用于测量击穿电压的装置、设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电路领域，具体地，涉及一种用于测量击穿电压的装置、设备及方法。
【背景技术】
[0002]在高能光子(X射线、伽玛光子等)测量系统中，经常采用诸如硅光电倍增管(Silicon Photomultipliers，SiPM)的光电传感器。SiPM是一种基于娃的光电传感器。SiPM由边长10?100微米左右的小的传感器微元(cell)组成。每个传感器微元都是工作在盖革(Geiger)模式下的雪崩式光电二极管。每个传感器微元每次都只能检测一个可见光子。成百上千的传感器微元组成传感器单元(pixel)。传感器单元的尺寸通常为I平方毫米至几十平方毫米。很多传感器单元组合在一起，又可以组成更大的传感器阵列(例如16x 16个3毫米X 3毫米的传感器单元组成的阵列)AiPM阵列和闪烁晶体阵列通过光导层耦合在一起，就构成了基于SiPM的前端检测器。基于SiPM的前端检测器广泛应用于高能光子的检测。相比于传统的光电倍增管(Photomultipliers，PMT)，SiPM具有尺寸小、偏置电压低、时间分辨率高、与核磁共振(MRI)磁场兼容等优点。SiPM的一个缺点是其增益受温度影响较大。SiPM增益的变化，对基于SiPM的前端检测器的许多性能有很大影响，并且会影响高能光子的测量结果。本领域技术人员已知的是，传感器单元的增益通常正比于其偏置过压，并且偏置过压等于偏置电压与击穿电压之差。由于偏置电压通常是已知的，因此如果测量出传感器单元的击穿电压，则可以获知其增益变化情况，并且可以进一步对增益变化进行补偿。
[0003]因此，需要提供一种用于测量击穿电压的装置，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。
【发明内容】
[0004]为了至少部分地解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一个方面，提供一种用于测量击穿电压的装置。该装置包括受控电压源、电流检测电路和处理电路。受控电压源的输出端连接传感器单元的输入端，受控电压源用于为传感器单元提供一系列测试偏置电压。电流检测电路的输入端连接传感器单元的输出端，电流检测电路用于检测传感器单元输出的电流信号并生成对应的检测信号。处理电路的输入端连接电流检测电路的输出端，处理电路的输出端连接受控电压源的输入端，处理电路用于控制受控电压源提供一系列测试偏置电压，基于检测信号计算与一系列测试偏置电压分别对应的暗电流，并基于一系列测试偏置电压和暗电流确定传感器单元的击穿电压。
[0005]根据本发明另一方面，提供一种用于测量击穿电压的设备。该设备包括与传感器阵列中的多个传感器单元一一对应的多个如上所述的用于测量击穿电压的装置。
[0006]根据本发明另一方面，提供一种用于测量击穿电压的设备。该设备包括受控电压源、电压控制电路、与传感器阵列中的多个传感器单元--对应的多个电流检测电路和多个处理电路，其中:受控电压源的输出端分别连接多个传感器单元的输入端，受控电压源用于为多个传感器单元提供一系列测试偏置电压；电压控制电路的输出端连接受控电压源的输入端，电压控制电路用于控制受控电压源提供一系列测试偏置电压；多个电流检测电路中的每一个的输入端连接对应传感器单元的输出端，多个电流检测电路中的每一个用于检测对应传感器单元输出的电流信号并生成对应的检测信号；多个处理电路中的每一个的输入端连接电流检测电路的输出端和电压控制电路的输出端，多个处理电路中的每一个用于基于检测信号计算与一系列测试偏置电压分别对应的暗电流，并基于一系列测试偏置电压和暗电流确定对应传感器单元的击穿电压。
[0007]根据本发明另一方面，提供一种用于测量击穿电压的方法。该方法包括:为传感器单元提供一系列测试偏置电压;检测传感器单元输出的电流信号并生成对应的检测信号；基于检测信号计算与一系列测试偏置电压分别对应的暗电流；以及基于一系列测试偏置电压和暗电流确定传感器单元的击穿电压。
[0008]根据本发明提供的用于测量击穿电压的装置、设备及方法，通过处理电路控制受控电压源提供的一系列偏置电压以及相应地从电流检测电路获得的一系列暗电流来计算传感器单元的击穿电压。本发明提供的电路结构简单，可以快速、准确、高效地计算出传感器单元的击穿电压，进而有利于及时准确地对传感器单元的增益变化进行补偿。
[0009]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。
[0010]以下结合附图，详细说明本发明的优点和特征。
【附图说明】
[0011]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，
[0012]图1示出根据本发明一个实施例的传感器单元以及用于测量击穿电压的装置的示意性框图；
[0013]图2示出根据本发明一个实施例的偏置电压与暗电流的关系曲线；
[0014]图3示出根据本发明另一个实施例的传感器单元以及用于测量击穿电压的装置的示意性框图；
[0015]图4示出根据本发明一个实施例的电流检测电路的示意性框图；
[0016]图5示出根据本发明一个实施例的电流检测电路的电路示意图；
[0017]图6示出根据本发明一个方面的传感器阵列以及用于测量击穿电压的设备的示意性框图；
[0018]图7示出根据本发明另一个方面的传感器阵列以及用于测量击穿电压的设备的示意性框图；以及
[0019]图8示出根据本发明一个实施例的用于测量击穿电压的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0020]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。
[0021]根据本发明的一个方面，提供一种用于测量击穿电压的装置。图1示出根据本发明一个实施例的传感器单元110以及用于测量击穿电压的装置120的示意性框图。如图1所示，用于测量击穿电压的装置120包括受控电压源122、电流检测电路124和处理电路126。
[0022]受控电压源122的输出端连接传感器单元110的输入端。受控电压源122用于为传感器单元110提供一系列测试偏置电压。电流检测电路124的输入端连接传感器单元110的输出端。电流检测电路124用于检测传感器单元110输出的电流信号并生成对应的检测信号。处理电路126的输入端连接电流检测电路124的输出端，处理电路126的输出端连接受控电压源122的输入端。处理电路126用于控制受控电压源122提供一系列测试偏置电压，基于检测信号计算与一系列测试偏置电压分别对应的暗电流，并基于一系列测试偏置电压和暗电流确定传感器单元的击穿电压。
[0023]受控电压源122受到处理电路126的控制，在处理电路126的控制下将具有某一电压值的偏置电压输出到传感器单元110。例如，受控电压源可以将30V的工作偏置电压输出到传感器单元110，以使传感器单元110进入正常工作状态。受控电压源122可以是例如示波器。
[0024]电流检测电路124可以是任何合适的能够检测传感器单元110输出的电流信号的电路。例如，电流检测电路124可以包括示波器，用于检测电流信号并对电流信号进行一些期望处理。可以理解的是，电流检测电路124检测的是传感器单元110在击穿电压测量时段内输出的电流信号。在该击穿电压测量时段内，可能发生有效事件或暗事件，也可能未发生任何事件。在没有事件发生的时段内，传感器单元110输出的电流信号为0，电流检测电路124生成的检测信号也是O。
[0025]在本文中，有效事件是指高能光子(例如伽玛光子等)在与传感器单元相连的闪烁晶体中作用而引起的在传感器单元中产生电流信号的事件，暗事件是指噪声(通常是热电子)引起的在传感器单元中产生电流信号的事件。在发生有效事件或暗事件时，传感器单元110可以输出一个脉冲电流信号。为了描述方便，在本文中，将在发生有效事件时传感器单元110输出的脉冲电流信号称为有效电流信号(即有效电流)，将在发生暗事件时传感器单元110输出的脉冲电流信号称为暗电流信号(即暗电流)。有效电流信号的能量远大于暗电流信号的能量，前者通常是后者的几十至几千倍。因此，通过分析传感器单元110输出的电流信号的能量可以确定在传感器单元110中发生的是有效事件还是暗事件。
[0026]处理电路126可以是具有数据处理能力的数字电路，在这种情况下，可以通过编程使处理电路126实现各种计算功能。可选地，处理电路126可以采用现场可编程门阵列(FPGA)、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)来实现。
[0027]当希望获知传感器单元110的击穿电压时，可以利用装置120进行测量。装置120的基本工作原理是不断改变施加在传感器单元110上的偏置电压，从而获得一系列暗电流。基于不同偏置电压下的暗电流的大小，可以确定传感器单元的击穿电压。另外，还可以进一步确定传感器单元的偏置过压(等于偏置电压减去击穿电压)。由于偏置过压与传感器单元110的增益通常成正比，因此其可以反映传感器单元110的增益的大小。可以每隔一段时间启动一次装置120，例如每隔10分钟启动一次。装置120可以在较短的时间段内测量传感器单元110的击穿电压。该时间段可以根据需要设定，例如设定为10秒。在该时间段内，处理电路126可以控制受控电压源122输出一系列不同的偏置电压，即一系列测试偏置电压，