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失效时间校正系统及方法

申请号 CN201710103121.2 申请日 2017-02-24 公开(公告)号 CN107132569B 公开(公告)日 2019-08-06
申请人 赛默艾博林有限公司; 发明人 G·H·纳尔逊; P·E·比森; A·J·莱恩;
摘要 一种系统包含:具有可选脉冲计数器读出速率的脉冲计数器;存储脉冲计数器读出(PCRO)计数的PCRO存储寄存器;及具有脉冲峰值计数器读出速率的脉冲峰值计数器,所述脉冲峰值计数器读出速率比除了最快可选脉冲计数器读出速率之外的所有读出速率快;与所述脉冲计数器及所述PCRO 电子 通信的减法器模 块 ,其从脉冲计数器读出计数减去所述PCRO计数以输出未校正脉冲计数;与所述脉冲峰值计数器电子通信的选择模块,其响应于来自所述脉冲峰值计数器的输入而选择所述脉冲计数器读出速率;与所述减法器模块及所述选择模块电子通信的多路复用器,所述多路复用器从至少两个 失效时间 校正变换当中进行选择,所述变换对应于所述 选定 脉冲计数器读出速率;及输出失效时间校正脉冲速率的控制与读出模块。
权利要求

1.一种用于脉冲速率测量装置的失效时间校正系统,所述系统包括:
a.脉冲计数器,其响应于脉冲而递增,所述脉冲计数器具有可选脉冲计数器读出速率;
b.脉冲计数器读出(PCRO)存储寄存器,其存储紧接之前PCRO计数;
c.脉冲峰值计数器,其也响应于脉冲而递增,所述脉冲峰值计数器具有比除了最快可选脉冲计数器读出速率之外的所有读出速率快的脉冲峰值计数器读出速率;
d.减法器模,其与所述脉冲计数器及所述PCRO存储寄存器电子通信,所述减法器模块从脉冲计数器读出计数减去所述之前PCRO计数以输出未校正脉冲计数;
e.选择模块,其与所述脉冲峰值计数器电子通信,所述选择模块响应于来自所述脉冲峰值计数器的输入而选择所述脉冲计数器读出速率;
f.多路复用器(MUX),其与所述减法器模块及所述选择模块电子通信,所述MUX从至少两个失效时间校正变换(DTCT)当中进行选择,所述DTCT对应于所述选定脉冲计数器读出速率;及
g.控制与读出模块,其与所述MUX电子通信,所述控制与读出模块将由所述MUX选定的所述DTCT应用于除以所述脉冲计数器读出速率的所述未校正脉冲计数以输出失效时间校正脉冲速率。
2.根据权利要求1所述的系统,其进一步包含响应于事件而产生脉冲的事件传感器,所述事件传感器包括放大器信号处理电子元件,所述事件传感器具有已知的每事件失效时间。
3.根据权利要求2所述的系统,其中所述事件传感器包括半导体晶体、闪烁晶体或光转换装置。
4.根据权利要求1所述的系统,其中所述可选脉冲计数器读出速率在1Hz与1kHz之间的范围内。
5.根据权利要求1所述的系统,其中所述脉冲峰值计数器读出速率在100Hz与10kHz之间的范围内。
6.根据权利要求1所述的系统,其中所述选择模块响应于来自所述脉冲峰值计数器的输入及来自所述控制与读出模块的输入而选择所述脉冲计数器读出速率。
7.根据权利要求1所述的系统,其中所述DTCT为方程式及查找表(LUT)中的一者。
8.根据权利要求7所述的系统,其中所述方程式为由所述减法器供应的所述未校正脉冲计数的函数。
9.根据权利要求7所述的系统,其中所述LUT为以下各者中的一者:将输出计数速率变换成输入计数速率的LUT,表项之间具有内插;为每一输出计数速率提供转换常数的LUT,表项之间具有内插;及列举输出计数速率及对应输入计数速率的完整集合的LUT。
10.根据权利要求1所述的系统,其中所述脉冲计数器、脉冲峰值计数器及选择模块实施于现场可编程阵列(FPGA)中。
11.根据权利要求1所述的系统,其中所述PCRO存储寄存器、减法器模块、MUX、DTCT及控制与读出模块实施于通用微控制器单元(MCU)中。
12.根据权利要求1所述的系统,其中所述脉冲计数器、脉冲峰值计数器及选择模块实施于专用集成电路(ASIC)中。
13.根据权利要求1所述的系统,其中元件a到g实施于现场可编程门阵列(FPGA)中。
14.根据权利要求1所述的系统,其中元件a到g实施于通用微控制器单元(MCU)中。
15.一种校正脉冲速率测量装置的失效时间的方法,所述方法包括:
a.选择用于响应于脉冲而递增的脉冲计数器的脉冲计数器读出速率;
b.存储来自所述脉冲计数器的紧接之前读出计数;
c.提供也响应于脉冲而递增的脉冲峰值计数器,所述脉冲峰值计数器具有比除了最快可选脉冲计数器读出速率之外的所有读出速率快的脉冲峰值计数器读出速率;
d.从脉冲计数器读出计数减去所述之前脉冲计数器读出计数以输出未校正脉冲计数;
e.响应于来自所述脉冲峰值计数器的输入而选择所述脉冲计数器读出速率;
f.从至少两个失效时间校正变换(DTCT)当中进行选择,所述DTCT对应于所述选定脉冲计数器读出速率;及
g.将所述DTCT应用于除以所述脉冲计数器读出速率的所述未校正脉冲计数以输出失效时间校正脉冲速率。
16.根据权利要求15所述的方法,其进一步包含响应于事件而产生脉冲。
17.根据权利要求15所述的方法,其中所述可选脉冲计数器读出速率在1Hz与1kHz之间的范围内。
18.根据权利要求15所述的方法,其中所述脉冲峰值计数器读出速率在100Hz与10kHz之间的范围内。
19.一种电子剂量计,其包括:
a.辐射检测器,其响应于辐射检测事件而产生脉冲,所述辐射检测器具有已知的每辐射检测事件失效时间;
b.脉冲计数器,其响应于脉冲而递增,所述脉冲计数器具有可选脉冲计数器读出速率;
c.脉冲计数器读出(PCRO)存储寄存器,其存储紧接之前PCRO计数;
d.脉冲峰值计数器,其也响应于脉冲而递增,所述脉冲峰值计数器具有比除了最快可选脉冲计数器读出速率之外的所有读出速率快的脉冲峰值计数器读出速率;
e.减法器模块,其与所述脉冲计数器及所述PCRO存储寄存器电子通信,所述减法器模块从脉冲计数器读出计数减去所述之前PCRO存储寄存器计数以输出未校正脉冲计数;
f.选择模块,其与所述脉冲峰值计数器电子通信,所述选择模块响应于来自所述脉冲峰值计数器的输入而选择所述脉冲计数器读出速率;
g.多路复用器(MUX),其与所述减法器模块及所述选择模块电子通信,所述MUX从至少两个失效时间校正变换(DTCT)当中进行选择,所述DTCT对应于所述选定脉冲计数器读出速率;及
h.控制与读出模块,其与所述MUX电子通信,所述控制与读出模块将由所述MUX选定的所述DTCT应用于除以所述脉冲计数器读出速率的所述未校正脉冲计数以输出失效时间校正脉冲速率。
20.一种校正脉冲速率测量装置的失效时间的方法,所述方法包括:
a.在不同读出速率下操作至少一第一及第二脉冲计数器;
b.响应于来自所述第二脉冲计数器的输入而选择所述第一脉冲计数器的读出速率;
c.基于所述选定第一脉冲计数器读出速率而从至少两个失效时间校正变换(DTCT)当中进行选择;及
d.将所述选定DTCT应用于来自所述第一脉冲计数器的未校正脉冲计数速率以输出失效时间校正脉冲速率。
21.根据权利要求20所述的方法,其中操作所述第一脉冲计数器包括:
存储来自所述第一脉冲计数器的紧接之前读出计数;及
从所述第一脉冲计数器读出计数减去所述之前脉冲计数器读出计数以输出所述未校正脉冲计数。
22.根据权利要求21所述的方法,其中所述第二脉冲计数器具有比除了所述第一脉冲计数器的最快可选读出速率之外的所有读出速率快的读出速率。
23.一种用于脉冲速率测量装置的失效时间校正系统,所述系统包括:
a.第一脉冲计数器,其具有可选读出速率;
b.第二脉冲计数器,其可在与所述第一脉冲计数器的读出速率不同的读出速率下操作;
c.选择模块,其与所述第二脉冲计数器通信,所述选择模块响应于来自所述第二脉冲计数器的输入而选择所述第一脉冲计数器读出速率;
d.多路复用器(MUX),其与所述选择模块通信,所述MUX基于所述选定第一脉冲计数器读出速率而从至少两个失效时间校正变换(DTCT)当中进行选择;及
e.控制与读出模块,其与所述MUX通信,所述控制与读出模块将所述选定DTCT应用于来自所述第一脉冲计数器的未校正脉冲计数速率以输出失效时间校正脉冲速率。
24.根据权利要求23所述的失效时间校正系统,其进一步包含存储紧接之前脉冲计数器读出(PCRO)计数的第一PCRO存储寄存器,及与所述第一脉冲计数器及所述PCRO存储寄存器通信的减法器模块,所述减法器模块从所述第一脉冲计数器读出计数减去所述之前PCRO计数以输出所述未校正脉冲计数。
25.根据权利要求24所述的失效时间校正系统,其中所述第二脉冲计数器具有比除了所述第一脉冲计数器的最快可选读出速率之外的所有读出速率快的读出速率。

说明书全文

失效时间校正系统及方法

技术领域

[0001] 本发明大体上涉及脉冲速率测量装置的失效时间校正。

背景技术

[0002] 定量脉冲测量装置(QPMD)部署于包含光子及粒子(例如,β粒子)测量的众多领域中。QPMD通常具备能够检测例如光子或粒子与检测器交互的事件及产生待测量脉冲的检测器。此脉冲在被测量之前可要求后续放大。当测量脉冲时,脉冲的各种性质(尤其包含脉冲的频率)可是有用的,从而产生通常以每秒计数(cps)测量的计数速率。所关注的其它性质可包含脉冲高度或脉冲与其它事件的相关性。
[0003] 当关注计数速率测量时,QPMD必须大体上部署“失效时间校正”(DTC)方案。失效时间校正为调整所测量值以校正归因于系统处理时间的测量损耗。存在通过使用高速时钟计数“经过的失效时间”(或其逆量“经过的实时时间”)的量而具有变化的准确性程度的许多有理有据的失效时间校正方案,其中准确性受限于一个时钟周期的持续时间。然而,高速时钟消耗大量功率。对于需要失效时间校正及低功率消耗的系统(例如便携式电子剂量计),需要替代性方法。
[0004] 另外,在均匀的信号输入(即,并不随时间推移改变的信号输入)情况下,常常可能通过了解固定信号输入与系统性能之间的关系而用合理的准确性估计失效时间校正。然而,不均匀信号输入使此种类的估计以无法凭经验预测的错误方式进行。
[0005] 因此,需要减少或消除上文所描述问题的失效时间校正系统及方法。

发明内容

[0006] 在一个实施例中,用于脉冲速率测量装置的失效时间校正系统包含:具有可选读出速率的第一脉冲计数器;可在与第一脉冲计数器的读出速率不同的读出速率下操作的第二脉冲计数器;与第二脉冲计数器通信的选择模,其响应于来自第二脉冲计数器的输入而选择第一脉冲计数器读出速率;与选择模块通信的多路复用器(MUX),MUX基于选定第一脉冲计数器读出速率而从至少两个失效时间校正变换(DTCT)当中进行选择;及与MUX通信的控制与读出模块,其将选定DTCT应用于来自第一脉冲计数器的未校正脉冲计数速率以输出失效时间校正脉冲速率。系统可进一步包含存储紧接之前脉冲计数器读出(PCRO)计数的第一PCRO存储寄存器,及与第一脉冲计数器及PCRO存储寄存器通信的减法器模块,其从第一脉冲计数器读出计数减去之前PCRO计数以输出未校正脉冲计数。第二脉冲计数器可具有比除了第一脉冲计数器的最快可选读出速率之外的所有读出速率快的读出速率。
[0007] 在另一实施例中,用于脉冲速率测量装置的失效时间校正系统包含:响应于脉冲而递增的脉冲计数器,脉冲计数器具有可选脉冲计数器读出速率;存储紧接之前脉冲计数器读出(PCRO)计数的PCRO存储寄存器;及也响应于脉冲而递增的脉冲峰值计数器,脉冲峰值计数器具有比除了最快可选脉冲计数器读出速率之外的所有读出速率快的脉冲峰值计数器读出速率。所述系统进一步包含:与脉冲计数器及PCRO存储寄存器电子通信的减法器模块,且从脉冲计数器读出计数减去之前PCRO计数以输出未校正脉冲计数;与脉冲峰值计数器电子通信的选择模块,其响应于来自脉冲峰值计数器的输入而选择脉冲计数器读出速率;与减法器模块及选择模块电子通信的多路复用器(MUX),MUX从至少两个失效时间校正变换(DTCT)当中进行选择,DTCT对应于选定脉冲计数器读出速率;及与MUX电子通信的控制与读出模块,其将由MUX选定的DTCT应用于除以脉冲计数器读出速率的未校正脉冲计数以输出失效时间校正脉冲速率。所述系统可进一步包含响应于事件而产生脉冲的事件传感器,事件传感器具有已知的每事件失效时间。事件传感器可进一步包含放大器信号处理电子元件。在一些实施例中,事件传感器可包括半导体晶体。在其它实施例中,事件传感器可包括闪烁晶体。在再其它实施例中,事件传感器可包括光转换装置。
[0008] 在某些实施例中,可选脉冲计数器读出速率可在1Hz与1kHz之间的范围内,且脉冲峰值计数器读出速率可在100Hz与10kHz之间的范围内。在一些实施例中,选择模块可响应于来自脉冲峰值计数器的输入及来自控制与读出模块的输入而选择脉冲计数器读出速率。
[0009] DTCT可为方程式及查找表(LUT)中的一者,其中方程式可为由减法器供应的未校正脉冲计数的函数,且LUT可为以下各者中的一者:将输出计数速率变换成输入计数速率的LUT,表项之间具有内插;为每一输出计数速率提供转换常数的LUT,表项之间具有内插;及列举输出计数速率及对应输入计数速率的完整集合的LUT。
[0010] 在一些实施例中,脉冲计数器、脉冲峰值计数器及选择模块可实施于现场可编程阵列(FPGA)中。在某些实施例中,PCRO存储寄存器、减法器模块、MUX、DTCT及控制与读出模块可实施于通用微控制器单元(MCU)中。在一些实施例中,实施于FPGA中的前述元件可与实施于MCU中的前述元件组合。在某些实施例中,脉冲计数器、脉冲峰值计数器及选择模块可实施于专用集成电路(ASIC)中。在一些实施例中,所有元件可实施于FPGA中。在其它实施例中,所有元件可实施于MCU中。
[0011] 在另一实施例中,校正脉冲速率测量装置的失效时间的方法包含:在不同读出速率下操作至少一第一及第二脉冲计数器;响应于来自第二脉冲计数器的输入而选择第一脉冲计数器的读出速率;基于选定第一脉冲计数器读出速率而从至少两个失效时间校正变换(DTCT)当中进行选择;及将选定DTCT应用于来自第一脉冲计数器的未校正脉冲计数速率以输出失效时间校正脉冲速率。所述方法可包含存储来自第一脉冲计数器的紧接之前读出计数,及从第一脉冲计数器读出计数减去之前脉冲计数器读出计数以输出未校正脉冲计数。第二脉冲计数器可具有比除了第一脉冲计数器的最快可选读出速率之外的所有读出速率快的读出速率。
[0012] 在又一实施例中,校正脉冲速率测量装置的失效时间的方法包含:选择用于响应于脉冲而递增的脉冲计数器的脉冲计数器读出速率;存储来自脉冲计数器的紧接之前读出计数;提供也响应于脉冲而递增的脉冲峰值计数器,脉冲峰值计数器具有比除了最快可选脉冲计数器读出速率之外的所有读出速率快的脉冲峰值计数器读出速率;及从脉冲计数器读出计数减去之前脉冲计数器读出计数以输出未校正脉冲计数。所述方法进一步包含:响应于来自脉冲峰值计数器的输入而选择脉冲计数器读出速率;从至少两个失效时间校正变换(DTCT)当中进行选择,DTCT对应于选定脉冲计数器读出速率;及将DTCT应用于除以脉冲计数器读出速率的未校正脉冲计数以输出失效时间校正脉冲速率。所述方法可进一步包含响应于事件而产生脉冲。可选脉冲计数器读出速率可在1Hz与1kHz之间的范围内。脉冲峰值计数器读出速率可在100Hz与10kHz之间的范围内。
[0013] 在再一实施例中,用于脉冲速率测量装置的失效时间校正系统包含:响应于脉冲而递增的当前脉冲计数器;与当前脉冲计数器电子通信的延迟脉冲计数器,延迟脉冲计数器从当前脉冲计数器捕获在当前脉冲计数器读出速率下延迟达单一时钟周期的紧接先前读出,所述当前脉冲计数器读出速率比除了最快可选延迟脉冲计数器读出速率之外的所有读出速率快。所述系统进一步包含与延迟脉冲计数器电子通信的脉冲计数器读出(PCRO)存储寄存器,其在可选延迟脉冲计数器读出速率下存储延迟脉冲计数器读出。所述系统还包含:与当前脉冲计数器及延迟脉冲计数器电子通信的第一减法器模块,其输出由当前脉冲计数器与延迟脉冲计数器记录的计数之间的差;与第一减法器模块电子通信的选择模块,其基于所述差选择新延迟脉冲计数器读出速率;与延迟脉冲计数器及PCRO存储寄存器电子通信的第二减法器模块,其从延迟脉冲计数器读出计数减去之前PCRO存储寄存器计数以输出未校正脉冲计数;与延迟脉冲计数器及选择模块电子通信的多路复用器(MUX),MUX从至少两个失效时间校正变换(DTCT)当中进行选择,DTCT对应于选定延迟脉冲计数器读出速率;及与MUX电子通信的控制与读出模块,其将由MUX选定的DTCT应用于除以选定延迟脉冲计数器读出速率的未校正脉冲计数以输出失效时间校正脉冲速率。所述系统可进一步包含响应于事件而产生脉冲的事件传感器,事件传感器具有已知的每事件失效时间。事件传感器可进一步包含放大器及信号处理电子元件。在一些实施例中,事件传感器可包括半导体晶体。在其它实施例中,事件传感器可包括闪烁晶体。在再其它实施例中,事件传感器可包括光转换装置。
[0014] 在某些实施例中,可选延迟脉冲计数器读出速率可在1Hz与1kHz之间的范围内,且当前脉冲计数器的时钟周期可在100Hz与10kHz之间的范围内。在一些实施例中,选择模块可响应于来自第一减法器模块的输入及来自控制与读出模块的输入而选择延迟脉冲计数器读出速率。
[0015] DTCT可为方程式及查找表(LUT)中的一者,其中方程式可为由第二减法器供应的未校正脉冲计数的函数,且LUT可为以下各者中的一者:将输出计数速率变换成输入计数速率的LUT,表项之间具有内插;为每一输出计数速率提供转换常数的LUT,表项之间具有内插;及列举输出计数速率及对应输入计数速率的完整集合的LUT。
[0016] 在一些实施例中,当前脉冲计数器、延迟计数器、第一减法器模块及选择模块可实施于现场可编程门阵列(FPGA)中。在其它实施例中,PCRO存储寄存器、第二减法器模块、MUX、DTCT及控制与读出模块可实施于通用微控制器单元(MCU)中。在再其它实施例中,实施于FPGA中的前述元件可与实施于MCU中的前述元件组合。在某些实施例中,当前脉冲计数器、延迟脉冲计数器、第一减法器模块及选择模块可实施于专用集成电路(ASIC)中。在一些实施例中,所有元件可实施于FPGA中。在其它实施例中,所有元件可实施于MCU中。
[0017] 在又一实施例中,校正脉冲速率测量装置的失效时间的方法包含:提供响应于脉冲而递增的当前脉冲计数器;在与当前脉冲计数器电子通信的延迟脉冲计数器中从当前脉冲计数器接收延迟达当前脉冲计数器的单一时钟周期的读出;在可选延迟脉冲计数器读出速率下将来自延迟脉冲计数器的读出接收到脉冲计数器读出(PCRO)存储寄存器中;及获得由当前脉冲计数器与延迟脉冲计数器记录的计数之间的差。所述方法进一步包含:基于所述差选择新延迟脉冲计数器读出速率;获得由PCRO存储寄存器与延迟脉冲计数器记录的计数之间的差以输出未校正脉冲计数;从至少两个失效时间校正变换(DTCT)当中进行选择,DTCT对应于选定延迟脉冲计数器读出速率;及将DTCT应用于除以选定延迟脉冲计数器读出速率的未校正脉冲计数以输出失效时间校正脉冲速率。所述方法可进一步包含响应于事件而产生脉冲。可选延迟脉冲计数器读出速率可在1Hz与1kHz之间的范围内,且当前脉冲计数器的时钟周期可在100Hz与10kHz之间的范围内。
[0018] 在另一实施例中,电子剂量计包含响应于辐射检测事件而产生脉冲的辐射检测器,辐射检测器具有已知的每辐射检测事件失效时间;及如上文所描述的失效时间校正系统。
[0019] 本发明具有许多优势,包含在低功率消耗情况下实现失效时间校正。附图说明
[0020] 图1为信号强度随经过的时间而变的曲线图,其说明在一系列脉冲的经过的实际时间中的失效时间。
[0021] 图2为包含固定时钟频率的失效时间校正系统的示意性说明。
[0022] 图3为信号强度随经过的时间而变的曲线图,其说明在25cps的背景中的5ms峰值1,600cps。
[0023] 图4为失效时间校正系统的示范性实施例的示意性说明。
[0024] 图5为图4中所展示的选择模块、MUX及控制与读出模块的示意性说明。
[0025] 图6为失效时间校正系统的另一示范性实施例的示意性说明。
[0026] 图7A及7B为包含失效时间校正系统的示范性实施例的电子剂量计的示意说明。
[0027] 图8为校正脉冲速率测量装置的失效时间的示范性方法的流程图
[0028] 图9为校正脉冲速率测量装置的失效时间的另一示范性方法的流程图。
[0029] 在整个图式的若干视图中,类似参考标号指代对应部分。

具体实施方式

[0030] 在本文中的本发明描述中,应理解,除非另外隐含地或明确地理解或陈述,否则以单数形式呈现的词语涵盖其复数对应物,且以复数形式呈现的词语涵盖其单数对应物。此外,应理解,除非另外隐含地或明确地理解或陈述,否则对于本文中描述的任何给定组件或实施例,针对所述组件列出的任何可能候选或替代方案通常可个别地使用或彼此结合使用。此外,应了解,如本文中展示的图未必按比例绘制,其中为了本发明的清楚起见可仅仅绘制一些元件。而且,可在各种图中重复参考标号来展示对应或相似元件。另外,应理解,除非另外隐含地或明确地理解或陈述,否则此类候选或替代方案的任何列表仅仅是说明性而非限制性的。另外,除非另外指示,否则本说明书权利要求书中所使用的表示持续时间、频率、成分数量、成分、反应条件等等的数字应理解为由术语“约”修饰。
[0031] 因此,除非相反地指示,否则本说明书及随附权利要求书中所阐述的数值参数为可取决于寻求由本文提出的标的物获得的所要性质而变化的近似值。最低限度地,且并不试图限制等效物原则应用于权利要求书的范围,每一数值参数都应至少根据所报告的有效数字的数目且通过应用一般四舍五入技术来解释。尽管阐述本文提出的标的物的广泛范围的数值范围及参数为近似值,但特定实例中所阐述的数值是尽可能精确报告的。然而,任何数值固有地含有某些由其相应测试测量值中所发现的标准差必然造成的误差。
[0032] 如上文所描述,定量脉冲测量装置通常使用失效时间校正方法以改进基于所测量脉冲的计数速率的定量测量的准确性。定量脉冲测量装置部署于包含光子及粒子测量的众多领域中。失效时间校正补偿如下事实:归因于物理限制,QPMD可不能够在初始脉冲的处理期间处理后续脉冲。期间排除此处理的持续时间被称为“失效时间”,这是因为系统在此时间周期期间实际上使额外事件“失效”。如图1中所见,如果在失效时间间隔期间发生额外脉冲,则所述脉冲将与先前脉冲发生冲突(称为“堆积”的事件)且所述脉冲将被错过或不准确地测量。这表示如果已知真正计数速率(常常称为输入计数速率或ICR)并将其相比于所测量计数速率(常常称为输出计数速率或OCR),则所测量计数速率将通常小于真正计数速率,其中偏差随着真正计数速率增加。这是因为如图1中可见,在实际时间随着计数速率增加从一个脉冲降低到下一脉冲时失效时间基本上保持恒定。失效时间校正用以从所测量计数速率提供真正物理计数速率的估计。
[0033] 在应用于典型使用领域时,QPMD可用于测量来自核电站中的放射性材料的γ射线光子或β粒子的计数速率,或由电子显微镜中的样本所发射的X射线光子的计数速率。在前一状况中,事件的速率可相关于通常以 Sv测量的剂量率,必须监视剂量率以确保人员不暴露于将危害其健康的辐射。此剂量率可形成用户的永久性辐射暴露记录的部分,且必须满足要求失效时间校正的某些准确性标准。在后一状况中,事件的速率被直接用作与样本中存在的特定元素的定量成比例的测量值,必须准确地测量所述测量值以便正确地识别材料。在这两种状况下,输入计数速率有可能改变达许多数量级,从而带来显著不同的失效时间校正量。
[0034] 在文献中,存在许多通过使用高速时钟计数“经过的失效时间”(或其逆量“经过的实时时间”)的量而具有变化的准确性程度的用于执行失效时间校正的有理有据方案(例如,格迪克-黑尔及洛维氏(Gedcke-Hale and Lowe's)),其中准确性受限于一个时钟周期的持续时间。这些解决方案通常使用以10MHz操作且有时甚至以100MHz或更高操作的时钟以便确保准确测量。然而,现代CMOS逻辑的功率消耗很大程度上与其操作频率成比例。总功率Ptot可测量为动态功率Pd与静态功率Ps的总和。Ps除操作温度改变之外通常稳定,而Pd可从方程式Pd=k*V2*f获得,其中V为操作电压,f为切换频率(“时钟频率”)且k为单位为法拉的装置相依性常数。因此,可见从10MHz到100MHz的十倍时钟频率增加带来十倍动态功率增加,且因此操作装置中的动态功率通常比静态功率大得多。本文中所描述的失效时间校正方法使得时钟速率能够降低到10kHz或更小,从而实现多达1,000倍功率消耗节约。
[0035] 便携式电池供电装置越发需要进行低功率操作。然而,失效时间校正的标准解决方案并不功率有效。结果,存在用最小可能功率消耗达成失效时间校正的技术问题。
[0036] 所属领域的技术人员已知且在图2中所说明的失效时间校正的简单低功率实施方案为提供QPMD 200,其包括测量事件220的传感器设备210,所述传感器设备耦合到将传感器信号转换成具有已知的每脉冲失效时间的脉冲的放大器230或类似信号处理电子元件,所述放大器耦合到在发生个别脉冲时递增的脉冲计数器240,所述脉冲计数器耦合到失效时间校正系统250,其中计数器240及失效时间校正系统250两者皆从以10kHz或更小操作的极慢时钟260操作,借此用极低功率消耗将失效时间校正输出270组合提供到读出模块280。在此实施方案中,计数器240进行读取及失效时间校正的频率可慢达1Hz,从而带来极低功率消耗。然而,此时钟260的固定频率(其界定固定时基,例如1Hz时钟频率下的1秒)引入额外技术问题。
[0037] 在大功率实施方案中,失效时间是用每一个别计数计算并累积。相反地,上文概述的简单失效时间校正解决方案校正在由所述时基界定的间隔上测量的多个计数且要求选择单一时基。换句话说,其校正所测量计数速率而非校正个别计数。结果,计数速率测量的统计准确性变得重要。对于时间上泊松分布式事件(适用于包含放射性衰变、量子再发射、量子穿隧、散弹噪声等的大部分经量化物理现象),计数速率测量的准确性随着计数数目增加而得到改良;此可由高计数速率或长时基达成。举例来说,在1cps的计数速率下,在单一计数降为低于1%的测量误差(100个计数中的1个计数)之前需要100秒的周期或时基。在100,000cps的计数速率下,1ms的周期或时基对于同一1%测量误差是足够的。但因为较长时基带来较大平均化,所以在较大平均值中会丢失速率的短期改变。失效时间校正的量值也随着高计数速率增加,且要求在较高速率下以较高准确性测量计数速率。举例来说,在10μs非可瘫痪失效时间情况下,失效时间校正在1cps下大约为0.001%且直到1,000cps保持低于1%,但在10,000cps下增加到10%且在100,000cps下增加到50%。
[0038] 存在计数速率可在低“背景”速率与高“所关注事件”速率之间快速改变的许多所关注脉冲测量值,如图3中所说明,其中5ms的峰值1,600cps展示为在25cps的背景中在100ms的经过时间处开始。由核医学的辐射源突发发射的光子或来自扫描样本的电子束的回散射电子强度可差不多瞬时发生若干数量级的速率改变。如果选择长时基,则背景计数速率的统计将充分准确,但应用于整个间隔的失效时间校正可错过计数速率变化且因此进行粗略校正。相反地,如果选择短时基,则可见计数速率变化,但每一间隔中的计数速率估计在背景速率(即,大部分时间)下变得高度不准确。在1秒时基情况下,在整个间隔中随机散布的25个计数可被合理地估计为无需失效时间校正的25cps,然而在1ms时基情况下,甚至一个间隔内的一对计数(将偶然仍以25,000次/天发生的不大可能事件)将被解译为一毫秒2,000cps(错误地导致失效时间校正)。
[0039] 此情况提出如下额外技术问题:使时基保持足够长以获取充分统计,同时还能够用准确失效时间校正测量高计数速率的短峰值。本文中所描述的方法解决针对计数速率变化较大的信号的低功率失效时间校正及校正准确性的组合技术问题。
[0040] 在一个实施例中,用于脉冲速率测量装置的失效时间校正系统包含:具有可选读出速率的第一脉冲计数器;可在与第一脉冲计数器的读出速率不同的读出速率下操作的第二脉冲计数器;与第二脉冲计数器通信的选择模块,其响应于来自第二脉冲计数器的输入而选择第一脉冲计数器读出速率;与选择模块通信的多路复用器(MUX),MUX基于选定第一脉冲计数器读出速率而从至少两个失效时间校正变换(DTCT)当中进行选择;及与MUX通信的控制与读出模块,其将选定DTCT应用于来自第一脉冲计数器的未校正脉冲计数速率以输出失效时间校正脉冲速率。系统可进一步包含存储紧接之前脉冲计数器读出(PCRO)计数的第一PCRO存储寄存器,及与第一脉冲计数器及PCRO存储寄存器通信的减法器模块,其从第一脉冲计数器读出计数减去之前PCRO计数以输出未校正脉冲计数。第二脉冲计数器可具有比除了第一脉冲计数器的最快可选读出速率之外的所有读出速率快的读出速率。
[0041] 在图4中所展示的另一实施例中,用于脉冲速率测量装置的失效时间校正系统400包含:响应于脉冲405而递增的脉冲计数器410,脉冲计数器410具有可选脉冲计数器读出速率;存储紧接之前脉冲计数器读出(PCRO)计数的PCRO存储寄存器420;及也响应于脉冲而递增的脉冲峰值计数器430,脉冲峰值计数器430具有比除了最快可选脉冲计数器读出速率之外的所有读出速率快的脉冲峰值计数器读出速率。系统400进一步包含:与脉冲计数器410及PCRO存储寄存器420电子通信的减法器模块440,其从脉冲计数器读出计数减去之前PCRO计数以输出未校正脉冲计数;与脉冲峰值计数器430电子通信的选择模块460,其响应于来自脉冲峰值计数器430的输入而选择脉冲计数器读出速率;与减法器模块440及选择模块460电子通信的多路复用器(MUX)450,MUX 450从至少两个失效时间校正变换(DTCT)451、
452……453当中进行选择,DTCT对应于选定脉冲计数器读出速率;及与MUX 450电子通信的控制与读出模块470,其接收通过将由MUX 450选定的DTCT应用于除以脉冲计数器读出速率的未校正脉冲计数获得的经校正脉冲速率以输出失效时间校正脉冲速率。系统400可进一步包含响应于事件而产生脉冲的事件传感器(未示出),事件传感器具有已知的每事件失效时间。事件传感器可进一步包含放大器及信号处理电子元件(未示出)。在一些实施例中,事件传感器可包括半导体晶体。在其它实施例中,事件传感器可包括闪烁晶体。在再其它实施例中,事件传感器可包括光转换装置。
[0042] 在某些实施例中,可选脉冲计数器读出速率可在1Hz与1kHz之间的范围内(包含1Hz及1kHz),例如1.25Hz、1.67Hz、2Hz、2.5Hz、3Hz、3.33Hz、4Hz、5Hz、7.5Hz、10Hz、12.5Hz、
16.7Hz、20Hz、25Hz、30Hz、33.3Hz、40Hz、50Hz、100Hz、125Hz、167Hz、200Hz、250Hz、300Hz、
333Hz、400Hz、500Hz、600Hz、750Hz及800Hz。脉冲峰值计数器读出速率可在100Hz与10kHz之间的范围内(包含100Hz及10kHz),例如200Hz、250Hz、300Hz、333Hz、400Hz、500Hz、600Hz、
800Hz、1kHz、1.25kHz、1.67kHz、2kHz、2.5kHz、3kHz、3.33kHz、4kHz、5kHz、6kHz、7.5kHz及
8kHz。在一些实施例中,选择模块460可响应于来自脉冲峰值计数器430的输入及来自控制与读出模块470的输入而选择脉冲计数器读出速率,例如用以在并未记录计数的时间间隔(例如,30s)之后选择最慢可选脉冲计数器读出速率的来自控制与读出模块470的输入。
[0043] 如上文所描述,这些脉冲405进入失效时间校正系统400且耦合到在发生个别脉冲后递增的脉冲计数器410(且其无需经周期性时控),脉冲计数器410根据可选时基以低频(通常1Hz到1kHz)进行读出。脉冲另外耦合到较小计数器——脉冲峰值计数器430,所述脉冲峰值计数器在相同于脉冲计数器410的脉冲后递增,但其始终以可转换为比除了最快脉冲计数器可选时基之外的所有时基快的时基的频率(通常100Hz到10kHz)进行读出及清除。
[0044] 选择模块460产生快速时基及可选时基两者,且耦合到脉冲峰值计数器430及其输入确定可变时基并控制MUX 450的控制与读出模块470。PCRO存储寄存器420也是根据可选时基读出,且脉冲计数器410及PCRO存储寄存器420两者皆耦合到通过执行减法(A-B)在由可选时基确定的间隔中产生未校正计数的减法器440。MUX 450作为输入耦合到减法器440,且使用来自选择模块460的控制信号选择哪一DTCT 451、452……453接收其输出。选定DTCT用于参考未校正计数及可选时基补偿失效时间,从而产生失效时间校正输出脉冲速率。此输出耦合到控制与读出模块470,其组合失效时间校正读数用于专用用途,例如将输入计数速率转换成用于电子剂量计的吸收剂量单位(例如, Sv)或转换成用于电子显微镜中的样本分析的每像素总计数单位。
[0045] DTCT将所测量输出计数速率(OCR)变换成输入计数速率(ICR)的估计。可能DTCT包含:将OCR变换成ICR的连续方程式,例如非可瘫痪失效时间方程式ICR=OCR/(1+τ*OCR);将OCR变换成ICR的查找表(LUT),表项之间具有内插,如表1中所展示。
[0046] 表1。示范性查找表(LUT)
[0047]OCR ICR
0 0
1000 1010
6000 6382
15000 17647
22000 28205
33000 49253
47000 88679
[0048] 替代地,LUT可为每一OCR(1、2、3……n)提供值Kn,使得ICR=Kn*OCR,其中表项之间内插有Kn值,或LUT可穷尽性地列举可能OCR测量值及每一OCR的对应ICR的完整集合,例如可针对从0到99,000cps的速率穷尽性地列举的计数/ms OCR的图表,因而图表将具有仅99项,且可用于补偿凭经验测量的无法容易地以闭型表示的半可瘫痪失效时间。
[0049] 选择模块460(图5中较详细展示)包括耦合到比较块520的可编程阈值510(例如,5个计数),当脉冲峰值计数器(图4中展示为430)在快速间隔(通常1ms或更小)中的一者内达到阈值时,所述比较块产生“检测到峰值”信号。选择模块460另外包括间隔定时器530及DTCT选择寄存器540,其两者皆可由检测到峰值信号改变且其两者皆可由来自控制与读出模块470的“重置间隔”信号改变。最后,间隔定时器530通常以1Hz与1kHz之间的范围内的频率(包含1Hz及1kHz)将周期性“读取计数器”信号提供到控制与读出模块470,所述频率例如1.25Hz、1.67Hz、2Hz、2.5Hz、3Hz、3.33Hz、4Hz、5Hz、7.5Hz、10Hz、12.5Hz、16.7Hz、20Hz、
25Hz、30Hz、33.3Hz、40Hz、50Hz、100Hz、125Hz、167Hz、200Hz、250Hz、300Hz、333Hz、400Hz、
500Hz、600Hz、750Hz及800Hz。此信号接着对控制与读出模块应多频繁接收失效时间校正值进行控制。
[0050] 在物理实施方案中,存在分割上文所描述功能块的不同方式。在一些实施例中,脉冲计数器410、脉冲峰值计数器430及选择模块460可实施于现场可编程门阵列(FPGA)中。在某些实施例中,PCRO存储寄存器420、减法器模块440、MUX 450、DTCT 451、452……453及控制与读出模块470可实施于通用微控制器单元(MCU)中。在一些实施例中,实施于FPGA中的前述元件可与实施于MCU中的前述元件组合。在某些实施例中,脉冲计数器410、脉冲峰值计数器430及选择模块460可实施于专用集成电路(ASIC)中。在一些实施例中,所有元件可实施于FPGA中。在其它实施例中,所有元件可实施于MCU中。
[0051] 在图6中所展示的另一实施例中,管线式方法使得DTCT能够应用于高计数速率数据的第一个例。在此实施例中,用于脉冲速率测量装置的失效时间校正系统600包含:响应于脉冲605而递增的当前脉冲计数器610;与当前脉冲计数器610电子通信的延迟脉冲计数器630,延迟脉冲计数器630从当前脉冲计数器610捕获在当前脉冲计数器读出速率下延迟达单一时钟周期的紧接先前读出,所述当前脉冲计数器读出速率比除了最快可选延迟脉冲计数器读出速率之外的所有读出速率快。系统600进一步包含与延迟脉冲计数器630电子通信的脉冲计数器读出(PCRO)存储寄存器620,其在可选延迟脉冲计数器读出速率下存储延迟脉冲计数器读出。系统600还包含:与当前脉冲计数器610及延迟脉冲计数器630电子通信的第一减法器模块640,其输出由当前脉冲计数器610与延迟脉冲计数器630记录的计数之间的差;与第一减法器模块640电子通信的选择模块660,其基于所述差选择新延迟脉冲计数器读出速率;与延迟脉冲计数器630及PCRO存储寄存器620电子通信的第二减法器模块645,其从延迟脉冲计数器读出计数减去之前PCRO存储寄存器计数以输出未校正脉冲计数;
与延迟脉冲计数器630及选择模块660电子通信的多路复用器(MUX)650,MUX 650从至少两个失效时间校正变换(DTCT)651、652……653当中进行选择,DTCT对应于选定延迟脉冲计数器读出速率;及与MUX 650电子通信的控制与读出模块670,其将由MUX 650选定的DTCT应用于除以选定延迟脉冲计数器读出速率的未校正脉冲计数以输出失效时间校正脉冲速率。系统600可进一步包含响应于事件而产生脉冲的事件传感器(未示出),事件传感器具有已知的每事件失效时间。事件传感器可进一步包含放大器及信号处理电子元件(未示出)。在一些实施例中,事件传感器可包括半导体晶体。在其它实施例中,事件传感器可包括闪烁晶体。在再其它实施例中,事件传感器可包括光转换装置。
[0052] 在某些实施例中,可选延迟脉冲计数器读出速率可在1Hz与1kHz之间的范围内(包含1Hz及1kHz),例如1.25Hz、1.67Hz、2Hz、2.5Hz、3Hz、3.33Hz、4Hz、5Hz、7.5Hz、10Hz、12.5Hz、16.7Hz、20Hz、25Hz、30Hz、33.3Hz、40Hz、50Hz、100Hz、125Hz、167Hz、200Hz、250Hz、
300Hz、333Hz、400Hz、500Hz、600Hz、750Hz及800Hz。当前脉冲计数器610的时钟周期可在
100Hz与10kHz的范围内(包含100Hz及10kHz),例如200Hz、250Hz、300Hz、333Hz、400Hz、
500Hz、600Hz、800Hz、1kHz、1.25kHz、1.67kHz、2kHz、2.5kHz、3kHz、3.33kHz、4kHz、5kHz、
6kHz、7.5kHz及8kHz。在一些实施例中,选择模块660可响应于来自第一减法器模块640的输入及来自控制与读出模块670的输入而选择延迟脉冲计数器读出速率,例如用以在并未记录计数的时间间隔(例如,30s)之后选择最慢可选延迟脉冲计数器读出速率的来自控制与读出模块670的输入。
[0053] 在图6中所展示的实施例中,脉冲输入605耦合到当前脉冲计数器610,所述计数器的读出在快速时基下发生于延迟脉冲计数器630及第一减法器640两者中。同样地,延迟脉冲计数器630也被读取到第一减法器640中,所述减法器计算这两个值的差(A-B),其计数输出接着耦合到选择模块660。另外,在可选时基下读出的延迟事件计数器耦合到PCRO存储寄存器620,所述寄存器又在可选时基下读出并耦合到第二减法器645。第二减法器645接着通过执行减法(B-C)计算由可选时基确定的间隔中的未校正计数。从这点来说,数据耦合通过MUX 650、选定DTCT 651、652……653并耦合到控制与读出模块670,其接收通过将由MUX 650选定的DTCT应用于除以可选时基的未校正脉冲计数所获得的校正脉冲速率以输出失效时间校正脉冲速率。
[0054] 由延迟脉冲计数器630根据快速时基引入的单一周期延迟通常为10ms或更小,这表示从人类反应时间的度来说系统600的实时回应并未受损。然而,在此状况下,已知延迟脉冲计数器630中的略微早期计数数据先于计数速率增加,且因此选择模块660中的改变是在处理所述间隔的数据之前得到应用且因此使得选定失效时间校正能够立即起作用。因此,此方法适用于必须检测到极快转变并进行失效时间校正的系统。
[0055] 在物理实施方案中,存在分割上文所描述功能块的不同方式。在一些实施例中,当前脉冲计数器610、延迟脉冲计数器630、第一减法器模块640及选择模块660可实施于现场可编程门阵列(FPGA)中。在其它实施例中,PCRO存储寄存器620、第二减法器模块645、MUX 650、DTCT 651、652……653及控制与读出模块670可实施于通用微控制器单元(MCU)中。在再其它实施例中,实施于FPGA中的前述元件可与实施于MCU中的前述元件组合。在某些实施例中,当前脉冲计数器610、延迟脉冲计数器630、第一减法器模块640及选择模块660可实施于专用集成电路(ASIC)中。在一些实施例中,所有元件可实施于FPGA中。在其它实施例中,所有元件可实施于MCU中。
[0056] 在图7A及7B中所展示的另一实施例中,电子剂量计700包含与信号处理电路电子通信的多个PiN二极管辐射检测器705,其响应于辐射检测事件而产生脉冲,辐射检测器705及信号处理电路具有已知的每辐射检测事件组合失效时间。电子剂量计700包含如上文所描述的失效时间校正系统710,其具有实施于现场可编程门阵列(FPGA)720中的元件及实施于通用微控制器单元(MCU)730中的元件。
[0057] 在又一实施例中,校正脉冲速率测量装置的失效时间的方法包含:在不同读出速率下操作至少一第一及第二脉冲计数器;响应于来自第二脉冲计数器的输入而选择第一脉冲计数器的读出速率;基于选定第一脉冲计数器读出速率而从至少两个失效时间校正变换(DTCT)当中进行选择;及将选定DTCT应用于来自第一脉冲计数器的未校正脉冲计数速率以输出失效时间校正脉冲速率。所述方法可包含存储来自第一脉冲计数器的紧接之前读出计数,及从第一脉冲计数器读出计数减去之前脉冲计数器读出计数以输出未校正脉冲计数。第二脉冲计数器可具有比除了第一脉冲计数器的最快可选读出速率之外的所有读出速率快的读出速率。
[0058] 在图8中所展示的再一实施例中,校正脉冲速率测量装置的失效时间的方法800包含:在步骤810处选择用于响应于脉冲而递增的脉冲计数器的脉冲计数器读出速率;在步骤820处存储来自脉冲计数器的紧接之前读出计数;在步骤830处提供也响应于脉冲而递增的脉冲峰值计数器,脉冲峰值计数器具有比除了最快可选脉冲计数器读出速率之外的所有读出速率快的脉冲峰值计数器读出速率;及在步骤840处从脉冲计数器读出计数减去之前脉冲计数器读出计数以在步骤845处输出未校正脉冲计数。所述方法进一步包含:在步骤850处响应于来自脉冲峰值计数器的输入而选择脉冲计数器读出速率;在步骤860处从至少两个失效时间校正变换(DTCT)当中进行选择,DTCT对应于选定脉冲计数器读出速率;及在步骤870处将DTCT应用于除以脉冲计数器读出速率的未校正脉冲计数以在步骤880处输出失效时间校正脉冲速率。所述方法可进一步包含在步骤885处响应于事件而产生脉冲。可选脉冲计数器读出速率可在1Hz与1kHz之间的范围内(包含1Hz及1kHz),例如1.25Hz、1.67Hz、
2Hz、2.5Hz、3Hz、3.33Hz、4Hz、5Hz、7.5Hz、10Hz、12.5Hz、16.7Hz、20Hz、25Hz、30Hz、33.3Hz、
40Hz、50Hz、100Hz、125Hz、167Hz、200Hz、250Hz、300Hz、333Hz、400Hz、500Hz、600Hz、750Hz及
800Hz。脉冲峰值计数器读出速率可在100Hz与10kHz的范围内(包含100Hz及10kHz),例如
200Hz、250Hz、300Hz、333Hz、400Hz、500Hz、600Hz、800Hz、1kHz、1.25kHz、1.67kHz、2kHz、
2.5kHz、3kHz、3.33kHz、4kHz、5kHz、6kHz、7.5kHz及8kHz。
[0059] 在图9中所展示的又一实施例中,校正脉冲速率测量装置的失效时间的方法900包含:在步骤910处提供响应于脉冲而递增的当前脉冲计数器;在步骤920处在与当前脉冲计数器电子通信的延迟脉冲计数器中从当前脉冲计数器接收延迟达当前脉冲计数器的单一时钟周期的读出;在步骤930处在可选延迟脉冲计数器读出速率下将来自延迟脉冲计数器的读出接收到脉冲计数器读出(PCRO)存储寄存器中;及在步骤940处获得由当前脉冲计数器与延迟脉冲计数器记录的计数之间的差。所述方法进一步包含:在步骤950处基于所述差选择新延迟脉冲计数器读出速率;在步骤960处获得由PCRO存储寄存器及延迟脉冲计数器记录的计数之间的差以在步骤965处输出未校正脉冲计数;在步骤970处从至少两个失效时间校正变换(DTCT)当中进行选择,DTCT对应于选定延迟脉冲计数器读出速率;及在步骤980处将DTCT应用于除以选定延迟脉冲计数器读出速率的未校正脉冲计数以在步骤985处输出失效时间校正脉冲速率。所述方法可进一步包含在步骤990处响应于事件而产生脉冲。可选延迟脉冲计数器读出速率可在1Hz与1kHz的范围内(包含1Hz及1kHz),例如1.25Hz、1.67Hz、2Hz、2.5Hz、3Hz、3.33Hz、4Hz、5Hz、7.5Hz、10Hz、12.5Hz、16.7Hz、20Hz、25Hz、30Hz、33.3Hz、
40Hz、50Hz、100Hz、125Hz、167Hz、200Hz、250Hz、300Hz、333Hz、400Hz、500Hz、600Hz、750Hz及
800Hz。当前脉冲计数器的时钟周期可在100Hz与10kHz的范围内(包含100Hz及10kHz),例如
200Hz、250Hz、300Hz、333Hz、400Hz、500Hz、600Hz、800Hz、1kHz、1.25kHz、1.67kHz、2kHz、
2.5kHz、3kHz、3.33kHz、4kHz、5kHz、6kHz、7.5kHz及8kHz。
[0060] 虽然已通过描述示范性实施例说明本发明且虽然已相当详细地描述这些实施例,但本申请人并不意图将所附权利要求书的范围约束或以任何方式限制为此类细节。所属领域的技术人员将容易地看出额外优势及修改。因此,本发明在其较宽方面并不限于所展示且描述的具体细节、代表性装置及方法及说明性实例。因此,可在不脱离申请人的一般发明概念的精神或范围的情况下对此类细节进行变更。
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