2×2陣列H8500光電倍增管簡化讀出電路的設計

劉 蒙 漆玉金 趙翠蘭 張雪竹

(中國科學院上海應用物理研究所 上海 201800)

伽瑪相機可直接用于二維平面顯像，是構建SPECT和 PET成像系統(tǒng)的核心部件。但傳統(tǒng)伽瑪相機的分辨率低[1]，小型模塊化是新型伽瑪相機的發(fā)展趨勢[2]。日本濱松公司生產的H8500系列多陽極位置靈敏光電倍增管(MAPSPMT)[3]體積小、性價比高，廣泛用于發(fā)展高分辨小型伽瑪相機模塊[4,5]。其有 64個5.6 mm×5.6 mm分離陽極，按8×8陣列構成；有12級金屬通道倍增極，電子倍增增益可達1.5×106；總體尺寸為 52 mm×52 mm×28 mm，光陰極的靈敏面積為49 mm×49 mm；其邊緣死區(qū)較小，宜于以陣列拼接方式拓展探測面積。

用于活體小動物 SPECT成像的高分辨伽瑪相機，探測器成像視野為10 cm左右，則需多個H8500拼接集成來拓展探測面積，因而有64路×拼接倍數(shù)探測器的信號讀出，通道數(shù)及復雜性都將成倍增加，如何簡化其讀出電子學電路是當前研究的熱門課題。本文在文獻[6]基礎上設計了一種性價較高的簡化讀出電子學電路，用于2×2陣列H8500多陽極位置靈敏光電倍增管的前端位置信號讀出與處理。其設計目標是：把256路讀出簡化至4路處理信號，同時使探測器的整體性能(像素分辨和有效成像視野)實現(xiàn)最大化。

1 簡化位置讀出電路的設計

1.1 整體設計思想

簡化讀出電路設計的有效視野比傳統(tǒng)讀出法增大 20%左右[6]，其基本設計思想是：用兩級電路簡化讀出信號的通道數(shù)，并在兩級簡化間加入局域重心法定位的區(qū)域選擇電路，以去除噪聲及其它干擾，提高定位精度及線性度。2×2陣列的4個H8500共有256個陽極信號輸出，經三級處理后，最終輸出四路位置信號和一路觸發(fā)信號，供后端的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)處理，極大地降低后續(xù)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的復雜性(圖 1)。

圖1 2×2 H8500多陽極位置靈敏光電倍增管陣列的整體讀出電路結構框圖Fig.1 Block diagram of the readout design of a 2×2 H8500 multi-anode PSPMT array.

1.2 第一級簡化的讀出電阻網絡電路

該電阻網絡電路的設計基于 Popov等[7,8]提出的均衡電荷分配，將上述256個分離陽極的電荷平均分配到X和Y電阻網絡上分別讀出(圖2)。X和Y網絡共有32個通道，經獨立的前級放大后輸出，前級放大器采用電壓靈敏放大器，反饋電阻上并聯(lián)一個高通濾波電容以降低高頻噪聲的影響。

圖2 均衡電荷分配讀出的二維電阻網絡Fig.2 2D resistive network based on symmetric charge division.

H8500管的陽極間的增益差異較大，會影響探測器的定位精度。為提高定位精度，在電阻網絡電路設計中，對每個陽極加一個對地電阻 Rc*以調節(jié)增益，以增益最小的陽極為基準，將增益大的陽極產生的多余電荷對地放掉，從而使所有陽極的等價增益與參考陽極相同。對地電阻阻值為：Rc*=0.5 RGmin/(Gi–Gmin), 其中 R為均衡電荷分配讀出法電阻網絡中的電阻值，Gmin為參考陽極的增益，Gi為當前陽極的增益[8]。

1.3 局域區(qū)選擇電路

局域重心定位[9]對上一級簡化輸出的16路X和16路Y信號進行優(yōu)化處理，是用一個減法電路實現(xiàn)局域區(qū)的選擇，去除遠離γ射線入射區(qū)的噪聲本底及其它干擾影響，以提高定位精度[9–11]。具體設計方案是：設定一個閾值，低于閾值的信號即為噪聲，高于閾值者方為有效信號，閾值以與噪聲的平均值相當為宜。如圖 3(a)，以虛線為閾值，就能有效去除噪聲干擾。根據(jù)重心定位原理，此法能大大降低噪聲對定位精度的影響且能有效降低邊沿壓縮效應。電路為可調比例的反向鉗位減法電路，將一個方向上各通道信號加和后取一個適當?shù)谋壤?，分別做反向模擬加法運算到各通道中，幅度＜0的信號被鉗位電路屏蔽掉，只輸出幅度＞0的信號。另外，各通道信號加和后得到的信號同時做后級放大后作為一路觸發(fā)信號輸出。

圖3 局域重心定位法原理(a)與局域區(qū)選擇電路原理(b)Fig.3 Principal of truncated center of gravity (TCOG) positioning (a) and the local region selection circuit (b).

1.4 第二級簡化的阻抗電橋電路

該級簡化電路的設計采用常規(guī)的阻抗電橋電路，對上一級電路輸出的X和Y方向上各16路讀出簡化為4路輸出。由圖4，16路讀出簡化為 X+和X–兩路輸出；同理，Y方向也通過與X方向類似的阻抗電橋電路處理，16路讀出簡化為 Y+和 Y–兩路輸出。

在阻抗電橋讀出電路中，每一路通道經一對定位電阻與后端相應的放大器和反饋電阻構成兩個反向放大回路，信號按通道對應位置以相應的放大倍數(shù)分送到X+、X–輸出。定位電阻和RBn需滿足總的電壓放大倍數(shù)為恒定值，設R為所有通道中阻值最大的電阻；N為總的讀出通道數(shù)；n為當前通道號；G為電橋輸出對輸入的最大轉化增益；定位電阻的計算公式如下[4]：

簡化后輸出僅X–、X+、Y–、Y+等4個位置信號，經后級放大后輸出，放大倍數(shù)的確定依據(jù)三條原則：(1) 每個方向上的一對輸出信號的后級放大倍數(shù)要相同；(2) 信號最大時保證所有輸出都不能出現(xiàn)飽和失真；(3) 輸出不飽和失真的前提下讓所有輸出盡可能大。這三條原則能有效提高輸出信號對采集和定位的準確有效性。根據(jù)最終的整體位置信號，確定γ光子在2×2的H8500陣列上的入射位置坐標的計算公式為：

圖4 X方向的阻抗電橋電路Fig.4 Resistive bridge circuit in the X direction.

2 讀出電路的制作和測試

2.1 讀出電路的制作

由圖5，讀出電路由3張雙層PCB子板構成，每張PCB子板間用接插件聯(lián)接。用信號發(fā)生器調試電路，重點是各通道的增益平衡和各放大器靜態(tài)工作點的調節(jié)。盡量保證各級反饋放大電路和模擬運算電路在零輸入時的輸出為零，各通道放大率(X++X–)盡量調節(jié)到相對于其所對應的位置的偏差最小，這樣更有利于定位的精確性。

2.2 實驗測試

該讀出電路與探測器結合進行了聯(lián)機實驗測試。探測器使用美國Saint-Gobain公司100 mm×100 mm×5 mm的NaI(Tl)陣列晶體，搭配4個以陣列方式拼接的日本Hamamatsu公司的H8500位置靈敏光電倍增管(圖 6)。其中，陣列閃爍晶格大小為 1.2 mm×1.2 mm, 晶格間填充的全反射層厚度為 0.2 mm。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用美國國家儀器公司的PCI-6110數(shù)據(jù)采集卡，它有4路模擬輸入同步采樣保持，最高采樣率5 MS/s, 分辨率12-bit。

圖5 自制的讀出電路板照片F(xiàn)ig.5 Photograph of the implemented readout circuit boards.

圖6 探測器的組成部件 (a) NaI(Tl)陣列閃爍晶體, (b) 2×2 H8500陣列Fig.6 Photograph of the detector components.(a) NaI(Tl) crystal array, (b) 2×2 H8500 array.

測試用γ射線源為2.2×106Bq的57Co面源，置于離探測器～1 m位置，對探測器進行均勻照射，通過探測器對面源照射的響應檢測其性能。四個H8500管分別進行偏壓測試，確定其工作高壓分別為-850、-780、-790和-800 V，使每個管子處于相同的增益水平。

3 結果與討論

NaI(Tl)陣列晶體直接與光電倍增管耦合測得的探測器響應圖像見圖7。由圖7(a)，在每個H8500管的靈敏區(qū)內，探測器響應達到預期效果，各晶體像素都能較好分辨，但在各H8500管的邊緣區(qū)及拼接的交界區(qū)的探測器響應很差，與正常的靈敏區(qū)存在顯著差異。圖7(b)是選取正常靈敏區(qū)里的局部放大圖像，并對放大圖像整體向X軸和Y軸投影，可清楚看到探測器正常區(qū)域具有很好的響應性能。

圖7 陣列晶體與光電倍增管直接耦合測得的探測器的原始整體響應圖像(a)和選取區(qū)域的局部放大圖及在X和Y投影(b)Fig.7 The detector’s raw flood image measured with the scintillation crystals coupled directly to the PSPMTs (a), and an enlarged view of a selected region and its projections in X and Y directions (b).

選取探測器正常靈敏區(qū)內的一行像素，對其灰度值向X軸投影所得投影分布見圖8。探測器中心的死區(qū)只能分辨出兩個像素，探測單元拼接的交界區(qū)域的圖像失真現(xiàn)象嚴重，其他像素都被壓縮到MAPSPMT的邊界或隨著光子信息丟失。由于各MAPSPMT單元拼接交界處位于探測器中心地帶，若不能較好彌補上述死區(qū)現(xiàn)象，會對探測器的成像性能帶來很大影響。因此，必須對交界區(qū)域的死區(qū)現(xiàn)象進行必要的改善或彌補。

圖8 圖7(a)中探測器正常靈敏區(qū)選取一行像素向X軸的投影分布Fig.8 Projection histogram in X direction of a selected pixel-row in Fig.7(a).

分析產生上述像素失真的原因是由于死區(qū)不能接收利用光子，導致光子信息丟失，使最終定位信息不完整所致。因此，必須使丟失的信息得到補償，我們采用兩種光學方面的改進措施：(1) 用特殊反射材料將射向死區(qū)的光子導向鄰近的陽極；(2) 在陣列閃爍晶體和H8500受光面之間填充全透明的光學硅脂，以增強光偶合，彌補死區(qū)丟失的光子。

改進后以相同的實驗條件做了對比實驗，圖像獲取結果見圖9(a)。在死區(qū)和H8500邊沿，圖像都有明顯改善。我們取矩形框內靈敏區(qū)域的局部圖像放大，并對放大的圖像整體向X軸和Y軸投影得圖9(b)，與圖 7(b)比較后可見靈敏區(qū)域的圖像質量有了提升。

圖9(a)中選取一行像素，對其灰度值向X軸投影所得投影分布見圖10(a)；對圖9(a)的兩列像素向Y軸投影得圖10(b)。從投影圖中可看出：進行光學補償后整體能多分辨出 3–6行(列)像素，死區(qū)像素增加 2–3行(列)，死區(qū)圖像有極大改善，峰谷比也有明顯提高；交界處的邊沿壓縮效應有了明顯改善，整個成像質量有了較大提升。因此，以陣列拓展讀出的方式必須同時對死區(qū)丟失的光子信息采取有效補償措施才能達到較滿意的設計結果。

圖9 光學補償后測得的探測器的原始整體響應圖像(a)和選取區(qū)域的局部放大圖及其X和Y投影(b)Fig.9 Raw flood image of the detector with optical coupling between the scintillation crystals and PSPMTs (a), and an enlarged view of a selected region and its projections in X and Y directions (b).

圖10 圖9(a)中探測器正常靈敏區(qū)選取一行像素灰度值向X軸投影(a), 以及兩列像素灰度值向Y軸投影(b)Fig.10 Projection histograms of (a) X direction of a selected pixel-row in Fig.9(a), and (b) Y direction of the selected two pixel-collumns in Fig.9(a).

4 結論

基于兩級電阻網絡簡化結合局域重心法定位的簡化讀出電子學電路，成功應用于2×2 陣列H8500探測器前端位置信號的讀出與處理，獲得了滿意的成像效果，探測器的定位分辨率及有效成像視野都實現(xiàn)了最大化，接近其物理極限。各光電管單元邊緣及拼接的交界區(qū)，需進行有效的光學補償，才能較好地彌補非靈敏區(qū)像素的探測性能。實驗結果表明：簡化讀出設計方案與實現(xiàn)手段切實可行，性價比高，該方法可以推廣應用于同類更大視野高分辨伽瑪相機的電子學讀出，具有較高的開發(fā)推廣價值。

1 Blankenberg F G.IEEE Eng Med Biol Mag, 2004,23(4):51–57

2 Lewellen T.Phys Med Biol, 2008, 53: R287–R317

3 Datasheet: Hamamatsu Tube Assembly H8500.http://www.hamamatsu.com

4 Popov V, Majewski S, Weisenberger A G, et al.IEEE Nucl Sci Symp Conf Rec, 2001,4:1937–1940

5 Olcott P D, Talcott J A, Habte F, et al.IEEE Nucl Sci,2005, 51(1): 21–27

6 趙翠蘭, 漆玉金, 施 亮, 等.原子核物理評論, 2010,27(1): 63–67 ZHAO Cuilan, QI Yujin, SHI Liang, et al.Nucl Phys Rev,2010, 27(1): 63–67

7 Popov V, Majewski S, Weisenberger A G, IEEE Nucl Sci Symp Conf Rec, 2003, 3: 2156–2159

8 Popov V, Majewski S, Welch B.Nucl Instr Meth, 2006,A567(1): 319–322

9 Wojcik R, Majewski S, Kross B, et al, IEEE Nucl Sci Symp Conf Rec, 2001, 3: 1821–1825

10 張猛蛟, 漆玉金.核技術, 2007, 30(7): 629–632 ZHANG Mengjiao, QI Yujin.Nucl Tech, 2007, 30(7):629–632

11 QI Yujin, ZHANG Mengjiao, ZHAO Cuilan, et al.IEEE Nucl Sci Symp Conf Rec, 2007: 3725–3728