一種修正溫度對SiPM增益影響的方法技術

本發明專利技術涉及一種修正溫度對SiPM增益影響的方法，該方法通過一種SiPM暗計數測量算法計算得到SiPM輸出信號中的暗計數率，利用暗計數率與SiPM工作溫度之間的固定關系，確定SiPM的當前溫度，并在此基礎上確定SiPM需要調節的工作偏壓增量參數。從而有效地修正溫度對SiPM增益的影響，提高了系統的穩定性，降低了硬件成本，并提高了系統效率。

【技術實現步驟摘要】
一種修正溫度對SiPM增益影響的方法
本專利技術屬于輻射探測
，具體涉及一種修正溫度對SiPM(siliconphotonmultiplier)增益影響的新方法。
技術介紹
隨著半導體技術的發展，新型硅基光子探測器SiPM得到了快速進步。相較于傳統PMT(photonmultipliertuber)，SiPM具有很多優點，例如：磁場不靈敏特性、體積小、位置分辨率高，以及工作偏壓低等。因此其在很多涉及輻射探測的研究方向，包括高能物理實驗、宇宙射線觀測、核醫學成像和核安全等，有著廣泛的應用前景。但是SiPM也存在一些缺點，例如暗計數和溫度效應。其中溫度效應主要是指SiPM的增益會隨著其自身溫度變化而變化，這將造成其輸出信號的非線性。因此如何修正溫度對SiPM增益的影響成為人們研究的熱點之一。現有技術中可以直接監視SiPM工作電流以代表SiPM的暗電流，通過暗電流與溫度之間的對應關系得到SiPM的工作溫度。再結合SiPM增益與工作溫度的關系，和SiPM增益與工作電壓的關系，通過調節SiPM工作電壓的方式實現穩定其增益的目的，修正溫度對增益的影響。但是由于SiPM的工作電流特別小約為幾十uA，因此對其實現精確監測是較為困難的；另外當SiPM的計數率較高時，SiPM的工作電流主要由其正常放電引起，不能用于直接代表其暗電流。因此該種溫度效應修正方法存在其困難和缺點?，F有技術的另一種方法是直接監測SiPM周圍的環境溫度。同樣通過調節SiPM工作電壓的方式實現穩定其增益的目的。該方法實施較為容易，但同樣存在一些缺點。例如SiPM周圍的環境溫度并不能準確代表SiPM自身的工作溫度，導致修正存在一定的誤差；另外增加一個溫度測量電路會增加電路的復雜性和成本。現有技術中的第三種方法是直接監測SiPM暗計數信號的幅度變化以獲得SiPM增益的變化情況，同樣通過調節SiPM工作電壓的方式實現穩定其增益的目的。該方法工作的困難在于SiPM暗計數信號通常只有幾毫伏，在低噪聲電路中只略微高出基線噪聲信號，對其幅度進行精確監測本身困難重重。
技術實現思路
為了解決現有技術中的上述問題，本專利技術提出了一種修正溫度對SiPM增益影響的新方法。本專利技術采用的技術方案具體如下：一種修正溫度對SiPM增益影響的方法，包括以下步驟：(1)SiPM探測器輸出模擬電壓信號到SiPM信號處理電路，所述SiPM信號處理電路包括一個ADC和一個FPGA，所述ADC以1GHz的時鐘頻率將所述模擬電壓信號數字化，數字化過程中的每一個采樣點用14bit的數據表達，從而獲得信號波形數據序列；(2)所述ADC將數字化得到信號波形數據序列發送到所述FPGA芯片；(3)所述FPGA對輸入的信號波形數據序列進行實時處理獲得SiPM暗計數率；(4)所述FPGA基于暗計數率與溫度之間的對應關系計算得到SiPM的當前溫度；再結合SiPM增益與溫度之間的對應關系計算得到SiPM增益的變化量；然后結合SiPM增益與工作偏壓的對應關系，代入SiPM增益的變化量計算得到需要調節的工作偏壓增量參數；(5)所述FPGA將得到的工作偏壓增量參數通過控制總線發送到SiPM偏壓電路；(6)所述SiPM偏壓電路接收FPGA發送的工作偏壓增量參數，實時調節其輸出到SiPM探測器的電壓，最終實現穩定SiPM增益的功能。進一步地，所述步驟(3)中，所述FPGA基于SiPM暗計數測量算法對輸入的信號波形數據序列進行實時處理獲得SiPM暗計數率，具體包括：(3.1)所述信號波形數據序列首先經過探測器信號識別邏輯，對探測器信號和基線信號進行識別；(3.2)通過基線信號長度對識別出的基線信號進行判別，如果基線信號長度大于10us，則該基線信號被送入暗計數信號甄別邏輯，否則舍棄該基線信號；(3.3)暗計數信號甄別邏輯對輸入的基線信號進行統計，獲取該基線信號中的暗計數信號個數；(3.4)暗計數信號甄別邏輯將得到的暗計數信號個數除以相應基線信號的時間長度，得到該基線信號的暗計數率。進一步地，所述步驟(3.1)具體包括：探測器信號識別邏輯設置有10mV的觸發閾值，將信號波形數據序列中的每一個信號采樣點與該觸發閾值進行比較，當信號采樣點的幅度大于10mV觸發閾值時觸發探測器信號識別功能，并且如果大于觸發閾值的信號的脈沖寬度大于50ns，則識別為探測器信號，其他信號則為基線信號。進一步地，暗計數信號甄別邏輯將幅度大于2mV閾值，并且脈沖寬度大于30ns的信號計為一個暗計數信號。進一步地，所述ADC的采樣率為1GHz，有效采樣精度11bit。進一步地，所述ADC的輸入動態范圍是0-1V。進一步地，所述ADC與FPGA之間通過高速LVDS接口連接。進一步地，所述SiPM偏壓電路是一個程控電路，其輸出電壓范圍為20V～70V，輸出電流大于等于5mA。本專利技術的有益效果為：在沒有增加額外溫度傳感器或電流監測電路的情況下，實時獲得SiPM的工作溫度信息，降低了SiPM探測器系統的電路復雜性，提高了系統穩定性，降低了硬件成本，并提高了系統效率?！靖綀D說明】此處所說明的附圖是用來提供對本專利技術的進一步理解，構成本申請的一部分，但并不構成對本專利技術的不當限定，在附圖中：圖1是本專利技術SiPM信號處理電路與偏壓電路結構示意圖。圖2是本專利技術SiPM暗計數測量算法的流程圖。圖3是本專利技術溫度修正算法的流程圖?！揪唧w實施方式】下面將結合附圖以及具體實施例來詳細說明本專利技術，其中的示意性實施例以及說明僅用來解釋本專利技術，但并不作為對本專利技術的限定。參見附圖1，其示出了本專利技術用于修正溫度對SiPM增益影響的電路結構圖，該電路結構包括SiPM探測器、SiPM信號處理電路和SiPM偏壓電路?；谠撾娐方Y構，下面對本專利技術的方法進行詳細說明。(1)首先，SiPM探測器輸出模擬電壓信號到所述SiPM信號處理電路，所述SiPM信號處理電路具有一個高速高精度(采樣率1GHz，有效采樣精度11bit)ADC和一個FPGA，所述ADC的輸入動態范圍是0-1V，ADC以1GHz的時鐘頻率將所述模擬電壓信號數字化，數字化過程中的每一個采樣點用14bit的數據表達，從而獲得信號波形數據序列。(2)所述ADC將數字化得到信號波形數據序列發送到所述FPGA芯片。優選的，ADC與FPGA之間通過高速LVDS接口連接，從而ADC通過所述高速LVDS接口發送所述信號波形數據序列。(3)所述FPGA基于本專利技術提出的SiPM暗計數測量算法對輸入的信號波形數據序列進行實時處理獲得SiPM暗計數率。參見附圖2，其示出了本專利技術SiPM暗計數測量算法的具體過程，包括以下步驟3.1-3.4：(3.1)所述信號波形數據序列首先經過探測器信號識別邏輯，對探測器信號和基線信號進行識別。具體地，探測器信號識別邏輯設置有10mV的觸發閾值，將信號波形數據序列中的每一個信號采樣點與該觸發閾值進行比較，當信號采樣點的幅度大于10mV觸發閾值時觸發探測器信號識別功能，并且如果大于觸發閾值的信號的脈沖寬度大于50ns(即連續50ns的信號采樣點的幅度都大于觸發閾值)，則識別為探測器信號，其他信號則為基線信號。(3.2)通過基線信號長度對識別出的基線信號進行判別，如果基線信號長度大于10us，則該基線信號被送入暗計數本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種修正溫度對SiPM增益影響的方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)SiPM探測器輸出模擬電壓信號到SiPM信號處理電路，所述SiPM信號處理電路包括一個ADC和一個FPGA，所述ADC以1GHz的時鐘頻率將所述模擬電壓信號數字化，數字化過程中的每一個采樣點用14bit的數據表達，從而獲得信號波形數據序列；(2)所述ADC將數字化得到信號波形數據序列發送到所述FPGA芯片；(3)所述FPGA對輸入的信號波形數據序列進行實時處理獲得SiPM暗計數率；(4)所述FPGA基于暗計數率與溫度之間的對應關系計算得到SiPM的當前溫度；再結合SiPM增益與溫度之間的對應關系計算得到SiPM增益的變化量；然后結合SiPM增益與工作偏壓的對應關系，代入SiPM增益的變化量計算得到需要調節的工作偏壓增量參數；(5)所述FPGA將得到的工作偏壓增量參數通過控制總線發送到SiPM偏壓電路；(6)所述SiPM偏壓電路接收FPGA發送的工作偏壓增量參數，實時調節其輸出到SiPM探測器的電壓，最終實現穩定SiPM增益的功能。

【技術特征摘要】
1.一種修正溫度對SiPM增益影響的方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)SiPM探測器輸出模擬電壓信號到SiPM信號處理電路，所述SiPM信號處理電路包括一個ADC和一個FPGA，所述ADC以1GHz的時鐘頻率將所述模擬電壓信號數字化，數字化過程中的每一個采樣點用14bit的數據表達，從而獲得信號波形數據序列；(2)所述ADC將數字化得到信號波形數據序列發送到所述FPGA芯片；(3)所述FPGA對輸入的信號波形數據序列進行實時處理獲得SiPM暗計數率；(4)所述FPGA基于暗計數率與溫度之間的對應關系計算得到SiPM的當前溫度；再結合SiPM增益與溫度之間的對應關系計算得到SiPM增益的變化量；然后結合SiPM增益與工作偏壓的對應關系，代入SiPM增益的變化量計算得到需要調節的工作偏壓增量參數；(5)所述FPGA將得到的工作偏壓增量參數通過控制總線發送到SiPM偏壓電路；(6)所述SiPM偏壓電路接收FPGA發送的工作偏壓增量參數，實時調節其輸出到SiPM探測器的電壓，最終實現穩定SiPM增益的功能。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中，所述FPGA基于SiPM暗計數測量算法對輸入的信號波形數據序列進行實時處理獲得SiPM暗計數率，具體包括：(3.1)所述信號波形數據序列首先經過探測器信號識別邏輯，對探測器信號和基線信號進行識別；(3.2)通過基線信號長度對識...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王忠海，劉飛，李磊，薛會，
申請(專利權)人：江蘇超敏儀器有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇,32