一种硅光电倍增器的时间标记方法及其微元阵列编码系统技术方案

一种硅光电倍增器的时间标记方法，包括步骤：准备双时钟，建立共时间测量域的时间测量电路，记录被光子激发的空间和时间分布，屏蔽处于坏死情况或者性能较差的微元，建立阵列的可配置微元编码数字单元，压缩和传输数字化样本，还原激活微元的时空联合分布。一种硅光电倍增器的微元阵列编码系统，包括：失效标记模块，激活微元编码模块，延迟链编码模块，解编码模块。本发明专利技术能有效提升时间标记的精确程度，简化拟合、插值方法中不必要的中间计算量，减少需要的最少样本计数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高能物理与粒子物理应用、核医学装备和生物医学诊疗领域，尤其涉及一种硅光电倍增器的时间标记及其微元阵列编码系统。
技术介绍
硅光电倍增器是一种多个工作在计数模式下的雪崩二极管组成的阵列。该器件中组成阵列的微元（Mirco-Cell）是雪崩二极管，能够快速地响应作用光子。由于作用光子的数目在绝大多数应用中都大于1，因而有必要将雪崩二极管做成阵列，以响应不同数目的光子。在一个较短的时间周期内，响应光子的微元数目与射入光子的期望具有单调的对应关系。根据这种对应关系，测量微元数目能够间接地反映射入光子束的流强。现有的硅光电倍增器在闪烁光探测、微弱光探测、量子物理和高能物理实验中的应用中，需要标记光子束的开始时间和一段时间内的激活微元数目。现有的时间标记技术和微元编码通常采用模拟电流加和/电信号处理的两步方法。其中，模拟电流加和是指对每一个微元的模拟电信号进行加和，电信号处理是指对这个总的模拟电流（或者某个电阻器件上的电压）信号进行信号处理，获得其开始时间和激活微元数目。已有的电信号处理方法包括：前沿甄别（Leading Edge Discrimination，以下简称 LED）方法是最简单也最常用的SiPM电信号处理方法，可以大量地集成在模拟芯片中用作闪烁探测器系统中的读出电路，其定义为：闪烁脉冲的上升沿穿过甄别阈值的时间点。前沿甄别对不同幅值的脉冲获得的翻转时间偏移期望是不同的。这表现在幅值大的脉冲先越过甄别阈值，而幅值小的脉冲后越过甄别阈值。或者解释为：固定阈值除以脉冲的不同幅值得到的相对阈值是不同的。相对阈值小的情形，翻转时间提前到来；相对阈值大的情形，翻转时间推迟到来。为了解决前沿甄别的缺陷，研究者利用延迟线开发了恒比甄别 (Constant Fraction Discrimination，以下简称 CFD) 方法。在该方法中，闪烁脉冲被分成两路，分别送入延迟单元和衰减单元后再一同输入比较器。或者一路延迟并放大送入比较器，另一路直接送入比较器。比较器输出的过零点被标定为闪烁脉冲的到达时间。恒比甄别方法在理论上消除了闪烁脉冲不同幅值带给时间标记的误差。其原理可以解释为用一个和脉冲高度相关的阈值获得前沿的翻转时间，或者解释为用一个双极型的滤波器把脉冲成型为双极型的信号再获得过零翻转时间。然而，由于性能较好的恒比甄别器需要高带宽的延迟线，采用恒比甄别的 PET 系统具有高昂的成本。此外，恒比甄别的性能十分依赖于给定的参数，在通道数较多的情况下恒比甄别的参数调节会大大增加开发的难度。前沿甄别和恒比甄别都存在模拟和数字的版本。当闪烁脉冲被数字化后，许多复杂但精确地时间估计方法逐渐在现有的系统中应用开来。谢庆国在2005年采用上升沿拟合法获取了与恒比甄别相类似的时间分辨率，而由于该方法能够以较低的成本实现闪烁脉冲的数字化，在学术界产生了较大的影响。其方法的实质是用若干个过阈值点拟合一条直线，然后将该直线的截距作为闪烁脉冲的到达时间。多阈值平均法是在谢庆国方法基础上发展起来的一种更加简明的方法，其实现步骤是把谢庆国方法中的拟合/截距精简为多阈值点的平均值，这种方法的计算量小，且没有斜率项的时间标记方法对于噪声更加稳定。能量归一化甄别法是在前沿甄别时，添加能量归一化操作。由于该方法已经修正了前沿甄别法的时间游走误差，因而比前沿甄别法的精确度更高。然而，这种方法要求闪烁脉冲的数字化器具有较高的采样率，因而在实际系统的应用中受到了限制。由于以上方法通常在微元电流加和之后进行光子流信号的处理，信息受到了极大的减损，时间分辨率上略显不足、灵活度低或者需要较高的计算量，有必要提出一种时间分辨率好、计算量小、结构更加灵活的硅光电倍增器的时间标记及其微元阵列编码系统。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种硅光电倍增器的时间标记方法及该标记时间所在窗内的微元阵列编码系统，该时间标记方法和编码系统能在时间空间分辨率较好、计算量小、可重复性好、系统的适应性强、不依赖于光束特性并且可以学习光束数据中的固有特性。为实现上述目的，本专利技术提供一种硅光电倍增器的时间标记方法，包括以下步骤：S1：从时钟输入端获取双时钟源信号，其中一个时钟（时钟源A）频率为1～100 MHz，另一个（时钟源B）为100～500MHz，分别用于驱动激活微元标记阵列和N个时间数字转换器（假设总共有S个微元，每M个微元组成一个共时间测量域，则N=S/M）；S2：根据微元的邻接关系，对每一个微元建立共时间测量域的时间测量电路，属于同一个共时间测量域的微元，将微元的快速信号端输出给延迟链；S3：为每一个微元建立激活微元标记阵列RA，在（时钟源A）每个时钟周期内，记录被光子激发的微元分布；S4：为所有的时间数字转换器建立时间占用状态阵列RB，在（时钟源B）每个时钟周期内，记录被光子激发的时间分布；S5：每一个微元都由失效标记进行工作控制，将处于坏死或者性能较差的微元进行屏蔽；S6：为每一个微元建立阵列RA和RB的可配置微元编码数字单元，该可配置微元工作在压缩模式或者非压缩模式下；S7：通过在压缩模式下已经配置的微元编码数字单元，传输压缩后的数字化样本；S8：根据压缩后的数字化样本和已知的微元编码配置参数，还原激活微元的时空联合分布。所述步骤S1包括下列子步骤：S1.1，当系统侦测到双路时钟输入时，其中的一路时钟将由时钟管理单元，移相至对齐另一路时钟；S1.2，当系统仅有一路时钟输入，侦测到的另一路时钟接口没有时钟信号或者信号微弱时，由仅有的一路信号进行分频，产生另一路信号。所述步骤S2包括下列子步骤：S2.1，根据系统中存在的总微元数目S和可容纳的总时间数字转换器数目N，划分微元共时间测量域；S2.2，将属于同一个共时间测量域的微元的快速信号同时输入到一个共地的延迟链上，每一级延迟链由一级触发器扇出；S2.3，触发器的驱动时钟由时钟源B提供，每一个时钟周期读取一次延迟链的时间测量信息。所述步骤S3包括下列子步骤：S3.1，微元的慢输出口通过比较电路进行斩波处理，保证其正性输出不超越量程；S3.2，根据S3.1中的斩波信号，将斩波信号输出给斯密特触发器，调节输出信号的脉冲宽度，使其等于S1中时钟源A的周期；S3.3，微元在时钟源A的单个周期内是否被激活由激活微元标记阵列RA记录，激活矩阵的刷新频率由S1中提到的时钟源A的频率所确定，根据S3.2中的调节宽度的触发器脉冲，标记响应位置是否被激活。所述步骤S4包括下列子步骤：S4.1，S2.3中的触发器后再连接一级防亚稳态触发器;S4.2，根据S4.1中的防亚稳态触发器的输出情况，S4.1中的防亚稳态触发器输出给时间占用状态阵列RB，记录每一条延迟链的测量结果；S4.3，根据S4.2中的延迟链测量结果，采用稀疏性表示方法对原始的延迟链测量结果予以压缩。所述步骤S5包括下列子步骤：S5.1，微元失效标记控制关闭时，在避光和强光的环境下，测试每一个微元的电流，其中索引标记j的避光电流和强光电流分别为Ijd和Ijs；S5.2，根据S5.1中的避光电流和强光电流的比值Ijd/Ijs，定义失效标记矩阵，当Ijd/Ijs大于失效阈值时，认为该微元处于失效或者低性能状态；S5.3，配置为失效或者低性能的微元本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅光电倍增管的时间标记方法，其特征在于，包括步骤：S1，从时钟输入端获取双时钟源信号，其中一个时钟（时钟源A）频率为1～100 MHz，另一个（时钟源B）为100～500MHz，分别用于驱动激活微元标记阵列和N个时间数字转换器（假设总共有S个微元，每M个微元组成一个共时间测量域，则N=S/M）；S2，根据微元的邻接关系，对每一个微元建立共时间测量域的时间测量电路，属于同一个共时间测量域的微元，将微元的快速信号端输出给延迟链；S3，为每一个微元建立激活微元标记阵列RA，在（时钟源A）每个时钟周期内，记录被光子激发的微元分布；S4，为所有的时间数字转换器建立时间占用状态阵列RB，在（时钟源B）每个时钟周期内，记录被光子激发的时间分布；S5，每一个微元都由失效标记进行工作控制，将处于坏死或者性能较差的微元进行屏蔽；S6，为每一个微元建立阵列RA和RB的可配置微元编码数字单元，该可配置微元工作在压缩模式或者非压缩模式下；S7，通过在压缩模式下已经配置的微元编码数字单元，传输压缩后的数字化样本；S8，根据压缩后的数字化样本和已知的微元编码配置参数，还原激活微元的时空联合分布。

【技术特征摘要】
1.一种硅光电倍增管的时间标记方法，其特征在于，包括步骤：S1，从时钟输入端获取双时钟源信号，其中一个时钟（时钟源A）频率为1～100 MHz，另一个（时钟源B）为100～500MHz，分别用于驱动激活微元标记阵列和N个时间数字转换器（假设总共有S个微元，每M个微元组成一个共时间测量域，则N=S/M）；S2，根据微元的邻接关系，对每一个微元建立共时间测量域的时间测量电路，属于同一个共时间测量域的微元，将微元的快速信号端输出给延迟链；S3，为每一个微元建立激活微元标记阵列RA，在（时钟源A）每个时钟周期内，记录被光子激发的微元分布；S4，为所有的时间数字转换器建立时间占用状态阵列RB，在（时钟源B）每个时钟周期内，记录被光子激发的时间分布；S5，每一个微元都由失效标记进行工作控制，将处于坏死或者性能较差的微元进行屏蔽；S6，为每一个微元建立阵列RA和RB的可配置微元编码数字单元，该可配置微元工作在压缩模式或者非压缩模式下；S7，通过在压缩模式下已经配置的微元编码数字单元，传输压缩后的数字化样本；S8，根据压缩后的数字化样本和已知的微元编码配置参数，还原激活微元的时空联合分布。2.根据权利要求1所述的硅光电倍增管的时间标记方法，其特征在于，步骤S1包括：S1.1，当系统侦测到双路时钟输入时，其中的一路时钟将由时钟管理单元，移相至对齐另一路时钟；S1.2，当系统仅有一路时钟输入，侦测到的另一路时钟接口没有时钟信号或者信号微弱时，由仅有的一路信号进行分频，产生另一路信号。3.根据权利要求1所述的硅光电倍增管的时间标记方法，其特征在于所述步骤S2包括：S2.1，根据系统中存在的总微元数目S和可容纳的总时间数字转换器数目N，划分微元共时间测量域；S2.2，将属于同一个共时间测量域的微元的快速信号同时输入到一个共地的延迟链上，每一级延迟链由一级触发器扇出；S2.3，触发器的驱动时钟由时钟源B提供，每一个时钟周期读取一次延迟链的时间测量信息。4.根据权利要求1所述的硅光电倍增管的时间标记方法，其特征在于所述步骤S3包括：S3.1，微元的慢输出口通过比较电路进行斩波处理，使其正性输出不超越量程；S3.2，根据S3.1中的斩波信号，将斩波信号输出给斯密特触发器，调节输出信号的脉冲宽度，使其等于时钟源A的周期；S3.3，微元在时钟源A的单个周期内是否被激活由激活微元标记阵列RA记录，激活矩阵的刷新频率由时钟源A的频率所确定，根据S3.2中的调节宽度的触发器脉冲，标记响应位置是否被激活。5.根据权利要求1，3所述的硅光电倍增管的时间标记方法，其特征在于所述步骤S4包括：S4.1，S2.3中的触发器后再连接一级防亚稳态触发器;S4.2，根据S4.1中的防亚稳态触发器的输出情况，S4.1中的防亚稳态触发器输出给时间占用状态阵列RB，记录每一条延迟链的测量结果；S4.3，根据S4.2中的延迟链测量结果，采用稀疏性表示方法对原始的延迟链测量结果予以压缩。6.根据权利要求1所述的硅光电倍增管的时间标记方法，其特征在于所述步骤S5包括：S5.1，微元失效标记控制关闭时，在避光和强光的环境下，测试每一个微元的电流，其中索引标记j的避光电流和强光电流分别为Ijd和Ijs；S5.2，根据S5.1中的避光电流和强光电流的比值Ijd/Ijs，定义失效标记矩阵，当Ijd/Ijs大于失效阈值时，认为该微元处于失效或者低性能状态；S5.3，配置为失效或者低性能的微元直接以50欧姆电阻连地，不参与后续的电子信号处理。7.根据权利要求1所述的硅光电倍增管的时间标记方法，其特征在于所述步骤S6包括：S6.1，编码控制关闭时，直接对探测器的每个微元进行无编码输出，获得每一个微元的时空击中概率比；S6.2，根据S6.1中的微元时空击中概率比，定义编码的优化目标，在编码的带权误差最小...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓贞宙，王麟，李开富，徐青，谢庆国，
申请(专利权)人：武汉京邦科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42