[發明專利]一種基于脈沖時間甄別的硅光電倍增器降噪方法與系統

在審

• 申請號: 201610895689.8
• 申請日: 2016-10-13
• 公開（公告）號: CN107942369A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 陳法國;韓毅;于偉躍;楊明明;沈華亞
• 申請（專利權）人: 中國輻射防護研究院
• 主分類號: G01T1/208
• 分類號: G01T1/208
• 代理公司: 北京天悅專利代理事務所(普通合伙)11311
• 代理人: 田明,任曉航

技術領域

本發明屬于核物理與弱光測量領域，涉及一種基于脈沖時間甄別的硅光電倍增器降噪方法與系統。

背景技術

硅光電倍增器(SiPM，也稱為MPPC)是一種用于弱光探測的新型半導體器件，可實現閃爍體探測器的光電轉換和信號放大，已經逐漸應用于空間物理、粒子物理、劑量測量、光學探測等領域。與傳統的真空光電倍增管相比，SiPM具有工作電壓低(<100V)、增益高(10^5-10⁶)、時間特性好、體積小(mm量級)、不易受磁場干擾等優點，與小體積閃爍體探測器相配合時，很適合用于對空間分辨率要求較高的低劑量率實時測量。

雖然具有體積小、工作電壓低等優點，但作為一種半導體器件，SiPM還存在常溫下暗計數率高的缺點。SiPM的基本結構是由眾多獨立工作在蓋革模式下的雪崩二極管微元(GM-APD)平行排列而成的陣列，其輸出信號是所有微元輸出信號的總和；每個二極管微元活性區域的熱運動會激發電子躍遷，隨機形成載流子，并遷移至雪崩區以一定的概率激發雪崩放電，從而使SiPM產生較高的暗計數率。在室溫下，SiPM的暗脈沖率可高達100kHz-10MHz/mm²。

低溫工作和脈沖幅度甄別是輻射測量中改善SiPM測量噪聲的常用方法。低溫工作可從本質上降低SiPM因熱運動而造成的暗計數，但在實際應用中通常是很難實現的。基于SiPM的兩個或多個微元同時因熱運動激發的概率很小、暗脈沖幅度很低的特點，可以通過設置脈沖幅度閾值的方式來甄別SiPM的暗脈沖。但是，脈沖幅度甄別同時也會剔除大量的低幅度輸出信號，使輻射測量系統的探測下限升高，從而限制了SiPM在低水平輻射測量中的應用。

發明內容

本發明的首要目的是提供一種基于脈沖時間甄別的SiPM降噪方法，從而使采用SiPM的測量系統在本底條件下的暗脈沖率降低3-4個量級，降低測量系統的探測下限。

為實現此目的，在基礎的實施方案中，本發明提供一種基于脈沖時間甄別的SiPM降噪方法，其是將閃爍體的光信號同時引到2個SiPM，經2個SiPM各自轉換放大并整形后輸入到脈沖時間甄別單元，通過時間甄別來分辨測量系統的輸出脈沖和SiPM的暗脈沖。

在一種優選的實施方案中，本發明提供一種基于脈沖時間甄別的SiPM降噪方法，其中封裝所述的閃爍體時，留2個或1個測量窗，除測量窗的其它面均覆蓋光反射層。

在一種優選的實施方案中，本發明提供一種基于脈沖時間甄別的SiPM降噪方法，其中對于2個測量窗的封裝方式，測量窗位于所述的閃爍體的兩端，并分別與每個所述的SiPM的光電靈敏面相貼合。

在一種優選的實施方案中，本發明提供一種基于脈沖時間甄別的SiPM降噪方法，其中對于1個測量窗的封裝方式，利用光纖和分光器將所述的閃爍體的光信號分別導向每個所述SiPM的光電靈敏面。

在一種優選的實施方案中，本發明提供一種基于脈沖時間甄別的SiPM降噪方法，其中2個SiPM的輸出電信號分別先后經比較器和整形電路處理后，輸入到所述的脈沖時間甄別單元。

在一種優選的實施方案中，本發明提供一種基于脈沖時間甄別的SiPM降噪方法，其中所述的比較器對所述的SiPM的輸出信號進行脈沖幅度初步甄別，以分辨幅度較低的暗脈沖。

在一種優選的實施方案中，本發明提供一種基于脈沖時間甄別的SiPM降噪方法，其中所述的整形電路對信號波形進行處理，使脈沖的上升時間與閃爍體的發光衰減時間相當。

在一種優選的實施方案中，本發明提供一種基于脈沖時間甄別的SiPM降噪方法，其中所述的脈沖時間甄別單元進行甄別時，當2個SiPM輸出信號的時間差小于預設的分辨時間τ時(分辨時間與閃爍體的發光衰減時間和電路的時間特性相關)，則判斷為探測器輸出信號，并將2路信號的幅度之和作為測量系統的脈沖幅度；其它信號都視為SiPM的暗脈沖，從而可降低測量系統的熱噪聲，提高探測下限。

在一種優選的實施方案中，本發明提供一種基于脈沖時間甄別的SiPM降噪方法，其中所述的脈沖時間甄別單元為符合電路。

本發明的第二個目的是提供一種基于脈沖時間甄別的SiPM降噪系統，從而使采用SiPM的測量系統在本底條件下的暗脈沖率降低3-4個量級，降低測量系統的探測下限。