DE102014011857A1

DE102014011857A1 - Multi-channel detector and method for reading multichannel detectors

Info

Publication number: DE102014011857A1
Application number: DE102014011857.6A
Authority: DE
Inventors: Peter Fischer
Original assignee: Universitaet Heidelberg
Current assignee: Universitaet Heidelberg
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2016-02-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrkanaligen Detektor mit mehreren Sensorzellen, die auf einem Substrat angeordnet oder in dem Substrat integriert sind, mehreren mit den Sensorzellen verbundenen Sensoranschlüssen und einem Substratanschluss. Der Substratanschluss ist mit einem schnellen Verstärker verbunden, der an einem Verstärkerausgang ein verstärktes Substratsignal bereitstellt. Die Sensoranschlüsse sind jeweils über einen Wechselspannungskoppler mit einer Wechselspannungsmasse und parallel zum Wechselspannungskoppler mit langsamen Verstärkern verbunden, über die an entsprechenden Verstärkerausgängen jeweils ein verstärktes Sensorsignal bereitgestellt wird. Über den Substratanschluss wird bei Auftreffen von Photonen ein schnelles Signal gemessen, das als Trigger zum Start des Auslesevorgangs für die Sensoranschlüsse genutzt werden kann. Damit ist nur ein schneller Verstärker für den optischen Detektor erforderlich, so dass dieser eine geringe Verlustleistung bei hoher Effizienz und geringem Rauschen aufweist.The present invention relates to a multi-channel detector with a plurality of sensor cells, which are arranged on a substrate or integrated in the substrate, a plurality of sensor terminals connected to the sensor terminals and a substrate terminal. The substrate terminal is connected to a fast amplifier which provides an amplified substrate signal at an amplifier output. The sensor terminals are each connected via an AC voltage coupler with an AC ground and parallel to the AC coupler with slow amplifiers, via which a respective amplified sensor signal is provided at respective amplifier outputs. When the photons hit, a fast signal is measured via the substrate connection, which can be used as a trigger to start the reading process for the sensor connections. Thus, only a fast amplifier for the optical detector is required, so that it has a low power loss with high efficiency and low noise.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrkanaligen Detektor mit mehreren Sensorzellen, die auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet oder in das Substrat integriert sind, mehreren mit den Sensorzellen verbundenen Sensoranschlüssen und wenigstens einem Substratanschluss. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Auslesen eines derartigen Detektors.The present invention relates to a multi-channel detector with a plurality of sensor cells, which are arranged on a common substrate or integrated into the substrate, a plurality of sensor terminals connected to the sensor terminals and at least one substrate terminal. The invention also relates to a method for reading out such a detector.

Mehrkanalige Detektoren mit mehreren Sensorzellen lassen sich als ortsempfindliche Detektoren einsetzen, bspw. bei Verwendung photoempfindlicher Sensorzellen für die Detektion von Gamma-Quanten in der Positronen-Emissions-Tomographie. 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 0,5–3 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 0,5–3 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.Multi-channel detectors with multiple sensor cells can be used as location-sensitive detectors, for example, when using photosensitive sensor cells for the detection of gamma quanta in positron emission tomography. The gamma quanta to be detected are absorbed in scintillation crystals, which generate several thousand optical photons due to the interaction with the gamma quanta. This light must be detected with a spatial resolution of 0.5-3 mm. The scintillation crystals are usually subdivided into columns of 0.5-3 mm width due to their high thickness of several cm required for the absorption of the gamma quantum, in order to obtain the required spatial resolution. The photons emitted by the individual columns must then be detected with a photodetector which also achieves this spatial resolution.

Stand der TechnikState of the art

Für die ortsaufgelöste Erfassung eintreffender Photonen oder Teilchen sind Detektoren bekannt, die eine der Anzahl an Detektorzellen entsprechende hohe Anzahl an Auslesekanälen aufweisen. Dies ist jedoch aufwändig und kostenintensiv. Die DE 10 2011 111 432 A1 beschreibt einen ortsempfindlichen Detektor zur Detektion von Photonen- oder Teilchenverteilungen, 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 einer auf die Detektorempfangsfläche auftreffenden Photonen oder Teilchenverteilungen bestimmt werden kann. Dadurch lässt sich der Detektor mit einer verringerten Anzahl an Auslesekanälen realisieren.For the spatially resolved detection of incoming photons or particles, detectors are known which have a number of detector cells corresponding to the high number of readout channels. However, this is expensive and expensive. The DE 10 2011 111 432 A1 describes a location-sensitive detector for detecting photon or particle distributions, in which each detector cell used for detection is associated with and connected to at least one of the readout channels. The assignment of the detector cells to the readout channels is selected such that the position of a photon or particle distribution impinging on the detector receiving surface can be determined from signals of the readout channels. As a result, the detector can be realized with a reduced number of readout channels.

Ein derartiger Detektor kann bspw. als Silizium-Photomultiplier (SiPM) ausgebildet sein, bei dem die Detektorempfangsfläche aus vielen Einzelzellen, in der vorliegenden Patentanmeldung als Detektor- oder Sensorzellen bezeichnet, zusammengesetzt ist. Der Detektor besteht aus einem Substrat, im Falle des SiPM aus Siliziummaterial, auf dem mehrere die Sensorzellen bildende Sensorstrukturen aufgebracht oder in dem derartige Sensorstrukturen integriert sind. Der Detektor hat einen Anschluss für das Substrat und je einen Anschluss für jede Sensorzelle. Das Auslesen der Sensorzellen erfolgt üblicherweise nur an den Sensoranschlüssen. Die Sensoranschlüsse sind mit einem Verstärker verbunden, der das entsprechende Stromsignal verstärkt. Aus dem Sensorsignal können die Ankunftszeit, die Amplitude oder das Integral (i. A. die Ladung) durch geeignete Schaltungen ermittelt werden. Im Folgenden wird das Auftreffen von Photonen auf einen photoempfindlichen Detektor, das Eindringen oder Durchdringen von Teilchen bei einem Teilchendetektor etc. als Treffer oder Ereignis bezeichnet. Um den Zeitpunkt eines Treffers exakt zu bestimmen, wie dies z. B. bei Time-of-Flight PET notwendig ist, muss jeder Auslesekanal eine hohe Bandbreite besitzen, was zu einer hohen Leistungsaufnahme der Elektronik führt. Eine mögliche Lösung ist die zusätzliche Auslese am Substratanschluss, an dem die Treffer ebenfalls Signale erzeugen. Leider teilt sich die Signalladung in der Praxis auf Sensorsignal und Substratsignal auf, so dass im ungünstigen Fall nur ein kleiner Teil des Signals zur Verfügung steht und somit eine präzise Zeitmessung erschwert wird.Such a detector may, for example, be designed as a silicon photomultiplier (SiPM), in which the detector receiving surface is composed of many individual cells, referred to in the present patent application as detector or sensor cells. The detector consists of a substrate, in the case of the SiPM of silicon material, on which several sensor structures forming the sensor cells are applied or in which such sensor structures are integrated. The detector has one connection for the substrate and one connection for each sensor cell. The reading out of the sensor cells usually takes place only at the sensor connections. The sensor connections are connected to an amplifier, which amplifies the corresponding current signal. From the sensor signal the arrival time, the amplitude or the integral (i.a the charge) can be determined by suitable circuits. Hereinafter, the impact of photons on a photosensitive detector, the penetration or penetration of particles in a particle detector, etc. will be referred to as a hit or an event. To determine the time of a hit exactly how z. B. is necessary for time-of-flight PET, each readout channel must have a high bandwidth, resulting in a high power consumption of the electronics. One possible solution is the additional readout at the substrate connection, where the hits also generate signals. Unfortunately, the signal charge is divided in practice on sensor signal and substrate signal, so that in the worst case, only a small part of the signal is available and thus a precise time measurement is difficult.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen mehrkanaligen Detektor und ein Verfahren zum Auslesen des Detektors anzugeben, die eine effizientere, schnelle Auslese der Kanäle bei geringer Verlustleistung ermöglichen.The object of the present invention is therefore to provide a multi-channel detector and a method for reading the detector, which allow a more efficient, rapid readout of the channels with low power loss.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem mehrkanaligen Detektor sowie dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen eines möglichen Detektors sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.The object is achieved with the multi-channel detector and the method according to claims 1 and 13. Advantageous embodiments of a possible detector and the method are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the embodiment.

Der vorgeschlagene mehrkanalige Detektor weist mehrere Sensorzellen auf, die auf einem gemeinsamen Substrat, insbesondere einem Halbleitersubstrat, angeordnet oder in das Substrat integriert sind, mehrere mit den Sensorzellen verbundene Sensoranschlüsse sowie wenigstens einen Substratanschluss. Jede Sensorzelle ist dabei mit wenigstens einem der Sensoranschlüsse verbunden. Bei dem vorgeschlagenen Detektor ist der Substratanschluss mit einem ausreichend schnellen ersten Verstärker verbunden, der an einem ersten Verstärkerausgang ein verstärktes Substratsignal bereitstellt. Unter einem ausreichend schnellen Verstärker ist hierbei ein Verstärker zu verstehen, der eine Messung des Trefferzeitpunktes mit der gewünschten Zeitauflösung erlaubt. Die Sensoranschlüsse sind jeweils über einen Wechselspannungskoppler, bspw. einen Kondensator, mit einer Wechselspannungsmasse und parallel zum Wechselspannungskoppler mit zweiten Verstärkern verbunden, die an zweiten Verstärkerausgängen jeweils verstärkte Sensorsignale bereitstellen.The proposed multi-channel detector has a plurality of sensor cells, which are arranged on a common substrate, in particular a semiconductor substrate, or integrated into the substrate, a plurality of sensor terminals connected to the sensor terminals and at least one substrate terminal. Each sensor cell is connected to at least one of the sensor connections. In the proposed detector, the substrate terminal is connected to a sufficiently fast first amplifier which provides an amplified substrate signal at a first amplifier output. A sufficiently fast amplifier here is to be understood as meaning an amplifier which allows a measurement of the hit time with the desired time resolution. The sensor connections are each via an AC voltage coupler, for example. A capacitor, with an AC ground and parallel connected to the AC coupler with second amplifiers, which provide respectively amplified sensor signals at second amplifier outputs.

Die Wechselspannungskoppler sind so ausgelegt, dass ihre Impedanz für schnelle Signale so gering ist, dass sich bei einem Treffer an den Sensorzellen keine (Spannung-)signale ausbilden können und daher das gesamte (schnelle) Signal am Substratanschluss erscheint. Es kann dort daher mit guter Zeitauflösung nachgewiesen werden. Lediglich der erste Verstärker benötigt eine hohe Geschwindigkeit und damit eine hohe Verlustleistung. Zum (langsameren) Nachladen der Sensorzellen muss Strom in die Anschlüsse der Sensorzellen fließen. Dies kann nicht durch den Wechselspannungskoppler erfolgen, da er keinen Gleichstromfluss erlaubt. Die gesamte Signalladung fließt also durch die Anschlüsse zu den zweiten Verstärkern, wo sie z. B. mit Ladungsverstärkern aufintegriert werden kann. Die hierfür nötigen Verstärker können langsamer und daher leistungsärmer sein. Um eine gute Ladungsauflösung zu erreichen kann man bei diesen Verstärkern Wert auf niedriges Rauschen legen, während beim ersten Verstärker der Schwerpunkt auf der Geschwindigkeit liegt. Die beiden Verstärker können somit unabhängig voneinander optimiert werden. Wählt man als Integrator eine Schaltung, die ein Startsignal benötigt, so kann das Startsignal für alle zweiten Verstärker bzw. Integratoren gemeinsam aus dem Zeitsignal des ersten Verstärkers ermittelt werden.The AC couplers are designed so that their impedance for fast signals is so low that no (voltage) signals can form when a hit on the sensor cells and therefore the entire (fast) signal appears at the substrate connection. It can therefore be detected there with good time resolution. Only the first amplifier requires a high speed and thus a high power loss. For (slower) reloading of the sensor cells, current must flow into the terminals of the sensor cells. This can not be done by the AC coupler since it does not allow DC current. The entire signal charge thus flows through the connections to the second amplifiers, where they z. B. can be integrated with charge amplifiers. The necessary amplifiers can be slower and therefore less powerful. In order to achieve a good charge dissolution one can put emphasis on low noise with these amplifiers, while with the first amplifier the emphasis lies on the speed. The two amplifiers can thus be optimized independently of each other. If a circuit is selected as the integrator, which requires a start signal, then the start signal for all second amplifiers or integrators can be determined jointly from the time signal of the first amplifier.

Der vorgeschlagene Detektor und das vorgeschlagene Verfahren ermöglichen somit das Auslesen des Detektors, bspw. von SiPMs, mit insgesamt geringerer Verlustleistung und höherer Effizienz als bei bisher bekannten Detektoren bzw. Verfahren.The proposed detector and the proposed method thus enable the readout of the detector, for example of SiPMs, with overall lower power loss and higher efficiency than in previously known detectors or methods.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Detektors ist der Substratanschluss über einen Wechselspannungskoppler mit dem (ersten) Verstärker verbunden. Dadurch werden nur schnelle Signale über den Substratanschluss verstärkt und detektiert. Die Nutzung eines Wechselspannungskopplers ermöglicht auch die Parallelschaltung eines Gleichspannungsanschlusses zum Anlegen einer Vorspannung an den Substratanschluss. Derartige Vorspannungen sind in der Regel für den Betrieb von Halbleiterdetektoren erforderlich.In an advantageous embodiment of the proposed detector, the substrate connection is connected to the (first) amplifier via an AC voltage coupler. As a result, only fast signals are amplified and detected via the substrate connection. The use of an AC coupler also allows the parallel connection of a DC voltage terminal for applying a bias voltage to the substrate terminal. Such biases are typically required for the operation of semiconductor detectors.

Der Verstärkerausgang des ersten Verstärkers am Substratanschluss ist vorzugsweise mit einem TDC (TDC: Time-to-Digital-Converter) verbunden, so dass der Zeitpunkt des jeweiligen Treffers bzw. Ereignisses erfasst werden kann. Der TDC umfasst vorzugsweise auch einen Diskriminator oder dem TDC ist ein Diskriminator vorgeschaltet, der erst ab einem Schwellwert reagiert.The amplifier output of the first amplifier at the substrate connection is preferably connected to a TDC (TDC: time-to-digital converter), so that the time of the respective hit or event can be detected. The TDC preferably also includes a discriminator or the TDC is preceded by a discriminator, which only reacts above a threshold value.

Der zweite Verstärker ist vorzugsweise als Ladungsverstärker (Integrator) ausgestaltet.The second amplifier is preferably designed as a charge amplifier (integrator).

Die Verstärkerausgänge der zweiten Verstärker sind vorzugsweise jeweils mit einem Analog-Digital-Wandler zum Wandeln der erfassten Sensorsignale verbunden.The amplifier outputs of the second amplifiers are preferably each connected to an analog-to-digital converter for converting the detected sensor signals.

Der vorgeschlagene mehrkanalige Detektor weist vorzugsweise weniger Auslesekanäle als Sensorzellen auf, so dass jeweils mehrere Substratanschlüsse mit dem gleichen Auslesekanal verbunden sind. Der Detektor kann bspw. so ausgebildet sein, wie dies in der DE 10 2011 111 432 A1 beschrieben ist. Selbstverständlich ist der vorgeschlagene mehrkanalige optische Detektor nicht auf eine derartige Ausgestaltung beschränkt.The proposed multi-channel detector preferably has fewer readout channels than sensor cells, so that in each case a plurality of substrate connections are connected to the same readout channel. The detector may, for example, be formed as shown in the DE 10 2011 111 432 A1 is described. Of course, the proposed multi-channel optical detector is not limited to such a configuration.

Der vorgeschlagene Detektor ermöglicht die effiziente Auslese mehrerer Sensorzellen im gleichen Substrat. Es wird eine gute Zeit- und Ortsauflösung bei geringer Leistungsaufnahme erreicht. Im Gegensatz zu bekannten mehrkanaligen Detektoren wird nur ein schneller Kanal benötigt. Der vorgeschlagene Detektor ermöglicht auch eine Betriebsweise, bei der der Trigger auf Treffer bzw. Ereignisse mit einer bestimmten Amplitude eingeschränkt werden soll, insbesondere um falsche durch Rauschen generierte Ereignisse zu reduzieren. Bisher muss hierzu eine komplizierte analoge Summierung der N Auslesekanäle erfolgen. Dies entfällt bei dem vorgeschlagenen Detektor, da der Substratanschluss intrinsisch bereits das entsprechende Summensignal liefert.The proposed detector allows efficient readout of multiple sensor cells in the same substrate. It is achieved a good time and spatial resolution with low power consumption. In contrast to known multichannel detectors, only one fast channel is needed. The proposed detector also enables a mode of operation in which the trigger is to be limited to hits or events having a certain amplitude, in particular to reduce false noise-generated events. So far, a complicated analog summation of the N readout channels has to be done. This is omitted in the proposed detector, since the substrate connection intrinsically already supplies the corresponding sum signal.

Ein Detektor des vorgeschlagenen Typs lässt sich bspw. 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 Detektor für Anwendungen nutzen, bei denen eine hohe Ortsauflösung bei möglichst geringer Verlustleistung gefordert wird.A detector of the type proposed can be used, for example, in a gamma detector in conjunction with scintillation crystals. Application examples for this are the already mentioned PET as well as applications in the material sciences. Also in the field of research, such a detector can be used for applications in which a high spatial resolution is required with the lowest possible power loss.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Der vorgeschlagene Detektor sowie das zugehörige Ausleseverfahren werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Figur nochmals näher erläutert. Hierbei zeigt:The proposed detector and the associated readout method will be explained in more detail below with reference to an embodiment in conjunction with the figure. Hereby shows:

1 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen mehrkanaligen Detektors. 1 a schematic representation of an embodiment of the proposed multi-channel detector.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

1 zeigt eine Prinzipskizze eines beispielhaften Aufbaus des vorgeschlagenen mehrkanaligen Detektors. Der Detektor 1 weist ein Substrat 2 auf, in das die einzelnen Sensorzellen 3 integriert sind. Das Substrat 2 ist in der Figur durch die Verbindungsleitung aller Dioden bzw. Sensorzellen 3 repräsentiert. Es kann sich hierbei bspw. um ein Siliziumsubstrat handeln, in dem Avalanche-Photodioden als Bestandteil der Sensorzellen integriert sind. Die als Sensorzellen dargestellten Dioden können je nach Detektortyp auch in umgekehrter Richtung gepolt sein. In 1 sind die einzelnen Sensoranschlüsse 4 der Sensorzellen 3 sowie der Substratanschluss 5 erkennbar. In der Regel befindet sich der Substratanschluss 5 auf einer Rückseite des Substrates 2, während die Sensoranschlüsse 4 seitlich an der lichtempfindlichen Vorderseite des Detektors herausgeführt sind. Diese Anschlüsse können aber auch in anderer Weise angeordnet sein. 1 shows a schematic diagram of an exemplary construction of the proposed multi-channel detector. The detector 1 has a substrate 2 on, in that the individual sensor cells 3 are integrated. The substrate 2 is in the figure through the connecting line of all diodes or sensor cells 3 represents. This may, for example, be a silicon substrate in which avalanche photodiodes are integrated as part of the sensor cells. Depending on the type of detector, the diodes shown as sensor cells can also be polarized in the opposite direction. In 1 are the individual sensor connections 4 the sensor cells 3 as well as the substrate connection 5 recognizable. As a rule, the substrate connection is located 5 on a back side of the substrate 2 while the sensor connections 4 led out laterally on the photosensitive front of the detector. These connections can also be arranged in other ways.

Im vorliegenden Beispiel ist jede Sensorzelle 3 mit einem Sensoranschluss 4 verbunden. Die Sensoranschlüsse 4, die in diesem Beispiel den Auslesekanälen entsprechen, sind über ausreichend große Kapazitäten C_GND mit einer AC-Masse verbunden. Die Auslese des schnellen Summensignals erfolgt am Substratanschluss 5 mit einem schnellen Verstärker A₀. Dieser Verstärker ist im vorliegenden Beispiel über die Kapazität C_AC AC-gekoppelt, damit die Rückseite des Substrates 2 über den Widerstand R_BIAS auf das zum Betrieb notwendige BIAS-Potential gelegt werden kann. Die Auslesekanäle sind zusätzlich über langsame Verstärker A₁ bis A_N, z. B. Integratoren, DC-mäßig angekoppelt, so dass nach Detektion von Treffern der Aufladestrom der Sensorzellen gemessen werden kann. Da dies der einzige Gleichstrom-Pfad zu den Sensorzellen 3 ist, ist sichergestellt, dass das gesamte Signal beobachtet wird. Das schnelle Rückseiten- bzw. Substratsignal wird zum Start der Integration genutzt. Die Ankunftszeit des Signals kann in einem TDC gemessen werden. Die Resultate der Integration der Auslesekanäle werden entweder direkt ausgelesen oder in ADCs digitalisiert.In the present example, each sensor cell 3 with a sensor connection 4 connected. The sensor connections 4 , which correspond to the readout channels in this example, are connected to an AC ground via sufficiently large capacitances C _GND . The selection of the fast sum signal takes place at the substrate connection 5 with a fast amplifier A ₀ . This amplifier is AC-coupled in the present example via the capacitance C _AC , hence the back of the substrate 2 via the resistor R _{BIAS can be placed} on the BIAS potential necessary for operation. The readout channels are in addition via slow amplifier A ₁ to A _N , z. As integrators, DC moderately coupled, so that after detection of hits the charging current of the sensor cells can be measured. Because this is the only DC path to the sensor cells 3 is, it is ensured that the entire signal is observed. The fast backplane or substrate signal is used to start the integration. The arrival time of the signal can be measured in a TDC. The results of the integration of the readout channels are either read out directly or digitized in ADCs.

Selbstverständlich können je nach Ausgestaltung des Detektors auch mehrere Sensoranschlüsse 4 oder Sensorzellen 3 jeweils mit einem gemeinsamen Auslesekanal verbunden sein, über den dann die Signalauslese erfolgt.Of course, depending on the design of the detector and several sensor terminals 4 or sensor cells 3 each connected to a common readout channel, then takes place via the signal readout.

Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden gemäß der Finanzhilfevereinbarung Nr. 241711 im Zuge des Siebten Rahmenprogramms der Europäischen Union (RP7/2007-2013) gefördert.The work leading to this invention has been funded under the Grant Agreement No 241711 under the Seventh Framework Program of the European Union (FP7 / 2007-2013).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Detektordetector
22: Substratsubstratum
33: Sensorzellensensor cells
44: Sensoranschlüssesensor connections
55: Substratanschlusssubstrate terminal
A₀ A ₀: schneller Verstärkerfast amplifier
A_1-N A _1-N: langsame Verstärkerslow amplifier
C_GND C _GND: ausreichend große Kapazitäten zu einer AC Massesufficiently large capacity to an AC mass
C_AC C _AC: ausreichend große Kapazität zur AC Einkopplung des Substratsignals in den Verstärker A₀ sufficiently large capacitance for AC coupling of the substrate signal in the amplifier A _0th
R_Bias R _bias: Widerstand zur Definition des DC Potentials des SubstratsResistance to defining the DC potential of the substrate

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102011111432 A1 [0003, 0014] DE 102011111432 A1 [0003, 0014]

Claims

Mehrkanaliger Detektor, mit – mehreren Sensorzellen (3), die auf einem gemeinsamen Substrat (2) angeordnet oder in das Substrat (2) integriert sind, – mehreren mit den Sensorzellen (3) verbundenen Sensoranschlüssen (4) und – wenigstens einem Substratanschluss (5), – wobei der Substratanschluss (5) mit einem ersten Verstärker (A₀) verbunden ist, der an einem ersten Verstärkerausgang ein verstärktes Substratsignal bereitstellt, und – die Sensoranschlüsse (4) jeweils über einen Wechselspannungskoppler mit einer Wechselspannungsmasse und parallel zum Wechselspannungskoppler mit zweiten Verstärkern (A₁–A_N) verbunden sind, die an zweiten Verstärkerausgängen verstärkte Sensorsignale bereitstellen.Multi-channel detector, with - several sensor cells ( 3 ) on a common substrate ( 2 ) or in the substrate ( 2 ), - several with the sensor cells ( 3 ) connected sensor terminals ( 4 ) and - at least one substrate connection ( 5 ), - wherein the substrate connection ( 5 ) is connected to a first amplifier (A ₀ ) which provides an amplified substrate signal at a first amplifier output, and - the sensor terminals (A ₀ ) 4 ) are each connected via an AC voltage coupler with an AC ground and parallel to the AC coupler with second amplifiers (A ₁ -A _N ), which provide amplified at second amplifier outputs sensor signals.

Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratanschluss (5) über einen Wechselspannungskoppler mit dem ersten Verstärker (A₀) verbunden ist.Detector according to Claim 1, characterized in that the substrate connection ( 5 ) is connected via an AC voltage coupler to the first amplifier (A ₀ ).

Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratanschluss (5) parallel zum Wechselspannungskoppler einen Gleichspannungsanschluss zum Anlegen einer Vorspannung aufweist.Detector according to Claim 2, characterized in that the substrate connection ( 5 ) has a DC voltage connection for applying a bias voltage parallel to the AC voltage coupler.

Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verstärker (A₀) eine höhere Bandbreite aufweist als die zweiten Verstärker. (A₁–A_N).Detector according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first amplifier (A ₀ ) has a higher bandwidth than the second amplifier. (A ₁ -A _N ).

Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verstärkerausgang mit einem TDC verbunden ist.Detector according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first amplifier output is connected to a TDC.

Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Verstärkerausgänge jeweils mit einem Analog-Digital-Wandler verbunden sind.Detector according to one of claims 1 to 5, characterized in that the second amplifier outputs are each connected to an analog-to-digital converter.

Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Verstärker (A₁–A_N) als Ladungsverstärker ausgebildet sind.Detector according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the second amplifiers (A ₁ -A _N ) are designed as charge amplifiers.

Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoranschlüsse (4) jeweils mit einem gemeinsamen Auslesekanal verbunden sind.Detector according to one of Claims 1 to 7, characterized in that a plurality of sensor connections ( 4 ) are each connected to a common readout channel.

Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorzellen (3) durch Avalanche-Photodioden gebildet sind.Detector according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the sensor cells ( 3 ) are formed by avalanche photodiodes.

Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorzellen (3) durch pn- oder pin-Dioden gebildet sind.Detector according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the sensor cells ( 3 ) are formed by pn or pin diodes.

Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor als Silizium-Photomultiplier ausgebildet ist.Detector according to one of claims 1 to 9, characterized in that the detector is designed as a silicon photomultiplier.

Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verstärkerausgang mit einem Triggereingang für das Auslesen der Sensorsignale verbunden ist.Detector according to one of claims 1 to 11, characterized in that the first amplifier output is connected to a trigger input for reading the sensor signals.

Verfahren zum Auslesen des Detektors nach einem oder mehreren der vorangehenden Patentansprüche, bei dem über die Sensoranschlüsse (4) Sensorsignale ausgelesen werden und über den Substratanschluss (5) ein Substratsignal ausgelesen wird.Method for reading out the detector according to one or more of the preceding claims, wherein the sensor connections ( 4 ) Sensor signals are read out and via the substrate connection ( 5 ) a substrate signal is read out.

Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Substratsignal als Trigger für das Auslesen der Sensorsignale verwendet wird.A method according to claim 13, characterized in that the substrate signal is used as a trigger for reading the sensor signals.

Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Substratsignal der Zeitpunkt eines Detektionsereignisses ermittelt wird.The method of claim 13 or 14, characterized in that from the substrate signal, the time of a detection event is determined.

Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Substratsignal eine Amplitude eines Detektionsereignisses ermittelt und bei Ermittlung einer Amplitude außerhalb eines vorgegebenen Bereiches eine Auswertung der Sensorsignale verhindert oder abgebrochen wird.Method according to one of Claims 13 to 15, characterized in that an amplitude of a detection event is determined from the substrate signal, and an evaluation of the sensor signals is prevented or terminated when an amplitude outside a predetermined range is determined.