像素探测器

1.本发明一般涉及探测器领域，尤其涉及像素探测器。


背景技术：

2.探测器是一套由专用传感器阵列及其电路构成的信号采集系统，其作为获取粒子反应产生的新粒子信息的装置，在高能物理领域有着广泛的应用。而像素探测器又以其良好的集成度、高位置分辨率在高能物理实验探测系统中处于关键地位。另外，像素探测器还可以实现高计数率以及良好的能量分辨，因此在高能物理以外的辐射探测和成像领域也有着广泛的应用。
3.所谓的光子计数法，就是基于传统的核电子学探测方法，先对入射信号进行电荷积分与放大，然后通过阈值甄别的方法转换为数字脉冲，再通过计数器进行累加计数，进而得到入射信号的能量。光子计数型像素探测器不仅可以极大提高帧刷新率，还能实现“零噪声”成像，因此在各个领域中得到推广和应用。
4.然而，当像素探测器的尺寸减小到一定程度，伴随而来的就是电荷共享效应导致的能量分辨率下降的问题。在像素探测器进行能量探测时，传感器中产生的正负电荷束团在向收集极漂移过程中，其束团直径会不断增大，进而导致收集极平面上的束斑会同时击中几个像素而不是某一个像素，此时各个像素所接受的电荷量之和为束团的实际能量。在光子计数型探测器中，分布于不同像素的同一束斑电荷有可能因多数过阈而导致多计数，也有可能因为电荷较为分散且在阈值之下而导致漏计数，这两种情况都将使得探测器的能量分辨率降低，从而影响探测器的探测效率。
5.现有的技术不能处理电压较小的情况，存在较大的应用局限性，而且其像素间的互连关系较为复杂，需要实现7个像素之间的互连互通，在具体实现上较为繁琐冗余。


技术实现要素：

6.鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种像素探测器。
7.第一方面，提供一种像素探测器，包括阵列排布的多个像素单元，任意相邻的三行三列像素单元作为一个模块，每个所述像素单元包括：局部甄别模块，用于获取中心像素信号，将获取的中心像素信号与设定的中心像素局部阈值进行比较并获得中心像素的局部甄别信号；
8.全局甄别模块，用于获取所述中心像素信号，以及中心位置像素其中一角三个相邻像素的信号，并依次作为第一像素信号、第二像素信号和第三像素信号，将所述中心像素信号、所述第一像素信号、所述第二像素信号和所述第三像素信号进行叠加后与设定的中心像素总能量阈值进行比较，并获得中心像素的全局甄别信号；
9.仲裁模块，用于获取所述中心像素的局部甄别信号、第一像素的局部甄别信号、第二像素的局部甄别信号、第三像素的局部甄别信号，获取第四像素的最大值信号和全局甄别信号，所述第四像素与所述第二像素位于所述中心像素两端，并根据上述信号判断所述
中心像素是否需要进行计数；
10.计数模块，用于根据所述仲裁单元的结果，在需要进行计数的时候加一。
11.根据本技术实施例提供的技术方案，通过将像素互联逻辑设计为五个像素互联，对中心像素的计数判断只需通过该中心像素周边的其他四个像素即可，提供了更简单更高效的实现方案。
附图说明
12.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
13.图1为本实施例中像素探测器结构示意图；
14.图2为本实施例中像素探测器结构示意拓展图；
15.图3为本实施例中仲裁模块结构示意图；
16.图4为本实施例中像素排列示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
18.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
19.请参考图1，本实施例提供一种像素探测器，包括阵列排布的多个像素单元，任意相邻的三行三列像素单元作为一个模块，每个所述像素单元包括：局部甄别模块10，用于获取中心像素信号，将获取的中心像素信号与设定的中心像素局部阈值进行比较并获得中心像素的局部甄别信号；
20.全局甄别模块20，用于获取中心像素信号，以及中心位置像素其中一角三个相邻像素的信号，并依次作为第一像素信号、第二像素信号和第三像素信号，将所述中心像素信号、所述第一像素信号、所述第二像素信号和所述第三像素信号进行叠加后与设定的中心像素总能量阈值进行比较，并获得中心像素的全局甄别信号；
21.仲裁模块30，用于获取所述中心像素的局部甄别信号、第一像素的局部甄别信号、第二像素的局部甄别信号、第三像素的局部甄别信号，获取第四像素的最大值信号和全局甄别信号，所述第四像素与所述第二像素位于所述中心像素两端，并根据上述信号判断所述中心像素是否需要进行计数；
22.计数模块40，用于根据所述仲裁单元的结果，在需要进行计数的时候加一。
23.本实施例提供的像素探测器设置有多个像素单元，多个像素单元为阵列分布，当需要确定某一个像素单元中的计数信息时，通过以该像素单元作为中心将一个三行三列的像素形成一个模块，通过该模块内的各个像素单元的信号进行判断和计算，进一步的通过将像素互联逻辑设计为五个像素互联，对中心像素的计数判断只需采用该中心像素周边的其他四个像素即可，提供了更简单更高效的实现方案。本实施例中的像素探测器是设置在每一个像素内的各个模块，其中上述的中心像素指的就是当前需要进行计数操作的像素，
其他第一像素、第二像素等等均指围绕该中心像素周围的八个像素中的部分像素，具体像素分布图如图4所示，需要进行计数操作的为中心像素，分布在该中心像素周围的八个像素可以通过第一像素、第二像素进行区分，进一步的还可以根据与中心像素之间的位置关系进行区分，分为东像素、南像素、西像素、北像素、东南像素、西南像素、东北像素和西北像素，当进行计数操作时，确定好方向后，其他像素的计数操作的方向也与本实施中的方向相同。
24.每一个需要进行计数操作的像素均为中心像素，因此，首先获取该中心像素的信号，该中心像素输入信号经过两级的处理，分别是局部甄别和全局甄别，最终两路数字信号在冲裁模块中与相邻的其他像素的数字信号一起执行逻辑运算，进而判断该组像素是否需要执行累加计数操作以及需要执行计数动作的具体像素位置。
25.其中，首先具体包括中心像素信号与来自其他三个像素的信号进行求和，其他三个像素为第一像素信号、第二像素信号和第三像素信号，第一像素、第二像素和第三像素为位于中心像素一个角的三个相邻像素，举例说明，该第一像素信号例如为北像素信号，第二像素信号为西北像素信号，第三像素信号为西像素信号，或者该第一像素的信号为东像素信号，第二像素信号为东南像素信号，第三像素信号为南像素信号等等，满足上述条件即可，求和后的信号与中心像素的总能量阈值进行比较，得到该中心像素的全局甄别信号，具体的方式为，若求和后的信号过阈即大于中心像素的总能量阈值，则说明该组像素需要执行计数操作，则输出的全局甄别信号可为高电平信号，否则输出的全局甄别信号为低电平信号，该全局甄别的支路可以减少光子计数型探测器的多计数问题；同时包括中心像素信号与局部阈值比较，得到局部甄别信号具体的方式为，若中心像素信号过阈即大于中心像素的局部阈值，则输出的局部甄别信号可为高电平信号，否则输出的局部甄别信号为低电平信号；其次，全局甄别信号和局部甄别信号在仲裁模块中与上述第一至第三像素的局部甄别信号、以及第四像素的全局甄别信号和最大值信号进行一定的逻辑运算，上述第四像素为与第二像素相对的像素，根据上述举例，第一种情况时第四像素为东南像素，第二种情况时第四像素为西北像素，通过上述的逻辑运算判断出该组像素中需要执行计数操作的像素位置，该过程可以减少光子计数型像素探测器的漏计数问题。
26.上述第四像素，例如东南像素的全局甄别信号和最大值信号来自于该像素中的模块，具体来自该像素单元内部中的仲裁模块，具体会在下文中进行详细说明。
27.上述全局甄别模块获取的中央像素信号、第一像素信号、第二像素信号、第三像素信号均为放大后的信号，在全局甄别模块和局部甄别模块进行计算之前，有一个信号放大的过程，因此，这里采用的信号均为放大后的信号，具体会在下文中进行详细说明。
28.像素探测器的尺寸缩小到一定程度时，目前主流的单像素面积尺寸是55um*55um，电荷共享效应就会逐渐明显，这种效应对于低能量信号而言，即输入小信号的情况，会产生更为严重的不良影响，极大降低其能量分辨率以及探测效率。举例来说，在硅材料像素探测器中，输入一个8kev的光子信号，为了便于理解，在此仅仅讨论能量均分情况，由于电荷共享效应的存在，可能会导致4个像素上分别得到了2kev的能量，这时就要求像素单元内前端电路的最小能量分辨可以达到2kev，要知道这无异于将能量分辨率的指标要求提高到原来的4倍，而相对应2kev能量信号转换后的554e-极小电荷量，即极小电压信号而言，对于后续的甄别电路提出了几乎不切实际的要求，该电路无法识别如此小的电压信号，因此这些小
电压信号会淹没在噪声线里而无法产生数字化转换结果的输出信号，低能量信号淹没在噪声信号，直接导致的结果就是该8kev的低能量信号无法被探测，即会导致光子计数型探测器的漏计数现象，进而降低其探测效率。
29.进一步的，所述局部甄别模块10包括顺次连接的第一电压电流转换单元11、第一放大单元12和第一比较单元13；
30.所述第一电压电流转换单元11用于将中心像素信号由电压信号转换为电流信号；
31.所述第一放大单元12用于将转换后的电流信号放大为电压信号；
32.所述第一比较单元13用于将放大后的电压信号与设定的中心像素局部阈值比较，获得局部甄别信号。
33.由于上述的漏计数，小信号难以计算等问题，本实施例中在局部甄别模块中具体设置了第一电压电流转换单元，将中心像素信号转换为电流信号，之后再通过第一放大单元进行放大，这样一来，原来经过电荷共享效应后被削弱能量的小电压信号就可以转换为被局部甄别电路分辨的大电压信号，便于在后续的电路模块中继续执行相关的信号运算得到局部甄别信号。本实施例中的局部甄别模块解决了小信号输入的问题，能够实现小电压信号的识别和操作。
34.进一步的，所述全局甄别模块20包括：第二电压电流转换单元21，用于将中心像素信号由电压信号转换为电流信号；
35.第三电流转换单元22，用于获取第一像素信号、第二像素信号和第三像素信号，并将上述信号由电压信号转换为电流信号；
36.电流叠加单元23，用于将转换后的中心像素信号、第一像素信号、第二像素信号和第三像素信号进行叠加；
37.第二放大单元24，用于将叠加后的电流信号放大为电压信号；
38.第二比较单元25，用于将放大后的电压信号与设定的总能量阈值进行比较，获得全局甄别信号。
39.由于上述的漏计数，小信号难以计算等问题，本实施例中在全局甄别模块中具体设置了第二电压电流转换单元和第三电压电流转换单元，将中心像素信号、第一像素信号、第二像素信号和第三像素信号转换为电流信号进行叠加，通过直接将电流信号进行叠加实现较为简单，之后再通过第二放大单元进行放大，这样一来，原来经过电荷共享效应后被削弱能量的小电压信号就可以转换为被全局甄别模块分辨的大电压信号，便于在后续的电路模块中继续执行相关的信号运算得到中心像素的全局甄别信号。其中，本实施例中的全局甄别模块的设计除了解决小输入信号外，其采用直接将电流信号相加求和的方法，也极大简化了电路的设计和实现，避免了电流信号和电压信号再次转换以及积分电容的使用，为各个像素单元整体电路的设计降低了复杂度和冗余度。
40.进一步的，所述仲裁模块30包括：最大值单元31，用于获取中心像素、第一像素、第二像素和第三像素的局部甄别信号，并进行比较获得最大值信号，
41.第一运算单元32，用于获取所述最大值信号和所述中心像素的全局甄别信号进行运算，获得第一运算结果；
42.第二运算单元33，用于获取所述第四像素的最大值信号和所述第四像素的全局甄别信号进行运算，获得第二运算结果；
43.第三运算单元34，用于获取所述第一运算结果和所述第二运算结果进行运算，获得计数信号，并将所述计数信号传递至所述计数模块。
44.本实施例中的仲裁模块通过将中心像素的局部甄别信号、全局甄别信号与其他三个像素的信号等进行一定的逻辑运算，进而判断出该组像素中需要执行计数操作的像素位置；上述的其他三个像素即为前文所述的第一至第三像素。
45.如图3所示，具体的，该仲裁模块包括最大值单元，通过该单元将中心像素的局部甄别信号和与该中心像素相邻的三个像素的局部甄别信号在该最大值单元中进行逻辑运算，若中心像素的局部甄别信号为最大值，则该最大值单元输出高电平信号，反之，该中心像素的局部甄别信号不是最大值，则该最大值单元输出低电平信号；
46.随后进行两个运算单元的运算，第一运算单元将最大值信号和中心像素的全局甄别信号进行运算，第二运算单元将第四像素的最大值信号和该第四像素的全局甄别信号进行运算，进一步的在通过第三运算单元将上述两个运算单元的结果进行第三次运算，最终得到计数信号，若该中心像素需要累加操作，则第三运算单元产生高电平信号，输出至计数模块的为高电平信号，计数模块进行计数，否则，第三运算单元产生低电平信号，输出至计算模块的为低电平信号，计数模块不进行计数。其中，本实施例中通过第二运算单元进行第四像素最大值信号和全局甄别信号的运算，通过该运算过程消除一些特殊场景，例如当该中心像素为最边缘的像素，例如左上角的像素，则正对该中心像素的北像素、西像素和西北像素的信号均为0，则前面的计算和比较过程计算出的结果也都是0，则此时需要通过第四像素即东南像素的数据，以便于仲裁模块能够准确的对当前的中心像素的情况进行判断。
47.进一步的，所述最大值单元31具体用于在所述中心像素的局部甄别信号为最大值时产生高电平信号，
48.否则产生低电平信号。
49.本实施例中详细给出了最大值单元的运算方式，该最大值单元通过四个像素的信号进行判断，实现方式简单，易实现。
50.进一步的，所述最大值单元31还用于将所述最大值信号发送至第二像素。
51.如图2所述，本实施例中的每个像素均设有上述计算模块，并且像素之间也相互连通进行信号的交互，因此，该最大值单元还将当前中心像素的最大值信号发送至第二像素，以便于第二像素进行计算和判断的时候，采用该最大值信号进行计算。例如当该第二像素为西北像素时，将中心像素的最大值信号发送至西北像素，使得该西北像素最为中心像素时，当前的中心像素便成为了上述西北像素的东南像素，因此，上述西北像素作为中心像素时，仲裁模块在运算时需要用到东南像素的最大值信号进行运算；上述过程说明了各个像素之间的信号互联。
52.进一步的，所述第一运算单元、所述第二运算单元和所述第三运算单元为与非门。
53.本实施例中采用与非门作为上述运算单元的逻辑门，还可以为其他逻辑门，可根据实际情况选择，例如或非门、同或门等等。
54.进一步的，还包括电荷放大模块，用于获取中心像素信号并进行放大，将放大后的中心像素信号传输至所述局部甄别模块和所述全局甄别模块。
55.本实施例中在中心像素传递至局部甄别模块和全局甄别模块之前就进行第一级的放大，使得原来经过电荷共享效应后被削弱能量的小电压信号就可以转换为被局部或全
局甄别模块电流分别的大电压信号，便于在后续的电路模块中继续执行相关的信号运算。并且当前像素单元与周边的像素单元进行信号交互的时候，传递的也是经过该电荷放大模块第一极放大后的信号，便于本像素单元以及周边像素单元中的信号识别和计算。具体的如图1所示，局部甄别模块发送的中心像素信号为经过该电荷放大模块放大后的中心像素信号，全局甄别模块中的第三电压电流转换单元获取的第一像素信号、第二像素信号和第三像素信号均为各个像素单元中经过本单元的电荷放大模块放大后的信号。
56.进一步的，所述局部甄别模块还用于：将放大后的中心像素信号和所述中心像素的局部甄别信号发送至所述第四像素、第五像素和第六像素，所述第五像素和所述第六像素为与所述中心像素和所述第四像素均相邻的像素。
57.如图2所示，为了实现各个像素之间的通信连接，局部甄别模块将当前中心像素的局部甄别信号发送至所述第四像素、第五像素和第六像素，以便于第四像素、第五像素、第六像素作为中心像素进行计算的时候，需要使用当前中心像素的信号值，该第五像素、第六像素分别于中心像素相邻、与第四像素相邻，因此该第四至第六像素与第一至第三像素分别位于该中心像素的两个相对的角。
58.进一步的，所述全局甄别模块还用于将所述中心像素的全局甄别信号发送至所述第二像素。
59.如图2所示，本实施例中的全局甄别模块还将中心像素的全局甄别信号发送至第二像素，例如当该第二像素为西北像素时，将中心像素的全局甄别信号发送至西北像素，使得该西北像素最为中心像素时，当前的中心像素便成为了上述西北像素的东南像素，因此，上述西北像素作为中心像素时，仲裁模块在运算时需要用到东南像素的全局甄别信号进行运算；上述过程说明了各个像素之间的信号互联。
60.本实施例中采用了一种简介的方式解决了电荷共享效应，该方案整体实现简单，只要使用到中心像素以及周围四个像素的信号；同时还能解决小信号输入的极端情况，使得小信号输入也能进行计数。
61.以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。