CN114441034A - 光子检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种光子检测装置，包括：硅光电倍增管(SiPM)，用于在SiPM吸收光子时产生检测信号；放大器；以及位于SiPM和放大器输入端之间的传输线短截线。SiPM连接被配置为将检测信号传输到放大器，并且传输线短截线还被配置为接收SiPM信号并生成返回到放大器输入端的延时反射信号；其中放大器被配置为放大检测信号和延时反射信号的组合。传输线短截线的末端以复阻抗终止，该复阻抗可同时吸收SiPM脉冲响应的某些分量，并反射其他分量。
Description
相关申请的交叉引用
本公开要求2020年11月4日提交的美国临时专利申请号63/109,723的权益。美国临时专利申请号63/109,723的公开内容和全部教导在此通过引用并入。
技术领域
本公开一般涉及光电倍增管。更具体地说，本公开涉及使用反射脉冲压缩(RPC)进行被动淬灭(passive quenching)和尾部补偿(tail compensation)的硅光电倍增管(SiPM)。
背景技术
硅光电倍增管(SiPM)器件或多像素光子计数器(MPPC)是小型雪崩光电二极管(APD)阵列，能够检测单个光子并具有大于106的高增益。然而，SiPM器件的一个非理想属性是阵列中每个APD检测到光子后的特性恢复时间(characteristic recovery time)。该恢复周期会产生一个脉冲响应下降沿“尾部”，具有比上升沿相对更长的时间常数。恢复尾部形状(recovery tail shape)甚至可能由与温度相关的多个时间常数分量或时间常数组成，从而使某些匹配电路技术(例如极零相消(Pole-Zero cancellation，PZC))的效率降低。
图1显示了并联连接以形成典型SiPM检测器阵列的APD单元阵列。图2显示了SiPMAPD单元的等效电路模型(Corsi模型)，以及图3显示了具有N个SiPM APD单元的器件的等效电路。
以下一般性描述涉及单个SiPM APD单元的单光子操作，但不打算描述SiPM器件的深入操作。在光子到达之前，开关打开，电容器Cd从Vbias开始充电，如图2中的等效电路所示。
正如等效电路开关闭合所模拟的那样，到达的光子会导致雪崩电流在SiPM APD单元中流动。电容器Cd通过电阻器Rd放电，电阻器Rd的电阻值很小，使得当电容器Cd上的电势随着时间常数τ(上升)＝RdCd呈指数衰减时，电流会激增，直至击穿电压Vbd。雪崩过程被淬灭电阻(quenching resistor)Rq上的电压降所淬灭。
一旦雪崩被淬灭，等效电路中的开关返回到开路状态，由于存在Vbias，所以电容器Cd通过电阻器Rq以指数方式重新充电至其初始值。再充电时间的时间常数为τ(下降)＝Rq(Cd+Cq)。
图4示出所描述的SiPM APD单元操作的输出脉冲。在图4中，当电容器Cd被雪崩的SiPM APD放电时，脉冲具有非常快的上升沿，而当电容器Cd和Cq重新充电时，脉冲具有较慢的下降沿，即尾部。
电容器Cd和Cq的再充电过程俗称为恢复，恢复时间取决于Rq的电阻与Cd和Cq的电容的乘积。在雪崩倍增期间和随后的恢复时间期间，SiPM APD单元无法检测新的光电事件。
对于SiPM中的所有APD单元，此恢复时间相当一致，但并不完全相同。此外，当在第一个单元的恢复阶段期间触发一个或多个SiPM APD单元时，输出电流是每个SiPM单元响应的叠加总和。SiPM器件中可能有数千到数万个单元。在存在持续光子通量的使用情况下，第一个问题是在第一个SiPM APD单元的恢复时间期间，恢复周期与后续SiPM APD单元脉冲可能发生重叠。第一个SiPM APD单元和另一个SiPM APD单元的新到达的光子的重叠尾部恢复将在器件的最终输出响应中增加，使得单个光子响应的识别/测量困难，如图5所示。通常，通过添加低通滤波器来降低带宽，使其低于恢复时间，从而限制检测带宽，来缓解这一问题。第二个问题是在高光子通量时期，许多APD恢复尾部的总和很快导致放大系统的饱和，如图6所示。在这种情况下，依靠有源/放大电路尾部时间常数补偿方法的尾部补偿方法无法产生线性响应。
补偿尾部响应的一种方法是在接收机信号调节中使用极零电路(PZC)(在放大级之后或是其一部分)。这可以大大减少恢复尾部的长度。这在很大程度上有助于解决第一个问题，并提高检测器/放大器系统输出的最终可用信号的时间分辨率。由于PZC在TIA级之后，它受到与放大器饱和度有关的非线性的影响。这种方法还很大程度上依赖于PZC电路与SiPM尾部时间常数的精确匹配，这可能会受到温度和器件间不连续性的强烈影响。这种技术的动态范围和尾部补偿精度是有限的。
因此，长期以来一直需要一种创造性的解决方案来解决上面讨论的恢复时间和放大器饱和问题。
发明内容
本公开的一个实施例提供一种光子检测装置，包括：硅光电倍增管(SiPM)，用于在SiPM吸收光子时产生检测信号；放大器；以及SiPM和放大器输入之间的传输线短截线(transmission line stub)。SiPM连接被配置为将检测信号传输到放大器，并且传输线短截线还被配置为接收SiPM信号并生成返回到放大器输入端的延时反射信号；其中放大器被配置为放大检测信号和延时反射信号的组合。传输线短截线的末端终止于复阻抗处，该复阻抗可同时吸收SiPM脉冲响应的某些分量，并反射其他分量。一种优选的安排是，快速瞬态响应被吸收而不被反射(终止于传输线的特性阻抗)，而慢尾部响应则以180度相位(极性反转)被反射。返回的反向慢尾部将从放大器输入端处的SiPM尾部中被减去，从而消除和补偿尾部。传输线短截线在两个方向上的总时间延迟将决定最终输出脉冲宽度。所述公开的示例输出脉冲形状如图7所示。使用反射脉冲压缩(RPC)方法的一系列紧密间隔的光子事件的另一个示例输出由图8和9中的紧密间隔但均匀的高脉冲显示。
本公开的一个实施例提供了一种光子检测方法，包括：当硅光电倍增管(SiPM)吸收光子时，通过SiPM生成检测信号；通过电路互连，将检测信号传输到放大器和传输线短截线；通过传输线延迟进行传播；然后在传输线短截线末端处的复阻抗中终止，该短截线被选择用于吸收和反射SiPM输出脉冲形状的某些分量；在传输线短截线中向着放大器进一步传播回有利选择的信号形状补偿；以及放大检测信号和反射补偿信号的组合。
附图说明
图1显示了SiPM中的雪崩光电二极管阵列。
图2显示了SiPM APD单元(Corsi模型)的等效电路。
图3示出了构成SiPM器件的SiPM APD单元阵列的等效电路。
图4显示了SiPM未补偿的脉冲响应。
图5显示了未补偿脉冲的重叠。
图6显示了许多紧密间隔的光子事件，以及递增的输出脉冲高度。
图7示出了根据实施例的针对单个光子事件的SiPM RPC补偿脉冲响应。
图8示出了根据实施例的与第一事件的恢复时间重叠的两个紧密发生的光子事件的SiPM RPC补偿脉冲响应。
图9示出了根据实施例的许多紧密间隔的光子事件和RPC补偿响应。
图10是根据实施例的RPC电路拓扑和放大器的框图。
图11A、11B和11C是根据一些实施例的示例性终止。
图12示出了根据实施例的SiPM器件和放大器U1/TL1之间的传输线TL2。
图13示出了根据实施例的使用RPC方法的未补偿和补偿尾部的波形比较。
具体实施方式
根据本公开原理的说明性实施例的描述旨在结合附图阅读，附图被视为整个书面描述的一部分。在本文所公开的本公开实施例的描述中，任何对方向或定向的提及只是为了描述的方便，而不是以任何方式限制本公开的范围。诸如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“在…之上”、“在…之下”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”等相对术语以及它们的派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应被解释为指当时所描述的或在所讨论的图中所示的定向。这些相对术语仅为便于描述，除非明确指出，否则不要求装置以特定定向构造或操作。诸如“附着”、“附接”、“连接”、“耦接”、“互连”等术语是指通过中间结构直接或间接地将结构固定或连接在一起的关系，以及可移动或刚性的连接或关系，除非另有明确说明。此外，本公开的特征和优点通过参考示例性实施例来说明。因此，本公开不应明确地限于这样的示例性实施例，这些示例性实施例说明了可能单独存在或以其它特征组合存在的一些可能的非限制性特征组合；本公开的范围由本文所附的权利要求定义。
本公开描述了目前设想的实施本公开的最佳模式。该描述并非旨在以限制性的意义来理解，而是提供了本公开的示例，其通过参考附图仅出于说明性目的而提出，以向本领域的普通技术人员建议本公开的优点和构造。在附图的各种视图中，相似的附图标记表示相似或类似的部分。
图10示出了根据实施例的使用短截线来压缩SiPM信号的恢复尾部。SiPM 1010检测到的光子信号被传送到第一放大级1020进行信号放大。放大的信号然后被数据处理单元进一步放大和/或处理。检测信号沿传输线传播并遇到位于距传输线末端一段距离处的短截线1030。部分信号被短截线反射，检测信号和反射信号的组合进入放大器1020进行放大。
通过在SiPM的输出端上直接使用几乎短路的适当长度的传输线短截线，可以在第一放大级之前从SiPM中减去输出信号的恢复尾部部分。这种SiPM反射脉冲压缩过程会产生更窄的信号轮廓。带有短截线的SiPM的输出是几乎对称的脉冲，可以被适当地放大，并为每个光子提供良好的时间分辨率以及使用SiPM能够提供的全动态范围。
图10示出了根据实施例的SiPM RPC光子检测器的简化示意图。SiPM 1010输出电流脉冲从检测器向R1传播。通过R1，传播脉冲被分裂，一部分向放大器传播，另一部分传播到TL1 1030。向放大器1020传播的脉冲部分是脉冲的入射上升沿并且几乎瞬时到达放大器输入端。在TL1中传播的脉冲部分需要有限的时间来传播到终结点Z1 1040。Z1被设计用于反射和吸收脉冲形状中的不同信号分量。特别地，它将反射SiPM脉冲的几乎所有的慢尾部部分。该反射尾部也被相移180°以实现反转。该信号分量被反向且幅度几乎相同，通过TL1返回放大器输入端处R1和R2的连接点。在连接点处，信号相加，反向轨道部分从SiPM的原始脉冲中减去，实际上补偿了尾部响应。R2允许精确调整反射尾部的电平，使其在放大器输入端处从正向传播尾部中精确减去。R1的作用是减少SiPM寄生元件对TL1末端处反射和返回信号的影响，其中TL1将加载返回脉冲。TL1的长度会导致返回和反射脉冲的时间延迟。在此时间延迟期间，放大器输入端接收入射SiPM输出脉冲的完整上升沿。在TL1往返延迟之后，在TL1中向放大器输入端返回的反射脉冲将开始从原始SiPM输出脉冲中减去，并导致快速下降沿和尾部补偿，从而产生理想的最终脉冲形状。请注意，电路组件及其特定值仅作为说明性示例显示。应当理解，电路组件可以由它们各自的等效物和变体代替。
该电路显示使用放大器，但带有RPC的SiPM与跨阻放大器(TIA)一样可以正常工作，低噪声放大器(LNA)是提供放大的任何合适电路。这种RPC拓扑的一个优点是可以使用多种类型的放大器而没有明显的限制(交流耦合、直流耦合、跨阻等)。请注意，该电路在第一放大器U1的输出之后的部分可以由本领域技术人员根据具体需要修改或重新设计。
在一个实施例中，短截线以非常低的阻抗R||L或RC||L网络终止，以适当地塑造反射，从而形成脉冲形状。示例性终止如图11A–11C所示。
请注意，本电路不必保持标准的50欧姆阻抗。一个实施例使用其他终止阻抗，这对于一些输入电阻大于50欧姆且具有最佳噪声的设计是很重要的。
请注意，传输线TL1可以以多种方式实现，例如同轴电缆、PCB微带、2线电缆，或者甚至可以由提供信号传播延迟的任何延迟线设备代替。
SiPM的输出可以连接到传输线TL2 1050，以代替或补充R1，并位于R1之前或之后，如图12所示。
图13示出了根据实施例的设备中信号的范围轨迹。图13包括来自SiPM的输出以及被送入放大系统的最终RPC输出。请注意，该组合信号具有非常窄的尾部和良好的时间分辨率。
虽然本公开已经用一定的篇幅和一些特殊性描述了所描述的几个实施例，但是本公开并不限于任何这样的细节或实施例或任何特定的实施例，而是应参考所附权利要求来解释，以便提供最广泛的根据现有技术对这些权利要求的可能解释，因此，有效地包括本公开的预期范围。此外，前述内容根据发明人可以预见的实施例描述了本公开，尽管目前尚未预见到的对本公开的非实质性修改仍然可以表示其等同形式。
Claims (10)
1.一种光子检测装置，包括：
硅光电倍增管(SiPM)，被配置为在所述SiPM吸收光子时生成检测信号；
连接到所述SiPM的放大器；和
位于所述SiPM和所述放大器之间的传输线短截线；
其中所述传输线短截线被配置成生成回到SiPM-放大器连接处的反射信号；
其中所述放大器被配置为放大所述检测信号和所述反射信号的组合。
2.根据权利要求1所述的光子检测装置，其中选择所述传输线短截线的长度，以使施加在反射补偿波形上的时间延迟提供适当窄的最终输出脉冲宽度。
3.根据权利要求1所述的光子检测装置，其中所述传输线短截线以复阻抗终止，使得所述反射信号实质上从所述SiPM中减去所述检测信号的恢复尾部部分。
4.根据权利要求1所述的光子检测装置，其中所述终止由R||L或RC||L电路组成。
5.根据权利要求1所述的光子检测装置，其中所述传输线短截线位于沿传输线的选定距离处，以便获得终止阻抗以优化所述放大器的性能。
6.一种光子检测方法，包括：
当硅光电倍增管(SiPM)吸收光子时，通过所述SiPM生成检测信号；
经由传输线将所述检测信号传输到放大器，其中所述传输线包括短截线；
通过所述短截线将所述反射信号反射到所述传输线；和
放大所述检测信号和所述反射信号的总和。
7.根据权利要求6所述的光子检测方法，还包括选择所述短截线的长度，以使施加在反射补偿波形上的时间延迟提供适当窄的最终输出脉冲宽度。
8.根据权利要求6所述的光子检测方法，还包括以复阻抗终止所述短截线，使得所述反射信号实质上从所述SiPM中减去所述检测信号的恢复尾部部分。
9.根据权利要求8所述的光子检测方法，其中所述终止由R||L或RC||L电路组成。
10.根据权利要求6所述的光子检测方法，还包括将所述短截线定位在沿着所述传输线的选定距离处，以便获得终止阻抗以优化所述放大器的性能。
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