CN115524740A - 硅光电倍增管辐照损伤效应的检测补偿装置 - Google Patents

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CN115524740A CN202211243069.8A CN202211243069A CN115524740A CN 115524740 A CN115524740 A CN 115524740A CN 202211243069 A CN202211243069 A CN 202211243069A CN 115524740 A CN115524740 A CN 115524740A
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郑煦韬
曾鸣
温家星
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Abstract

本公开涉及一种硅光电倍增管辐照损伤效应的检测补偿装置，通过电压调整模块采集硅光电倍增管的阳极电压以得到硅光电倍增管的暗电流，并在硅光电倍增管的两端偏压偏离目标偏置电压预设范围的情况下，调整电源模块的输出电压，以使得硅光电倍增管的两端偏压在目标偏置电压预设范围内，从而实现硅光电倍增管的暗电流的检测及SiPM两端偏置电压的补偿；利用信号采集模块对硅光电倍增管的暗计数噪声进行测量，并根据测量得到的噪声适应性调整信号采集模块的信号采集触发阈值，使得信号采集模块在第一电容传来的信号的幅度大于或等于信号采集触发阈值的情况下，进行信号采集，降低噪声误触发的几率。

Description

硅光电倍增管辐照损伤效应的检测补偿装置
技术领域
本公开涉及硅光电倍增管技术领域，尤其涉及一种硅光电倍增管辐照损伤效应的检测补偿装置。
背景技术
硅光电倍增管(Silicon photomultiplier，SiPM)是一类新型的光电转换器件，具有低偏置电压、尺寸紧凑、对磁场不敏感等优点。它可代替光电倍增管，与闪烁体耦合形成高能粒子探测器，在高能物理、天体物理等领域得到了广泛的研究和应用。如欧洲核子研究中心大型强子对撞机(Large Hadron Collider，LHC)中的紧凑缪子线圈探测器(compactmuon solenoid，CMS)，使用了SiPM作为强子量能器上闪烁体的光电转换器件[ArturLobanov and(for the CMS Collaboration)2015J.Phys.:Conf.Ser.587 012005]，我国的空间科学卫星硬X射线调制望远镜(HXMT，慧眼卫星)[Nuclear Inst.and Methods inPhysics Research,A 822(2016)63–70]、引力波暴高能电磁对应体全天监测器(GECAM卫星，怀柔一号)[Nuclear Inst.and Methods in Physics Research,A 921(2019)8–13]，也使用SiPM作为闪烁体的光电转换器件。除此之外，LHC中底夸克实验(Large HadronCollider beauty,LHCb)的径迹探测器[Nuclear Inst.and Methods in PhysicsResearch,A958(2020)162025]，以及诸多其他空间科学卫星项目，如GRID[ExperimentalAstronomy(2019)48:77–95]、SIRI[Proc.SPIE 10397,UV,X-Ray,and Gamma-Ray SpaceInstrumentation for Astronomy XX,103970B(29August 2017)]、GRBAlpha["Proc.SPIE11444,Space Telescopes and Instrumentation 2020:Ultraviolet to GammaRay,114444V(13December 2020)]等，均使用了SiPM作为闪烁体的光电转换器件。
在这些探测器中，常用的SiPM供电和信号读出方法如图1所示[NUCL SCI TECH(2021)32:99]。有一电源提供几十伏的偏置电压，经电阻和电容滤波后，给SiPM供电。SiPM因热激发等持续产生暗计数信号，会以直流信号的形式经过直流通路的电阻直接流入地，该直流通路上的电阻也起着限制流经SiPM总电流的作用，防止因SiPM损坏导致电源输出电流过大进而使电源损坏的情况发生。SiPM接收到的闪烁体瞬时发光信号会经过交流耦合电容进入读出电路。
但SiPM使用过程中面临的一个关键问题，便是辐照损伤效应对其性能的影响。当SiPM在高能物理实验环境和空间环境中使用时，通常会承受着高通量的高能粒子辐射，产生辐照损伤效应，主要表现为SiPM经高通量的高能粒子照射后，会出现暗计数率(darkcount rate，DCR)增大的情况。SiPM的暗计数率DCR和暗电流Id的关系为：Id＝DCR×∫h(t)，其中h(t)表示单光子信号脉冲，∫h(t)表示单光子信号电荷量，其正比于SiPM的增益G。在SiPM增益恒定的情况下，辐照损伤效应会使SiPM的暗电流增高。
SiPM的等效电压噪声vnSiPM可表示为
Figure BDA0003885416530000021
其中h(t)表示单光子信号脉冲，DCR表示暗计数率。因此，辐照损伤效应会使SiPM的噪声水平增高，影响正常信号的读出和采集，并且，随着SiPM暗电流的增高，限流电阻和滤波电阻上的压降也会增大，从而使SiPM两端实际的偏置电压值发生变化，从而影响SiPM增益的稳定性。
发明内容
根据本公开的一方面，提供了一种硅光电倍增管辐照损伤效应的检测补偿装置，所述装置包括电源模块、滤波模块、限流电阻模块、第一电容、硅光电倍增管、电压调整模块和/或信号采集模块，其中，
所述电源模块包括至少一个电压输出端，所述电压输出端通过所述滤波模块连接于所述硅光电倍增管的阴极，所述硅光电倍增管的阳极通过所述限流电阻模块接地，
所述电压调整模块连接于所述硅光电倍增管与所述滤波模块的公共节点、所述硅光电倍增管与所述限流电阻模块的公共节点的至少一种、及所述电压输出端与所述滤波模块的公共节点，所述电压调整模块用于采集所述滤波模块两端的电压差或所述限流电阻模块两端的电压差以得到硅光电倍增管的暗电流，并在所述硅光电倍增管的两端偏压偏离目标偏置电压预设范围的情况下，调整所述电源模块的输出电压，以使得所述硅光电倍增管的两端偏压在所述目标偏置电压预设范围内；
所述信号采集模块通过所述第一电容连接于所述硅光电倍增管的阳极，用于对所述硅光电倍增管的暗计数噪声进行测量，并根据测量得到的噪声适应性调整所述信号采集模块的信号采集触发阈值，所述信号采集模块还用于在所述第一电容传来的信号的幅度大于或等于所述信号采集触发阈值的情况下，进行信号采集。
在一种可能的实施方式中，所述采集所述滤波模块两端的电压差或所述限流电阻模块两端的电压差以得到硅光电倍增管的暗电流，包括：根据所述滤波模块两端的电压差及所述滤波模块的等效电阻确定所述硅光电倍增管的暗电流；或根据所述限流电阻模块两端的电压差及所述限流电阻模块的电阻确定所述硅光电倍增管的暗电流；
所述电压调整模块还用于：
根据所述暗电流及所述滤波模块的等效电阻确定所述滤波模块的压降；
根据所述电源模块的输出电压、所述滤波模块的压降及所述阳极电压确定所述硅光电倍增管的两端偏压。
在一种可能的实施方式中，所述电压调整模块包括第一控制单元、第一电压采集单元、第二电压采集单元、第三电压采集单元，第一电压采集单元、第二电压采集单元、第三电压采集单元均包括电压跟随器及模数转换器，其中，
所述第一电压采集单元的输入端连接于所述电压输出端与所述滤波模块的公共节点，所述第一电压采集单元的输出端连接于所述第一控制单元的第一输入端，
所述第二电压采集单元的输入端连接于所述硅光电倍增管与所述限流电阻模块的公共节点，所述第二电压采集单元的输出端连接于所述第一控制单元的第二输入端，
所述第三电压采集单元的输入端连接于所述硅光电倍增管与所述滤波模块的公共节点，所述第三电压采集单元的输出端连接于所述第一控制单元的第三输入端，
所述第一控制单元的输出端连接于所述电源模块，用于执行以下至少一种：
根据所述第二电压采集单元采集得到的所述限流电阻模块两端的电压差及所述限流电阻模块的电阻得到所述暗电流；
根据所述第三电压采集单元采集得到的所述硅光电倍增管与所述滤波模块的公共节点的电压、所述第一电压采集单元采集得到的所述电源模块的输出电压及所述滤波模块的等效电阻确定所述硅光电倍增管的暗电流；
根据所述暗电流及所述滤波模块的等效电阻确定所述滤波模块的压降；
根据第一电压采集单元采集得到的所述电源模块的输出电压、所述滤波模块的压降及所述限流电阻模块两端的电压差确定所述硅光电倍增管的两端偏压，并在所述硅光电倍增管的两端偏压偏离目标偏置电压预设范围的情况下，调整所述电源模块的输出电压，以使得所述硅光电倍增管的两端偏压在所述目标偏置电压预设范围内。
在一种可能的实施方式中，所述对所述硅光电倍增管的暗计数噪声进行测量，并根据测量得到的噪声适应性调整所述信号采集模块的信号采集触发阈值，在所述第一电容传来的信号的幅度大于或等于所述信号采集触发阈值的情况下，进行信号采集，包括：
断开对所述硅光电倍增管的供电，在所述第一电容的第二端输入测试信号，得到所述信号采集模块的电子学噪声；
恢复对所述硅光电倍增管的供电，在所述第一电容的第二端输入测试信号，得到总体噪声，所述总体噪声包括所述电子学噪声及所述硅光电倍增管的暗计数噪声；
根据所述总体噪声及所述电子学噪声确定所述硅光电倍增管的暗计数噪声；
将所述信号采集模块的采集触发阈值设置为所述总体噪声的预设倍数，其中，所述预设倍数大于3。
在一种可能的实施方式中，所述预设倍数为6。
在一种可能的实施方式中，所述信号采集模块包括第二控制单元、开关单元、第二电容、信号处理单元、数模转换单元、触发器、采集单元，其中，
所述第二控制单元的第一输出端通过所述开关单元、所述第二电容连接于所述第一电容的第二端及所述信号处理单元的输入端，
所述第二控制单元的第二输出端通过所述数模转换单元连接于所述触发器，
所述信号处理单元的输出端连接于所述触发器的输入端、所述采集单元的输入端，
所述采集单元的控制端连接于所述触发器的输出端，所述采集单元的输出端连接于所述第二控制单元的输入端，
其中，所述第二控制单元用于输出开关控制信号，控制所述开关单元的导通状态发生变化，以使得所述第二电容的两端电压发生变化，从而向所述信号处理单元的输入端输入所述测试信号，
所述信号处理单元用于对接收到的信号进行电压转换并输出中间电压信号，
所述触发器用于在所述中间电压信号的电压幅度大于或等于所述触发器的采集触发阈值的情况下，触发所述采集单元采集信号，其中，所述触发器的采集触发阈值为所述第二控制单元通过所述数模转换单元设置，
所述采集单元用于将采集的中间电压信号进行模数转换，并输出到所述第二控制单元。
在一种可能的实施方式中，所述开关单元包括模拟开关，所述信号处理单元包括多级放大电路，所述采集单元包括峰值保持电路、模数转换器。
本公开实施例提供一种硅光电倍增管辐照损伤效应的检测补偿装置，所述装置包括电源模块、滤波模块、限流电阻模块、第一电容、硅光电倍增管、电压调整模块和/或信号采集模块，通过所述电压调整模块采集所述滤波模块两端的电压差或所述限流电阻模块两端的电压差以得到硅光电倍增管的暗电流，并在所述硅光电倍增管的两端偏压偏离目标偏置电压预设范围的情况下，调整所述电源模块的输出电压，以使得所述硅光电倍增管的两端偏压在所述目标偏置电压预设范围内，从而实现硅光电倍增管的暗电流的检测及SiPM两端偏置电压的补偿；利用所述信号采集模块对所述硅光电倍增管的暗计数噪声进行测量，并根据测量得到的噪声适应性调整所述信号采集模块的信号采集触发阈值，从而使得所述信号采集模块在所述第一电容传来的信号的幅度大于或等于所述信号采集触发阈值的情况下，进行信号采集。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本公开。根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于说明本公开的技术方案。
图1示出了相关技术的SiPM供电和信号读出电路示意图。
图2示出了相关技术基于暗计数率测量的SiPM辐照损伤效应检测装置的示意图。
图3示出了相关技术基于万用表或安培计的SiPM辐射损伤效应检测装置的示意图。
图4示出了根据本公开实施例的硅光电倍增管辐照损伤效应的检测补偿装置的示意图。
图5示出了根据本公开实施例的硅光电倍增管辐照损伤效应的检测补偿装置的示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括A、B、C中的至少一种，可以表示包括从A、B和C构成的集合中选择的任意一个或多个元素。
另外，为了更好地说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
相关技术主要通过对SiPM暗计数率或利用万用表等工具对暗电流的测量，来对SiPM的辐照损伤效应进行评估。
请参阅图2、图3，图2示出了相关技术基于暗计数率测量的SiPM辐照损伤效应检测装置的示意图，图3示出了相关技术基于万用表或安培计的SiPM辐射损伤效应检测装置的示意图。
如图2所示，相关技术通过对SiPM暗计数率的测量可以评估SiPM的辐照损伤效应[S.Mianowski et al 2020JINST 15P03002]，其中高速电荷放大器对SiPM输出的信号进行放大，在恒比定时甄别器中，设置合适的触发阈值，使系统能够被SiPM产生的单光子和多光子的暗计数信号触发，进而通过计数器统计固定时间内的计数率，即可实现对暗计数率的测量。
如图3所示，相关技术使用万用表或安培表与SiPM串联，测量SiPM的暗电流，其中使用台式高压电源对输出的偏置电压进行调节和监测；使用万用表或安培计与SiPM串联，测量并读取通过SiPM的暗电流数值。此方法主要用于解决使用的SiPM面积较大、暗计数率较高、暗计数信号发生堆叠、难以逐个区分、无法测量暗计数率的情况，利用测量暗电流的方式对SiPM的辐照损伤效应进行评估。且主要用于在实验室中对SiPM的辐照损伤效应进行检测和研究。
此外相关技术还有使用具有电流镜功能的供电芯片对SiPM的暗电流进行测量，例如，一些SiPM供电芯片本身提供了其供电电流的测量功能。基于这些芯片，可以实现一种小型化的SiPM辐照损伤效应检测方法，这些供电芯片可以通过一电流镜，将SiPM供电电流的20％复制一份，通过引脚引出。在该引脚上接一电阻，通过测量在该电阻上的压降，即可实现对SiPM供电电流的测量。
然而，相关技术均存在缺陷，其中，对于现有的第一种SiPM辐照损伤效应检测方法(通过对SiPM暗计数率的测量)，它不适用于大面积SiPM的辐照损伤效应检测。在大量应用场合，SiPM的面积会超过10mm2，在常温下，SiPM的暗计数率将会大于1MHz。此时SiPM的暗计数信号将会发生严重的堆叠，无法对暗计数率进行测量。
对于现有的第二种SiPM辐照损伤效应检测方法(使用万用表或安培表与SiPM串联，测量SiPM的暗电流)，所用的台式电源和万用表、安培计等设备，往往较为笨重、具有较大的体积(超过20×20×10cm3)，且需要人为参与读取SiPM暗电流数据。而对于SiPM在高能物理实验、空间天体物理实验中的应用，要求能够在紧凑的空间内(小于10×10×5cm3)实现对SiPM暗电流数据的自动读取。
对于现有的第三种SiPM辐照损伤效应检测方法(使用具有电流镜功能的供电芯片对SiPM的暗电流进行测量)，其在供电端测量的为所有SiPM的总供电电流，无法实现对分离读出的SiPM各通道进行独立检测。若要为每个通道单独设计一路供电电源，则会大大增加设计开销和硬件成本。
除此之外，以上所有的SiPM辐照损伤效应检测方法中，均没有对因辐照损伤效应引起的SiPM暗电流变化造成的SiPM两端偏置电压的变化进行补偿的方法。并且，也缺乏对因辐照损伤效应引起的SiPM噪声变化进行检测、评估，以及补偿的方法。
本公开实施例提供一种硅光电倍增管辐照损伤效应的检测补偿装置，所述装置包括电源模块、滤波模块、限流电阻模块、第一电容、硅光电倍增管、电压调整模块和/或信号采集模块，通过所述电压调整模块采集所述滤波模块两端的电压差或所述限流电阻模块两端的电压差以得到硅光电倍增管的暗电流，并在所述硅光电倍增管的两端偏压偏离目标偏置电压预设范围的情况下，调整所述电源模块的输出电压，以使得所述硅光电倍增管的两端偏压在所述目标偏置电压预设范围内，从而实现硅光电倍增管的暗电流的检测及SiPM两端偏置电压的补偿；利用所述信号采集模块对所述硅光电倍增管的暗计数噪声进行测量，并根据测量得到的噪声适应性调整所述信号采集模块的信号采集触发阈值，从而使得所述信号采集模块在所述第一电容传来的信号的幅度大于或等于所述信号采集触发阈值的情况下，进行信号采集，降低噪声误触发的几率。
本公开实施例的硅光电倍增管辐照损伤效应的检测补偿装置，能够满足紧凑空间内对多通道、大面积SiPM的暗电流和噪声的测量需求，以及对SiPM两端偏置电压和SiPM噪声变化进行补偿的需求。
请参阅图4，图4示出了根据本公开实施例的硅光电倍增管辐照损伤效应的检测补偿装置的示意图。
如图4所示，所述装置包括电源模块10、滤波模块20、限流电阻模块30、第一电容C1、硅光电倍增管60、电压调整模块40和/或信号采集模块50，其中，
所述电源模块10包括至少一个电压输出端，所述电压输出端通过所述滤波模块20连接于所述硅光电倍增管60的阴极，所述硅光电倍增管60的阳极通过所述限流电阻模块30接地，
所述电压调整模块40连接于所述硅光电倍增管60与所述滤波模块20的公共节点、所述硅光电倍增管60与所述限流电阻模块30的公共节点的至少一种、及所述电压输出端与所述滤波模块20的公共节点，所述电压调整模块40用于采集滤波模块20两端的电压差或所述限流电阻模块30两端的电压差以得到硅光电倍增管60的暗电流，并在所述硅光电倍增管60的两端偏压偏离目标偏置电压预设范围的情况下，调整所述电源模块10的输出电压，以使得所述硅光电倍增管60的两端偏压在所述目标偏置电压预设范围内；
所述信号采集模块50通过所述第一电容C1连接于所述硅光电倍增管60的阳极，用于对所述硅光电倍增管60的噪声进行测量，并根据测量得到的噪声适应性调整所述信号采集模块50的信号采集触发阈值，所述信号采集模块50还用于在所述第一电容C1传来的信号的幅度大于或等于所述信号采集触发阈值的情况下，进行信号采集。
本公开实施例对电源模块10、滤波模块20、限流电阻模块30、电压调整模块40和信号采集模块50的具体实现方式不做限定，本领域技术人员可以根据实际情况及需要采用合适的实现方式。示例性的，电源模块10可以包括电源控制端口、至少一个电压输出端，各个电压输出端均可以用于对硅光电倍增管60供电，电源模块10可以包括交流直流转换器AC/DC、直流直流转换器DC/DC，可以接市电(交流电)并转换为所需的直流电对硅光电倍增管60供电；还可以包括储能组件，如电池组件(锂离子电池、锂聚合物电池等)，将电池中的电能进行直流直流转换以对硅光电倍增管60供电。示例性的，滤波模块20可以包括多个电阻、电容的组合以实现滤波功能，可以包括接地电容。示例性的，滤波模块20的等效电阻可以是提前测量得到的两端的电阻值。示例性的，限流电阻模块30可以包括一个或多个电阻(当为多个电阻时，可以是以串并联形式组合)。
在一种可能的实施方式中，所述采集所述滤波模块20两端的电压差或所述限流电阻模块30两端的电压差以得到硅光电倍增管60的暗电流，可以包括：根据所述滤波模块20两端的电压差及所述滤波模块20的等效电阻确定所述硅光电倍增管60的暗电流；或根据所述阳极电压及所述限流电阻模块30的电阻确定所述硅光电倍增管60的暗电流；示例性的，若测量得到所述限流电阻模块30两端的电压差Va，则所述硅光电倍增管60的暗电流Idark＝Va/R，其中R为限流电阻模块30的阻值。
在一种可能的实施方式中，所述电压调整模块40还可以用于：
根据所述暗电流及所述滤波模块20的等效电阻确定所述滤波模块20的压降；
根据所述电源模块10的输出电压、所述滤波模块20的压降及所述限流电阻模块30两端的电压差确定所述硅光电倍增管60的两端偏压。
当然，若直接采集到滤波模块20两端的电压差，也可以计算得到暗电流，并计算得到限流电阻模块30的压降，并进一步得到所述硅光电倍增管60的两端偏压，对此，本公开实施例不做限定。
示例性的，若测量得到所述硅光电倍增管60的供电端电压(图4中为滤波模块20、电压调整模块40、电源模块10的电压输出端的公共节点的电压)即所述电源模块10的输出电压Vapply，结合暗电流测量值Idark，可知在滤波模块20上的压降Vdrop为Idark×Rf，Rf为滤波模块20的等效电阻，此时所述硅光电倍增管60的两端偏置电压等于Vapply-Idark×Rf-Va。
本公开实施例对调整所述电源模块10的输出电压的具体方式不做限定，示例性的，可以采用PID控制(比例-积分-微分控制)方法调整输出电压。
请参阅图5，图5示出了根据本公开实施例的硅光电倍增管辐照损伤效应的检测补偿装置的示意图。
在一种可能的实施方式中，如图5所示，所述电压调整模块40可以包括第一控制单元400、第一电压采集单元410、第二电压采集单元420、第三电压采集单元430，第一电压采集单元410、第二电压采集单元420、第三电压采集单元430均可以包括电压跟随器及模数转换器，其中，
所述第一电压采集单元410的输入端连接于所述电压输出端与所述滤波模块20的公共节点，所述第一电压采集单元410的输出端连接于所述第一控制单元400的第一输入端，
所述第二电压采集单元420的输入端连接于所述硅光电倍增管60的阳极、所述限流电阻模块30的第一端(所述硅光电倍增管与所述限流电阻模块的公共节点)，所述第二电压采集单元420的输出端连接于所述第一控制单元400的第二输入端，
所述第三电压采集单元430的输入端连接于所述硅光电倍增管60与所述滤波模块20的公共节点，所述第三电压采集单元430的输出端连接于所述第一控制单元400的第三输入端，
所述第一控制单元400的输出端连接于所述电源模块10，用于执行以下至少一种：
根据所述第二电压采集单元420采集得到的所述限流电阻模块30两端的电压差及所述限流电阻模块30的电阻得到所述暗电流；
根据所述第三电压采集单元430采集得到的所述硅光电倍增管60与所述滤波模块20的公共节点的电压、所述第一电压采集单元410采集得到的所述电源模块10的输出电压及所述滤波模块20的等效电阻确定所述硅光电倍增管60的暗电流；
根据所述暗电流及所述滤波模块20的等效电阻确定所述滤波模块20的压降；
根据第一电压采集单元410采集得到的所述电源模块10的输出电压、所述滤波模块20的压降及所述限流电阻模块30两端的电压差确定所述硅光电倍增管60的两端偏压，并在所述硅光电倍增管60的两端偏压偏离目标偏置电压预设范围的情况下，调整所述电源模块10的输出电压，以使得所述硅光电倍增管60的两端偏压在所述目标偏置电压预设范围内。
当然，本领域技术人员还可以对以上电压调整模块进行变形，例如，仅利用1个或2个电压采集单元，以2个为例，可以通过增加开关单元连接到所述硅光电倍增管60与所述滤波模块20的公共节点、所述硅光电倍增管60与所述限流电阻模块30的公共节点，并通过开关单元控制两个电压采集单元连接到所述硅光电倍增管60与所述滤波模块20的公共节点、所述硅光电倍增管60与所述限流电阻模块30的公共节点的至少一种、及所述电压输出端与所述滤波模块20的公共节点，对此，本公开实施例不做限定。
在一种可能的实施方式中，第一控制单元400可以利用处理组件实现，在一个示例中，处理组件包括但不限于单独的处理器，或者分立元器件，或者处理器与分立元器件的组合。所述处理器可以包括电子设备中具有执行指令功能的控制器，所述处理器可以按任何适当的方式实现，例如，被一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现。在所述处理器内部，可以通过逻辑门、开关、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等硬件电路执行所述可执行指令。
在一个示例中，第一电压采集单元410包括第一电压跟随器VF1、第一模数转换器ADC1，第一电压跟随器VF1的输入端连接于所述滤波模块20及所述电压输出端的公共节点，所述第一电压跟随器VF1通过所述第一模数转换器ADC1连接于所述第一控制单元400。
在一个示例中，第二电压采集单元420包括第二电压跟随器VF2、第二模数转换器ADC2，第二电压跟随器VF2的输入端连接于所述限流电阻模块30及所述硅光电倍增管60之间，所述第二电压跟随器VF2通过所述第二模数转换器ADC2连接于所述第一控制单元400。
在一个示例中，第三电压采集单元430包括第三电压跟随器VF3、第三模数转换器ADC3，第三电压跟随器VF3的输入端连接于所述滤波模块20与所述硅光电倍增管60的公共节点，所述第三电压跟随器VF3通过所述第三模数转换器ADC3连接于所述第一控制单元400。
本公开实施例对电压跟随器、模数转换器的具体实现方式不作限定，本领域技术人员可以采用相关技术实现。
本公开实施例在一个电源模块10给多通道SiPM供电的情况下，可实现对某一通道连接的相应SiPM通道暗电流的测量和偏置电压补偿。
在一种可能的实施方式中，所述对所述硅光电倍增管60的噪声进行测量，并根据测量得到的噪声适应性调整所述信号采集模块50的信号采集触发阈值，在所述第一电容C1传来的信号的幅度大于或等于所述信号采集触发阈值的情况下，进行信号采集，可以包括：
断开对所述硅光电倍增管60的供电，在所述第一电容C1的第二端输入测试信号，得到所述信号采集模块50的电子学噪声；
恢复对所述硅光电倍增管60的供电，在所述第一电容C1的第二端输入测试信号，得到总体噪声，所述总体噪声包括所述电子学噪声及所述硅光电倍增管60的暗计数噪声；
根据所述总体噪声及所述电子学噪声确定所述硅光电倍增管60的暗计数噪声；
将所述信号采集模块50的采集触发阈值设置为所述总体噪声的预设倍数，其中，所述预设倍数大于3。
本公开实施例通过断开对所述硅光电倍增管60的供电，在所述第一电容C1的第二端输入测试信号，得到所述信号采集模块50的电子学噪声；恢复对所述硅光电倍增管60的供电，在所述第一电容C1的第二端输入测试信号，得到总体噪声，所述总体噪声包括所述电子学噪声及所述硅光电倍增管60的暗计数噪声；根据所述总体噪声及所述电子学噪声确定所述硅光电倍增管60的暗计数噪声，将所述信号采集模块50的采集触发阈值设置为所述总体噪声的预设倍数，可以实现对所述硅光电倍增管60的暗计数噪声的测量，并根据测量得到的总体噪声适应性调整所述信号采集模块50的信号采集触发阈值。
在一种可能的实施方式中，本公开实施例对所述预设倍数为6。
在一种可能的实施方式中，如图5所示，所述信号采集模块50包括第二控制单元510、开关单元520、第二电容C2、信号处理单元530、数模转换单元550、触发器540、采集单元560，其中，
所述第二控制单元510的第一输出端通过所述开关单元520、所述第二电容C2连接于所述第一电容C1的第二端及所述信号处理单元530的输入端，
所述第二控制单元510的第二输出端通过所述数模转换单元550连接于所述触发器540，
所述信号处理单元530的输出端连接于所述触发器540的输入端、所述采集单元560的输入端，
所述采集单元560的控制端连接于所述触发器540的输出端，所述采集单元560的输出端连接于所述第二控制单元510的输入端，
其中，所述第二控制单元510用于输出开关控制信号，控制所述开关单元520的导通状态发生变化，以使得所述第二电容C2的两端电压发生变化，从而向所述信号处理单元530的输入端输入所述测试信号。其中，在图5所示的实施例中，所述信号处理单元530的输入端与所述第一电容C1的第二端连接。测试信号可以是通过开关的导通和关断产生的方波，或通过其他方式产生的其他形式的测试信号，例如窄脉冲信号等。
所述信号处理单元530用于对接收到的信号进行电压转换并输出中间电压信号，
所述触发器540用于在所述中间电压信号的电压幅度大于或等于所述触发器540的采集触发阈值的情况下，触发所述采集单元560采集信号(即采集信号处理单元530输出的中间电压信号)，其中，所述触发器540的采集触发阈值为所述第二控制单元510通过所述数模转换单元550设置，
所述采集单元560用于将采集的中间电压信号进行模数转换，并输出到所述第二控制单元510。
在一个示例中，所述第二控制单元510可以为前述的处理组件。
在一种可能的实施方式中，所述开关单元520包括模拟开关，所述信号处理单元530包括多级放大电路，所述采集单元560包括峰值保持电路、模数转换器，示例性的，所述多级放大电路的第一级前置放大器可以是跨阻放大器，用于将电荷量信号或电流信号转换为电压信号；第二级为主放大器，用于实现信号的极性翻转、低通滤波、幅度放大等功能。示例性的，峰值保持电路用于将输入的电压脉冲信号的峰值保持住，形成一个恒定电压值输出，以供模数转换器转换。在一个示例中，第二控制单元510控制模拟开关在导通和断开之间切换，使第二电容C2两端电压发生变化，从而向信号处理单元530输入端注入一个固定的电荷量(测试信号)。信号处理单元530会将这个电荷脉冲转换为一个电压信号并输出，一方面供采集单元560采集，另一方面输入触发器540，当电压幅度超过数模转换单元550产生的采集触发阈值时，产生触发信号，告知采集单元560开始采集。采集单元560的模数转换器将电压值转换为数字量，并由第二控制单元510读取、保存，以供数据分析。
示例性的，在每次使用所述硅光电倍增管60之前，可以断开对所述硅光电倍增管60的供电(例如电源模块10不输出电压至电压调整模块和滤波模块20的公共节点)，通过信号采集模块50中的开关单元520、第二电容C2在所述第一电容C1的第二端输入测试信号，得到所述信号采集模块50的电子学噪声，示例性的，噪声可以用采集单元560采集到的信号的信号幅度展宽表示，可通过第二控制单元510对采集单元560采集到的信号进行处理得到信号幅度展宽。例如信号幅度展宽σele仅由电子学系统的电子学噪声贡献；其中，信号幅度展宽的定义是信号幅度统计分布的标准差，示例性的，是对信号幅度作统计分布直方图，对其进行高斯分布拟合，得到的标准差。
示例性的，在得到电子学噪声后，恢复对所述硅光电倍增管60的供电，在所述第一电容C1的第二端输入测试信号，基于上述类似的方式，通过采集单元560的采集以及第二控制单元510的处理，得到总体噪声，利用信号幅度展宽σtotal表示，所述总体噪声包括所述电子学噪声及所述硅光电倍增管60的暗计数噪声σSiPM；
示例性的，根据所述总体噪声及所述电子学噪声确定所述硅光电倍增管60的暗计数噪声，如可以采用如下公式确定：
Figure BDA0003885416530000121
示例性的，将所述信号采集模块50的采集触发阈值设置为所述总体噪声的预设倍数，如将采集触发阈值调整为6×σtotal。
此后，第二控制单元510不再控制开关单元520导通和关断，即不再产生测试信号，第一电容C1的第二端的输出信号经由信号处理单元530，提供给触发器540和采集单元560，在该输出信号达到上述设置好的采集触发阈值6×σtotal后，触发器540即触发采集单元560采集该输出信号。
对于所述硅光电倍增管的暗电流的测量方法，与相关技术相比，本公开实施例的暗电流测量的设备大大简化，便于集成和小型化，并可在单一电源供电的情况下，对不同所述硅光电倍增管通道的暗电流进行测量。并且本公开实施例能够对所述硅光电倍增管的压降适应性补偿，能够避免所述硅光电倍增管因辐照损伤造成的两端偏置电压变化，可提高所述硅光电倍增管增益稳定性。并且，能够避免噪声持续触发读出电子学噪声，影响正常信号的读出和采集。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (7)

1.一种硅光电倍增管辐照损伤效应的检测补偿装置，其特征在于，所述装置包括电源模块、滤波模块、限流电阻模块、第一电容、硅光电倍增管、电压调整模块和/或信号采集模块，其中，
所述电源模块包括至少一个电压输出端，所述电压输出端通过所述滤波模块连接于所述硅光电倍增管的阴极，所述硅光电倍增管的阳极通过所述限流电阻模块接地，
所述电压调整模块连接于所述硅光电倍增管与所述滤波模块的公共节点、所述硅光电倍增管与所述限流电阻模块的公共节点的至少一种、及所述电压输出端与所述滤波模块的公共节点，所述电压调整模块用于采集所述滤波模块两端的电压差或所述限流电阻模块两端的电压差以得到硅光电倍增管的暗电流，并在所述硅光电倍增管的两端偏压偏离目标偏置电压预设范围的情况下，调整所述电源模块的输出电压，以使得所述硅光电倍增管的两端偏压在所述目标偏置电压预设范围内；
所述信号采集模块通过所述第一电容连接于所述硅光电倍增管的阳极，用于对所述硅光电倍增管的暗计数噪声进行测量，并根据测量得到的噪声适应性调整所述信号采集模块的信号采集触发阈值，所述信号采集模块还用于在所述第一电容传来的信号的幅度大于或等于所述信号采集触发阈值的情况下，进行信号采集。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述采集所述滤波模块两端的电压差或所述限流电阻模块两端的电压差以得到硅光电倍增管的暗电流，包括：根据所述滤波模块两端的电压差及所述滤波模块的等效电阻确定所述硅光电倍增管的暗电流；或根据所述限流电阻模块两端的电压差及所述限流电阻模块的电阻确定所述硅光电倍增管的暗电流；
所述电压调整模块还用于：
根据所述暗电流及所述滤波模块的等效电阻确定所述滤波模块的压降；
根据所述电源模块的输出电压、所述滤波模块两端的电压差及所述限流电阻模块两端的电压差确定所述硅光电倍增管的两端偏压。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述电压调整模块包括第一控制单元、第一电压采集单元、第二电压采集单元、第三电压采集单元，第一电压采集单元、第二电压采集单元、第三电压采集单元均包括电压跟随器及模数转换器，其中，
所述第一电压采集单元的输入端连接于所述电压输出端与所述滤波模块的公共节点，所述第一电压采集单元的输出端连接于所述第一控制单元的第一输入端，
所述第二电压采集单元的输入端连接于所述硅光电倍增管与所述限流电阻模块的公共节点，所述第二电压采集单元的输出端连接于所述第一控制单元的第二输入端，
所述第三电压采集单元的输入端连接于所述硅光电倍增管与所述滤波模块的公共节点，所述第三电压采集单元的输出端连接于所述第一控制单元的第三输入端，
所述第一控制单元的输出端连接于所述电源模块，用于执行以下至少一种：
根据所述第二电压采集单元采集得到的所述限流电阻模块两端的电压差及所述限流电阻模块的电阻得到所述暗电流；
根据所述第三电压采集单元采集得到的所述硅光电倍增管与所述滤波模块的公共节点的电压、所述第一电压采集单元采集得到的所述电源模块的输出电压及所述滤波模块的等效电阻确定所述硅光电倍增管的暗电流；
根据所述暗电流及所述滤波模块的等效电阻确定所述滤波模块的压降；
根据第一电压采集单元采集得到的所述电源模块的输出电压、所述滤波模块的压降及所述限流电阻模块两端的电压差确定所述硅光电倍增管的两端偏压，并在所述硅光电倍增管的两端偏压偏离目标偏置电压预设范围的情况下，调整所述电源模块的输出电压，以使得所述硅光电倍增管的两端偏压在所述目标偏置电压预设范围内。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述对所述硅光电倍增管的暗计数噪声进行测量，并根据测量得到的噪声适应性调整所述信号采集模块的信号采集触发阈值，在所述第一电容传来的信号的幅度大于或等于所述信号采集触发阈值的情况下，进行信号采集，包括：
断开对所述硅光电倍增管的供电，在所述第一电容的第二端输入测试信号，得到所述信号采集模块的电子学噪声；
恢复对所述硅光电倍增管的供电，在所述第一电容的第二端输入测试信号，得到总体噪声，所述总体噪声包括所述电子学噪声及所述硅光电倍增管的暗计数噪声；
根据所述总体噪声及所述电子学噪声确定所述硅光电倍增管的暗计数噪声；
将所述信号采集模块的采集触发阈值设置为所述总体噪声的预设倍数，其中，所述预设倍数大于3。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述预设倍数为6。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述信号采集模块包括第二控制单元、开关单元、第二电容、信号处理单元、数模转换单元、触发器、采集单元，其中，
所述第二控制单元的第一输出端通过所述开关单元、所述第二电容连接于所述第一电容的第二端及所述信号处理单元的输入端，
所述第二控制单元的第二输出端通过所述数模转换单元连接于所述触发器，
所述信号处理单元的输出端连接于所述触发器的输入端、所述采集单元的输入端，
所述采集单元的控制端连接于所述触发器的输出端，所述采集单元的输出端连接于所述第二控制单元的输入端，
其中，所述第二控制单元用于输出开关控制信号，控制所述开关单元的导通状态发生变化，以使得所述第二电容的两端电压发生变化，从而向所述信号处理单元的输入端输入所述测试信号，
所述信号处理单元用于对接收到的信号进行电压转换并输出中间电压信号，
所述触发器用于在所述中间电压信号的电压幅度大于或等于所述触发器的采集触发阈值的情况下，触发所述采集单元采集信号，其中，所述触发器的采集触发阈值为所述第二控制单元通过所述数模转换单元设置，
所述采集单元用于将采集的中间电压信号进行模数转换，并输出到所述第二控制单元。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述开关单元包括模拟开关，所述信号处理单元包括多级放大电路，所述采集单元包括峰值保持电路、模数转换器。
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