2×2阵列H8500光电倍增管简化读出电路的设计

刘 蒙 漆玉金 赵翠兰 张雪竹

(中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800)

伽玛相机可直接用于二维平面显像，是构建SPECT和 PET成像系统的核心部件。但传统伽玛相机的分辨率低[1]，小型模块化是新型伽玛相机的发展趋势[2]。日本滨松公司生产的H8500系列多阳极位置灵敏光电倍增管(MAPSPMT)[3]体积小、性价比高，广泛用于发展高分辨小型伽玛相机模块[4,5]。其有 64个5.6 mm×5.6 mm分离阳极，按8×8阵列构成；有12级金属通道倍增极，电子倍增增益可达1.5×106；总体尺寸为 52 mm×52 mm×28 mm，光阴极的灵敏面积为49 mm×49 mm；其边缘死区较小，宜于以阵列拼接方式拓展探测面积。

用于活体小动物 SPECT成像的高分辨伽玛相机，探测器成像视野为10 cm左右，则需多个H8500拼接集成来拓展探测面积，因而有64路×拼接倍数探测器的信号读出，通道数及复杂性都将成倍增加，如何简化其读出电子学电路是当前研究的热门课题。本文在文献[6]基础上设计了一种性价较高的简化读出电子学电路，用于2×2阵列H8500多阳极位置灵敏光电倍增管的前端位置信号读出与处理。其设计目标是：把256路读出简化至4路处理信号，同时使探测器的整体性能(像素分辨和有效成像视野)实现最大化。

1 简化位置读出电路的设计

1.1 整体设计思想

简化读出电路设计的有效视野比传统读出法增大 20%左右[6]，其基本设计思想是：用两级电路简化读出信号的通道数，并在两级简化间加入局域重心法定位的区域选择电路，以去除噪声及其它干扰，提高定位精度及线性度。2×2阵列的4个H8500共有256个阳极信号输出，经三级处理后，最终输出四路位置信号和一路触发信号，供后端的数据获取系统处理，极大地降低后续数据获取系统的复杂性(图 1)。

图1 2×2 H8500多阳极位置灵敏光电倍增管阵列的整体读出电路结构框图Fig.1 Block diagram of the readout design of a 2×2 H8500 multi-anode PSPMT array.

1.2 第一级简化的读出电阻网络电路

该电阻网络电路的设计基于 Popov等[7,8]提出的均衡电荷分配，将上述256个分离阳极的电荷平均分配到X和Y电阻网络上分别读出(图2)。X和Y网络共有32个通道，经独立的前级放大后输出，前级放大器采用电压灵敏放大器，反馈电阻上并联一个高通滤波电容以降低高频噪声的影响。

图2 均衡电荷分配读出的二维电阻网络Fig.2 2D resistive network based on symmetric charge division.

H8500管的阳极间的增益差异较大，会影响探测器的定位精度。为提高定位精度，在电阻网络电路设计中，对每个阳极加一个对地电阻 Rc*以调节增益，以增益最小的阳极为基准，将增益大的阳极产生的多余电荷对地放掉，从而使所有阳极的等价增益与参考阳极相同。对地电阻阻值为：Rc*=0.5 RGmin/(Gi–Gmin), 其中 R为均衡电荷分配读出法电阻网络中的电阻值，Gmin为参考阳极的增益，Gi为当前阳极的增益[8]。

1.3 局域区选择电路

局域重心定位[9]对上一级简化输出的16路X和16路Y信号进行优化处理，是用一个减法电路实现局域区的选择，去除远离γ射线入射区的噪声本底及其它干扰影响，以提高定位精度[9–11]。具体设计方案是：设定一个阈值，低于阈值的信号即为噪声，高于阈值者方为有效信号，阈值以与噪声的平均值相当为宜。如图 3(a)，以虚线为阈值，就能有效去除噪声干扰。根据重心定位原理，此法能大大降低噪声对定位精度的影响且能有效降低边沿压缩效应。电路为可调比例的反向钳位减法电路，将一个方向上各通道信号加和后取一个适当的比例，分别做反向模拟加法运算到各通道中，幅度＜0的信号被钳位电路屏蔽掉，只输出幅度＞0的信号。另外，各通道信号加和后得到的信号同时做后级放大后作为一路触发信号输出。

图3 局域重心定位法原理(a)与局域区选择电路原理(b)Fig.3 Principal of truncated center of gravity (TCOG) positioning (a) and the local region selection circuit (b).

1.4 第二级简化的阻抗电桥电路

该级简化电路的设计采用常规的阻抗电桥电路，对上一级电路输出的X和Y方向上各16路读出简化为4路输出。由图4，16路读出简化为 X+和X–两路输出；同理，Y方向也通过与X方向类似的阻抗电桥电路处理，16路读出简化为 Y+和 Y–两路输出。

在阻抗电桥读出电路中，每一路通道经一对定位电阻与后端相应的放大器和反馈电阻构成两个反向放大回路，信号按通道对应位置以相应的放大倍数分送到X+、X–输出。定位电阻和RBn需满足总的电压放大倍数为恒定值，设R为所有通道中阻值最大的电阻；N为总的读出通道数；n为当前通道号；G为电桥输出对输入的最大转化增益；定位电阻的计算公式如下[4]：

简化后输出仅X–、X+、Y–、Y+等4个位置信号，经后级放大后输出，放大倍数的确定依据三条原则：(1) 每个方向上的一对输出信号的后级放大倍数要相同；(2) 信号最大时保证所有输出都不能出现饱和失真；(3) 输出不饱和失真的前提下让所有输出尽可能大。这三条原则能有效提高输出信号对采集和定位的准确有效性。根据最终的整体位置信号，确定γ光子在2×2的H8500阵列上的入射位置坐标的计算公式为：

图4 X方向的阻抗电桥电路Fig.4 Resistive bridge circuit in the X direction.

2 读出电路的制作和测试

2.1 读出电路的制作

由图5，读出电路由3张双层PCB子板构成，每张PCB子板间用接插件联接。用信号发生器调试电路，重点是各通道的增益平衡和各放大器静态工作点的调节。尽量保证各级反馈放大电路和模拟运算电路在零输入时的输出为零，各通道放大率(X++X–)尽量调节到相对于其所对应的位置的偏差最小，这样更有利于定位的精确性。

2.2 实验测试

该读出电路与探测器结合进行了联机实验测试。探测器使用美国Saint-Gobain公司100 mm×100 mm×5 mm的NaI(Tl)阵列晶体，搭配4个以阵列方式拼接的日本Hamamatsu公司的H8500位置灵敏光电倍增管(图 6)。其中，阵列闪烁晶格大小为 1.2 mm×1.2 mm, 晶格间填充的全反射层厚度为 0.2 mm。数据采集系统使用美国国家仪器公司的PCI-6110数据采集卡，它有4路模拟输入同步采样保持，最高采样率5 MS/s, 分辨率12-bit。

图5 自制的读出电路板照片Fig.5 Photograph of the implemented readout circuit boards.

图6 探测器的组成部件 (a) NaI(Tl)阵列闪烁晶体, (b) 2×2 H8500阵列Fig.6 Photograph of the detector components.(a) NaI(Tl) crystal array, (b) 2×2 H8500 array.

测试用γ射线源为2.2×106Bq的57Co面源，置于离探测器～1 m位置，对探测器进行均匀照射，通过探测器对面源照射的响应检测其性能。四个H8500管分别进行偏压测试，确定其工作高压分别为-850、-780、-790和-800 V，使每个管子处于相同的增益水平。

3 结果与讨论

NaI(Tl)阵列晶体直接与光电倍增管耦合测得的探测器响应图像见图7。由图7(a)，在每个H8500管的灵敏区内，探测器响应达到预期效果，各晶体像素都能较好分辨，但在各H8500管的边缘区及拼接的交界区的探测器响应很差，与正常的灵敏区存在显著差异。图7(b)是选取正常灵敏区里的局部放大图像，并对放大图像整体向X轴和Y轴投影，可清楚看到探测器正常区域具有很好的响应性能。

图7 阵列晶体与光电倍增管直接耦合测得的探测器的原始整体响应图像(a)和选取区域的局部放大图及在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).

选取探测器正常灵敏区内的一行像素，对其灰度值向X轴投影所得投影分布见图8。探测器中心的死区只能分辨出两个像素，探测单元拼接的交界区域的图像失真现象严重，其他像素都被压缩到MAPSPMT的边界或随着光子信息丢失。由于各MAPSPMT单元拼接交界处位于探测器中心地带，若不能较好弥补上述死区现象，会对探测器的成像性能带来很大影响。因此，必须对交界区域的死区现象进行必要的改善或弥补。

图8 图7(a)中探测器正常灵敏区选取一行像素向X轴的投影分布Fig.8 Projection histogram in X direction of a selected pixel-row in Fig.7(a).

分析产生上述像素失真的原因是由于死区不能接收利用光子，导致光子信息丢失，使最终定位信息不完整所致。因此，必须使丢失的信息得到补偿，我们采用两种光学方面的改进措施：(1) 用特殊反射材料将射向死区的光子导向邻近的阳极；(2) 在阵列闪烁晶体和H8500受光面之间填充全透明的光学硅脂，以增强光偶合，弥补死区丢失的光子。

改进后以相同的实验条件做了对比实验，图像获取结果见图9(a)。在死区和H8500边沿，图像都有明显改善。我们取矩形框内灵敏区域的局部图像放大，并对放大的图像整体向X轴和Y轴投影得图9(b)，与图 7(b)比较后可见灵敏区域的图像质量有了提升。

图9(a)中选取一行像素，对其灰度值向X轴投影所得投影分布见图10(a)；对图9(a)的两列像素向Y轴投影得图10(b)。从投影图中可看出：进行光学补偿后整体能多分辨出 3–6行(列)像素，死区像素增加 2–3行(列)，死区图像有极大改善，峰谷比也有明显提高；交界处的边沿压缩效应有了明显改善，整个成像质量有了较大提升。因此，以阵列拓展读出的方式必须同时对死区丢失的光子信息采取有效补偿措施才能达到较满意的设计结果。

图9 光学补偿后测得的探测器的原始整体响应图像(a)和选取区域的局部放大图及其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).

图10 图9(a)中探测器正常灵敏区选取一行像素灰度值向X轴投影(a), 以及两列像素灰度值向Y轴投影(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 结论

基于两级电阻网络简化结合局域重心法定位的简化读出电子学电路，成功应用于2×2 阵列H8500探测器前端位置信号的读出与处理，获得了满意的成像效果，探测器的定位分辨率及有效成像视野都实现了最大化，接近其物理极限。各光电管单元边缘及拼接的交界区，需进行有效的光学补偿，才能较好地弥补非灵敏区像素的探测性能。实验结果表明：简化读出设计方案与实现手段切实可行，性价比高，该方法可以推广应用于同类更大视野高分辨伽玛相机的电子学读出，具有较高的开发推广价值。

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 赵翠兰, 漆玉金, 施 亮, 等.原子核物理评论, 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 张猛蛟, 漆玉金.核技术, 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