DE102013014360A1

DE102013014360A1 - Ortsempfindlicher Detektor mit digitaler Auswerteelektronik zur Detektion von Photonen- oder Teilchenverteilungen

Info

Publication number: DE102013014360A1
Application number: DE102013014360.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Fischer
Original assignee: Universitaet Heidelberg
Current assignee: Universitaet Heidelberg
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2015-03-05
Also published as: WO2015028148A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen ortsempfindlichen Detektor für eine Detektion von Photonen oder Teilchenverteilungen, bei dem die Detektorempfangsfläche durch mehrere Detektorzellen mit einzelnen Detektorelementen gebildet ist. Eine Ausleseeinrichtung zum Auslesen der Detektorelemente ordnet jeder für die Detektion genutzten Detektorzelle nach einer vorgegebenen Zuordnungsvorschrift wenigstens einen Auslesekanal zu. Die Ausleseeinrichtung weist dabei eine oder mehrere Zähleinrichtungen auf, die an den Detektorelementen auftreffende Detektions-Ereignisse getrennt für unterschiedliche Gruppen von Detektorelementen zählen, die durch die Zuordnungsvorschrift gebildet werden, und ein Zählergebnis für jede Gruppe in einem Speicher zwischenspeichern und/oder entsprechend der Zuordnungsvorschrift über die Auslesekanäle ausgeben oder auslesen lassen. Die Zuordnungsvorschrift ist dabei derart gewählt, dass aus Signalen der Auslesekanäle eine Position einer auf die Detektor-Empfangsfläche auftreffenden Photonen- oder Teilchenverteilung lokal bestimmt werden kann. Der Detektor lässt sich kostengünstig realisieren und erlaubt eine hohe Ortsauflösung bei einer geringen Anzahl an Auslesekanälen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen ortsempfindlichen Detektor zur Detektion von Photonen- oder Teilchenverteilungen, mit einer Detektor-Empfangsfläche, die durch mehrere Detektorzellen mit 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 ist.
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.
Stand der Technik
Die DE 10 2005 055 656 B3 beschreibt eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Detektorsignalen, die weniger Auslesekanäle als Detektorelemente aufweist. Bei dieser Vorrichtung ist jedes Detektorelement mit jedem Auslesekanal verbunden. Eine Positionsbestimmung auftreffender Photonen wird dabei durch eine geeignete Gewichtung der Detektorsignale mit einem Binärcode erreicht.
Die US 2011/0001053 A1 offenbart eine Detektionsvorrichtung aus mehreren Detektorzellen, bei der in Signalverarbeitungseinheiten für die Detektorsignale einzelne Kanäle zusammengefasst werden. Die Anzahl der Auslesekanäle, die die Detektorzellen mit den Signalverarbeitungseinheiten verbinden, wird dadurch allerdings nicht reduziert.
Aus der DE 10 2011 111 432 A1 ist ein ortsempfindlicher Detektor zur Detektion von Photonen- oder Teilchenverteilungen bekannt, bei dem jede für die Detektion genutzte Detektorzelle wenigstens einem der Auslesekanäle zugeordnet und mit diesem verbunden ist. Die Zuordnung der Detektorzellen zu den Auslesekanälen ist dabei derart gewählt, dass aus Signalen der Auslesekanäle die Position eines Schwerpunktes einer auf die Detektorempfangsfläche auftreffenden Photonen- oder Teilchenverteilung bestimmt werden kann.
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, sich kostengünstig herstellen und flexibel an unterschiedliche Anforderungen anpassen lässt.
Darstellung der Erfindung
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.
Der vorgeschlagene Detektor weist eine Detektorempfangsfläche auf, die durch mehrere Detektorzellen mit 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. Der Detektor weist weiterhin eine Ausleseeinrichtung zum Auslesen der Detektorelemente auf, durch die jede für die Detektion genutzte Detektorzelle nach einer vorgegebenen und vorzugsweise im Detektor programmierbaren Zuordnungsvorschrift wenigstens einem der Auslesekanäle zugeordnet wird, vorzugsweise jeweils genau einem Auslesekanal. Die Ausleseeinrichtung verfügt über eine oder mehrere Zähleinrichtungen, die an den Detektorelementen auftretende Detektions-Ereignisse getrennt für unterschiedliche Gruppen von Detektorelementen zählen, die durch die Zuordnungsvorschrift gebildet werden. Ein Zählergebnis für jede Gruppe wird in einem Speicher zwischengespeichert und/oder entsprechend der Zuordnungsvorschrift über die Auslesekanäle ausgegeben oder lässt sich auslesen. Die Zuordnungsvorschrift ist bei dem vorgeschlagenen Detektor derart gewählt, dass aus Signalen der Auslesekanäle die Position der auf die Detektorempfangsfläche auftreffenden Photonen- oder Teilchenverteilung bestimmt werden kann, bspw. die Position des Schwerpunktes dieser Photonen- oder Teilchenverteilung. 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 Detektorelemente ausgebildet.
Durch die vorgeschlagene Realisierung des Detektors mit einer Ausleseeinrichtung, die eine oder mehrere digitale Zähleinrichtungen aufweist, lässt sich der Detektor kostengünstig herstellen, bspw. in einem auf CMOS-Technologie basierenden Chip mit integrierten Single Photon Avalanche Dioden (SPADs). Bei einer Realisierung als Teilchendetektor lassen sich auch entsprechende Teilchensensoren wie bspw. MAPS (monolithische aktive Pixelsensoren) einsetzen. Die entsprechende Zuordnungsvorschrift kann in einer programmierbaren Speichereinheit des Detektors abgelegt werden, so dass sie jederzeit durch Um- oder Neuprogrammierung geändert werden kann. Durch Integration von aktiven Komponenten in die Detektorzellen können in einer bevorzugten Ausgestaltung auch rauschende Zellen identifiziert und gezielt abgeschaltet werden. Vorzugsweise umfasst hierzu jede Detektorzelle neben dem Detektorelement auch eine aktive Elektronik bzw. einen Schalter zur gesteuerten Abschaltung der Zelle.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Detektors ist in jeder Detektorzelle auch ein Pufferspeicher integriert, der eine Pufferung der Detektions-Ereignisse in der Zelle ermöglicht. Dadurch lassen sich der Totzeiten verringern, da ein zweites Detektions-Ereignis erfasst werden kann, noch bevor das vorangehende Detektions-Ereignis ausgelesen ist.
Die Zuordnung der Detektorzellen zu den Auslesekanälen ist bei dem vorgeschlagenen Detektor 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.
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.
Bei einer Ausgestaltung des Detektors, bei der die einzelnen Detektorzellen annähernd rechteckige Flächen 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.
Die einzelnen Detektorzellen können beim vorgeschlagenen Photodetektor Avalanche-Photodioden sein, vorzugsweise SPADs. Im Falle eines Detektors für die Detektion von Teilchenverteilungen können die Detektorzellen beispielsweise MAPS (monolithic active pixel sensors) sein.
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.
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der vorgeschlagene Detektor wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 zwei Beispiele für eine Zuordnung der einzelnen Detektorzellen des vorgeschlagenen Detektors zu insgesamt vier Auslesekanälen;
2 in vier Teilabbildungen ein weiteres Beispiel für eine Zuordnung der einzelnen Detektorzellen des vorgeschlagenen Detektors zu den vier Auslesekanälen;
3 ein Beispiel für eine Simulation („Flood Map”) bei schräger Anordnung eines Szintillators in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Detektor;
4 eine schematisierte Darstellung einer Anordnung aus mehreren benachbarten Detektoren;
5 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Detektors;
6 eine schematische Darstellung von drei unterschiedlichen Konzepten zur Ermittlung der Treffersummen pro Auslesekanal bei dem vorgeschlagenen Detektor;
7 ein Beispiel für einen Aufbau des vorgeschlagenen Detektors;
8 ein Beispiel einer ODER-Struktur aus 7;
9 mögliche Implementierungen der Gruppen-ODER-Struktur; und
10 mögliche Implementierungen der Multiplizitätszähler.
Wege zur Ausführung der Erfindung
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 ist jede für die Detektion genutzte Detektorzelle wenigstens einem Auslesekanal zugeordnet. Im vorliegenden Beispiel einer rechteckigen Detektor-Empfangsfläche werden N = 4 Auslesekanäle verwendet. Die Zuordnung der Detektorzellen zu den Auslesekanülen wird derart gewählt, dass aus den Signalen der Auslesekanäle über eine Schwerpunktsbildung die Position des Schwerpunktes einer auf die Detektorfläche auftreffenden Photonenverteilung 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 dem jeweiligen Auslesekanal zugeordnet 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.
Die Schwerpunktsbildung ist hierbei nur ein bevorzugtes Beispiel auf Basis einer speziellen Verteilungsfunktion. Für die Schwerpunktsbildung werden die gewählten Positionen bzw. Koordinaten {x_Kanal,i, y_Kanal,i}, denen die Auslesekanäle i (i = 1...N) zugeordnet wurden, mit den dort gemessenen Signalen (Signal_i) gewichtet addiert. Das Ganze wird auf das Gesamtsignal normiert: {x_rek, y_rek} = Summe[{X_Kanal,i, y_Kanal,i}·Signal_i]/Summe[Signal_i] wobei {x_rek, y_rek} der Koordinate der zu bestimmenden Position, entspricht.
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.
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.
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.
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 I_i 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 I_i wird für diesen Cluster berechnet. I_i ist in der Regel nicht ganzzahlig. Eine bereits erfolgte Zuweisung von Pixeln im Cluster zu einem Auslesekanal wird in F_i aufaddiert. F_i ist ganzzahlig für alle i = 1...N.
6) Solange irgendein I_i um mehr als 1 größer als das zugehörige F_i 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;
– F_i wird um 1 erhöht.
Dieser Schritt wird solange wiederholt, bis alle Differenzen I_i – F_i kleiner als 1 sind.
7) Der Cluster wird um M 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.

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.
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.
4 zeigt beispielhaft 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.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus des vorgeschlagenen Photodetektors in Draufsicht, der in einem CMOS-Chip implementiert ist. In jedem Pixel 2 befindet sich eine Single Photon Avalanche Diode (SPAD) 7 als Detektorelement sowie Elektronik 8 zur Auslese. 5 zeigt hierzu einen beispielhaften Chip, auf dem am Rand auch weitere Elektronik 9 sowie Anschlusspads 10 angeordnet sind.
Die typische Größe einer Detektorzelle bzw. eines Pixels 2 beträgt dabei etwa 50 × 50 μm², die Größe eines Chips bis zu 1 cm², so dass etwa 200 × 200 = 40000 Pixel 2 pro Chip angeordnet werden können. Ein Detektions-Ereignis, auch als Treffer bezeichnet, in einer SPAD-Zelle führt zu Signalaktivität in der zugeordneten Elektronik 8. Dies kann dann weitere Prozesse auslösen, insbesondere das Auslesen des gesamten Detektors. Hier kann dann ermittelt werden, welche Detektorzellen getroffen sind.
Im Prinzip könnte die 1/0 Trefferinformation jeder Detektorzelle ausgelesen werden. Dies ist jedoch aufgrund der hohen Datenmenge viel zu langsam. Bei dem vorgeschlagenen Detektor werden daher die Treffer der Gruppen, die den einzelnen Auslesekanälen zugeordnet sind, getrennt summiert. Die CMOS-Implementierung bietet hier recht einfach die Möglichkeit, die Zuordnung programmierbar zu machen. Im Folgenden sind unterschiedliche Möglichkeiten einer derartigen Auslese beim vorgeschlagenen Photodetektor beispielhaft dargestellt. Die Darstellungen der 6 zeigen dabei jeweils beispielhaft nur drei der Detektorzellen bzw. Pixel 2 des Detektors.
In dem Beispiel der 6a wird das Auslesen mit Hilfe eines Schieberegisters 11 realisiert. Alle Treffer der Detektorzellen bzw. Pixel 2 einer Spalte (oder Zeile) werden in ein Schieberegister 11 geladen und ausgetaktet. Ein seriell eintreffender Treffer erhöht einen zur Kanalzuordnung gehörenden Zähler 12, von denen in diesem Beispiel vier Zähler 12 für vier Auslesekanäle gezeigt sind. Die Zuordnung der Detektorzellen zu den Auslesekanälen ist in einem Speicher 13 in der Peripherie des Chips abgelegt. Diese Lösung ist im einzelnen Pixel sehr kompakt, benötigt jedoch einen Takt und ist relativ langsam, da viele Takte erforderlich sind, bis alle Pixel des Detektors ausgelesen sind.
In dem Beispiel der 6b befinden sich in jedem Pixel 2 mehrere Addierer 14 (binär oder anders codiert), die ihre Ergebnisse zum nächsten Pixel weitergeben. Pro Auslesekanal ist ein Addierer vorhanden. Bei einem Treffer wird eine „1” in einem der Addierer hinzuaddiert. Die Auswahl des Addierers (= Kanalzuordnung), der die Treffer des Pixels aufaddiert, ist in einem Speicher im Pixel selbst abgelegt. Diese Lösung erfordert sehr viel Logik pro Pixel, ist aber schneller als die Auslese mit einem Schieberegister und arbeitet ohne Takt.
In der Ausgestaltung der 6c befindet sich in jedem Pixel 2 nur ein Addierer 14, der nacheinander die einzelnen Kanäle aufaddiert. Die Auswahl der Zuordnung erfolgt dabei im Pixel, die Auswahl des jeweils bearbeiteten Kanals über ein Steuersignal, mit dem die Pixel 2 beim Auslesen angesteuert werden. Das Steuersignal übermittelt den Pixeln 2 dabei den jeweiligen Kanal, der gerade ausgelesen wird. Im Pixel ist wiederum der Kanal gespeichert, dem das Pixel zugeordnet ist. Diese Lösung ist kompakter, jedoch etwas langsamer als die Lösung der 6b. Eine Vereinfachung und Beschleunigung dieses Addiereransatzes kann durch eine hierarchische Addition mit steigenden Bitbreiten erreicht werden. Damit wird auch die Anzahl zu durchlaufender Stufen reduziert. So kann bspw. ein binärer Baum realisiert werden, bei dem die erste Ebene lediglich eine Addition mit nur einem Bit erfordert.
Der vorgeschlagene Photodetektor lässt sich sehr vorteilhaft in einem Chip implementieren. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung sowie auch einen niedrigeren Gesamt-Leistungsverbrauch als ein analoger Photodetektor mit einem zusätzlichen Chip. Durch die Möglichkeit der programmierbaren Kanalzuordnung kann eine Anpassung der aktiven Fläche, eine Korrektur der Kristallgeometrie oder auch eine Korrektur von Randeffekten erfolgen.
Ein derartiger Photodetektor hat gegenüber einem analogen Detektor den Vorteil besserer Zeitauflösung, da die Kapazitäten und Wege geringer und die Signale höher sind. Durch die Möglichkeit der Integration zusätzlicher aktiver Elektronik in die einzelnen Zellen wird das Abschalten defekter Zellen ermöglicht, so dass die Rate falscher Treffer reduziert werden kann. Auch rauschende (aber funktionierende) Pixel können aus dem Trigger ausgeschlossen werden. Der Trigger, d. h. das Startsignal zum Auslesen der Zellen, kann auf eine exakt programmierbare Multiplizität erfolgen. So kann bspw. festgelegt werden, dass mindestens eine vorgegebene Anzahl an Ereignissen innerhalb eines bestimmten Zeitfensters durch die Pixel detektiert werden muss, um den Trigger auszulösen. Dadurch kann sehr wirksam Rauschen als Startsignal ausgeschlossen werden.
Die 7 bis 10 zeigen schließlich ein Beispiel für den Aufbau eines digitalen Photodetektorchips gemäß der vorliegenden Erfindung sowie mögliche Implementierungen einzelner Schaltungsteile. 7 zeigt hierzu im oberen Teil die Schaltung in jedem Pixel, im unteren Teil die Schaltung in der Peripherie des Chips.
In jeder Elementarzelle bzw. jedem Pixel 2 des Photodetektorchips befindet sich eine Single Photon Avalanche Photodiode (SPAD), die beim Eintreffen eines Photons einen Signalimpuls liefert. Der Signalverarbeitungsteil 15 enthält neben der SPAD z. B. einen schnellen Diskriminator, um ein digitales Signalniveau zu erzeugen, eine Quench-Schaltung, um die SPAD nach einem Treffer schnell wieder betriebsbereit zu machen, und die Möglichkeit, defekte Zellen abzuschalten. Die Treffersignale 16 in den Pixeln müssen nun die Auslese eines Ereignisses auslösen. Um falsche Auslesen durch Rauschtreffer zu unterbinden, fordert man z. B. mehrere Treffersignale in verschiedenen Pixeln innerhalb eines kurzen Zeitintervalls. Dies kann umgesetzt werden, indem die Treffersignale 16 in jedem Pixel einen digitalen Impuls mit einstellbarer Breite erzeugen, z. B. in einem Monoflop 17. Diese kurzen Triggersignale 18 aller Pixel werden in einer ODER-Struktur 19 zur Peripherie des Chips transportiert, wo eine Multiplizität bestimmt wird. Eine Implementierung dieses Teils ist weiter unten separat beschrieben. Um funktionierende, aber rauschende Pixel aus dem Trigger auszuschließen, kann der Triggerteil mit einer Abschalteinrichtung 20 pixelweise abgeschaltet werden. Die Pixel-Konfigurationsbits, die z. B. die SPAD deaktivieren oder aus dem Trigger ausschließen, können in einem Konfigurationsspeicher 21 im Pixel gespeichert werden. Parallel zum Triggerpfad wird die Trefferinformation in jedem Pixel in Speichern 22 abgelegt. Um die Totzeit zu reduzieren, also Treffer entgegennehmen zu können, wenn die Auslese noch nicht beendet ist, können mehrere Speicher 22 zum Abspeichern der Trefferinformation verwendet werden. Das Zeitintervall, in dem SPAD Signale zu einem speziellen Ereignis akkumuliert werden, die Auswahl des Speichers 22 und das Zurücksetzen werden von globalen Kontrollsignalen 23 gesteuert. Um für Testzwecke und zum Ermitteln geeigneter Konfigurations-Einstellungen ermitteln zu können, welche SPADs einen Trigger ausgelöst haben, kann das Triggersignal ebenfalls in einem weiteren Buffer 24 abgespeichert werden. Zur Auslese der in den Pixeln anstehenden Daten wählen Kontrollsignale 23 mit Hilfe eines Multiplexers 25 eines der gespeicherten Bits aus. Der Wert wird in ein Flipflop 26 geladen, welches mit Flipflops anderer Pixel zu einem Schieberegister verbunden ist. Mit Hilfe eines Taktsignals werden so die Bits sequentiell zum Rand des Chips befördert. In einer kompakten Ausführungsform ist nur ein Flipflop pro Pixel vorhanden, so dass z. B. der Hit-Buffer 22 und der Trigger-Buffer 24 nacheinander ausgelesen werden müssen. Mehrere Flipflops pro Pixel wären möglich. Um die einzelne Auslese zu beschleunigen kann der Eingang des Flipflops in einem Pixel je mit dem übernächsten Pixel verbunden werden, so dass das Schieberegister effektiv halb so lang ist, aber zwei Bit breit ist. Diese Methode kann auf mehr Bits erweitert werden. Die Schaltung in der Peripherie muss entsprechend angepasst werden.
Auslöser eines interessanten Ereignisses sind genügend zeitnahe Trigger. Diese werden durch die ODER-Struktur 19 zur Peripherie geleitet. Dort wird in einer Multiplizitätseinheit 27 die Multiplizität (also die Anzahl gleichzeitig aktiver Trigger) ermittelt. Wird eine Schwelle 28 überschritten, so wird ein Ereignis ausgelöst. Dieser Teil ist weiter unten genauer beschrieben. Ein valider Trigger 29 startet eine Zustandsmaschine (Hauptsteuerung 30), die die Abläufe im Chip mit Hilfe von Kontrollsignalen 23 steuert. Um den Zeitpunkt des Ereignisses zu ermitteln kann ein chip-interner Time-Digital-Wandler (TDC) 31 einen Zeitstempel für das Signal (Trigger 29) ermitteln oder das Signal wird über Anschlusspads 32 zu einer externen Schaltung zur Zeitmessung übermittelt. Die Hauptsteuerung 30 muss nach einem validen Trigger 29 die in den Pixeln zum Trigger gespeicherten Bits auslesen. Dazu wird ein Adresszähler 33 gestartet, der Daten aus einem Speicher (RAM) 34 auswählt. Dort ist für jeden Takt des Pixel-Schieberegisters abgelegt, welchem Auslesekanal ('Farbe') das zu dem am Ausgang des Schieberegisters anliegende Bit gehörige Pixel zugeordnet ist. Auf diese Weise ist die Zuordnung frei im RAM 34 programmierbar. Pro Spalte stehen mehrere Zähler 35 zur Verfügung, die jeweils die Pixel eines Auslesekanals zählen. Je nach Wert des Speichers 34 wird dazu einer dieser Zähler 35 erhöht. Pixel können auch unbenutzt bleiben, wenn durch geeignete Steuerung gar kein Zähler aktiviert wird. Nachdem alle Pixel ausgetaktet sind, müssen mit digitalen Addierern 36 die Summen der Werte in den einzelnen Schieberegistergruppen berechnet werden. Die Ergebnisse können zunächst in einem FIFO 37 abgelegt werden, so dass ein neuer Pixel-Auslesezyklus sofort beginnen kann, also noch bevor der serielle Abtransport der Daten mit einem Serializer 38 abgeschlossen ist. Üblicherweise hat der Chip ein Interface 39, mit dem die Betriebsparameter (Zeitfenster, Multiplizitäten, Farbzuordnung im RAM etc.) eingestellt und die Konfigurationsbits im Konfigurationsspeicher 21 der Pixel gesetzt und evtl. gelesen werden können.
Anhand der 8 wird nun ein Beispiel für die ODER-Struktur 19 der 7 beschrieben. Eine einfache Multiplizitätsbestimmung kann erfolgen, indem jedes Pixel bei einem Treffer einen Einheits-Strom in einen Knoten schickt. Eine Messung des Stroms dort erlaubt eine Messung der Trigger-Multiplizität. Diese Methode ist einfach, kostet aber viel Strom, wenn die Geschwindigkeit hoch sein muss (um die Zeitinformation der Treffer beizubehalten). Eine andere Lösung, die mit binären Signalniveaus arbeitet, ist in 8 skizziert. Die Pixel 2 sind in Gruppen eingeteilt, was vorzugsweise Spalten, Doppelspalten etc. sein können. Alle Pixel 2 einer Gruppe senden ihre Treffer (Triggersignale 18) zum ODER-Block 40 der Gruppe, der ein binäres Ausgangssignal 'ColOR' 41 oder 'RowOR' 47 erzeugt, sobald mindestens ein Eingang aktiv ist. Eine mögliche Implementierung der ODER-Blocks 40 ist weiter unten beschrieben. Durch das Zusammenfassen vieler Pixel in einer Gruppe und die Reduktion der Trefferinformation auf ein Bit ist keine genaue Multiplizitätsbestimmung mehr möglich. Bei genügend kleinen Gruppen ist aber in realen Anwendungen die Wahrscheinlichkeit eines Doppeltreffers in einer Gruppe gering. Diese Problematik kann optional weiter entschärft werden, indem jedes Pixel einer weiteren (möglichst jeweils disjunkten) Gruppe zugeordnet wird, z. B. Zeilen. Wird auch hier ein Trefferbit mit einem weiteren ODER-Block 40 ermittelt, so ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Treffer in einem bereits benutzten 'Spalten' UND 'Zeilen'-Block vorkommt, sehr gering. Die binären Signale der Gruppen müssen nun in Schaltungsblöcken (Multiplizitätszähler 42) 'gezählt' werden. Hierbei genügt es in den meisten Anwendungen, nur kleine Multiplizitäten exakt zu ermitteln, so dass das Multiplizitätssignal 43 eine kleine Bitbreite haben kann (s. weiter unten). Die Multiplizität 43 wird in einem Vergleicher 44 mit einer Mindestmultiplizität 45 verglichen und löst so einen validen Trigger 29 aus.
Wird eine weitere Gruppenstruktur benutzt, so wird das zweite Multiplizitätssignal entsprechend verarbeitet und die zwei Entscheidungen vereint. In der Regel wird man eine volle Multiplizität in einer der beiden Gruppenstrukturen fordern und ein ODER Gatter 46 nutzen, aber andere Kombinationen sind möglich.
9 zeigt mögliche Implementierungen der Gruppen-ODER-Struktur (ODER-Block 40). Die ODER-Struktur muss bei mindestens einem Treffer in einem von N Eingängen ein Ausgangssignal erzeugen. Dies entspricht z. B. einer logischen ODER Funktion mit vielen Eingängen. Eine Ausführungsform, wie sie in Teilabbildung A der 9 dargestellt ist, nutzt ein 'wired-OR': Jedem Eingang ist ein Transistor 48 zugeordnet (z. B. ein NMOS), der Strom aus einem zentralen Knoten 49 entnimmt. Ein solcher Stromfluss wird von einem Empfänger 50 erkannt. Im einfachsten Fall besteht der Empfänger 50 nur aus Elementen, die versuchen, den Knoten 49 auf positivem Niveau zu halten. Der Stromfluss wirkt dem ausreichend entgegen, so dass ein niedriges Niveau auf dem Knoten 49 einen aktiven Eingang anzeigt. Um eine höhere Geschwindigkeit zu erreichen sollte der Spannungshub am Knoten 49 begrenzt werden und der Empfänger 50 z. B. eine niedrige Eingangsimpedanz, etwa durch eine Kaskode, haben.
Eine rein digitale Ausführungsform ist in Teilabbildung B der 9 gezeigt: Die ODER Funktion wird durch eine Folge von kaskadierten Gattern erzeugt. Eine erste Gatterstufe 51 mit je zwei oder mehr Eingängen reduziert die Anzahl Signale von N auf N/2 oder weniger, weitere Stufen 52...53 reduzieren bis auf ein einziges Signal. Diese Implementierung erfordert nur logarithmisch wenige Durchlaufzeiten bis zum Ausgang, die einzelnen Gatter haben ein kleines Fan-Out und Fan-In und somit eine kurze Durchlaufzeit, und alle Durchlauf-Wege von einem Eingang zum Ausgang sind gleich lang, so dass die Durchlaufzeit unabhängig vom Eingang ist. Da ODER Gatter z. T. nicht direkt implementiert werden können (in CMOS sind Gatter üblicherweise invertierend), können auch alternierende NAND und NOR Gatter genutzt werden.
10 zeigt schließlich noch mögliche Implementierungen der Multiplizitätszähler 42. Die Multiplizitätszähler 42 sollen ermitteln, wie viele der N binären Eingänge aktiv sind. Da in realen Anwendungen nur kleine Multiplizitäten M (M <~ 5) relevant sind, ist es ausreichend die Informationen mit wenigen (K) Bit zu kodieren und große Multiplizitäten in einem Code zusammenzufassen, also z. B. Codes für M = 0, M = 1, M = 2, M >= 3 zu nutzen. Die Codes müssen nicht binär sein. Gruppen von Eingängen werden zunächst mit einem ersten 'Addierer' ADD1 54 in den K Bit breiten Code 55 umgewandelt. Die weiteren 'Addierer' ADDK 56...57 verarbeiten nun je zwei K Bit breite Eingänge zu einem K Bit breiten Ausgang bis zum Ausgangssignal 58. Auch hier sollte vorteilhaft ein Binärbaum mit konstanten Durchlaufzeiten für alle Eingänge implementiert werden. Die 'Addierer' ADD1 und ADDK können aus herkömmlichen digitalen Schaltungen aufgebaut sein.
Bezugszeichenliste

1: Detektor-Empfangsfläche
2: Detektorzellen bzw. Pixel
3: Szintillator
4: Simulierte Auftrefforte
5: Auslesekanäle
6: Eckpunkt
7: SPAD
8: Ausleseelektronik im Pixel
9: Ausleseelektronik
10: Anschlusspads
11: Schieberegister
12: Zähler
13: Speicher
14: Addierer
15: Signalverarbeitungsteil
16: Treffersignal
17: Monoflop
18: Triggersignal
19: ODER-Struktur
20: Abschalteinrichtung für Trigger
21: Konfigurationsspeicher
22: Speicher
23: Kontrollsignale
24: Buffer
25: Multiplexer
26: Flipflop
27: Multiplizitätseinheit
28: Triggerschwelle
29: Valider Trigger
30: Hauptsteuerung
31: Time-Digital-Wandler
32: Anschlusspads
33: Adresszähler
34: Speicher
35: Zähler
36: Addierer
37: FIFO
38: Serializer
39: Interface
40: ODER-Block
41: binäres Ausgangssignal 'ColOR'
42: Multiplizitätszähler
43: Multiplizitätssignal
44: Vergleicher
45: Mindestmultiplizität
46: ODER-Gatter
47: binäres Ausgangssignal 'RowOR'
48: Transistor
49: zentraler Knoten
50: Empfänger
51: erste Gatterstufe
52: zweite Gatterstufe
53: weitere Gatterstufe
54: erste Addierer
55: Code
56: zweite Addierer
57: weitere Addierer
58: Ausgangssignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005055656 B3 [0003]
US 2011/0001053 A1 [0004]
DE 102011111432 A1 [0005]

Claims

Ortsempfindlicher Detektor zur Detektion von Photonen- oder Teilchenverteilungen, mit – einer Detektor-Empfangsfläche (1), die durch mehrere Detektorzellen (2) mit einzelnen Detektorelementen (7) gebildet ist, und – einer Anzahl N an Auslesekanälen (5) für die Detektorzellen (2), die geringer als die Anzahl an Detektorzellen (2) ist, – einer Ausleseeinrichtung zum Auslesen der Detektorelemente, durch die jede für die Detektion genutzte Detektorzelle (2) nach einer vorgegebenen Zuordnungsvorschrift wenigstens einem der Auslesekanäle (5) zugeordnet wird, wodurch unterschiedliche Gruppen von Detektorelementen (7) gebildet werden, – wobei die Ausleseeinrichtung eine oder mehrere Zähleinrichtungen aufweist, die an den Detektorelementen (7) auftretende Detektions-Ereignisse getrennt für die unterschiedlichen Gruppen von Detektorelementen (7) zählen, und ein Zählergebnis für jede Gruppe in einem Speicher zwischenspeichern und/oder entsprechend der Zuordnungsvorschrift über die Auslesekanäle (5) ausgeben oder auslesen lassen, – und wobei die Zuordnungsvorschrift derart gewählt ist, dass aus Signalen der Auslesekanäle (5) die Position einer auf die Detektor-Empfangsfläche (1) auftreffenden Photonen- oder Teilchenverteilung bestimmt werden kann.
Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (7) mit der Ausleseeinrichtung auf einem CMOS-Chip integriert sind.
Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (7) SPADs oder MAPS sind.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnungsvorschrift in einer oder mehreren programmierbaren Speichereinheiten des Detektors gespeichert ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Detektorzelle (2) ein Detektorelement (7) sowie einen Teil der Ausleseeinrichtung aufweist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Detektorzelle (2) eine aktive Elektronik zur gesteuerten Abschaltung der Detektorzelle (2) aufweist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleseeinrichtung je Spalte oder Zeile des Detektors ein Schieberegister (11) sowie für jeden Auslesekanal (5) einen Zähler (12) aufweist, wobei die über die Schieberegister (11) eintreffenden Informationen über Detektions-Ereignisse in den Detektorzellen (2) entsprechend der Zuordnungsvorschrift auf die Zähler (12) verteilt werden.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Detektorzelle (2) eine der Anzahl der Auslesekanäle (5) entsprechende Anzahl an Addierern (14) und einen Speicher (13) aufweist, in dem eine Zuordnung der Detektorzelle (2) zu wenigstens einem der Addierer (14) abgespeichert ist, wobei jeder der Addierer (14) einem der Auslesekanäle (5) zugeordnet ist und die Addierer (14) jedes Auslesekanals (5) miteinander verbunden sind.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Detektorzelle (2) einen Addierer (14), einen Speicher (13), in dem eine Zuordnung der Detektorzelle (2) zu wenigstens einem der Auslesekanäle (5) gespeichert ist, sowie einen Eingang für ein Steuersignal aufweist, über das den Detektorzellen (2) ein Auslesezeitpunkt für jeden der Auslesekanäle (5) mitgeteilt wird, wobei die Addierer (14) jeder Spalte oder Zeile des Detektors seriell oder über ein hierarchisches Addierernetzwerk miteinander verbunden sind.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der Detektorzellen (2) zu den Auslesekanälen (5) jeweils lokal einer Verteilungsfunktion angenähert ist, 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.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Auslesekanal (5) eine Position um die Detektor-Empfangsfläche (1) oder an der Detektor-Empfangsfläche (1) zugeordnet ist, wobei die Positionen eine Fläche aufspannen, in der die Detektor-Empfangsfläche (1) liegt, und dass die Zuordnung der Detektorzellen (2) zu den Auslesekanälen (5) jeweils lokal einer Verteilungsfunktion angenähert ist, die jedem Auslesekanal (5) Signalanteile der Detektorzellen (2) als lineare oder nichtlineare Funktion einer relativen Position der jeweiligen Detektorzelle (2) zu der Position zuordnet, die dem jeweiligen Auslesekanal (5) zugeordnet ist.
Detektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die den Auslesekanälen (5) zugeordneten Positionen Eckpunkte der Detektor-Empfangsfläche (1) sind.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der Detektorzellen (2) zu den Auslesekanälen (5) derart gewählt ist, dass aus Signalen der Auslesekanäle (5) über eine Schwerpunktsbildung die Position des Schwerpunktes der auf die Detektor-Empfangsfläche (1) auftreffenden Photonen- oder Teilchenverteilung berechnet werden kann.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass jede für die Detektion genutzte Detektorzelle (2) jeweils nur einem der Auslesekanäle (5) zugeordnet ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorzellen (2) rechteckige Empfangsflächen aufweisen und eine rechteckige Anordnung mit zueinander orthogonalen Zeilen und Spalten bilden, wobei der Detektor insgesamt vier Auslesekanäle (5) aufweist.
Detektor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der Detektorzellen (2) zu den Auslesekanälen (5) jeweils lokal einer Verteilungsfunktion angenähert ist, die in Richtungen parallel zu Kanten der Detektor-Empfangsfläche (1) die Form eines Sinus Hyperbolicus hat.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorzellen (2) eine dreieckige Anordnung bilden, wobei der Detektor insgesamt drei Auslesekanäle (5) aufweist.
Anordnung aus mehreren benachbart angeordneten Detektoren nach einem oder mehreren der vorangehenden Patentansprüche, bei der ein oder mehrere Auslesekanäle (5) jeweils benachbarter Detektoren miteinander verbunden sind.
Verwendung des Detektors oder der Anordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden Patentansprüche als Photodetektor in einem Detektor für die Positronen-Emissions-Tomographie.