p1，p2，|p1-p2|＝1且p1，p2＝1，2，…，L)着火、一路列电子学通道(q)着火，则代表单层探测器中第p1行q列和第p2行q列探测器通道同时着火。
3)有且仅有不在同一列但相邻的两路探测器通道着火，体现为行号分别为L和1的行电子学通道着火，M路列电子学通道中有两路列号相差为1的通道着火。
例如，有两路相邻列电子学通道(q1，q2，q2-q1＝1且q1，q2＝1，2，…，M)着火、两路跨列的相邻行电子学通道(p1＝L，p2＝1)着火，则代表着单层探测器中第p1行q1列和第p2行q2列探测器通道同时着火。
探测器通道着火情况下，一路行电子学通道上最多只会有一路探测器通道着火，缪子穿过该路探测器通道所沉积的能量可以通过该路行电子学通道的测量结果直接获得，该特点为利用沉积能量进一步精确计算缪子落点提供了基础。
本发明实施例提供的上述方案，能够满足宇宙线缪子成像装置对前端读出电子学海量通道和高集成度的要求，应用于大面积、高分辨率的宇宙线缪子成像装置。此外，本发明提供的单层探测器通道的分组编号方法及行数和列数的确定方法，可以快速并精确地找出能实现最高集成度的电子学通道复用方案。缪子击中探测器通道所沉积的能量可以由行读出电子学通道直接获得，为缪子落点的进一步精确定位奠定了基础。
为了便于理解，下面结合具体示例进行说明。
本发明实施例中，宇宙线缪子成像装置基于图2所示的闪烁体和SiPM的探测结构。如图3所示，单层探测区域由截面为斜边10mm的等腰直角三角形的条形闪烁体一维紧密排列而成，条形闪烁体长度为5m，相邻两层正交放置以获得入射缪子的落点。单层条形闪烁体的数量为1000，探测区域即灵敏区的面积为5m*5m。每个条形闪烁体被缪子击中后产生的光子都由一个对应的SiPM收集，一个条形闪烁体和一个SiPM构成一路探测器通道。
按照本发明所述行数L和列数M的选择方法，如果总的探测器通道N＝1000，考虑不大于N的最大完全平方数A＝961＝312，且31×(31+1)<N<(31+1)2，故最终选择行数L＝32，列数M＝32，L和M的选择满足行和列电子学通道数量之和最小原则，以实现最高的前端电子学集成度。将所有探测器通道按照条形闪烁体的摆放顺序依次编号为1，2，…，1000，如图3，然后将编号完成的探测器通道进行分组，编号为1，2，…，32的探测器通道为第1列，编号为33，34，…，64的探测器为第2列，依次类推，编号为(31×32+1)，(31×32+2)，…，1000的探测器为第32列，除了第32列只有8路探测器通道外，其余列均有32路探测器通道。接着对分组完成的探测器通道进行列内二次编号，依次将第k列的探测器通道的编号j更正为j-(k-1)×32，j＝1，2，…，1000，其中k＝1，2，…，32，经更正后的编号为该探测器通道的行号。
如图4所示，分组编号完成后，将每一列的探测器通道的SiPM的阴极连接到一起，该连接点和高压通过一个电阻相连，将该连接点即SiPM阴极合并读出点接入相应的列电子学通道，需32路列电子学通道。每一路探测器通道的SiPM阳极和地之间都通过一个电阻相连，每一个SiPM阳极点均作为阳极读出点，将行号为i的探测器通道对应的阳极读出点连接到一点即SiPM阳极合并读出点，其中i＝1，2，…，32，将32个SiPM阳极合并读出点分别接入32路行电子学通道。
一维闪烁体阵列通常情况下只会被一个宇宙线缪子击中，同时被两个及以上的宇宙线缪子击中的概率极低，根据条形闪烁体横截面形状和宇宙线缪子入射角度的不同，该一维闪烁阵列会有一个条形闪烁体被击中或者有两个相邻闪烁体被击中的情况。
根据前端电子学通道测量得到的着火情况，可以简单快速地推算出实际着火的条形闪烁体的编号。如图5所示，若32路行电子学通道和32路列电子学通道均只有一路着火，分别设为p和q，则代表单层探测器中第p行q列探测器通道着火，其中p＝1，2，…，32，q＝1，2，…，32；若有两路相邻行电子学通道(p1，p2，|p1-p2|＝1且p1，p2＝1，2，…，32)着火、一路列电子学通道(q)着火，则代表单层探测器中第p1行q列和第p2行q列探测器通道同时着火；若有两路相邻列电子学通道(q1，q2，q2-q1＝1且q1，q2＝1，2，…，32)着火、两路跨列的相邻行电子学通道(p1＝32，p2＝1)着火，则代表着单层探测器中第p1行q1列和第p2行q2列探测器通道同时着火。根据本发明所述单路行电子学通道的着火不会源自于多路探测器通道着火的特点，行电子学通道的能量测量结果即为缪子击中探测器通道沉积的能量。例如：图5的(b)部分所示的着火情况，若第p1行和第p2行电子学通道测量得到的能量分别为E1和E2，则本次事例的缪子在第p1行q列和第p2行q列探测器通道沉积的能量分别为E1和E2。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于SiPM双读出的电子学通道复用方法，其特征在于，包括：
对数量为N的单层探测器通道进行分组编号，分为M列，每列L路探测器通道，每一列内所有探测器通道依次编号为1，2，…，L；其中，L、M、N均为正整数；
将一列内所有探测器通道的SiPM的阴极合并读出到一路列电子学读出通道，即共需要M路列电子学读出通道；
将M列内所有编号为i的探测器通道的SiPM的阳极合并读出到第i路行电子学读出通道，i＝1，2，…，L，即共需要L路行电子学读出通道；
根据电子学测量得出各行列电子学读出通道着火情况，并反推探测器通道的着火情况，根据探测器通道着火特点，一路行电子学通道上不会有多路探测器通道着火，将行电子学通道的能量测量值作为缪子击中探测器通道沉积的能量。
2.根据权利要求1所述的一种基于SiPM双读出的电子学通道复用方法，其特征在于，所述L和M的选择满足行和列电子学通道数之和最小原则，先考虑一个不大于N的最大完全平方数A，A＝a2，其中，a为正整数，完全平方数为一个能表示成某个正整数的平方的数；若A＝N，则取L＝M＝a，若A<N≤a(a+1)，则取L＝a，M＝a+1或L＝a+1，M＝a，若a(a+1)<N<(a+1)2则取L＝M＝a+1。
3.根据权利要求1所述的一种基于SiPM双读出的电子学通道复用方法，其特征在于，对数量为N的单层探测器通道进行分组编号的步骤包括：
对于由一个条形闪烁体和一个SiPM构成每路探测器通道，按照条形闪烁体的摆放顺序依次编号为1，2，…，N；
编号完成的探测器通道进行分组，编号为1，2，…，L的探测器通道为第1列，编号为(L+1)，(L+2)，…，2L的探测器为第2列，依次类推，编号为[(M-1)×L+1]，[(M-1)×L+2]，…，N的探测器为第M列；
对探测器通道进行列内二次编号，依次将第k列的探测器通道的编号j更正为j-(k-1)×L，k＝1，2，…，M，j＝1，2，…，N，经更正后的编号为探测器通道的行号，也即更正后每一列内所有探测器通道依次编号为1，2，…，L。
4.根据权利要求1所述的一种基于SiPM双读出的电子学通道复用方法，其特征在于，将一列内所有探测器通道的SiPM的阴极合并读出到一路列电子学读出通道包括：
将同一列所有探测器通道的SiPM的阴极连接到一起，连接点和高压通过一个电阻相连，且该连接点作为SiPM阴极合并读出点。
5.根据权利要求1所述的一种基于SiPM双读出的电子学通道复用方法，其特征在于，将M列内所有编号为i的探测器通道的SiPM的阳极合并读出到第i路行电子学读出通道包括：
每一路探测器通道的SiPM阳极和地之间都通过一个电阻相连，每一个SiPM阳极点均作为阳极读出点，将M列内所有编号为i的探测器通道的SiPM的阳极读出点连接到一起，连接点即为SiPM阳极合并读出点。
6.根据权利要求1所述的一种基于SiPM双读出的电子学通道复用方法，其特征在于，所述行列电子学读出通道着火情况包括：
仅有一路通道着火，体现为L路行电子学通道和M路列电子学通道中各仅有一路通道着火；
有且仅有在同一列的两路相邻的通道着火，体现为L路行电子学通道中有两路行号相差为1的通道着火，M路列电子学通道中仅有一路通道着火；
有且仅有不在同一列但相邻的两路探测器通道着火，体现为行号分别为L和1的行电子学通道着火，M路列电子学通道中有两路列号相差为1的通道着火。
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