用于測(cè)量擊穿電壓的裝置、設(shè)備及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電路領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于測(cè)量擊穿電壓的裝置、設(shè)備及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在高能光子(X射線、伽瑪光子等)測(cè)量系統(tǒng)中，經(jīng)常采用諸如硅光電倍增管(Silicon Photomultipliers，SiPM)的光電傳感器。SiPM是一種基于娃的光電傳感器。SiPM由邊長10?100微米左右的小的傳感器微元(cell)組成。每個(gè)傳感器微元都是工作在蓋革(Geiger)模式下的雪崩式光電二極管。每個(gè)傳感器微元每次都只能檢測(cè)一個(gè)可見光子。成百上千的傳感器微元組成傳感器單元(pixel)。傳感器單元的尺寸通常為I平方毫米至幾十平方毫米。很多傳感器單元組合在一起，又可以組成更大的傳感器陣列(例如16x 16個(gè)3毫米X 3毫米的傳感器單元組成的陣列)AiPM陣列和閃爍晶體陣列通過光導(dǎo)層耦合在一起，就構(gòu)成了基于SiPM的前端檢測(cè)器。基于SiPM的前端檢測(cè)器廣泛應(yīng)用于高能光子的檢測(cè)。相比于傳統(tǒng)的光電倍增管(Photomultipliers，PMT)，SiPM具有尺寸小、偏置電壓低、時(shí)間分辨率高、與核磁共振(MRI)磁場(chǎng)兼容等優(yōu)點(diǎn)。SiPM的一個(gè)缺點(diǎn)是其增益受溫度影響較大。SiPM增益的變化，對(duì)基于SiPM的前端檢測(cè)器的許多性能有很大影響，并且會(huì)影響高能光子的測(cè)量結(jié)果。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的是，傳感器單元的增益通常正比于其偏置過壓，并且偏置過壓等于偏置電壓與擊穿電壓之差。由于偏置電壓通常是已知的，因此如果測(cè)量出傳感器單元的擊穿電壓，則可以獲知其增益變化情況，并且可以進(jìn)一步對(duì)增益變化進(jìn)行補(bǔ)償。
[0003]因此，需要提供一種用于測(cè)量擊穿電壓的裝置，以至少部分地解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了至少部分地解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于測(cè)量擊穿電壓的裝置。該裝置包括受控電壓源、電流檢測(cè)電路和處理電路。受控電壓源的輸出端連接傳感器單元的輸入端，受控電壓源用于為傳感器單元提供一系列測(cè)試偏置電壓。電流檢測(cè)電路的輸入端連接傳感器單元的輸出端，電流檢測(cè)電路用于檢測(cè)傳感器單元輸出的電流信號(hào)并生成對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)。處理電路的輸入端連接電流檢測(cè)電路的輸出端，處理電路的輸出端連接受控電壓源的輸入端，處理電路用于控制受控電壓源提供一系列測(cè)試偏置電壓，基于檢測(cè)信號(hào)計(jì)算與一系列測(cè)試偏置電壓分別對(duì)應(yīng)的暗電流，并基于一系列測(cè)試偏置電壓和暗電流確定傳感器單元的擊穿電壓。
[0005]根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種用于測(cè)量擊穿電壓的設(shè)備。該設(shè)備包括與傳感器陣列中的多個(gè)傳感器單元一一對(duì)應(yīng)的多個(gè)如上所述的用于測(cè)量擊穿電壓的裝置。
[0006]根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種用于測(cè)量擊穿電壓的設(shè)備。該設(shè)備包括受控電壓源、電壓控制電路、與傳感器陣列中的多個(gè)傳感器單元--對(duì)應(yīng)的多個(gè)電流檢測(cè)電路和多個(gè)處理電路，其中:受控電壓源的輸出端分別連接多個(gè)傳感器單元的輸入端，受控電壓源用于為多個(gè)傳感器單元提供一系列測(cè)試偏置電壓；電壓控制電路的輸出端連接受控電壓源的輸入端，電壓控制電路用于控制受控電壓源提供一系列測(cè)試偏置電壓；多個(gè)電流檢測(cè)電路中的每一個(gè)的輸入端連接對(duì)應(yīng)傳感器單元的輸出端，多個(gè)電流檢測(cè)電路中的每一個(gè)用于檢測(cè)對(duì)應(yīng)傳感器單元輸出的電流信號(hào)并生成對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)；多個(gè)處理電路中的每一個(gè)的輸入端連接電流檢測(cè)電路的輸出端和電壓控制電路的輸出端，多個(gè)處理電路中的每一個(gè)用于基于檢測(cè)信號(hào)計(jì)算與一系列測(cè)試偏置電壓分別對(duì)應(yīng)的暗電流，并基于一系列測(cè)試偏置電壓和暗電流確定對(duì)應(yīng)傳感器單元的擊穿電壓。
[0007]根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種用于測(cè)量擊穿電壓的方法。該方法包括:為傳感器單元提供一系列測(cè)試偏置電壓;檢測(cè)傳感器單元輸出的電流信號(hào)并生成對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)；基于檢測(cè)信號(hào)計(jì)算與一系列測(cè)試偏置電壓分別對(duì)應(yīng)的暗電流；以及基于一系列測(cè)試偏置電壓和暗電流確定傳感器單元的擊穿電壓。
[0008]根據(jù)本發(fā)明提供的用于測(cè)量擊穿電壓的裝置、設(shè)備及方法，通過處理電路控制受控電壓源提供的一系列偏置電壓以及相應(yīng)地從電流檢測(cè)電路獲得的一系列暗電流來計(jì)算傳感器單元的擊穿電壓。本發(fā)明提供的電路結(jié)構(gòu)簡單，可以快速、準(zhǔn)確、高效地計(jì)算出傳感器單元的擊穿電壓，進(jìn)而有利于及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)傳感器單元的增益變化進(jìn)行補(bǔ)償。
[0009]在
【發(fā)明內(nèi)容】
中引入了一系列簡化的概念，這些概念將在【具體實(shí)施方式】部分中進(jìn)一步詳細(xì)說明。本
【發(fā)明內(nèi)容】
部分并不意味著要試圖限定所要求保護(hù)的技術(shù)方案的關(guān)鍵特征和必要技術(shù)特征，更不意味著試圖確定所要求保護(hù)的技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
[0010]以下結(jié)合附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征。
【附圖說明】
[0011]本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā)明的實(shí)施方式及其描述，用來解釋本發(fā)明的原理。在附圖中，
[0012]圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的傳感器單元以及用于測(cè)量擊穿電壓的裝置的示意性框圖；
[0013]圖2示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的偏置電壓與暗電流的關(guān)系曲線；
[0014]圖3示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的傳感器單元以及用于測(cè)量擊穿電壓的裝置的示意性框圖；
[0015]圖4示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電流檢測(cè)電路的示意性框圖；
[0016]圖5示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電流檢測(cè)電路的電路示意圖；
[0017]圖6示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的傳感器陣列以及用于測(cè)量擊穿電壓的設(shè)備的示意性框圖；
[0018]圖7示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面的傳感器陣列以及用于測(cè)量擊穿電壓的設(shè)備的示意性框圖；以及
[0019]圖8示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于測(cè)量擊穿電壓的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]在下文的描述中，提供了大量的細(xì)節(jié)以便能夠徹底地理解本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以了解，如下描述僅涉及本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明可以無需一個(gè)或多個(gè)這樣的細(xì)節(jié)而得以實(shí)施。此外，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對(duì)于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未進(jìn)行描述。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于測(cè)量擊穿電壓的裝置。圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的傳感器單元110以及用于測(cè)量擊穿電壓的裝置120的示意性框圖。如圖1所示，用于測(cè)量擊穿電壓的裝置120包括受控電壓源122、電流檢測(cè)電路124和處理電路126。
[0022]受控電壓源122的輸出端連接傳感器單元110的輸入端。受控電壓源122用于為傳感器單元110提供一系列測(cè)試偏置電壓。電流檢測(cè)電路124的輸入端連接傳感器單元110的輸出端。電流檢測(cè)電路124用于檢測(cè)傳感器單元110輸出的電流信號(hào)并生成對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)。處理電路126的輸入端連接電流檢測(cè)電路124的輸出端，處理電路126的輸出端連接受控電壓源122的輸入端。處理電路126用于控制受控電壓源122提供一系列測(cè)試偏置電壓，基于檢測(cè)信號(hào)計(jì)算與一系列測(cè)試偏置電壓分別對(duì)應(yīng)的暗電流，并基于一系列測(cè)試偏置電壓和暗電流確定傳感器單元的擊穿電壓。
[0023]受控電壓源122受到處理電路126的控制，在處理電路126的控制下將具有某一電壓值的偏置電壓輸出到傳感器單元110。例如，受控電壓源可以將30V的工作偏置電壓輸出到傳感器單元110，以使傳感器單元110進(jìn)入正常工作狀態(tài)。受控電壓源122可以是例如示波器。
[0024]電流檢測(cè)電路124可以是任何合適的能夠檢測(cè)傳感器單元110輸出的電流信號(hào)的電路。例如，電流檢測(cè)電路124可以包括示波器，用于檢測(cè)電流信號(hào)并對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行一些期望處理?？梢岳斫獾氖?，電流檢測(cè)電路124檢測(cè)的是傳感器單元110在擊穿電壓測(cè)量時(shí)段內(nèi)輸出的電流信號(hào)。在該擊穿電壓測(cè)量時(shí)段內(nèi)，可能發(fā)生有效事件或暗事件，也可能未發(fā)生任何事件。在沒有事件發(fā)生的時(shí)段內(nèi)，傳感器單元110輸出的電流信號(hào)為0，電流檢測(cè)電路124生成的檢測(cè)信號(hào)也是O。
[0025]在本文中，有效事件是指高能光子(例如伽瑪光子等)在與傳感器單元相連的閃爍晶體中作用而引起的在傳感器單元中產(chǎn)生電流信號(hào)的事件，暗事件是指噪聲(通常是熱電子)引起的在傳感器單元中產(chǎn)生電流信號(hào)的事件。在發(fā)生有效事件或暗事件時(shí)，傳感器單元110可以輸出一個(gè)脈沖電流信號(hào)。為了描述方便，在本文中，將在發(fā)生有效事件時(shí)傳感器單元110輸出的脈沖電流信號(hào)稱為有效電流信號(hào)(即有效電流)，將在發(fā)生暗事件時(shí)傳感器單元110輸出的脈沖電流信號(hào)稱為暗電流信號(hào)(即暗電流)。有效電流信號(hào)的能量遠(yuǎn)大于暗電流信號(hào)的能量，前者通常是后者的幾十至幾千倍。因此，通過分析傳感器單元110輸出的電流信號(hào)的能量可以確定在傳感器單元110中發(fā)生的是有效事件還是暗事件。
[0026]處理電路126可以是具有數(shù)據(jù)處理能力的數(shù)字電路，在這種情況下，可以通過編程使處理電路126實(shí)現(xiàn)各種計(jì)算功能。可選地，處理電路126可以采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)、微控制單元(MCU)或中央處理單元(CPU)來實(shí)現(xiàn)。
[0027]當(dāng)希望獲知傳感器單元110的擊穿電壓時(shí)，可以利用裝置120進(jìn)行測(cè)量。裝置120的基本工作原理是不斷改變施加在傳感器單元110上的偏置電壓，從而獲得一系列暗電流?；诓煌秒妷合碌陌惦娏鞯拇笮。梢源_定傳感器單元的擊穿電壓。另外，還可以進(jìn)一步確定傳感器單元的偏置過壓(等于偏置電壓減去擊穿電壓)。由于偏置過壓與傳感器單元110的增益通常成正比，因此其可以反映傳感器單元110的增益的大小?？梢悦扛粢欢螘r(shí)間啟動(dòng)一次裝置120，例如每隔10分鐘啟動(dòng)一次。裝置120可以在較短的時(shí)間段內(nèi)測(cè)量傳感器單元110的擊穿電壓。該時(shí)間段可以根據(jù)需要設(shè)定，例如設(shè)定為10秒。在該時(shí)間段內(nèi)，處理電路126可以控制受控電壓源122輸出一系列不同的偏置電壓，即一系列測(cè)試偏置電壓，