[发明专利]用于数字硅光电倍增器阵列的位置敏感的读出模式

说明书

技术领域

下文涉及辐射探测技术。本发明尤其涉及应用于物理学、天文学、诸如正电子发射断层摄影（PET）或单光子发射断层摄影（SPECT）的辐射成像等中的高速以及高空间分辨率辐射探测器。

背景技术

光子计数光探测在各种领域（例如物理学、天文学和医疗成像）中都有应用。通过一些说明性范例，光子计数光探测在诸如切连科夫探测器的物理应用、诸如光探测及测距（LIDAR）应用的工程应用、诸如低光照荧光测量的生物学应用、低光照天文望远镜设施等中是有用的。（如本文使用的，术语“光子”是指电磁辐射的量子粒子。术语“光子”涵盖可见光光子，例如与632.8nm HeNe激光的一个量子粒子对应的1.96eV光子。术语“光子”还涵盖位于可见光谱外部的“光”或电磁能量的量子粒子。例如，术语“光子”还涵盖紫外辐射或红外辐射的量子粒子）。

常规上使用光电倍增管（PMT）探测器实施光子计数，这种探测器包括光敏光阴极和一组“倍增器”阳极端子。光阴极响应于光子的冲击发射至少一个电子，并且（一个或多个）电子接着又相继撞击阳极端子，每个这样的事件都导致电子喷流的发射，从而产生倍增效应，以形成可测量的电脉冲。PMT能够进行高速光子计数。PMT探测器的缺点包括：其是具有大光学窗口的较笨重分离的设备，这些设备以高电压运行并容易因为电子管设计和高的运行电压而出现故障。

已经开发出硅光电倍增管（SiPM）设备以克服这些缺点中的一些，并提供容易与硅基信号/数据处理电路集成的光子计数探测器。在一些实施例中，SiPM设备采用雪崩光电二极管作为光传感器。当被偏置到其击穿电压以上时，雪崩二极管响应于单个光子的冲击而进入击穿。这样的设备有时被称为单光子雪崩二极管（SPAD）探测器。在典型的SPAD探测器中，雪崩光电二极管被反向偏置到其击穿电压以上并与降压电阻串联。单个光子的冲击导致p-n结在电子的倍增（即“雪崩”）喷流中击穿，该喷流流入SPAD探测器中成为可测量的电流。这一电流较快被淬灭，因为由于电流的原因，电阻上的电压将雪崩二极管两端的反向偏压降低到低于其击穿电压的水平。额外地或备选地，包括（例如）一个或多个二极管、电阻器和/或晶体管的有源淬熄子电路能够提供更快的淬灭。

SPAD探测器相对小，但通过SPAD探测器的二维阵列能够实现更大面积的探测。读出能够是模拟的或数字的。在模拟设计中，在逻辑“或”电路中互连SPAD探测器，使得任一个SPAD探测器的击穿都会激活逻辑“或”组合。在数字设计中，该阵列操作在积分时段之后读出的数字计数。在任一种情况下，读出电路都具有单一通道。

对于一些应用而言，例如飞行时间正电子发射断层摄影（PET）成像，探测时间是重要的。有利地，可以将包括时间数字转换（TDC）电路的硅基时间戳与用于这一目的的硅平台上的SPAD阵列单片集成。

然而，利用SPAD阵列实现高空间分辨率是困难的。采用SPAD探测器的逻辑“或”组合的现有设计不能区分出组合中的哪个SPAD探测器探测到光子。潜在的解决方案是为每个SPAD探测器提供个体化的读出电路。然而，这会增大系统复杂性和成本，因为每个SPAD会具有其自己的读出通道。利用SPAD阵列既实现高空间分辨率又实现高时间分辨率更加困难。为每个SPAD探测器既提供个体化的读出又提供个体化的时间戳通常是不现实的。

下文预见到克服上述限制和其他限制的改进的装置和方法。

发明内容

根据一个方面，一种装置包括光子探测器，所述光子探测器包括：探测器阵列，其包括单光子雪崩二极管（SPAD）探测器，所述单光子雪崩二极管（SPAD）探测器被配置为响应于光子的冲击而击穿；触发电路，其被配置为响应于所述探测器阵列的SPAD探测器的击穿而生成触发信号；以及锁存器，其被配置为存储所述探测器阵列中击穿的SPAD探测器的位置坐标，所述锁存器被配置为响应于由所述触发电路生成的触发信号而锁存。

根据另一方面，一种方法包括：提供探测器阵列，所述探测器阵列包括单光子雪崩二极管（SPAD）探测器，所述单光子雪崩二极管（SPAD）探测器被配置为响应于光子的冲击而在一个位置击穿；提供锁存器，所述锁存器被配置为存储所述探测器阵列中击穿的SPAD探测器的位置坐标；响应于所述探测器阵列的SPAD探测器的击穿生成触发信号；并且响应于所述触发信号锁存所述锁存器。