基于硅光电倍增器（SiPM）的正电子湮没寿命谱仪.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910354382.0 (22)申请日 2019.04.29 (71)申请人 中国科学技术大学 地址 230026 安徽省合肥市包河区金寨路 96号 (72)发明人 王海波叶邦角 (74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 11251 代理人 杨学明顾炜 (51)Int.Cl. G01N 23/00(2006.01) G01T 1/36(2006.01) (54)发明名称 一种基于硅光电倍增器 （SiPM） 的正电子湮 没寿命谱仪 (57)摘要 本发明公开了一种。

2、基于硅光电 倍增器 (SiPM)的正电子湮没寿命谱仪， 包括SiPM探测器 模块， 模拟信号处理模块， 定时和甄别电路模块， 数字化采集电路模块， 符合单元和低压供电模 块。 SiPM探测器接收光子并产生闪烁光， 闪烁 光被SiPM转换成光电信号； 光电信号通过模拟信 号处理模块实现进一步的放大和降噪等处理成 脉冲信号； 脉冲信号被定时和甄别电路模块定时 和甄别， 得到光子的位置信息， 能量信息和时 间信息； 这些信息被数字化采集电路模块采集， 并由符合单元筛选成符合事件； 所有模块均有低 压供电模块供电。 该正电子湮没寿命谱仪， 能够 提高测量精度， 减少测量时间， 大幅降低成本， 降 低电。

3、源供电需求， 谱仪结构得到简化。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 110082368 A 2019.08.02 CN 110082368 A 1.一种基于硅光电倍增器(SiPM)的正电子湮没寿命谱仪， 其特征在于： 包括SiPM探测 器模块， 模拟信号处理模块， 定时和甄别电路模块， 数字化采集电路模块， 符合单元， 低压供 电模块； 其中： SiPM探测器模块由一个或多个硅光电倍增器(SiPM)和一个或多个闪烁晶体构成， SiPM 探测器模块接收放射源衰变和正电子湮没所产生的光子， 并沉积能量产生闪烁光， 并将 其转换为电信号； SiPM探测器模块数量有两个或两个以上； 模拟信号。

4、处理模块： 针对探测器模块的信号根据需要进行相关的滤波、 成形、 放大、 极 零相消和信号匹配处理， 实现将SiPM的输出快信号的快速读出， 满足高带宽和低噪声的要 求； 定时和甄别电路模块： 包括定时模块和甄别模块， 定时模块实现高精度的信号触发定 时， 以此触发的定时来作为光子沉积产生的时刻； 甄别模块实现光子沉积的能量的判 断， 通过幅度或者电荷量的判断来甄别1.28MeV和511keV的光子； SiPM探测器模块， 模拟信号处理模块， 定时和甄别电路模块分别都有起始单元和停止 单元， 起始单元探测1.28MeV的光子和停止单元探测511keV的光子； 数字化采集电路模块： 将定时和甄别。

5、信号模块产生的数字脉冲信号进行采集， 分析和 处理光子的位置信息， 能量信息和时间信息； 再利用符合单元对光子的位置， 能量和时间进 行筛选， 得到符合事件， 将数据发送给计算机终端； 符合单元： 提供时间窗， 完成符合事件的筛选， 符合事件为相继发生的时间间隔小于符 合分辨时间的事件， 提高真符合效率， 降低偶然符合计数率； 计算机终端： 终端中的上位机软件接收数据， 并对数据处理得到时间谱， 再通过软件解 谱， 得到样品的寿命。 2.根据权利要求1所述的一种基于硅光电倍增器(SiPM)的正电子湮没寿命谱仪， 其特 征在于： SiPM探测器模块包括硅光电倍增器件和闪烁晶体， 其中硅光电倍增器。

6、件包括硅光 电倍增器(SiPM)或者SiPM阵列或者APD阵列； 闪烁晶体包括LYSO， LSO， LFS-3闪烁晶体， 闪烁 晶体通过光学硅油耦合在硅光电倍增器件上组成SiPM探测器模块， 用于光子的探测。 3.根据权利要求1所述的一种基于硅光电倍增器(SiPM)的正电子湮没寿命谱仪， 其特 征在于： 模拟信号处理模块包括模拟信号的读出电路， 放大电路， 滤波电路， 极零相消电路 及匹配电路， 用于脉冲信号的快速放大和成形。 4.根据权利要求1所述的一种基于硅光电倍增器(SiPM)的正电子湮没寿命谱仪， 其特 征在于： 定时和甄别电路模块包括前沿定时电路或者恒比定时电路和单阈或者多阈甄别电 。

7、路， 用于脉冲信号的定时和幅度(即电荷量)甄别。 5.根据权利要求1所述的一种基于硅光电倍增器(SiPM)的正电子湮没寿命谱仪， 其特 征在于： 数字化采集电路模块包括可编程逻辑器件(FPGA)及其相关的周边电路， 用于整个 系统的位置信息， 能量信息和时间信息的数据采集。 6.根据权利要求1所述的一种基于硅光电倍增器(SiPM)的正电子湮没寿命谱仪， 其特 征在于： 计算机终端包括计算机及软件， 软件包括上位机软件和分析时间谱的解谱软件， 上 位机软件用于与整个数字采集电路模块的参数控制和数据存储控制， 解谱软件包括用于寿 命谱解谱的一些软件， 包括PATFIT或LT9.0。 权利要求书 1。

8、/1 页 2 CN 110082368 A 2 一种基于硅光电倍增器(SiPM)的正电子湮没寿命谱仪 技术领域 0001 本发明涉及正电子湮没寿命谱仪的技术领域， 特别涉及一种基于硅光电倍增器 (SiPM)的正电子湮没寿命谱仪。 背景技术 0002 正电子湮没谱学广泛用于固体物理和材料科学方面的研究。 正电子进入材料样品 后会通过各种形式损失能量， 样品中存在着空位、 位错等缺陷， 热化的正电子在库仑力的作 用下， 很可能会停留在这些位置而停止扩散， 最终于缺陷周围的电子发生湮没。 正电子的寿 命可以反映出它湮没位置的电子浓度。 正电子湮没寿命谱仪也是几种可以探测单原子量级 缺陷的方法之一。 。

9、0003 随着半导体技术的发展， 硅光电倍增器现在提供了一个极具吸引力的PMT替代品。 硅光电倍增器件(SiPM)是一种光电传感器件， 它解决了探测、 定时和量化低光信号到单光 子水平的问题。 相比传统的光电倍增管(PMT)， 它结合了PMT的低光检测能力， 同时提供了固 态传感器的所有优点。 SiPM的特点是低电压运行， 对磁场不敏感， 响应均匀性好。 它还具有 能量线性响应好， 脉冲上升时间快， 位置分辨率好等优点。 SiPM易封装， 适合做成多通道的 SiPM阵列， 同时为了更好地匹配SiPM的发光光谱范围， 选取LYSO， LSO和LFS-3闪烁晶体耦合 SiPM， LYSO， LSO。

10、和LFS-3晶体具有较高的光产额和较短的时间分辨， 从而提供优秀的时间性 能。 0004 对于放射性元素22Na源来说， 当22Na发生 +衰变时发射正电子， 22Na跃迁到22Ne的激 发态， 此激发态的激发能为1.28MeV。 激发态通过发射1.28MeV的光子退激到22Ne的基态。 在时间谱仪的分辨时间为10-10秒量级的情况下， 可以认为上述核跃迁过程中发射e+和是 同时进行的。 在测量正电子寿命时， 1.28MeV的光子可作为正电子产生的起始信号。 正电 子湮没放出的光子， 可作为正电子湮没的时间信号。 测量这两个时间信号之间的时间差， 就得到了正电子寿命。 0005 正电子湮没寿命。

11、谱仪(Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy， PALS) 作为正电子湮没技术的一种最基础应用。 常规的正电子寿命谱仪是由闪烁晶体、 光电倍增 管、 高压、 恒比定时甄别器、 快符合电路、 延时器、 时间-幅度转换器、 NIM机箱、 计算机多道分 析器， 计算机组成。 如图1所示， 两个闪烁探测器， 一个作为起始探测器探测1.28MeV光子， 一个作为停止探测器作为探测511keV光子。 闪烁晶体探测到射线后， 转换成闪烁光经 过光电倍增管产生过电信号， 脉冲电信号进入恒比定时甄别器， 恒比定时甄别器一方面对 输入信号进行幅度甄别， 另一方面对输。

12、入信号幅度符合上下阈值进行判选， 输出一个由恒 比定时方法确定的标准信号。 接下来在恒比定时甄别器中分成两路标准输出信号： 一路输 出正信号用于快符合以触发开门信号， 另一路输出信号经时间延迟后进入时间-幅度转换 器。 当快符合输出门信号给时间-幅度转换器后， 两路标准信号的时间-幅度转换器将时间 差转换成与幅度成正比的信号， 由模数转换器或者多道进行幅度甄别从而将幅度信号转化 为数值文件存储起来， 最终将若干这样的事件累积起来所得到的谱就是正电子寿命谱。 说明书 1/5 页 3 CN 110082368 A 3 0006 常规的正电子寿命谱仪通常塑料闪烁体或者氟化钡晶体或者溴化澜晶体耦合光 。

13、电倍增管组成闪烁探测器作为寿命谱仪的起始和停止探测器， 但这样的探测器都存在一定 的缺点。 塑料闪烁体虽然发光快， 衰减常数小， 但是对光子的探测效率低。 氟化钡闪烁体 具有短的衰减时间， 较大的密度， 但仍然有长衰减时间的发光成分， 高计数率的情况下容易 发生堆积； 溴化澜晶体易潮解， 对环境的温度和湿度有要求， 不宜长期使用。 0007 寿命谱仪中闪烁探测器所需的光电倍增管高压在几千伏不等， 虽然响应时间很 快， 单光子探测能力较弱， 无法实现优越的时间分辨能力。 其次， 外部环境也会影响PMT的性 能。 温度和湿度的改变， 以及振动的有无都对PMT的运行产生影响； 另外外部磁场会对PMT。

14、产 生很大的影响， 几个高斯的磁场就能大大减小增益。 发明内容 0008 本发明的目的是提供一种新型正电子湮没寿命谱仪， 能够提高谱仪性能， 即时间 分辨率和计数率， 从而提高测量精度， 减少测量时间； 大幅降低成本； 降低电源供电需求， 简 化了谱仪结构。 0009 本发明采用的技术方案为： 一种基于硅光电倍增器(SiPM)的正电子湮没寿命谱 仪， 包括SiPM探测器模块， 模拟信号处理模块， 定时和甄别电路模块， 数字化采集电路模块， 符合单元， 低压供电模块。 0010 SiPM探测器模块由一个或多个硅光电倍增器(SiPM)和一个或多个闪烁晶体构成， SiPM探测器模块接收放射源衰变和正。

15、电子湮没所产生的光子， 并沉积能量产生闪烁光， 并将其转换为电信号。 SiPM探测器模块数量有两个或两个以上。 0011 模拟信号处理模块： 针对探测器模块的信号根据需要进行相关的滤波、 成形、 放大 和信号匹配处理， 实现将SiPM的输出快信号快速读出， 满足高带宽和低噪声的要求。 0012 定时和甄别电路模块： 包括定时模块和甄别模块， 定时模块实现高精度的信号触 发定时， 以此触发的定时作为光子沉积产生的时刻。 甄别模块实现光子沉积的能量的 判断， 通过幅度或者电荷量的判断来甄别1.28MeV和511keV的光子。 0013 SiPM探测器模块， 模拟信号处理模块， 定时和甄别电路模块分。

16、别都有起始单元和 停止单元， 起始单元探测1.28MeV光子和停止单元探测511keV的光子。 0014 数字化采集电路模块： 将定时和甄别信号模块产生的脉冲信号进行采集， 分析和 处理光子的位置信息， 能量信息和时间信息； 再利用符合单元对光子的位置， 能量和时间进 行筛选， 得到符合事件， 将数据发送给计算机终端； 0015 符合单元： 提供时间窗， 完成符合事件的筛选， 符合事件为相继发生的时间间隔小 于符合分辨时间的事件， 提高真符合效率， 降低偶然符合计数率。 0016 计算机终端： 终端中的上位机软件接收数据， 并对数据处理得到时间谱， 再通过软 件解谱， 得到样品的寿命。 001。

17、7 其中， SiPM探测器模块包括硅光电倍增器件和闪烁晶体， 其中硅光电倍增器件包 括硅光电倍增器(SiPM)或者SiPM阵列或者APD阵列； 闪烁晶体包括LYSO， LSO， LFS-3等闪烁 晶体， 闪烁晶体通过光学硅油耦合在硅光电倍增器件上组成SiPM探测器模块， 用于光子 的探测。 0018 其中， 模拟信号处理模块包括模拟信号的读出电路， 放大电路， 滤波电路， 极零相 说明书 2/5 页 4 CN 110082368 A 4 消电路及匹配电路等， 用于脉冲信号的快速放大和成形等处理。 0019 其中， 定时和甄别电路模块包括前沿定时电路或者恒比定时电路和单阈或者多阈 甄别电路， 用。

18、于脉冲信号的定时和幅度(电荷量)甄别等。 0020 其中， 数字化采集电路模块包括可编程逻辑器件(FPGA)及其相关的周边电路。 用 于整个系统的位置信息， 能量信息和时间信息的数据采集。 0021 其中， 计算机终端包括计算机及软件， 软件包括上位机软件和分析时间谱的解谱 软件， 上位机软件用于与整个数字采集电路模块的参数控制和数据存储控制， 解谱软件包 括用于寿命谱解谱的一些软件， 包括PATFIT或LT9.0。 0022 本发明与现有技术相比的优点在于： 0023 (1)利用新型的SiPM硅光电倍增器件， 其单光子响应能力好， 时间分辨能力可达到 百皮秒级以下， 配合高阻止本领和快衰减时。

19、间的闪烁晶体， 通过一系列电子学系统在线或 者示波器离线处理得到寿命谱。 光电倍增器件包括硅光电倍增管(SiPM)或者SiPM阵列或者 APD阵列， 具有体积小， 灵敏度高和量子效率高， 所需偏压低， 易封装， 合适做成多通道的阵 列等优点。 0024 (2)闪烁体包括LYSO， LSO， LFS-3等晶体及其阵列。 具有密度大， 高阻止本领， 衰减 时间快， 光产额高等优点。 闪烁晶体有效原子序数(Z)高， 光电效应截面正比于Z的5次方， 康 普顿散射截面正比于Z， 这样可以达到高探测效率和低散射比例； 另外闪烁晶体具有极高的 发光前沿和较高的光产额， 发光上升时间约为30ps， 光产额约为。

20、30000photons/MeV， 提供优 异的时间性能。 0025 (3)电子学模块结构简单化， 采用高性能的集成芯片， 集成度高， 充分考虑信号完 整性设计， 保证了系统指标的实现， 模块化的设计理念和可编程器件的应用使得系统可以 在线更新逻辑,方便维护和升级。 附图说明 0026 图1为常规正电子湮没寿命谱仪； 0027 图2为基于SiPM的正电子湮没寿命谱仪； 0028 图3为本发明实现的基于SiPM的正电子湮没寿命谱仪实施例。 具体实施方式 0029 下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。 0030 如图2所示， 本发明一种基于硅光电倍增器(SiPM)的正电子湮没寿命谱仪， 。

21、包括 SiPM探测器模块， 模拟信号处理模块， 定时和甄别电路模块， 数字化采集电路模块， 符合单 元， 低压供电模块和计算机终端。 0031 SiPM探测器模块由一个或多个硅光电倍增器(SiPM)和一个或多个闪烁晶体构成， SiPM探测器模块接收放射源衰变和正电子湮没所产生的光子， 并沉积能量产生闪烁光， 并将其转换为电信号。 SiPM探测器模块数量有两个或两个以上。 0032 SiPM探测器模块具有体积小， 灵敏度高和量子效率高， 所需偏压低， 易封装， 合适 做成多通道的阵列等优点。 0033 闪烁晶体包括LYSO， LSO， LFS-3晶体及其阵列。 具有密度大， 高阻止本领， 衰减时。

22、间 说明书 3/5 页 5 CN 110082368 A 5 快， 光产额高等优点。 闪烁晶体有效原子序数(Z)高， 光电效应截面正比于Z的5次方， 康普顿 散射截面正比于Z， 这样可以达到高探测效率和低散射比例； 另外闪烁晶体具有极高的发光 前沿和较高的光产额， 发光上升时间约为30ps， 光产额约30000photons/MeV， 提供优异的时 间性能。 0034 模拟信号处理模块： 针对探测器模块的信号根据需要进行相关的滤波、 成形、 放 大、 极零相消和信号匹配等处理， 实现将SiPM的输出快信号的快速读出， 满足高带宽和低噪 声的要求。 0035 定时和甄别电路模块： 包括定时模块和。

23、甄别模块， 定时模块实现高精度的信号触 发定时， 以此触发的定时来作为光子沉积产生的时刻。 甄别模块实现光子沉积的能量 的判断， 通过幅度或者电荷量的判断来甄别1.28MeV和511keV的光子。 0036 SiPM探测器模块， 模拟信号处理模块， 定时和甄别电路模块分别都有起始单元和 停止单元， 起始单元探测1.28MeV光子和停止单元探测511keV的光子。 0037 数字化采集电路模块： 将定时和甄别信号模块产生的数字脉冲信号进行采集， 分 析和处理光子的位置信息， 能量信息和时间信息。 再利用符合单元对光子的位置， 能量和时 间进行筛选， 得到符合事件， 将数据发送给计算机终端； 00。

24、38 符合单元： 提供时间窗， 完成符合事件的筛选， 符合事件为相继发生的时间间隔小 于符合分辨时间的事件， 提高真符合效率， 降低偶然符合计数率。 0039 计算机终端： 终端中的上位机软件接收数据， 并对数据处理得到时间谱， 再通过软 件解谱， 得到样品的寿命。 0040 实施例 0041 本发明所述的正电子湮没寿命谱仪已利用两片33mm2SiPM和两根LYSO或者两根 LFS-3晶体， 使用示波器采集探测器模块接受的的事件信号， 通过计算机终端离线处理信 号， 得到正确寿命谱， 如图3所示。 利用新型的SiPM硅光电倍增器件， 其单光子响应能力好， 时间分辨能力可达到百皮秒级以下， 配合。

25、高阻止本领和快衰减时间的闪烁晶体， 通过一系 列电子学系统在线或者示波器离线处理得到寿命谱。 0042 首先， 正电子源(通常是22Na)发生 +衰变， 产生正电子并伴随发射1.28MeV的光 子， 正电子入射到样品中， 与样品中的电子发生湮没， 产生一对511keV的光子； 这样， 光 子在晶体中沉积能量； 产生闪烁光被耦合的SiPM接收， 产生光电信号。 0043 放射源与样品成三明治结构， 尽量靠近探测器的闪烁体端面， 两个探测器模块成 直角摆放， 探测器模块里面的SiPM和闪烁体通过硅油耦合接触。 0044 一个探测器作为起始探测器探测1.28MeV的光子， 另一个探测器作为停止探测 。

26、器探测511keV的光子， 同时， 停止探测器的信号会被延迟线延迟。 0045 两路信号通过同轴线缆输入到高带宽高采样率的数字示波器， 设置合适的示波器 参数， 利用示波器内部的触发逻辑， 设置符合时间窗， 选取20ns的时间窗， 触发逻辑是当通 道1探测到1.28MeV光子， 当小于20ns的时间内通道3探测到511keV光子， 即一个符合事 件， 此事件会按照一定数据格式被记录下来。 0046 记录下来的符合事件， 即波形文件， 通过拟合或插值对信号前沿进行定时确定时 间差， 提高定时精度。 累计时间差成直方图即为测量得到的寿命谱。 0047 本发明实例中， 采用新型的固态光电倍增器件SiPM， 单光子响应能力强， 采用密度 说明书 4/5 页 6 CN 110082368 A 6 大， 衰减时间快， 光产额高的LYSO晶体和LFS-3晶体实现了高时间分辨的谱仪设计。 说明书 5/5 页 7 CN 110082368 A 7 图1 图2 说明书附图 1/2 页 8 CN 110082368 A 8 图3 说明书附图 2/2 页 9 CN 110082368 A 9 。