SiPM阵列的读出电路和读出方法以及读出系统与流程

sipm阵列的读出电路和读出方法以及读出系统
技术领域
1.本技术涉及辐射探测器领域，尤其涉及一种sipm阵列的读出电路和读出方法以及读出系统。


背景技术：

2.随着半导体技术的发展，硅光电倍增管(sipm)由于其具备体积小，工作电压低，对磁场不敏感，响应均匀性好，易封装，造价低等优点，在辐射探测器领域得到了越来越广泛的应用。与传统的光电倍增管(pmt)相比，硅光电倍增器件能够解决探测、定时和量化低光信号到单光子水平的问题，并且几乎具有固态传感器的所有优点。
3.但是，硅光电倍增管由于暗噪声计数率远远高于光电倍增管(pmt)，因此，在对能量检测下限要求较高的应用上，还存在进一步提高的余地。例如，在将大面积sipm阵列与块状闪烁体耦合后对低能x射线或者伽马射线进行测量时，明显存在能量探测下限较高的问题。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供sipm阵列读出电路以及sipm阵列读出系统，能够降低噪声事件的误触发，有效改善sipm阵列面积越大暗噪声水平越高的问题，并且能够大幅降低sipm阵列的能量检测下限。
5.本技术的目的采用以下技术方案实现：
6.本技术的一个方面提供了一种sipm阵列读出电路，包括：sipm阵列，被分割为预定个数的分组，所述sipm阵列中的sipm芯片用于检测与该sipm芯片耦合的发光体发出的光信号；运算放大器，用于针对每个所述分组对所述光信号进行求和，并输出每个所述分组的求和结果；总运算放大器，用于对所述运算放大器的所述求和结果进行运算，得到总求和信号；比较器，用于将来自所述运算放大器的所述求和结果分别与预先设定的阈值进行比较，并且输出所述比较器的比较结果；与门，用于将所有的所述比较结果合并，生成控制信号；以及模拟开关，用于根据所述控制信号输出所述总求和信号。
7.根据本技术的一个方面，通过sipm阵列分区自符合的方式，可以降低噪声事件的误触发，有效改善sipm阵列面积越大暗噪声水平越高的问题，大幅降低sipm阵列的能量检测下限，让更多的应用方向可以使用sipm阵列来替代传统的pmt进行光电探测。
8.优选地，在本技术的sipm阵列读出电路中，所述比较器仅在每个所述分组的求和结果都超过阈值的情况下，输出所述比较结果。
9.根据该结构，只有在所有分组的求和结果都超过阈值的情况下，才输出比较结果，这样能够减少输出的次数，降低能量消耗。
10.优选地，在本技术的sipm阵列读出电路中，所述sipm阵列读出电路还包括延时模块，所述模拟开关根据所述控制信号输出经过所述延时模块后的所述总求和信号。
11.根据该结构，由于在控制信号的输出过程中经过了延时模块，因此能够实现实现
信号传输的延时。
12.优选地，在本技术的sipm阵列读出电路中，所述比较器的数量与sipm阵列被分割的分组数量相同，并且每个比较器均使用相同的阈值。
13.根据该结构，通过使比较器的数量与sipm阵列被分割的分组数量相同，并且使每个比较器的阈值均相同，从而能够使比较器的结果更准确，更容易掌握比较器的结果。
14.优选地，在本技术的sipm阵列读出电路中，所述模拟开关为单通道模拟开关。
15.根据该结构，能够实现信号链路中的信号切换，并且响应快速且准确、无机械触点、体积小和使用寿命长。
16.优选地，在本技术的sipm阵列读出电路中，所述预定个数的所述求和结果分别经过所述预定个数的比较器。
17.根据该结构，能够使比较器的结果更准确，更容易掌握比较器的结果。
18.优选地，在本技术的sipm阵列读出电路中，所述sipm阵列由被分割为预定个数的分组的所述sipm芯片按照一定顺序排列而成。
19.根据该结构，能够根据产品需要自由地设计sipm芯片阵列，设计上更自由。
20.优选地，在本技术的sipm阵列读出电路中，每个所述分组的sipm芯片的数量相同；所述sipm阵列从内到外设置有多个环形结构，且每个所述环形结构中sipm芯片的数量是预定个数的一倍或多倍。
21.根据该结构，能够将sipm阵列设置为多层环形结构，每层环形结构中设置有预定个数的倍数数量的sipm芯片，用户可以根据实际应用中的性能需求和成本需求设置每层环形结构中sipm芯片的数量和疏密程度，适用范围广。
22.优选地，在本技术的sipm阵列读出电路中，每个所述环形结构中，所有sipm芯片的从外向内的轴向延伸线相交于一点。
23.根据该结构，sipm芯片的排列更有规则性，易于加工，有助于提高产品良率。
24.优选地，在本技术的sipm阵列读出电路中，每个环形结构中对应每个分组的sipm芯片的数量相同。
25.根据该结构，使得每个分组都有较为均等的几率接收到放射性物质，后续每个分组对应的运算放大器和比较器的运算量比较平均，避免部分分组对应的器件承担的运算量较大、另外一些分组对应的器件赋闲的情况，从整体上提高数据处理效率。
26.本技术的另一个方面提供了一种sipm阵列读出方法，其特征在于，包括：利用被分割为预定个数的分组的sipm阵列中的sipm芯片检测与该sipm芯片耦合的发光体发出的光信号；针对每个所述分组对所述光信号进行求和，并输出每个所述分组的求和结果；对所述求和结果进行运算，得到总求和信号；将所述求和结果分别与预先设定的阈值进行比较，并且输出比较结果；将所有的所述比较结果合并，生成控制信号；以及根据所述控制信号输出所述总求和信号。
27.根据本技术的一个方面，通过sipm阵列分区自符合的方式，可以降低噪声事件的误触发，有效改善sipm阵列面积越大暗噪声水平越高的问题，大幅降低sipm阵列的能量检测下限，让更多的应用方向可以使用sipm阵列来替代传统的pmt进行光电探测。
28.本技术的再一个方面提供了一种sipm阵列读出系统，其特征在于，包括上述的sipm阵列读出电路。
29.根据本技术的一个方面，通过sipm阵列分区自符合的方式，可以降低噪声事件的误触发，有效改善sipm阵列面积越大暗噪声水平越高的问题，大幅降低sipm阵列的能量检测下限，让更多的应用方向可以使用sipm阵列来替代传统的pmt进行光电探测。
附图说明
30.下面结合附图和实施例对本技术进一步说明。
31.图1是本技术实施例提供的一种sipm阵列读出电路的结构框图；
32.图2是本技术实施例提供的一种sipm阵列读出电路的结构示意图；
33.图3是本技术实施例提供的一种sipm阵列读出电路的流程示意图。
具体实施方式
34.下面，结合附图以及具体实施方式，对本技术做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
35.本技术实施例中提供一种sipm阵列读出电路100，能够降低噪声事件的误触发，有效降低sipm阵列的暗噪声水平，大幅降低sipm阵列的能量检测下限。
36.图1是本技术实施例提供的一种sipm阵列读出电路的结构框图。图2是本技术实施例提供的一种sipm阵列读出电路的结构示意图。如图1和图2所示，本技术实施例的sipm阵列读出电路100包括：sipm阵列101、运算放大器102、总运算放大器103、比较器104、与门105、模拟开关106。
37.sipm阵列101，被分割为预定个数的分组，其中的sipm芯片用于检测与该sipm芯片耦合的发光体发出的光信号。该硅光电倍增管(silicon photomultiplier，简称sipm)，由工作在盖革模式的雪崩二极管阵列组成，具有增益高、灵敏度高、偏置电压低、对磁场不敏感、结构紧凑等特点，被广泛应用于高能物理及核医学(pet)等领域。而且，该sipm阵列由被分割为m个分组的sipm芯片按照一定顺序排列而成。从而使用者能够根据产品需要自由地设计sipm芯片阵列，设计上更自由。
38.运算放大器102，用于针对m个分组中的每个分组对光信号进行求和，并输出每个分组的求和结果。运算放大器102(简称“运放”)是具有很高放大倍数的电路单元，其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果，大部分的运算放大器102是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，例如，高阻型、低温漂型、高速型、低功耗型、高压大功率型、可编程控制型等，并被广泛应用于电子行业。
39.总运算放大器103，用于对运算放大器102的求和结果进行运算，得到总求和信号。总运算放大器103可以是与运算放大器102相同的放大器，也可以与运算放大器102不同。总运算放大器103是位于运算放大器102下游的放大器。
40.比较器104，用于将来自运算放大器的求和结果分别与预先设定的阈值进行比较，并且输出比较器的比较结果。比较器104对两个或多个数据项进行比较，以确定它们是否相等，或确定它们之间的大小关系及排列顺序称为比较。优选地，比较器是104将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。该阈值即所谓基准电压可以根据需要进行设定。比较器104的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号0或1。本技术实施例中，比较器104的
数量也为m个，并且，比较器104仅在m个分组的求和结果都超过阈值的情况下，输出所述比较结果。此处，优选地，使每个比较器104的阈值均相同。并且，优选地，m个求和结果分别经过m个比较器104。
41.与门105，用于将上述m个比较器的比较结果合并，生成控制信号。与门又称“与电路”，是执行“与”运算的基本逻辑门电路，与门105有多个输入端，一个输出端。当所有的输入同时为高电平(逻辑1)时，输出才为高电平，否则输出为低电平(逻辑0)。可以通过使用cmos逻辑、nmos逻辑、pmos逻辑以及二极管实现等来实现与门的作用。该控制信号是后述的模拟开关106例如单通道模拟开关所需的控制信号。
42.模拟开关106，用于根据控制信号输出总求和信号。模拟开关106完成信号链路中的信号切换功能，其采用例如mos管的开关方式实现了对信号链路关断或者打开。根据应用需求不同，模拟开关106可以分为音频模拟开关、视频模拟开关、数字开关、通用模拟开关等。此处，模拟开关106优选为单通道模拟开关。
43.sipm阵列读出电路100还包括延时模块107，模拟开关106根据控制信号输出经过延时模块107后的总求和信号。延时模块107位于总运算放大器103的下游，对来自总运算放大器103的总求和信号进行延时处理，从而实现对sipm阵列读出电路的输出的精确控制。
44.图3是本技术实施例提供的一种sipm阵列读出方法的流程示意图。如图3所示，本技术的sipm阵列读出方法包括：步骤s101，利用被分割为预定个数的分组的sipm阵列中的sipm芯片检测与该sipm芯片耦合的发光体发出的光信号；步骤s102，针对每个所述分组对所述光信号进行求和，并输出每个所述分组的求和结果；步骤s103，对所述求和结果进行运算，得到总求和信号；步骤s104，将所述求和结果分别与预先设定的阈值进行比较，并且输出比较结果；步骤s105，将所有的所述比较结果合并，生成控制信号；以及步骤s106，根据所述控制信号输出所述总求和信号。
45.参照图2和图3，对sipm阵列读出方法的具体实施过程进行说明。本技术的sipm阵列读出方法应用于带自符合功能的sipm求和读出电路。以下仅为用于说明本技术的sipm阵列读出方法的一个实施例，并不用于限定本发明。
46.首先，前端sipm阵列由m个分组的sipm芯片按一定顺序排列而成，其中，本实例为圆形sipm阵列，实际上也可为方形。接着，各个分组对应的sipm信号求和后输出m个分组求和信号。然后，这m个信号分别经过m个比较器，每个比较器均使用相同的阈值。并且，只有当m个分组求和信号同时超过阈值的情况下才判断为有效事件(m个分组间自符合)，通过与门(and gate)合并m个比较器的输出，从而生成单通道模拟开关所需的控制信号。另外，仅仅输出符合条件并经过了延时模块的m个分组的总求和信号。
47.其中，m是大于1的整数，m例如是2、3、4、5、6、8、9、16等。
48.在一些实施方式中，每个所述分组的sipm芯片的数量可以相同；所述sipm阵列从内到外设置有多个环形结构，且每个所述环形结构中sipm芯片的数量是预定个数的一倍或多倍。由此，能够将sipm阵列设置为多层环形结构，每层环形结构中设置有预定个数的倍数数量的sipm芯片，用户可以根据实际应用中的性能需求和成本需求设置每层环形结构中sipm芯片的数量和疏密程度，适用范围广。
49.图3示出了一种具体实施方式，最内层的环形结构中包含m个sipm芯片，次内层的环形结构中包含2m个sipm芯片，最外层的的环形结构中包含m个sipm芯片。
50.在一个具体应用中，每个所述环形结构中，所有sipm芯片的从外向内的轴向延伸线可以相交于一点。这样，sipm芯片的排列更有规则性，易于加工，有助于提高产品良率。
51.在一个具体应用中，每个环形结构中对应每个分组的sipm芯片的数量可以相同。这样，使得每个分组都有较为均等的几率接收到放射性物质，后续每个分组对应的运算放大器和比较器的运算量比较平均，避免部分分组对应的器件承担的运算量较大、另外一些分组对应的器件赋闲的情况，从整体上提高数据处理效率。
52.本技术实施例还提供一种sipm阵列读出系统，该系统包括上述的sipm阵列读出电路100。其具体实现方式与上述方法的实施例中记载的实施方式、所达到的技术效果一致，部分内容不再赘述。
53.本技术从使用目的上，效能上，进步及新颖性等观点进行阐述，其设置有的实用进步性，已符合专利法所强调的功能增进及使用要件，本技术以上的说明及附图，仅为本技术的较佳实施例而已，并非以此局限本技术，因此，凡一切与本技术构造，装置，特征等近似、雷同的，即凡依本技术专利申请范围所作的等同替换或修饰等，皆应属本技术的专利申请保护的范围之内。