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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen ortsempfindlichen Detektor zur Detektion von Photonen- oder Teilichenverteilungen, mit einer Detektor-Empfangsfläche, die durch mehrere Detektorzellen aus einzelnen Detektorelementen gebildet ist, und einer Anzahl N an Auslesekanälen für die Detektorzellen, die geringer als die Anzahl an Detektorzellen ist, wobei jede Detektorzelle wenigstens einem der Auslesekanäle zugeordnet und mit diesem verbunden ist.
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Ortsempfindliche Photodetektoren werden beispielsweise für die Detektion von Gamma-Quanten in der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) eingesetzt. Die nachzuweisenden Gamma-Quanten werden dabei in Szintillationskristallen absorbiert, die aufgrund der Wechselwirkung mit den Gamma-Quanten mehrere tausend optische Photonen erzeugen. Dieses Licht muss mit einer Ortsauflösung von 0,5 bis 3 mm detektiert werden. Die Szintillationskristalle werden aufgrund ihrer für die Absorption der Gamma-Quanten erforderlichen hohen Dicke von mehreren cm in der Regel in Säulen von 0,5 bis 3 mm Breite unterteilt, um die geforderte Ortsauflösung zu erhalten. Die von den einzelnen Säulen emittierten Photonen müssen dann mit einem Photodetektor detektiert werden, der diese Ortsauflösung ebenfalls erreicht. Eine Ausgestaltung des Photodetektors mit einer der Anzahl an Säulen entsprechenden hohen Anzahl an Kanälen ist jedoch aufwändig und kostenintensiv. Eine Möglichkeit der Verringerung der Kosten besteht darin, das aus den Szintillationskristallen austretende Licht über eine optische Ankopplung („light spreader”) auf mehrere größere Detektorelemente zu verteilen, aus deren Signalen dann der jeweilige Austrittsort des Lichtes interpoliert wird. Dies führt jedoch zu Randeffekten und schränkt den möglichen mechanischen Aufbau stark ein.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen ortsempfindlichen Detektor zur Detektion von Photonen- oder Teilchenverteilungen anzugeben, der mit einer geringen Anzahl an Auslesekanälen eine hohe örtliche Auflösung erreicht. Der Detektor soll sich in einer Ausgestaltung als Photodetektor auch für den Einsatz in einem Gamma-Detektor eignen.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem ortsempfindlichen Detektor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Detektors sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Der vorgeschlagene Detektor weist eine Detektorempfangsfläche auf, die durch mehrere Detektorzellen aus einzelnen Detektorelementen gebildet ist. Die Detektor-Empfangsfläche ist somit in die einzelnen Detektorzellen segmentiert, die über Auslesekanäle des Detektors ausgelesen werden können. Der Detektor weist hierzu eine Anzahl N an Auslesekanälen für die Detektorzellen auf, die sehr viel kleiner als die Anzahl an Detektorzellen ist. Vorzugsweise weist der Detektor eine Anzahl an N = 3 oder N = 4 Auswertekanälen auf. Die Anzahl an Detektorzellen beträgt vorzugsweise mindestens 30 × 30 Detektorzellen. Jede für die Detektion genutzte Detektorzelle ist hierbei wenigstens einem der Auslesekanäle zugeordnet, vorzugsweise jeweils genau einem Auslesekanal, und mit diesem verbunden. Bei dem vorgeschlagenen Detektor ist die Zuordnung der Auslesekanäle zu den Detektorzellen so gewählt, dass aus Signalen der Auslesekanäle die Position des Schwerpunktes der auf die Detektor-Empfangsfläche auftreffenden Photonen- oder Teilchenverteilung bestimmt werden kann. Vorzugsweise wird diese Zuordnung derart gewählt, dass sich diese Position aus den Signalen der Auslesekanäle über eine Schwerpunktbildung berechnen lässt. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Detektor als Photodetektor mit Photodioden als Detektorelementen ausgebildet.
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Die Zuordnung der Detektorzellen zu den Auslesekanälen ist dabei vorzugsweise jeweils lokal einer Verteilungsfunktion angenähert, die in einem idealen Fall einer nicht durch Detektorzellen endlicher Größe diskretisierten Empfangsfläche an jeder Stelle eine eindeutige Bestimmung der Position eines einzelnen auftreffenden Photons oder Teilchens ermöglichen würde.
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Jedem Auslesekanal wird dabei eine Position um die Detektor-Empfangsfläche oder an der Detektor-Empfangsfläche zugeordnet, wobei diese N Positionen eine Fläche aufspannen, in der die Detektor-Empfangsfläche liegt. Die Zuordnung der Detektorzellen zu den Auslesekanälen wird dann jeweils lokal der gewählten Verteilungsfunktion angenähert. Die Verteilungsfunktion ordnet jedem Auslesekanal Signalanteile der Detektorzellen vorzugsweise als lineare oder nichtlineare Funktion der relativen Position der jeweiligen Detektorzelle zu der Position zu, die dem jeweiligen Auslesekanal zugeordnet ist. Die Annäherung erfolgt durch Betrachtung von Bereichen, die mehrere Detektorzellen umfassen. In diesen Bereichen wird dann die Zuordnung der einzelnen Detektorzellen zu den Auslesekanälen so gewählt, dass sich über den jeweils betrachteten Bereich annähernd eine Aufteilung der Signalanteile auf die Auslesekanäle ergibt, wie sie durch die Verteilungsfunktion für eine im Schwerpunkt des Bereichs angeordnete Detektorzelle erhalten wird.
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Bei einer Ausgestaltung des Detektors, bei der die einzelnen Detektorzellen annähernd rechteckige Empfangsflächen aufweisen und eine rechteckige Anordnung mit senkrechten Zeilen und Spalten bilden, werden vorzugsweise insgesamt N = 4 Auslesekanäle eingesetzt, die mit den Ecken der rechteckigen Anordnung korrespondieren. Ein Einsatz von lediglich N = 3 Auslesekanälen ist bei einer rechteckigen Anordnung zwar ebenso möglich, eine Nutzung von vier Auslesekanälen führt jedoch zu einem geringeren Rauschanteil. Eine Nutzung von insgesamt N = 3 Auslesekanälen ist jedoch beispielsweise für eine dreieckige Anordnung von Detektorzellen vorteilhaft.
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Die einzelnen Detektorzellen können beim vorgeschlagenen Photodetektor Avalanche-Photodioden sein.
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Vorzugsweise ist der gesamte Photodetektor als Silizium-Photomultiplier ausgebildet, der eine hohe Verstärkung für die auftreffenden Photonenverteilungen aufweist. Im Falle eines Detektors für die Detektion von Teilchenverteilungen können die Detektorzellen beispielsweise MAPS (monolithic active Pixel sensors) sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist für den Nachweis von Röntgen- oder Gamma-Quanten über der Detektor-Empfangsfläche ein Szintillator aus mehreren Szintillationskristallen angeordnet, der die auftreffenden Röntgen- oder Gamma-Quanten in optische Photonen umwandelt, die mit Photodioden als Detektorelementen detektierbar sind. Der Szintillator kann hierbei beispielsweise in einzelne Säulen unterteilt sein, wie dies zum Erreichen einer hohen Ortsauflösung aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Der vorgeschlagene Detektor lässt sich in der Ausgestaltung als Photodetektor beispielsweise in einem Gamma-Detektor in Verbindung mit Szintillationskristallen einsetzen. Anwendungsbeispiele hierfür sind die bereits angeführte PET sowie Anwendungen in den Materialwissenschaften. Auch im Bereich der Forschung lässt sich ein derartiger Photodetektor für Anwendungen nutzen, bei denen die hohe Ortsauflösung mit möglichst wenigen elektronischen Auslesekanälen gefordert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Der vorgeschlagene Detektor wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
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1 zwei Beispiele für eine Zuordnung der einzelnen Detektorzellen des vorgeschlagenen Detektors zu insgesamt vier Auslesekanälen;
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2 in vier Teilabbildungen ein weiteres Beispiel für eine Zuordnung der einzelnen Detektorzellen des vorgeschlagenen Detektors zu den vier Auslesekanälen;
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3 ein Beispiel für eine Simulation („Flood Map”) bei schräger Anordnung eines Szintillators in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Detektor; und
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4 eine stark schematisierte Darstellung einer Draufsicht auf eine mögliche Ausgestaltung des vorgeschlagenen Detektors im Ausschnitt; und
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5 eine schematisierte Darstellung einer Anordnung aus mehreren benachbarten Detektoren.
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Im nachfolgenden Beispiel ist der Detektor als Silizium-Photomultiplier (SiPM) ausgebildet, bei dem die Detektor-Empfangsfläche aus vielen Einzelzellen, in der vorliegenden Patentanmeldung als Detektorzellen bezeichnet, zusammengesetzt ist. Die Detektorzellen sind wiederum in bekannter Weise durch Avalanche-Photodioden mit Vorwiderstand gebildet. Bei dem vorgeschlagenen Photodetektor werden die Detektorzellen nicht alle an eine Elektrode bzw. einen Auslese- oder Ausgangskanal angeschlossen, sondern an mehrere Auslesekanäle verteilt. Im vorliegenden Beispiel einer rechteckigen Detektor-Empfangsfläche werden N = 4 Auslesekanäle verwendet. Die Zuordnung der Detektorzellen zu den Auslesekanälen wird derart gewählt, dass aus den Signalen der Auslesekanäle über eine Schwerpunktsbildung die Position des Schwerpunktes einer auf die Detektorfläche auftreffenden Photoneuverteilung bestimmt werden kann. Wird ein Bereich von Detektorzellen durch Photonen getroffen, so ergeben sich an den N Ausgängen Signale, die jeweils der Anzahl der Zellen des von den Photonen getroffenen Bereiches entsprechen, die an den jeweiligen Auslesekanal angeschlossen sind. Aus diesen Signalen kann dann aufgrund der Zellzuteilung durch Schwerpunktsbildung auf die Position des Bereiches zurückgerechnet werden. Die Zuordnung der Zellen zu den Auslese- bzw. Ausgangskanälen erfolgt dabei derart, dass dies lokal so gut wie möglich – innerhalb der Diskretisierungsgenauigkeit durch die endliche Größe der einzelnen Zellen – erreicht wird.
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Die Schwerpunktsbildung ist hierbei nur ein bevorzugtes Beispiel auf Basis einer speziellen Verteilungsfunktion. Für die Schwerpunktsbildung werden die gewählten Positionen bzw. Koordinaten {xKanal,i, yKanal,i}, denen die Auslesekanäle i (i = 1...N) zugeordnet wurden, mit den dort gemessenen Signalen (Signali) gewichtet addiert. Das Ganze wird auf das Gesamtsignal normiert: {xrek, yrek} =
Summe[{xKanal,i, yKanal,i}·Signali]/Summe[Signali] wobei {xrek, yrek} der Koordinate der zu bestimmenden Position, entspricht.
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Auch andere über die Empfangsfläche nichtlineare Verteilungsfunktionen können gewählt werden, falls beispielsweise eine höhere Ortsauflösung im Zentrum der Empfangsfläche als an den Rändern erwünscht ist. Die Zuordnung wird in Abhängigkeit der gewählten Verteilungsfunktion durchgeführt, wobei diese Verteilungsfunktion dann durch die Zuordnung jeweils lokal möglichst gut angenähert wird. Bei Wahl einer Verteilungsfunktion, die in den Richtungen parallel zu den Kanten der Detektor-Empfangsfläche die Form eines sinh (Sinus Hyperbolicus) hat, werden vorteilhaft ein über die gesamte Empfangsfläche gleicher Ortsfehler und eine gegenüber einer Verteilungsfunktion zur Schwerpunktsbildung höhere mittlere Ortsauflösung (bei gegebenem Rauschen) erreicht.
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1 zeigt hierzu zwei Beispiele für die Zuordnung der Detektorzellen 2 einer Detektor-Empfangsfläche 1 zu den vier Auslesekanälen für zwei unterschiedliche Diskretisierungen. Im oberen Teil der Figur besteht die Empfangsfläche zur Veranschaulichung lediglich aus 16 × 16 Detektorzellen 2, im unteren Teil der Figur aus 32 × 32 Detektorzellen 2. Bei in der Praxis eingesetzten Photodetektoren kann die Anzahl der Zellen nochmals höher sein und beispielsweise zwischen 40 × 40 und 160 × 160 Zellen oder darüber liegen. Die unterschiedliche Zuordnung der einzelnen Detektorzellen 2 zu den vier Auslesekanälen ist durch die unterschiedliche Darstellung der Zellen angedeutet. Mit einer derartigen Zuordnung der Detektorzellen 2 zu den vier Auslesekanälen wird eine Verteilungsfunktion angenähert, mit der die Position des Schwerpunkts der auftreffenden Photonenverteilung über eine Schwerpunktsbildung aus den Signalen der vier Auslesekanäle bestimmt werden kann. Dies führt zu einer über die gesamte Empfangsfläche nahezu gleichen Ortsauflösung, wobei auch der Bestimmungsfehler für jeden Bereich der Detektor-Empfangsfläche 1 annähernd gleich ist.
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2 zeigt in den vier Teilabbildungen a bis d die jeweilige Zuordnung der Detektorzellen 2 zu einem der Auslesekanäle für eine Größe der Detektor-Empfangsfläche 1 von 80 × 80 Zellen. Die Punkte in den jeweiligen Teilabbildungen markieren die Zellen, die dem jeweiligen Kanal zugeordnet sind. Jeder Zelle ist dabei genau ein Kanal zugeordnet, so dass eine Überlagerung der vier Teilabbildung eine vollständig schwarze Fläche ergeben würde.
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Im Folgenden wird ein Beispiel für eine Vorgehensweise bei der Zuordnung der Detektorzellen zu den Auslesekanälen erläutert, mit der die Zuordnungen der 1 und 2 erzeugt wurden. Hierbei werden folgende Schritte durchgeführt:
- 1) Für jede Detektorzelle (Pixel) wird in einem ersten Schritt die ideale prozentuale Aufteilung Ii eines (Einheits)Signals auf die N Auslesekanäle berechnet (i = 1...N). Dazu wird die gewählte Verteilungsfunktion über die Fläche der Zelle integriert. Die Summe der N Anteile ergibt in diesem Beispiel aufgrund des Einheitssignals den Wert 1.
- 2) Die einzelnen Detektorzellen werden zunächst keinem Kanal zugewiesen.
- 3) Als anfängliche Block- bzw. Clustergröße M × M wird eine Größe von 2 × 2 Detektorzellen gesetzt.
- 4) Es wird mit einem Cluster in einer Ecke der Detektor-Empfangsfläche begonnen.
- 5) Die Summe der M × M Aufteilungsanteile Ii wird für diesen Cluster berechnet. Ii ist in der Regel nicht ganzzahlig. Eine bereits erfolgte Zuweisung von Pixeln im Cluster zu einem Auslesekanal wird in Fi aufaddiert. Fi ist ganzzahlig für alle i = 1...N.
- 6) Solange irgendein Ii um mehr als 1 größer als das zugehörige Fi ist, muss im Cluster ein weiteres Pixel dem Kanal i zugewiesen werden:
– ein noch nicht zugeordnetes Pixel im Cluster wird zufällig ausgewählt und dem Kanal i zugewiesen;
– Fi wird um 1 erhöht.
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Dieser Schritt wird solange wiederholt, bis alle Differenzen Ii–Fi kleiner als 1 sind.
- 7) Der Cluster wird um N nach rechts/links oder nach oben/unten verschoben und ab Schritt 5) der Vorgang wiederholt, bis die gesamte Detektor-Empfangsfläche abgearbeitet ist. Selbstverständlich kann hierbei grundsätzlich auch an anderer Stelle der Empfangsfläche begonnen werden oder die Abarbeitung der Gesamtfläche nach einem anderen Schema erfolgen.
- 8) Im nächsten Schritt wird die Clustergröße erhöht, vorzugsweise verdoppelt, wobei die maximale Größe durch die Größe der Detektor-Empfangsfläche begrenzt ist, und wieder bei Schritt 4) begonnen. Dies erfolgt solange, bis alle Detektorzellen bzw. Pixel einem Auslesekanal zugeordnet sind.
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Die Annäherung an die gewünschte Verteilungsfunktion erfolgt dabei umso besser, je mehr einzelne Detektorzellen auf der Detektor-Empfangsfläche zur Verfügung stehen. Dies gilt auch für den späteren Fehler bei der Positionsbestimmung, der auch mit zunehmender Größe des jeweils beleuchteten Bereichs abnimmt, da dann die Statistik besser wird. Bei einem Detektor von 8 mm Kantenlänge und Zellen von 50 μm × 50 μm (Quadrat) lassen sich etwa 10 Blöcke von 0,8 mm Kantenlänge unterscheiden.
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Ein besonderer Vorteil des vorgeschlagenen Photodetektors besteht darin, dass die Ortsauflösung und Bestimmungsgenauigkeit unabhängig von der Position eines Szintillators über der Empfangsfläche ist. 3 zeigt hierzu ein Beispiel für einen gegenüber den Kanten der Detektor-Empfangsfläche 1 verdrehten Szintillator 3 mit 7 × 7 einzelnen Szintillator-Kristallen. Die von den Kristallen ausgesendeten Photonen wurden hierbei mit endlicher Photonenzahl simuliert und die oben beschriebene Zuordnung der Detektorzellen zu den Auslesekanälen angenommen. Hierbei wurde eine Detektor-Empfangsfläche mit 100 × 100 Zellen simuliert. Aus den über die Zuordnung berechneten Auftrefforten 4 dieser so genannten Flood-Map ist ersichtlich, dass trotz der Verdrehung die Positionen der einzelnen Szintillator-Kristalle gut aufgelöst werden können. Der Photodetektor ist somit sehr tolerant gegenüber einer Dejustierung eines eventuell in Verbindung mit dem Detektor eingesetzten Szintillators.
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4 zeigt noch ein stark schematisiertes Beispiel eines Aufbaus des Photodetektors in Draufsicht, wobei lediglich ein Ausschnitt mit 4 × 3 Detektorzellen zu erkennen ist. Die Empfangsflächen der einzelnen Detektorzellen 2 sind rechteckig ausgebildet und in zueinander senkrechten Zeilen und Spalten angeordnet. Zwischen den einzelnen Zeilen verlaufen jeweils zwei Auslesekanäle 5, so dass jede Detektorzelle 2 zwischen vier Auslesekanälen 5 liegt. Die Auslesekanäle selbst laufen am Rand der Detektor-Empfangsfläche in Spaltenrichtung. Die Verbindung der einzelnen Detektorzellen 2 mit den jeweiligen Auslesekanälen 5 ist in der Figur schematisch angedeutet. Diese Verbindung kann auch unterhalb der Detektorzellen ausgebildet sein.
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5 zeigt beispielhafte eine Anordnung aus mehreren benachbarten Detektoren mit dreieckiger Detektor-Empfangsfläche 1. Jeder dieser Detektoren weist drei Auslesekanäle auf, die den Ecken der Detektor-Empfangsflächen 1 zugeordnet sind. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind jeweils ein oder mehrere Auslesekanäle jeweils benachbarter Detektoren miteinander verbunden, werden also gemeinsam genutzt. So kann im Beispiel der 5 jeweils der dem Eckpunkt 6 zugeordnete Auslesekanal von allen sechs benachbarten Detektoren gemeinsam genutzt werden. Das Gleiche gilt für die jeweils anderen Eckpunkte. Damit lässt sich die Anzahl der Auslesekanäle bei einer derartigen Anordnung zusätzlich reduzieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Detektor-Empfangsfläche
- 2
- Detektorzellen bzw. Pixel
- 3
- Szintillator
- 4
- Simulierte Auftrefforte
- 5
- Auslesekanäle
- 6
- Eckpunkt
