WO2015028148A1 - Ortsempfindlicher detektor mit digitaler auswerteelektronik zur detektion von photonen-oder teilchenverteilungen - Google Patents

Ortsempfindlicher detektor mit digitaler auswerteelektronik zur detektion von photonen-oder teilchenverteilungen Download PDF

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WO2015028148A1
WO2015028148A1 PCT/EP2014/002330 EP2014002330W WO2015028148A1 WO 2015028148 A1 WO2015028148 A1 WO 2015028148A1 EP 2014002330 W EP2014002330 W EP 2014002330W WO 2015028148 A1 WO2015028148 A1 WO 2015028148A1
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detector
read
readout
cells
channels
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PCT/EP2014/002330
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Inventor
Peter Fischer
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Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
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    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/161—Applications in the field of nuclear medicine, e.g. in vivo counting
    • G01T1/164—Scintigraphy
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    • G01T1/1642—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions using one or several scintillating elements; Radio-isotope cameras using a scintillation crystal and position sensing photodetector arrays, e.g. ANGER cameras
    • G—PHYSICS
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    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
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    • G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
    • G01T1/248—Silicon photomultipliers [SiPM], e.g. an avalanche photodiode [APD] array on a common Si substrate

Definitions

  • the present invention relates to a
  • a location sensitive detector for detecting photons or particle distributions having a detector receiving plane formed by a plurality of detector cells with individual detector elements and a number N of readout channels for the detector cells that is less than the number of detector cells, each detector cell having at least one the readout channels is assigned.
  • Site-sensitive photodetectors are
  • the gamma quanta to be detected are in
  • Scintillation crystals that produce several thousand optical photons due to the interaction with the gamma quantum. This light must be detected with a spatial resolution of 0.5 to 3 mm.
  • the scintillation crystals are usually subdivided into columns of 0.5 to 3 mm in width, owing to their high thickness of several cm required for the absorption of the gamma quanta, 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.
  • each detector element is with each
  • a position determination of incident photons is achieved by a suitable weighting of the detector signals with a binary code.
  • US 2011/0001053 A1 discloses a detection device comprising a plurality of detector cells, in which individual channels are combined in signal processing units for the detector signals. The number of readout channels connecting the detector cells to the signal processing units thereby becomes
  • AI is a location-sensitive detector for detecting photon
  • Particle distributions are known in which each detection cell used for detection associated with at least one of the readout channels and is connected thereto.
  • the assignment of the detector cells to the readout channels is chosen such that signals from the
  • Readout channels the position of a center of gravity of a incident on the detector receiving surface photon or particle distribution can be determined.
  • the object of the present invention is to provide a location-sensitive detector for the detection of photon or particle distributions, which achieves a high spatial resolution with a small number of read-out channels, can be produced inexpensively and flexibly adapted to different requirements.
  • the task becomes with the location sensitive
  • Detector according to claim 1 solved.
  • Advantageous embodiments of the detector are the subject of the dependent claims or can be taken from the following description and the exemplary embodiment.
  • the proposed detector has a detector receiving surface which is formed by a plurality of detector cells with individual detector elements.
  • the detector receiving surface is thus in the individual
  • the detector has for this purpose a number N of readout channels for the
  • the number of detector cells is preferably at least 30x30 detector cells.
  • the detector furthermore has a read-out device for reading out the detector elements, by means of which each detector cell used for the detection has at least one of the predetermined order codes which are preferably programmable in the detector
  • Readout channels is assigned, preferably in each case exactly one readout channel.
  • the read-out device has one or more counting devices which detect the detection signals occurring at the detector elements. Separate events separately for different groups of detector elements, which are formed by the assignment rule. A count result for each group is buffered in a memory and / or output according to the ZuOrdungsvorschrift on the readout channels or can be read out.
  • the ZuOrdungsvorschrift is in the proposed
  • Detector selected such that from the signals of the Auslese- channels the position of the impinging on the detector receiving surface photon or particle distribution
  • this assignment is selected such that this position can be calculated from the signals of the readout channels via a focus formation.
  • the detector is as
  • Photodetector formed with photodiodes as detector elements.
  • the detector can be produced inexpensively, for example.
  • CMOS technology-based chip with integrated single photon avalanche diodes SPADs.
  • Realization as a particle detector can also be appropriate particle sensors such as. MAPS
  • the corresponding ZuOrdnungsvorschrift can be stored in a programmable memory unit of the detector so that it can be changed at any time by re-programming or reprogramming.
  • noisy cells can also be identified and switched off in a targeted manner. Preferably, this includes each detector cell in addition to the Detector element and an active electronics or a switch for controlled shutdown of the cell.
  • a buffer memory is integrated in each detector cell, which enables a buffering of the detection events in the cell. As a result, the dead times can be reduced since a second detection event can be detected even before the preceding detection event has been read out.
  • Each read-out channel is assigned a position around the detector-receiving surface or on the detector-receiving surface, these N positions spanning an area in which the detector-receiving surface is located.
  • the assignment of the detector cells to the readout channels is then locally approximated to the chosen distribution function.
  • Distribution function allocates signal components of the detector cells to each readout channel preferably as a linear or nonlinear function of the relative position of the respective detector cell to the position associated with the respective readout channel.
  • the approach is accomplished by viewing areas comprising multiple detector cells. In these areas, the assignment of the individual detector cells to the
  • the individual detector cells may be avalanche photodiodes in the proposed photodetector, preferably SPADs.
  • SPADs avalanche photodiodes
  • Detector cells for example, be MAPS (monolithic active pixel sensors).
  • a scintillator of a plurality of scintillation crystals is arranged for the detection of X-ray or gamma quanta over the detector-receiving surface, which converts the incident X-ray or gamma quanta into optical photons detectable with photodiodes as detector elements.
  • the scintillator can, for example, be subdivided into individual columns, as is known from the prior art for achieving a high spatial resolution.
  • the proposed detector can be in the embodiment as a photodetector, for example, in a Use gamma detector in conjunction with scintillation crystals.
  • Application examples for this are the already mentioned PET as well as applications in the material sciences.
  • such a photodetector can be used for applications in which the high spatial resolution is required with as few electronic readout channels as possible.
  • Fig. 1 shows two examples of an assignment of
  • Fig. 2 in four partial images another example of an assignment of the individual detector cells of the proposed detector to the four readout channels;
  • Fig. 3 shows an example of a simulation ("Flood Map") with oblique arrangement of a scintillator in connection with the proposed detector;
  • FIG. 4 is a schematic representation of an arrangement of a plurality of adjacent detectors
  • Fig. 5 is a schematic representation of a plan view of an embodiment of the proposed detector
  • Fig. 6 is a schematic representation of three
  • Fig. 7 is an example of a construction of the proposed detector
  • Fig. 8 is an example of an OR structure of Fig. 7;
  • the detector is designed as a silicon photomultiplier (SiPM), in which the detector receiving surface is composed of many individual cells, referred to as detector cells in the present patent application.
  • the detector cells are in turn formed in a known manner by avalanche photodiodes with series resistor.
  • Detection used detector cell at least one
  • N 4
  • Readout channels used.
  • the assignment of the detector cells to the readout channels is selected such that the position of the center of gravity of a photon distribution impinging on the detector surface can be determined from the signals of the readout channels via a center of gravity formation. If a range of detector cells is hit by photons, then signals are produced at the N outputs, which correspond in each case to the number of cells of the area hit by the photons, which are assigned to the respective read-out channel. From these signals can then due to the cell allocation by focusing on the position of the
  • non-linear distribution functions over the receiving surface can also be selected if, for example, a higher spatial resolution in the center of the receiving surface than at the edges is desired. The assignment is dependent on the selected
  • Distribution function is then approximated by the local map as well as possible. If a distribution function is selected which has the form of a sinh (hyperbolic sine) in the directions parallel to the edges of the detector receiving surface, advantageously an equal spatial error over the entire receiving surface and a higher average spatial resolution (with respect to a distribution function for center-of-gravity formation) given noise).
  • a distribution function which has the form of a sinh (hyperbolic sine) in the directions parallel to the edges of the detector receiving surface, advantageously an equal spatial error over the entire receiving surface and a higher average spatial resolution (with respect to a distribution function for center-of-gravity formation) given noise).
  • Fig. 1 shows two examples of this
  • the receiving surface is for illustration only from 16 x 16 detector cells 2, in the lower part of the figure from 32 x 32 detector cells 2.
  • the number of cells can be even higher, for example between 40 x 40 and 160 x 160 cells or more.
  • the different assignment of the individual detector cells 2 to the four readout channels is indicated by the different representation of the cells. With such an assignment of the detector cells 2 to the four readout channels, a distribution function is approximated, with which the position of the center of gravity of the incident photon distribution over a center of gravity of the signals of the four readout channels
  • FIG. 2 shows in the four partial illustrations a to d the respective assignment of the detector cells 2 to one of the readout channels for a size of the detector receiving surface 1 of 80 ⁇ 80 cells.
  • the dots in the respective sub-images mark the cells that are assigned to the respective channel.
  • Each cell is assigned exactly one channel, so that one
  • an unassigned pixel in the cluster is randomly selected and assigned to channel i, - Fi is incremented by 1.
  • This step is repeated until all differences Ii - Fi are less than 1.
  • the cluster size is increased, preferably doubled, the maximum size being limited by the size of the detector receiving area, and started again at step 4). This takes place until all detector cells or pixels are assigned to a readout channel.
  • Photodetector is that the spatial resolution and determination accuracy is independent of the position of a scintillator on the receiving surface.
  • Fig. 3 shows an example of this over the
  • the photodetector is thus very tolerant of a misalignment of any scintillator used in conjunction with the detector.
  • Figure 4 shows an example of an arrangement of several adjacent detectors with triangular
  • Each of these detectors has three readout channels which correspond to the corners of the
  • Detector receiving surfaces 1 are assigned.
  • one or more readout channels of respectively adjacent detectors are connected to one another, so they are used together.
  • Corner point 6 associated readout channel shared by all six adjacent detectors The same applies to the other corner points. This can additionally reduce the number of readout channels in such an arrangement.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of an exemplary construction of the proposed photodetector in plan view, which is implemented in a CMOS chip.
  • each pixel 2 is a single photon avalanche diode (SPAD) 7 as a detector element and electronics 8 for readout.
  • FIG. 5 shows an exemplary chip on which other electronics 9 and connection pads 10 are also arranged on the edge.
  • a detection event, also referred to as a hit, in a SPAD cell results in signal activity in the associated electronics 8. This can then do more Trigger processes, in particular the reading of the entire detector. Here it can then be determined which detector cells are hit.
  • FIG. 6 each show, by way of example only, three of the detector cells or pixels 2 of the detector.
  • Hits of the detector cells or pixels 2 of a column (or line) are loaded into a shift register 11 and clocked out.
  • a serially arriving hit increases a channel allocation counter 12, four counters 12 of which are shown in this example for four readout channels.
  • Detector cells to the readout channels is in one
  • Memory 13 stored in the periphery of the chip. This solution is very compact in the single pixel, but requires a clock and is relatively slow, as many
  • each pixel 2 there are multiple adders 14 (binary or otherwise encoded) in each pixel 2, which pass their results to the next pixel.
  • Each read channel is an adder available.
  • a "1" is added in one of the adders
  • each pixel 2 there is only one adder 14, which successively adds up the individual channels. The selection of the assignment takes place in the pixel, the selection of each
  • the edited channel via a control signal with which the pixels 2 are driven on reading.
  • the control signal transmits to the pixels 2 the respective channel which is currently being read out.
  • In the pixel is
  • Simplification and acceleration of this adder approach can be achieved by hierarchical addition with increasing bit widths. This also reduces the number of steps to be traversed. Thus, for example, a binary tree can be realized in which the first level requires only one bit addition.
  • the proposed photodetector can be implemented very advantageously in a chip. This
  • Such a photodetector has the advantage of better time resolution over an analog detector, since the capacitances and paths are lower and the signals are higher.
  • the possibility of integrating additional active electronics into the individual cells makes it possible to switch off defective cells, so that the rate of false hits can be reduced. Also rushing (but working) pixels can be excluded from the trigger.
  • the trigger ie the start signal for reading the cells, can be made to an exactly programmable multiplicity. For example, it can be determined that at least one
  • FIGS. 7 to 10 show a
  • FIG. 7 shows in the upper part the circuit in each pixel, in the lower part the circuit in the periphery of the chip.
  • each unit cell or each pixel 2 of the photodetector chip is a single photon avalanche photodiode (SPAD), which delivers a signal pulse upon the arrival of a photon.
  • the signal processing part 15 contains, in addition to the SPAD, for example, a fast discriminator to generate a digital signal level, a quench circuit to quickly make the SPAD operational again after a hit, and the ability to turn off defective cells.
  • the hit signals 16 in the pixels must now trigger the readout of an event. To read wrong by Preventing noise hits, for example, requires several hit signals in different pixels within a short time interval. This can be implemented by the hit signals 16 generating in each pixel a digital pulse of adjustable width, eg in a monoflop 17.
  • the trigger part can be turned off pixel by pixel with a switch-off device 20.
  • the pixel configuration bits which for example deactivate the SPAD or exclude it from the trigger, can be stored in a configuration memory 21 in the pixel.
  • the hit information is stored in each pixel in memory 22.
  • a plurality of memories 22 can be used for storing the hit information. The time interval in which SPAD signals are accumulated for a specific event, the selection of the memory 22 and the reset are performed by global control signals 23
  • the trigger signal can also be stored in a further buffer 24.
  • control signals 23 select one of the stored bits with the aid of an ultiplexer 25.
  • the value is loaded into a flip-flop 26 which is connected to flip-flops of other pixels to a shift register. With the aid of a clock signal, the bits are conveyed sequentially to the edge of the chip.
  • the input of the flip-flop in one pixel may each be connected to the next but one pixel so that the shift register is effectively half as long but two bits wide. This method can work on more bits
  • Triggers of an interesting event are enough timely triggers. These are passed through the OR structure 19 to the periphery. There, the multiplicity (ie the number of simultaneously active triggers) is determined in a multiplicity unit 27. If a threshold 28 is exceeded, an event is triggered. This part is more specific below
  • a valid trigger 29 starts a
  • TDC time-to-digital converter
  • Timestamps for the signal determine or the signal is transmitted via terminal pads 32 to an external circuit for timing.
  • the main controller 30 must read the bits stored in the pixels for the trigger after a valid trigger 29.
  • an address counter 33 is started, which selects data from a memory (RAM) 34. There is stored for each clock of the pixel shift register, which
  • the chip has an interface 39, with which the operating parameters (time windows, multiplicities, color assignment in the RAM, etc.) are set and the configuration bits in the
  • Configuration memory 21 of the pixels set and possibly can be read.
  • the pixels 2 are divided into groups, which may preferably be columns, double columns, etc. All pixels 2 of a group send their hits (trigger signals 18) to the OR block 40 of the group which generates a binary output 'ColOR' 41 or 'RowOR 1 47 as soon as at least one input is active.
  • One possible implementation of the OR blocks 40 is described below. By combining many pixels in a group and the reduction of the hit information to one bit, no precise multiplicity determination is possible anymore. With enough small ones However, in real applications, groups are likely to have a double hit in a group. Optionally, this problem can be further mitigated by assigning each pixel to another (possibly disjunctuated) group, eg
  • the probability that a hit occurs in an already used 'columns 1 AND 1 lines 1 block is very low.
  • the binary signals of the groups must now be 'counted' in circuit blocks (multiplicity counter 42). In this case, in most applications it is sufficient to determine only small multiplicities exactly, so that the multiplication signal 43 can have a small bit width (see below).
  • the multiplicity 43 is compared in a comparator 44 with a minimum multiplicity 45 and thus triggers a valid trigger 29. If another group structure is used, the second multiplier signal is processed accordingly and the two decisions combined. Usually one gets a full multiplicity in one of the two
  • FIG. 9 shows possible implementations of the
  • Group OR structure (OR block 40).
  • the OR structure must generate an output signal for at least one hit in one of N inputs.
  • Part A of FIG. 9 uses a 'wired-OR': each input is a transistor 48
  • central node 49 takes.
  • a current flow is detected by a receiver 50.
  • the receiver 50 consists only of elements which try to connect the node 49 to a positive level hold. The current flow counteracts this sufficiently so that a low level on the node 49 indicates an active input.
  • the voltage swing at the node 49 should be limited and the receiver 50, for example, have a low input impedance, such as through a cascode.
  • a purely digital embodiment is shown in submap B of Figure 9:
  • the OR function is generated by a sequence of cascaded gates.
  • a first gate stage 51 with two or more inputs reduces the number of signals from N to N / 2 or
  • FIG. 10 shows possible implementations of the multiplicity counter 42.
  • Groups of inputs are first encoded with a first 'adder' ADD1 54 in the K bit wide code 55
  • the other 'adders' ADDK 56 ..57 now each process two K bit wide inputs to one Again, a binary tree with constant cycle times should be implemented for all inputs.
  • the adders 1 ADD1 and ADD may be constructed from conventional digital circuits.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen ortsempfindlichen Detektor für eine Detektion von Photonen oder Teilchenverteilungen, bei dem die Detektorempfangsfläche (1) durch mehrere Detektorzellen (2) mit einzelnen Detektorelementen (7) gebildet ist. Eine Ausleseeinrichtung zum Auslesen der Detektorelemente (7) ordnet jeder für die Detektion genutzten Detektorzelle (2) nach einer vorgegebenen Zuordnungs-vorschrift wenigstens einen Auslesekanal (5) zu. Die Ausleseeinrichtung weist dabei eine oder mehrere Zähleinrichtungen auf, die an den Detektorelementen (7) auftreffende Detektions-Ereignisse getrennt für unterschiedliche Gruppen von Detektorelementen (7) 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 (5) ausgeben oder auslesen lassen. Die Zuordnungsvorschrift ist dabei derart gewählt, dass aus Signalen der Auslesekanäle (5) eine Position einer auf die Detektor- Empfangsfläche (1) 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

Ortsempfindlicher Detektor mit digitaler
Auswerteelektronik zur Detektion von Photonen- oder
Teilchenverteilungen
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen
ortsempfindlichen Detektor zur Detektion von Photonenoder Teilchenverteilungen, mit einer Detektor-Empfangs- flache, 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 102005055656 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 AI offenbart eine Detek- tionsvorrichtung 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 102011111432 AI 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 Ausführungs- beispiel 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 Auswerte- kanälen auf . Die Anzahl an Detektorzellen beträgt vorzugsweise mindestens 30x30 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 Zuordnungs- vorschrift 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 Auslese- kanäle 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 voran- gehende 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 Szintillations- kristallen 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:
Fig. 1 zwei Beispiele für eine Zuordnung der
einzelnen Detektorzellen des vorgeschlagenen
Detektors zu insgesamt vier Auslesekanälen;
Fig. 2 in vier Teilabbildüngen ein weiteres Beispiel für eine Zuordnung der einzelnen Detektorzellen des vorgeschlagenen Detektors zu den vier Auslesekanälen;
Fig. 3 ein Beispiel für eine Simulation („Flood Map") bei schräger Anordnung eines Szintillators in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Detektor;
Fig. 4 eine schematisierte Darstellung einer Anord- nung aus mehreren benachbarten Detektoren;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Detektors ;
Fig. 6 eine schematische Darstellung von drei
unterschiedlichen Konzepten zur Ermittlung der
Treffersummen pro Auslesekanal bei dem vorgeschlagenen Detektor;
Fig. 7 ein Beispiel für einen Aufbau des vorgeschlagenen Detektors; Fig. 8 ein Beispiel einer ODER-Struktur aus Figur 7 ;
Fig. 9 mögliche Implementierungen der Gruppen-ODER- Struktur; und
Fig. 10 mögliche Implementierungen der Multiplizitäts- zähler.
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 Detektor- zellen zu den Auslesekanälen 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 Detektor- zellen 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 {xKanai,i,
Y"Kanai,i}, denen die Auslesekanäle i (i=l..N) zugeordnet wurden, mit den dort gemessenen Signalen (Signali) gewichtet addiert. Das Ganze wird auf das Gesamtsignal normiert :
{ Xrek , Vrek } =
Summe [{xKanai,i, yKanai,i}*Signali] /Summe [Signali] wobei {xrek, yrek} 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 Schwer- punktsbildung höhere mittlere Ortsauflösung (bei gegebenem Rauschen) erreicht .
Fig. 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 x 16 Detektorzellen 2, im unteren Teil der Figur aus 32 x 32 Detektorzellen 2. Bei in der Praxis eingesetzten Photodetektoren kann die Anzahl der Zellen nochmals höher sein und beispielsweise zwischen 40 x 40 und 160 x 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 auf- treffenden Photonenverteilung über eine Schwerpunkts - bildung 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.
Fig. 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 x 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 Vorgehens - weise bei der Zuordnung der Detektorzellen zu den
Auslesekanälen erläutert, mit der die Zuordnungen der Figuren 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 x M wird eine Größe von 2 x 2 Detektorzellen gesetzt.
4) Es wird mit einem Cluster in einer Ecke der Detektor-Empfangsfläche begonnen. 5) Die Summe der M x 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 .
Dieser Schritt wird solange wiederholt, bis alle Differenzen Ii - Fi 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- Empfangs- fläche 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 8mm Kantenlänge und Zellen von 50μιτι x 50μιτι (Quadrat) lassen sich etwa 10 Blöcke von 0,8mm
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. Fig. 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 x 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 .
Figur 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 Figur 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.
Figur 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. Figur 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 x 50 μιτι2, die Größe eines Chips bis zu 1 cm2, so dass etwa 200 x 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 Figur 6 zeigen dabei jeweils beispielhaft nur drei der Detektorzellen bzw. Pixel 2 des Detektors.
In dem Beispiel der Figur 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 Figur 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 Figur 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 Steuer- signal 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 Figur 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 Kanal - Zuordnung 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 Figuren 7 bis 10 zeigen schließlich ein
Beispiel für den Aufbau eines digitalen Photodetektorchips gemäß der vorliegenden Erfindung sowie mögliche Implementierungen einzelner Schaltungsteile. Figur 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 Multiplizi- tät 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 deakti- vieren 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 Zurück- setzen 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 ultiplexers 25 eines der gespeicherten Bits aus. Der Wert wird in ein Flipflop 26 geladen, welches mit Flipflops anderer Pixel zu einem Schiebe- register 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 Figur 8 wird nun ein Beispiel für die ODER-Struktur 19 der Figur 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 Figur 8
skizziert. Die Pixel 2 sind in Gruppen eingeteilt, was vorzugsweise Spalten, Doppelspalten etc. sein können. Alle Pixel 2 einer Gruppe senden ihre Treffer (Trigger- Signale 18) zum ODER-Block 40 der Gruppe, der ein binäres Ausgangssignal 'ColOR' 41 oder 'RowOR1 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 disj unkten) 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 'Spalten1 UND 1 Zeilen 1 -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. Figur 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 Figur 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 Figur 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 Fanin 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. Figur 10 zeigt schließlich noch mögliche Implementierungen der Multiplizitätszähler 42. Die Multiplizi- tätszähler 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=l, 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 'Addierer1 ADD1 und ADD können aus herkömmlichen digitalen Schaltungen aufgebaut sein.
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.
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 Zähler
Addierer
FIFO
Serializer
Interface
ODER-Block
binäres Ausgangssignal • ColOR ultiplizitätszähler
Multiplizitätssignal
Vergleicher
Mindestmultiplizität
ODER-Gatter
binäres Ausgangssignal 1 RowOR
Transistor
zentraler Knoten
Empfänger
erste Gatterstufe
zweite Gatterstufe
weitere Gatterstufe
erste Addierer
Code
zweite Addierer
weitere Addierer
Ausgangssignal

Claims

Patentansprüche
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 Zuordnungs- vorschrift 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-Empfangs - fläche (1) auftreffenden Photonen- oder
Teilchenverteilung bestimmt werden kann.
Detektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Detektorelemente (7) mit der Auslese- einrichtung 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, wobe 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 Schwerpunkte 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 Detektxon genutzte Detektorzell (2) jeweils nur einem der Auslesekanäle (5) zugeordnet ist .
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass die Detektorzellen (2) rechteckige Empfangs- flächen 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 Photode'tektor in einem
Detektor für die Positronen-Emissions-Tomographie
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