一种基于像素对角配对及差分求和的半导体探测器深度校正方法及系统

本发明涉及半导体探测器信号处理，尤其涉及一种基于像素对角配对及差分求和的半导体探测器深度校正方法及系统。

背景技术：

1、目前，cdznte、cdte、hgi2、gaas、tlbr和pbi2等半导体晶体可用于室温核辐射探测，并应用于核医学、环境监测、无损检测、安全检查和天体物理等领域。像素阵列半导体探测器通过在晶体阳极面设置多个像素电极获得平面位置和能量信息。

2、为兼顾空间分辨率和探测效率，部分像素阵列探测器采用较大的像素尺寸与晶体厚度。当像素尺寸与晶体厚度的比值大于0.3时，小像素效应减弱，像素下方的权重电势在晶体内部变得平缓且延伸范围增大。受晶体缺陷和载流子输运性能影响，空穴的迁移率寿命积通常低于电子，载流子俘获对阳极信号的影响随之增强，容易造成能谱低能拖尾、能量分辨率降低和峰总比下降。

3、根据shockley-ramo理论，像素电极输出的感生电荷与权重电势及载流子运动有关。像素型碲锌镉探测器的总电荷收集效率小于1，并随相互作用深度发生变化；越靠近阳极，空穴俘获造成的电荷收集效率损失越明显。若能够确定每个触发事件的相互作用深度，便可按照预先标定的深度与电荷收集效率关系对事件能量进行校正。深度信息获取的方式通常有阴阳极信号幅度比法和电子漂移时间法两种。

4、阴阳极信号幅度比法分别读取单个像素阳极和整块公共阴极的信号。采用电荷灵敏前置放大器时，阴极信号幅度与阳极信号幅度的比值可表示为，其中，表示阴阳极信号幅度比，表示真实阴极信号，表示单像素阳极信号，表示归一化相互作用深度。整块公共阴极面积较大，其漏电流和极间电容会提高电子学噪声；公共阴极还需响应探测体内的全部事件，在高计数率下容易发生信号堆积并受到基线恢复时间限制。

5、电子漂移时间法需要测量电子由相互作用位置漂移至阳极的时间，通常依赖高速波形采样模数转换器、定时甄别电路和时间数字转换电路，因而增加硬件复杂度和功耗。另有利用单个收集像素与相邻像素信号构造虚拟阴极的方式，但该方式未形成相邻2行2列像素的结构化模组，也未利用同一双通道信号组实施单位增益差分与求和并行处理。

6、因此，亟需一种能够利用像素阵列已有读出信号构造深度相关幅度量，并在不依赖真实阴极且不测量电子漂移时间的条件下反演相互作用深度和校正能量的处理方法，使局部像素模组能够兼顾载流子俘获补偿、深度响应校正、位置判别以及大面阵低通道数读出。

技术实现思路

1、针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提出一种基于像素对角配对及差分求和的半导体探测器深度校正方法及系统，旨在解决现有像素阵列半导体探测器依赖整块公共阴极或电子漂移时间获取深度信息时受到阴极噪声、信号堆积和复杂定时电路限制，且难以同时补偿载流子俘获及不同作用深度电荷收集效率差异的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：本发明提供一种基于像素对角配对及差分求和的半导体探测器深度校正方法及系统。

3、所述一种基于像素对角配对及差分求和的半导体探测器深度校正方法，包括：

4、步骤s10：获取探测器像素阵列配置，基于所述探测器像素阵列配置采用相邻像素对角配对机制执行读出通道构建任务，输出对角配对像素模组；

5、步骤s20：基于所述对角配对像素模组采用双通道电荷灵敏读出机制执行信号采集任务，输出双通道信号组；

6、步骤s30：基于所述双通道信号组采用差分求和并行处理机制执行仿电极特征提取任务，输出仿电极特征量；

7、步骤s40：基于所述仿电极特征量采用幅度比标定映射机制执行相互作用深度反演任务，输出深度校正参数组；

8、步骤s50：基于所述深度校正参数组采用电荷收集效率校正机制执行能量重建任务，输出校正能谱。

9、优选地，步骤s10中，获取探测器像素阵列配置，基于所述探测器像素阵列配置采用相邻像素对角配对机制执行读出通道构建任务，输出对角配对像素模组的步骤，具体包括：

10、步骤s101：依据所述探测器像素阵列配置，将半导体探测器晶体的像素阵列划分为多个由相邻2行2列像素组成的方形基本模组；

11、步骤s102：针对每个所述方形基本模组，将第一条对角线上的两个像素电极互连形成第一读出通道，将第二条对角线上的两个像素电极互连形成第二读出通道；

12、步骤s103：将所述第一读出通道和所述第二读出通道确定为对应方形基本模组的对角配对像素模组，使每四个像素对应两个读出通道。

13、优选地，步骤s20中，基于所述对角配对像素模组采用双通道电荷灵敏读出机制执行信号采集任务，输出双通道信号组的步骤，具体包括：

14、步骤s201：基于所述对角配对像素模组，将其中的两个读出通道分别确定为第一读出通道和第二读出通道；针对所述第一读出通道，连接第一电荷灵敏前置放大器；针对所述第二读出通道，连接第二电荷灵敏前置放大器；

15、步骤s202：利用所述第一电荷灵敏前置放大器，对第一读出通道的感生电荷信号执行电荷灵敏放大；利用所述第二电荷灵敏前置放大器，对第二读出通道的感生电荷信号执行电荷灵敏放大；输出第一通道信号和第二通道信号；

16、优选地，步骤s202中，利用所述第一电荷灵敏前置放大器，对第一读出通道的感生电荷信号执行电荷灵敏放大；利用所述第二电荷灵敏前置放大器，对第二读出通道的感生电荷信号执行电荷灵敏放大；输出第一通道信号和第二通道信号的步骤，具体包括：第一电荷灵敏前置放大器和第二电荷灵敏前置放大器相互独立，信号采集过程无需测量第一通道信号和第二通道信号的电子漂移时间。

17、优选地，步骤s30中，基于所述双通道信号组采用差分求和并行处理机制执行仿电极特征提取任务，输出仿电极特征量的步骤，具体包括：

18、步骤s301：从所述双通道信号组中确定第一通道信号和第二通道信号，分别记为和；

19、步骤s302：采用增益固定为1的单个差分电路对所述第一通道信号和所述第二通道信号进行相减，形成作为仿阳极信号的差分信号，并采用加法电路对所述第一通道信号和所述第二通道信号进行相加，形成作为仿阴极信号的求和信号，其中：

20、；

21、其中，表示所述差分信号，表示所述第一通道信号，表示所述第二通道信号；

22、；

23、其中，表示所述求和信号，和的含义与前述公式相同；差分电路的增益由片内相互匹配的等值电阻固化为1；当对角配对像素模组位于像素阵列边缘时，加法电路将第二通道信号乘以预设相对增益后与第一通道信号相加；

24、步骤s303：对差分信号取绝对值得到差分幅度，提取差分信号的极性得到用于指示事件所在对角线的极性标志位，并将差分幅度、求和信号的幅度和极性标志位组成仿电极特征量。

25、优选地，步骤s40中，基于所述仿电极特征量采用幅度比标定映射机制执行相互作用深度反演任务，输出深度校正参数组的步骤，具体包括：

26、步骤s401：调用通过权重电势与电荷输运仿真结合准直源不同深度入射实验预先建立的幅度比与相互作用深度的标定关系，该标定关系在半导体探测器的单极性区内为单调对应关系；

27、步骤s402：从所述仿电极特征量中读取求和信号的幅度和差分幅度，计算幅度比：

28、；

29、其中，表示所述幅度比，表示求和信号的幅度，表示差分幅度；

30、步骤s403：将所述幅度比输入所述标定关系，反演得到事件的相互作用深度，并将相互作用深度和差分幅度组成深度校正参数组。

31、优选地，步骤s50中，基于所述深度校正参数组采用电荷收集效率校正机制执行能量重建任务，输出校正能谱的步骤，具体包括：

32、步骤s501：从所述深度校正参数组中读取相互作用深度和差分幅度，将相互作用深度记为，查询预先标定的对应深度处的电荷收集效率，并确定校正系数：

33、；

34、其中，表示相互作用深度为时的电荷收集效率，表示相互作用深度为时的校正系数；

35、步骤s502：将校正系数作用于差分幅度，得到深度无关能量：

36、；

37、其中，表示所述深度无关能量，表示差分幅度，表示校正系数；

38、步骤s503：将多个事件的所述深度无关能量输入多道分析仪形成所述校正能谱；其中，幅度比与相互作用深度的标定关系以及校正系数的实现形式为查找表、多项式拟合或神经网络模型，运行于现场可编程门阵列、专用集成电路或上位机软件中。

39、本发明还提供一种基于像素对角配对及差分求和的半导体探测器深度校正系统，包括：

40、模组构建模块，用于获取探测器像素阵列配置，基于所述探测器像素阵列配置采用相邻像素对角配对机制执行读出通道构建任务，输出对角配对像素模组；

41、信号采集模块，用于基于所述对角配对像素模组采用双通道电荷灵敏读出机制执行信号采集任务，输出双通道信号组；

42、特征提取模块，用于基于所述双通道信号组采用差分求和并行处理机制执行仿电极特征提取任务，输出仿电极特征量；

43、深度反演模块，用于基于所述仿电极特征量采用幅度比标定映射机制执行相互作用深度反演任务，输出深度校正参数组；

44、能量重建模块，用于基于所述深度校正参数组采用电荷收集效率校正机制执行能量重建任务，输出校正能谱。

45、本发明还提供一种基于像素对角配对及差分求和的半导体探测器深度校正设备，所述基于像素对角配对及差分求和的半导体探测器深度校正设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的基于像素对角配对及差分求和的半导体探测器深度校正程序，所述基于像素对角配对及差分求和的半导体探测器深度校正程序被所述处理器执行时实现上述方法。

46、本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括基于像素对角配对及差分求和的半导体探测器深度校正程序，所述基于像素对角配对及差分求和的半导体探测器深度校正程序被处理器执行时实现上述方法。

47、本发明的有益效果在于：

48、1.通过将相邻2行2列像素按两条对角线配对，使两个读出通道互补覆盖同一模组的四个像素；由两通道求和形成的仿阴极信号对应局部等效大电极响应，无需读取整块公共阴极，从信号来源上降低公共阴极漏电流、电容、噪声和全局事件堆积的影响。

49、2.通过单个固定单位增益差分电路形成仿阳极信号，可扣除两个通道共有的载流子俘获相关性损失；差分信号的绝对值携带沉积能量信息，极性用于区分事件所在的模组对角线，使同一路双极性信号同时支持能量度量和位置判别。

50、3.通过仿阴极信号幅度与仿阳极信号幅度之比调用预先标定的深度映射，再按照对应深度的电荷收集效率校正差分幅度，可使不同相互作用深度的能量响应趋于一致，从而抑制能谱低能拖尾并改善能量分辨率和峰总比。

51、4.整个校正链路仅测量两个读出通道的信号幅度，不需要高速波形采样、定时甄别或时间数字转换；四个像素合并为两个读出通道，适于降低大面积像素阵列的电子学通道数、芯片面积、功耗和逐模组差分增益标定量。

52、5.差分电路采用由片内匹配电阻固化的单位增益，不设置可调增益元件，不需要逐模组扫描调节差分增益，并可减少可调增益产生的温漂、时漂及模组间失配；两个输入端采用相同权重，有利于抑制电源噪声及外部电磁干扰的共模分量。

53、6.相互作用深度与像素模组在电极平面中的位置共同构成三维位置信息，可用于康普顿成像中的散射光子位置重建以及编码成像中的相互作用深度校正。