[发明专利]一种基于脉冲时间甄别的硅光电倍增器降噪方法与系统

说明书

技术领域

本发明属于核物理与弱光测量领域，涉及一种基于脉冲时间甄别的硅光电倍增器降噪方法与系统。

背景技术

硅光电倍增器(SiPM，也称为MPPC)是一种用于弱光探测的新型半导体器件，可实现闪烁体探测器的光电转换和信号放大，已经逐渐应用于空间物理、粒子物理、剂量测量、光学探测等领域。与传统的真空光电倍增管相比，SiPM具有工作电压低(<100V)、增益高(10^5-10⁶)、时间特性好、体积小(mm量级)、不易受磁场干扰等优点，与小体积闪烁体探测器相配合时，很适合用于对空间分辨率要求较高的低剂量率实时测量。

虽然具有体积小、工作电压低等优点，但作为一种半导体器件，SiPM还存在常温下暗计数率高的缺点。SiPM的基本结构是由众多独立工作在盖革模式下的雪崩二极管微元(GM-APD)平行排列而成的阵列，其输出信号是所有微元输出信号的总和；每个二极管微元活性区域的热运动会激发电子跃迁，随机形成载流子，并迁移至雪崩区以一定的概率激发雪崩放电，从而使SiPM产生较高的暗计数率。在室温下，SiPM的暗脉冲率可高达100kHz-10MHz/mm²。

低温工作和脉冲幅度甄别是辐射测量中改善SiPM测量噪声的常用方法。低温工作可从本质上降低SiPM因热运动而造成的暗计数，但在实际应用中通常是很难实现的。基于SiPM的两个或多个微元同时因热运动激发的概率很小、暗脉冲幅度很低的特点，可以通过设置脉冲幅度阈值的方式来甄别SiPM的暗脉冲。但是，脉冲幅度甄别同时也会剔除大量的低幅度输出信号，使辐射测量系统的探测下限升高，从而限制了SiPM在低水平辐射测量中的应用。

发明内容

本发明的首要目的是提供一种基于脉冲时间甄别的SiPM降噪方法，从而使采用SiPM的测量系统在本底条件下的暗脉冲率降低3-4个量级，降低测量系统的探测下限。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种基于脉冲时间甄别的SiPM降噪方法，其是将闪烁体的光信号同时引到2个SiPM，经2个SiPM各自转换放大并整形后输入到脉冲时间甄别单元，通过时间甄别来分辨测量系统的输出脉冲和SiPM的暗脉冲。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种基于脉冲时间甄别的SiPM降噪方法，其中封装所述的闪烁体时，留2个或1个测量窗，除测量窗的其它面均覆盖光反射层。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种基于脉冲时间甄别的SiPM降噪方法，其中对于2个测量窗的封装方式，测量窗位于所述的闪烁体的两端，并分别与每个所述的SiPM的光电灵敏面相贴合。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种基于脉冲时间甄别的SiPM降噪方法，其中对于1个测量窗的封装方式，利用光纤和分光器将所述的闪烁体的光信号分别导向每个所述SiPM的光电灵敏面。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种基于脉冲时间甄别的SiPM降噪方法，其中2个SiPM的输出电信号分别先后经比较器和整形电路处理后，输入到所述的脉冲时间甄别单元。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种基于脉冲时间甄别的SiPM降噪方法，其中所述的比较器对所述的SiPM的输出信号进行脉冲幅度初步甄别，以分辨幅度较低的暗脉冲。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种基于脉冲时间甄别的SiPM降噪方法，其中所述的整形电路对信号波形进行处理，使脉冲的上升时间与闪烁体的发光衰减时间相当。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种基于脉冲时间甄别的SiPM降噪方法，其中所述的脉冲时间甄别单元进行甄别时，当2个SiPM输出信号的时间差小于预设的分辨时间τ时(分辨时间与闪烁体的发光衰减时间和电路的时间特性相关)，则判断为探测器输出信号，并将2路信号的幅度之和作为测量系统的脉冲幅度；其它信号都视为SiPM的暗脉冲，从而可降低测量系统的热噪声，提高探测下限。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种基于脉冲时间甄别的SiPM降噪方法，其中所述的脉冲时间甄别单元为符合电路。

本发明的第二个目的是提供一种基于脉冲时间甄别的SiPM降噪系统，从而使采用SiPM的测量系统在本底条件下的暗脉冲率降低3-4个量级，降低测量系统的探测下限。