一種基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀的製作方法
2023-06-05 11:56:47
本發明涉及高能物理與粒子物理應用、天文物理裝備和光電子學領域，尤其涉及一種基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀。
背景技術：
矽光電倍增器是一種由多個工作在計數模式下的雪崩二極體組成的陣列。該器件中組成陣列的微元（Mirco-Cell）是雪崩二極體，能夠快速地響應作用光子。由於作用光子的數目在絕大多數應用中都大於1，因而有必要將雪崩二極體做成陣列，以響應不同數目的光子。在一個較短的時間周期內，響應光子的微元數目與射入光子數目的期望具有單調的對應關係。根據這種對應關係，測量微元數目能夠間接地反映射入光子束的流強。
矽光電倍增器在閃爍光探測、微弱光探測、量子物理和高能物理實驗中都具有廣泛的應用價值。現有的伽馬暴巡檢儀主要採用低背景計數的真空管光電倍增器（Photo-Multiplier Tube，以下簡稱PMT）構成儀器中的光電轉換器件。但由於光電倍增器尺寸較大，易碎，集成度和自動化程度低，使得已有的伽馬暴巡檢儀建造成本較高。另一方面，高速發展的矽光電倍增器（Si-PhotoMultiplier，以下簡稱SiPM）在應用於伽馬暴巡檢儀時背景計數太高，使其在相關輻射探測領域中的推廣受到了巨大的限制。
由於已有的基於PMT的伽馬暴巡檢儀的成本過高，同時基於SiPM的伽馬暴巡檢儀背景計數過高，有必要提出一種背景計數小、結構更加靈活緊湊、成本低廉的基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀，獲得更加準確的能量信息和事件時間信息。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀，該系統能在雪崩二極體響應光子的最早階段實現數位化，具有時間空間解析度較好、背景計數小、結構更加靈活緊湊、成本低廉的特點，基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀，能夠獲得更加準確的能量信息和事件時間信息。
為實現上述目的，本發明提供一種基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀，包括以下模塊：
量子光學探頭模塊100，用於將高能光子轉換為可見光光子和軟紫外光光子。從宇宙射線光子擊中量子光學探頭的閃爍晶體部分開始的1微秒時間內，量子光學探頭模塊將高能光子的能量轉化為若干可見光光子和軟紫外光光子。這些光子在透明材質的閃爍晶體中輸運至出光玻璃，射入光電耦合面。量子光學探頭模塊100包括探頭機械模塊110，閃爍晶體模塊120，出光光學模塊130，反射光學模塊140，防潮解模塊150；
SiPM模擬信號模塊200，用於將可見光光子和軟紫外光子轉化為若干電信號，這些多路電信號輸出給後端的模數轉換器進行處理。SiPM模塊200包括SiPM亞像素模塊210，SiPM亞像素封裝模塊220，增透光學層模塊230；
多路通道符合電路模塊300，用於過濾背景計數事件，採用時間符合的方法構建邏輯與門，同時激活所有通道的事件，才被認為是非背景事件。多路通道符合電路模塊300包括閾值斬波電路模塊310，加法電路模塊320，延遲電路模塊330，定時電路模塊340，選通電路模塊350，放大電路模塊360；
閃爍脈衝信號處理模塊400，提取多路通道符合電路模塊300輸出信號的時間、能量信息。其中包括：模擬數字轉換電路模塊410，時間標記數字電路模塊420，脈衝幅度電路模塊430，時鐘電路模塊440，時間屬性封裝電路模塊450，壓縮與傳輸接口模塊460，出譜與顯示模塊470。
探頭機械模塊110，隸屬於量子光學探頭模塊100，用於支撐閃爍晶體，並阻擋一部分X射線光子和紫外光光子，由成形金屬構成，外形和閃爍晶體的外表面一致，在閃爍晶體的出光面鏤空；
閃爍晶體模塊120，隸屬於量子光學探頭模塊100，用於吸收高能光子並轉化為一簇可見光光子和軟紫外光光子，由一種滷化稀土半導體構成，外表面除出光層以外封包反射光學模塊140；
出光光學模塊130，隸屬於量子光學探頭模塊100，用於透射閃爍光子，由透光玻璃構成，形狀大小和探頭機械模塊的鏤空緊密粘合，能隔絕空氣中的水汽與閃爍晶體接觸；
反射光學模塊140，隸屬於量子光學探頭模塊100，用於反射閃爍光子，由反射薄膜材料構成，其外形大小和閃爍晶體除出光面的外表面吻合；
防潮解模塊150，隸屬於量子光學探頭模塊100，用於隔絕外部空氣和水氣，吸收閃爍晶體的溼氣，包括塗覆在反射光學模塊與探頭機械模塊之間的吸溼材料和粘合出光光學模塊130和探頭機械模塊110的透明膠體材料。
SiPM亞像素模塊210，隸屬於SiPM模擬信號模塊200，用於劃分獨立的探測微元，輸出獨立的亞像素光電信號，根據系統中存在的微元數目N，定義獨立輸出的亞像素光電信號為{S1, S2, ..., SN}；
SiPM亞像素封裝模塊220，隸屬於SiPM模擬信號模塊200，用於將不同的亞像素模塊對齊到同一高度，使所有的亞像素SiPM都能夠緊密貼合出光光學模塊130，由環氧樹脂構成；
增透光學層模塊230，隸屬於SiPM模擬信號模塊200，用於增加SiPM的吸收光子的數目，由增透光學薄膜構成，塗覆於SiPM表面。
閾值斬波電路模塊310，隸屬於多路通道符合電路模塊300，微元的慢輸出口通過比較電路進行斬波處理，保證其正性輸出不超越量程，並具有等幅值特徵；
加法電路模塊320，隸屬於多路通道符合電路模塊300，根據閾值斬波電路模塊310中的斬波信號，將斬波信號加和輸出，當所有亞像素光電信號值都為1時，{S1, S2, ..., SN}的加和值為N，顯示所有的亞像素模塊都被光信號激活；
延遲電路模塊330，隸屬於多路通道符合電路模塊300，將所有獨立輸出的亞像素光電信號直接加和並延遲10ns到20 ns；
定時電路模塊340，隸屬於多路通道符合電路模塊300，接收加法電路模塊的輸出，若收到的電信號為N，定時電路定時20 ns 置N輸出；
選通電路模塊350，隸屬於多路通道符合電路模塊300，根據定時電路模塊的輸出選通放大電路模塊，當定時電路模塊輸出為N時，選通放大電路模塊360，當定時電路模塊340輸出不為N時，禁用放大電路模塊360；
放大電路模塊360，隸屬於多路通道符合電路模塊300，由選通電路模塊350控制，對延遲電路模塊330的輸出信號進行幅值放大。
模擬數字轉換電路模塊410，隸屬於閃爍脈衝信號處理模塊400，該電路用於將閃爍脈衝進行模擬數字轉換；
時間標記數字電路模塊420，隸屬於閃爍脈衝信號處理模塊400，用於對到達的閃爍事件進行觸發，並記錄到達時間，從到達時間開始的死時間之內，不額外響應新的事件；
脈衝幅度電路模塊430，隸屬於閃爍脈衝信號處理模塊400，根據事件到達時間計算每個事件的能量，並輸出給事件屬性封裝電路模塊450；
時鐘電路模塊440，隸屬於閃爍脈衝信號處理模塊400，通過連接晶振，從晶振中獲取平穩的時鐘信號，用於為數字電路提供數位化的時間信息；
時間屬性封裝電路模塊450，隸屬於閃爍脈衝信號處理模塊400，用於事件屬性的封裝，該電路將每一個事件的時間信息和能量信息按照二進位編碼為字節流，以時鐘為二進位編碼的邊界，逐個輸出給壓縮與傳輸接口模塊；
壓縮與傳輸接口模塊460，隸屬於閃爍脈衝信號處理模塊400，用於對每一個事件屬性碼元進行壓縮與傳輸，該接口電路能夠保證動態範圍內的事件屬性碼元完整地到達出譜與顯示模塊470；
出譜與顯示模塊470，隸屬於閃爍脈衝信號處理模塊400，用於對事件屬性進行直方圖計數顯示，由帶計數功能的顯示器驅動電路與顯示器構成。
優選地，在上述的基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀中，所述的光束到達時間為光束開始的時間或者光束開始的時間加上一個恆定的常數，該常數適用於整個巡檢儀系統的所有矽光電倍增器，事件處理的死時間內不響應任何事件。
優選地，在上述的基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀中，所述的矽光電倍增器是由工作在計數模式下的雪崩二極體構成的光電探測陣列，其中每一個雪崩二極體稱為一個微元。
優選地，在上述的基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀中，所述的矽光電倍增器亞像素包含的微元數目M大於5，N個亞像素微元組成一個像素，一個像素包含MN個微元。
優選地，在上述的基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀中，所述的閾值斬波電路在亞像素信號超過閾值時，閾值斬波電路輸出1，而在亞像素信號低於閾值時，閾值斬波電路輸出0。
從上述技術方案可以看出，通過採用本發明的基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀，能在最早階段實現閃爍脈衝的數位化。由於該系統不需要對探測器進行低溫處理而免於暗計數影響，因此具有更佳的普適性和實用性。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
（1）時間空間解析度較好；
（2）背景計數小；
（3）結構更加靈活緊湊；
（4）成本低廉。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的有關本發明的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀的系統框圖；
圖2為本發明延遲鏈讀出電路的示意圖。
具體實施方式
本發明公開了一種基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀，該系統能在雪崩二極體響應光子的最早階段實現數位化，具有時間空間解析度較好、背景計數小、結構更加靈活緊湊、成本低廉的特點，基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀，能夠獲得更加準確的能量信息和事件時間信息。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行詳細地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
如圖1所示，本發明公開的基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀，通過以多維的光子脈衝自身屬性，採用微元的原始時空數據，再利用最優化過程獲得的編碼參數和函數形式作為時間標記，具體包括：
量子光學探頭模塊100，用於將高能光子轉換為可見光光子和軟紫外光光子。從宇宙射線光子擊中量子光學探頭的閃爍晶體部分開始的1微秒時間內，量子光學探頭模塊將高能光子的能量轉化為若干可見光光子和軟紫外光光子。這些光子在透明材質的閃爍晶體中輸運至出光玻璃，射入光電耦合面。量子光學探頭模塊100包括探頭機械模塊110，閃爍晶體模塊120，出光光學模塊130，反射光學模塊140，防潮解模塊150。
SiPM模擬信號模塊200，用於將可見光光子和軟紫外光子轉化為若干電信號，這些多路電信號輸出給後端的模數轉換器進行處理。SiPM模塊200包括SiPM亞像素模塊210，SiPM亞像素封裝模塊220，增透光學層模塊230；
多路通道符合電路模塊300，用於過濾背景計數事件，採用時間符合的方法構建邏輯與門，同時激活所有通道的事件，才被認為是非背景事件。多路通道符合電路模塊300包括閾值斬波電路模塊310，加法電路模塊320，延遲電路模塊330，定時電路模塊340，選通電路模塊350，放大電路模塊360；
閃爍脈衝信號處理模塊400，提取多路通道符合電路模塊300輸出信號的時間、能量信息。其中包括：模擬數字轉換電路模塊410，時間標記數字電路模塊420，脈衝幅度電路模塊430，時鐘電路模塊440，時間屬性封裝電路模塊450，壓縮與傳輸接口模塊460，出譜與顯示模塊470。
探頭機械模塊110，隸屬於量子光學探頭模塊100，用於支撐閃爍晶體，並阻擋一部分X射線光子和紫外光光子，由成形金屬構成，外形和閃爍晶體的外表面一致，在閃爍晶體的出光面鏤空；
閃爍晶體模塊120，隸屬於量子光學探頭模塊100，用於吸收高能光子並轉化為一簇可見光光子和軟紫外光光子，由一種滷化稀土半導體構成，外表面除出光層以外封包反射光學模塊140；
出光光學模塊130，隸屬於量子光學探頭模塊100，用於透射閃爍光子，由透光玻璃構成，形狀大小和探頭機械模塊的鏤空緊密粘合，能隔絕空氣中的水汽與閃爍晶體接觸；
反射光學模塊140，隸屬於量子光學探頭模塊100，用於反射閃爍光子，由反射薄膜材料構成，其外形大小和閃爍晶體除出光面的外表面吻合；
防潮解模塊150，隸屬於量子光學探頭模塊100，用於隔絕外部空氣和水氣，吸收閃爍晶體的溼氣，包括塗覆在反射光學模塊與探頭機械模塊之間的吸溼材料和粘合出光光學模塊130和探頭機械模塊110的透明膠體材料。
SiPM亞像素模塊210，隸屬於SiPM模擬信號模塊200，用於劃分獨立的探測微元，輸出獨立的亞像素光電信號，根據系統中存在的微元數目N，定義獨立輸出的亞像素光電信號為{S1, S2, ..., SN}；
SiPM亞像素封裝模塊220，隸屬於SiPM模擬信號模塊200，用於將不同的亞像素模塊對齊到同一高度，使所有的亞像素SiPM都能夠緊密貼合出光光學模塊130，由環氧樹脂構成；
增透光學層模塊230，隸屬於SiPM模擬信號模塊200，用於增加SiPM的吸收光子的數目，由增透光學薄膜構成，塗覆於SiPM表面。
閾值斬波電路模塊310，隸屬於多路通道符合電路模塊300，微元的慢輸出口通過比較電路進行斬波處理，保證其正性輸出不超越量程，並具有等幅值特徵；
加法電路模塊320，隸屬於多路通道符合電路模塊300，根據閾值斬波電路模塊310中的斬波信號，將斬波信號加和輸出，當所有亞像素光電信號值都為1時，{S1, S2, ..., SN}的加和值為N，顯示所有的亞像素模塊都被光信號激活；
延遲電路模塊330，隸屬於多路通道符合電路模塊300，將所有獨立輸出的亞像素光電信號直接加和並延遲10ns到20 ns；
定時電路模塊340，隸屬於多路通道符合電路模塊300，接收加法電路模塊的輸出，若收到的電信號為N，定時電路定時20 ns 置N輸出；
選通電路模塊350，隸屬於多路通道符合電路模塊300，根據定時電路模塊的輸出選通放大電路模塊，當定時電路模塊輸出為N時，選通放大電路模塊360，當定時電路模塊340輸出不為N時，禁用放大電路模塊360；
放大電路模塊360，隸屬於多路通道符合電路模塊300，由選通電路模塊350控制，對延遲電路模塊330的輸出信號進行幅值放大。
模擬數字轉換電路模塊410，隸屬於閃爍脈衝信號處理模塊400，該電路用於將閃爍脈衝進行模擬數字轉換；
時間標記數字電路模塊420，隸屬於閃爍脈衝信號處理模塊400，用於對到達的閃爍事件進行觸發，並記錄到達時間，從到達時間開始的死時間之內，不額外響應新的事件；
脈衝幅度電路模塊430，隸屬於閃爍脈衝信號處理模塊400，根據事件到達時間計算每個事件的能量，並輸出給事件屬性封裝電路模塊450；
時鐘電路模塊440，隸屬於閃爍脈衝信號處理模塊400，通過連接晶振，從晶振中獲取平穩的時鐘信號，用於為數字電路提供數位化的時間信息；
時間屬性封裝電路模塊450，隸屬於閃爍脈衝信號處理模塊400，用於事件屬性的封裝，該電路將每一個事件的時間信息和能量信息按照二進位編碼為字節流，以時鐘為二進位編碼的邊界，逐個輸出給壓縮與傳輸接口模塊；
壓縮與傳輸接口模塊460，隸屬於閃爍脈衝信號處理模塊400，用於對每一個事件屬性碼元進行壓縮與傳輸，該接口電路能夠保證動態範圍內的事件屬性碼元完整地到達出譜與顯示模塊470；
出譜與顯示模塊470，隸屬於閃爍脈衝信號處理模塊400，用於對事件屬性進行直方圖計數顯示，由帶計數功能的顯示器驅動電路與顯示器構成。
以上的基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀中，所述的光束到達時間為光束開始的時間或者光束開始的時間加上一個恆定的常數，該常數適用於整個巡檢儀系統的所有矽光電倍增器，事件處理的死時間內不響應任何事件。
以上的基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀中，所述的矽光電倍增器是由工作在計數模式下的雪崩二極體構成光電探測陣列，其中每一個雪崩二極體稱為一個微元。
以上的基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀中，所述的矽光電倍增器亞像素包含的微元數目M大於5，N個亞像素微元組成一個像素，一個像素包含MN個微元。
以上的基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀中，所述的閾值斬波電路在亞像素信號超過閾值時，閾值斬波電路輸出1，而在亞像素信號低於閾值時，閾值斬波電路輸出0。
圖1為本發明基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀的系統框圖；圖2為本發明延遲鏈讀出時間的示意圖。結合圖1及圖2，通過幾個具體的實施例，對本發明的伽馬暴巡檢儀做進一步描述。本發明提出的伽馬暴巡檢儀系統，其涉及到的集合劃分、函數衍生方式及其優先級順序、編碼系統、性能閾值參數需要根據所獲取數據的特點進行調節以達到足夠的統計性能。此處列出所涉及的應用實施例處理數據的參數。
實例1：基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀
此處列出本實施例1處理數據的參數：
模塊100中採用的機械模塊材質為鋁，閃爍晶體為溴化鑭鈰，出光玻璃為環氧樹脂，反射材料為硫酸鋇粉末；
模塊200中採用的亞像素模塊在每個像素中的個數N=10；
模塊300中採用的定時電路模塊延遲時間長度為16 ns，閾值斬波電路的閾值電壓為100 mV；
模塊400中採用的傳輸接口為乙太網接口，時鐘周期為20 ns，出譜能量間隔為5keV。
實例2：基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀
此處列出本實施例2處理數據的參數：
模塊100中採用的機械模塊材質為塑料，閃爍晶體為碘化鈉，出光玻璃為酚醛樹脂，反射材料為特氟龍膠帶；
模塊200中採用的亞像素模塊在每個像素中的個數N=15；
模塊300中採用的定時電路模塊延遲時間長度為12 ns，閾值斬波電路的閾值電壓為120 mV；
模塊400中採用的傳輸接口為USB接口，時鐘周期為50 ns，出譜能量間隔為10keV。
實例3：基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀
此處列出本實施例3處理數據的參數：
模塊100中採用的機械模塊材質為銅，閃爍晶體為矽酸鐿鑥，出光玻璃為石英玻璃，反射材料為3M™ Enhanced Specular Reflector（增強鏡面反射膜）；
模塊200中採用的亞像素模塊在每個像素中的個數N=20；
模塊300中採用的定時電路模塊延遲時間長度為18 ns，閾值斬波電路的閾值電壓為40 mV；
模塊400中採用的傳輸接口為PCIe接口，時鐘周期為20 ns，出譜能量間隔為50keV。
本發明涉及高能物理與粒子物理應用、核醫學裝備和生物醫學診療領域，尤其涉及一種基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀系統。
通過對比可以看出，通過採用本發明的基於矽光電倍增器和數位化時間標記的伽馬暴巡檢儀，能在最早階段實現閃爍脈衝的數位化。由於該系統不需要對探測器進行低溫處理而免於暗計數影響，因此具有更佳的普適性和實用性。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
（1）時間空間解析度較好；
（2）背景計數小；
（3）結構更加靈活緊湊；
（4）成本低廉。
對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。