CN103430533A

CN103430533A - 具有改进的计数器结构的单光子计数检测器系统

Info

Publication number: CN103430533A
Application number: CN2011800675586A
Authority: CN
Inventors: 贝恩德·施米特; 安娜·贝尔加马斯基; 阿尔多·莫扎尼卡; 罗伯托·迪纳波利
Original assignee: Scherrer Paul Institut
Current assignee: Scherrer Paul Institut
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2031-12-29
Also published as: AU2011359088B2; JP5875606B2; EP2490441A1; AU2011359088A1; US9121955B2; JP2014511598A; US20140166861A1; WO2012110162A1; EP2676434B1; EP2676434A1; CN103430533B

Abstract

本发明涉及一种单光子计数检测器系统（14），包括：a)感光材料层（4）；b)在所述感光材料层（4）中布置的NxM光检测器二极管（2）阵列；每个所述光检测器二极管（2）具有偏压接口（12）和二极管输出接口，每个光检测器二极管（2）的所述偏压接口（12）连接到偏压（V_bias）；c)NxM高增益、低噪声读取单元（RO）阵列，每个光检测器二极管(2)具有一个读取单元（RO）；d)每个读取单元（RO）包括：d1)连接到所述二极管输出接口的输入接口（IN）、包括集成电容器（C_int）的高增益电压放大装置(amp)，d2)至少两条并行数字计数器线路，d3)每条线路包括具有可独立选择的阈值(thresold1、threshold2)的比较器和确定数字计数器的计数间隔的可选通部(gate1、gate2)；e)多路复用装置，允许基于每个像素或对于若干像素并行访问读取单元，以读取数字计数器给数据处理装置，将数据从芯片传递到数据处理装置，特别是不形成读取单元的整体部分的外部读取电子器件。

Description

具有改进的计数器结构的单光子计数检测器系统

技术领域

本发明涉及一种具有改进的计数器结构的单光子计数检测器系统。

背景技术

本主题描述了在材料科学、结晶学、无损测试以及医疗应用中在同步加速或使用实验室装备（实验室衍射仪）进行的x射线应用中的检测器系统的读取芯片和部分。要检测的光子的能量大致在约0.1到150keV的范围内。

检测器是包括x射线感光层（硅传感器）和读取芯片的混合检测器。在2维检测器（像素检测器）的情况下，传感器中的每个像素直接连接（凸块接合或倒装片接合）到读取芯片中的对应的像素。像素的尺寸因此被读取芯片中的像素的尺寸所限，并且由于为了寻找读取芯片中的像素尺寸和电子器件的容量之间的适当的平衡（pay-off），所以读取芯片中的每像素的电子部件的数量因此相当受限。在微带检测器的情况下，传感器通常线接合到读取芯片并且在沿垂直于带的方向上空间通常受限。在国际专利申请WO 2004/064 168 A1中公开了该种像素检测器和带检测器，该国际专利申请通过引用被并入本文。

读取芯片包含n(1维或2维)独立的工作通道。每个通道具有电荷灵敏前置放大器、增益级和计数器。每个通道可以独立于其他通道对单光子进行计数。图像需要两种阶段：1）获取模式（其中，计数器对到来的光子进行计数）以及2）读取模式（其中，计数被禁用并且每条通道的计数的数量被读取）。读取可以与获取重叠。

当前最大的问题是：

i）对于高到来光子率（500KHz到3MHz），模拟信号开始堆积并且计数丢失。所测量的比率因此必须被校正（比率校正）。当前实现的3MHz以上的单光子计数系统基本上不再可用。这对蛋白质结晶特别成问题。由于晶体管的有效参数的像素到像素的变化，所以在成形时间也存在像素到像素的变化。由于比率校正测量非常困难，所以对所有像素的平均成形时间进行比率校正测量。因此，成形时间校正仅可以根据到来的光子率对线性计数区域进行略微延伸。

ii）对于泵浦和探测测量，样本被激励（泵浦）并且然后在可选择的时间之后，对于短时间段启用计数（探测）。然后如收集统计数据所需这被尽可能频繁地重复，并且然后才被读取。由于条件通常不是恒定的或样本变差（例如，粉末衍射中的拉伸测试或疲劳测量），所以必须（至少）同时进行2次类似的测量（通常是泵浦的和非泵浦的）。由于每个像素的计数仅可以被堆积在单个计数器中，从而对于每个探测间隔进行读取并且对必要的泵浦的和非泵浦的间隔进行离线求和，所以当前这对高重复率的泵浦信号是不可能的。由于对于泵浦和探测测量，统计数据通常非常有限，所以泵浦重复率需要被最大化，这阻止了针对每个间隔的读取（泵浦的和非泵浦的两者）。另外对于快速变化的系统，不总是给出对每个探测间隔读取检测器的可能性。

发明内容

因此本发明的目的是提供如下单光子计数检测器系统：该系统特别在泵浦和探测测量中提供高采样率并且处理计数间隔快速变化的问题。

这个目的被单光子计数检测器系统根据本发明来实现，该单光子计数检测器系统包括：

a)感光材料层；

b)在所述感光材料层中布置的NxM光检测器二极管阵列；每个所述光检测器二极管具有偏压接口和二极管输出接口，每个光检测器二极管的所述偏压接口连接到偏压；

c)NxM高增益、低噪声读取单元阵列，每个光检测器二极管具有一个读取单元；

d)每个读取单元包括：

d1)连接到所述二极管输出接口的输入接口，包括集成电容器的高增益电压放大装置，

d2)至少两条并行数字计数器线路，

d3)每条线路包括具有可独立选择的阈值的比较器和确定每条数字计数器线路的计数间隔的独立可选通部。

e)多路复用装置，允许基于每个像素或对于若干像素并行访问读取单元，以读取数字计数器给数据处理装置，将数据从芯片传递到数据处理装置，特别是不形成读取单元的整体部分的外部读取电子器件。

这个检测器系统克服了当前的单光子计数系统的泵浦和探测测量的局限。通过具有多于两个独立的可选通数字计数器，现在可在系统的松弛期间的不同时间测量（探测）（每个计数器具有一个固定可选择的时间）。对于使用连续光束进行测量（如粉末衍射中的泵浦和探测测量），这个最新的选择特别受关注。

在当前的单光子计数检测器系统中，高到来光子率的模拟信号的堆积问题是未解决的问题。在本发明的优选的实施例中，当设置至少两个阈值以使得一个阈值在光子能量以下的水平（例如，约光子能量的一半）并且至少另一阈值在光束能量以上的水平（例如，约1.5倍的光子能量）时，可独立选择的阈值有助于减轻或完全消除堆积的问题。较低水平（例如，光束能量的一半）的计数器是在当前系统中使用的标准计数器。较高水平（例如1.5倍的光束能量）的计数器仅对如下脉冲计数：在这些脉冲中，两个光子到达的时间非常接近使得第二光子的脉冲在第一光子的脉冲期间到达，并且光子之间的总的模拟信号不下降到比较器阈值（光束能量的一半）以下，导致脉冲的高度是光子能量的1.5倍以上。通过增加这两个计数器的计数的数量，计数率能力增加了约2倍，这是重要的改进。

如上面已经提到的，对泵浦和探测测量的处理成为当前的单光子计数检测器系统的严重问题。根据本发明的检测器系统可适于如下目的：当为了适合泵浦和探测测量，可选通部是可控制的，其中，对于确定数量的读取单元，在一个数字计数器中对在泵浦阶段期间的命中（hit）进行计数并且在另一数字计数器中对在探测阶段期间的命中进行计数。当谈到确定数量的读取单元时，在大多数的应用中，所有的读取单元被寻址，但存在设想的示例：可仅需要具有相应控制的可选通部的读取单元的子群（诸如在受关注的区域中的子群等）。

当对于确定数量的读取单元，设置至少两个阈值被来建立窗口鉴别器，由此使得一个阈值被设置为该窗口的下边缘并且另一阈值被设置为该窗口的上边缘时，可以实现本发明的另一优选的实施例。对于不引起堆积的光子强度，这种双数字计数器使得通过从较低阈值的计数数量中减去较高阈值的计数数量来对具有能量窗口内的能量的光子的数量进行计数。这种使用模式主要受关注于使用具有较宽的能量频谱（其中较高的能量仅对通过仅使用窗口内的光子可以切除的背景起作用）的x射线管（即，实验室衍射仪）进行测量的泵浦和探测实验之外。在同步加速方面，对于具有某些能量范围的光子的某些应用（如例如劳厄衍射），对仅某些能量窗口中的光子进行计数也是有利的。

当利用固定频率的信号（优选地例如以10到200MHz的固定频率来行进的计数使能信号）来选通可选通部，该信号由比较器的输出选通，由此仅当高增益电压放大装置的输出处的模拟信号高于为各个比较器设置的阈值才对固定频率信号的脉冲进行计数时，可以实现本发明的另一优选的实施例。这是所谓的时间过阈值模式，在该时间过阈值模式中，计数器在获取时间期间测量模拟信号高于比较器阈值的时间。对于2个光子堆积的信号（如上所说明），信号高于比较器阈值的时间更长，并且时间过阈值测量模式精确地确定了这种情况。所测量的时间然后被转换成光子的数量。具有来自第一计数器的单光子计数模式中的计数率允许立即地确定从时间过阈值模式到低计数率的单光子计数模式的转换，即，使用单光子计数器对时间过阈值计数器进行校准。这允许对以同步加速的单光子计数系统的计数率能力扩展到堆积不再是问题的水平。

可以从其余的从属权利要求得到本发明的此外优选的实施例。

附图说明

在下文中将参照下面附图更详细地讨论本发明的优选的实施例，在附图中：

图1是光检测器二极管的设计的示意图；

图2是包括光检测器二极管（其中的一个在图1中示出）阵列的检测器模块的部分的示意图；

图3是包括两个可选通的数字计数器的读取单元的设计的示意图；以及

图4是包括四个可选通的数字计数器的读取单元的设计的示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出了具有掺杂半导体p⁺、n^-、n⁺⁺侵入部分4的光检测器二极管2的结构。最常用的材料是硅晶体，但也可使用锗、砷化镓或碲化镉。

具有100eV到数Kev的范围的能量的入射光子6在进入掺杂的半导体p⁺、n^-、n⁺⁺侵入部分4之前通过可能的覆盖层（例如，铝）8，并且在x射线吸收之后根据其能量和建立电子空穴对所需的能量来产生相应的数量的电子空穴对10。在附图中，以被偏压源12生成的电场所分割的三个电子空穴对10例示性地示出了这些数量的电子空穴对。

图2示出了具有以n行和m列的阵列布置的大量光检测器二极管2的二维像素检测器14的示意图。光检测器二极管2具有长度l、约25-200μm的宽度w以及约200μm到2mm的高度。在这些光检测器二极管2的平面之下布置具有对应数量的读取单元RO的读取芯片16，以从各个光检测器二极管2中生成的电子空穴对10中收集电荷。在光检测器二极管2的二极管输出接口和读取单元RO的输入接口IN之间的电连接被用于示例铟凸点24的凸块接合所实现。

图3示意性地示出了包括两条数字计数器34、36的线路30、32的读取单元RO的设计。在光检测器二极管2中通过x射线生成的电荷被低噪声电荷灵敏放大器amp1所放大，在该低噪声电荷灵敏放大器amp1中，电荷被集中在集成电容C_int上。反馈电阻器（其值可以被施加给Rgpr的电压所改变）使电容器放电，因此，在电容器C1的输入形成脉冲。放大器amp2然后以C1/C2的比给出的增益来进一步放大信号。信号Rgpr和Rgsh改变反馈电阻器的值，从而影响放电时间（成形）以及放大器amp1和amp2的增益。amp2的输出的模拟脉冲然后被并行馈送到比较器comp1和comp2。芯片上的所有读取单元中的comp1和comp2通常分别具有相同的比较器阈值电压threshold1和threshold2。可以借助于给电压转换器DAC1和DAC2的每单元可编程数字来对每单元独立阈值作出微调（调节），从而允许增加芯片上的晶体管参数的变化引起的有效阈值波动的一致性。比较器comp1、comp2每个属于数字计数器34、36的一条线路30、32。对于泵浦和探测测量，每通道的两个计数器34、36被可选通部42、44独立地选通。一个计数器34测量泵浦和探测测量的泵浦的状态，并且另一计数器36测量泵浦和探测测量的非泵激的状态。这克服了当前单光子计数系统的泵浦和探测测量的局限。

由于读取芯片中的大量的计数器单元以及有限数量的读取引脚，所以通常顺序地读取计数器值，使得多路复用装置MM将所选择的计数器的数据传输给数据处理装置，该数据处理装置可进一步对所选择的计数器的数据进行序列化。读取芯片可以具有并行工作的若干多路复用数据处理装置，从而提高了读取的速度。

具有多于两个独立的可选通计数器34、36、46（参照图4）也允许在系统的松弛期间的不同时间来测量（探测）（每个计数器具有一个固定的可选择的时间）。对于使用连续光束的测量（如在粉末衍射中的泵浦和探测测量），这个最新的选择特别受关注并且被在图4中示出。

具有两个以上的计数器34、36、46还允许通过对一个计数器34使用光束能量（标准值）的一半的第一阈值38并且对第二计数器36使用1.5倍的光束能量的第二阈值40，测量模拟信号的堆积。为光束能量的一半的计数器34是在当今系统中使用的标准计数器。为光束能量的1.5倍的第二计数器36仅对如下脉冲进行计数：在这些脉冲中，两个光子到达时间非常接近，使得第二光子的脉冲在第一光子的脉冲期间到达，并且光子之间的总的模拟信号不下降到比较器阈值38（光束能量的一半）以下，从而使得脉冲的高度是光子能量的1.5倍以上。通过增加这两个计数器的计数的数量，计数率能力约增加了2倍，这是重要的改进。

另外，具有两个（以上）的计数器允许以标准工作模式来操作第一计数器34（单光子计数）并且以时间过阈值模式来操作第二计数器36。在时间过阈值模式中，第二计数器36测量在获取时间期间模拟信号高于阈值40的时间。通过使用比较器comp2的输出来选通固定频率的信号（例如，这可以是计数使能信号，其以例如10到200MHz的固定的频率来行进），即，仅当模拟信号高于阈值40时，对固定的频率信号的脉冲进行计数，可以容易地进行这些测量。对于堆积两个光子的信号（如上述），信号高于阈值的时间更长，并且时间过阈值测量测量这个时间。所测量的时间然后可以转换成光子的数量。具有来自第一计数器34的单光子计数模式中的计数率允许立刻确定从时间过阈值模式到低计数率的光子数量（即，单光子计数模式）的转换，即，使用单光子计数器（第一计数器34）来对时间过阈值计数器（第二计数器36）进行校准。这允许将以同步加速的单光子计数系统的计数率能力扩展到堆积不再是问题的水平。

对于不引起堆积的强度，双计数器系统通过从较低阈值的计数的数量中减去较高阈值的计数的数量，也将被使用作为窗口鉴别器。

也可以以如下这样的方式来设计多计数器系统：一个计数器可以被读取，同时其他计数器获取数据。由于如图4所示可以连续地获取数据，所以这允许系统在静寂时间（dead-time）自由地操作。

对于所有单光子计数系统的可能选择是前置放大器的有效复位。如果模拟信号高于阈值，则前置放大器将复位（即，模拟脉冲被切除）。这缩短了模拟信号的脉冲宽度，从而再次提高了计数率能力。

Claims

1.一种单光子计数检测器系统（14），包括：

a)感光材料层（4）；

b)在所述感光材料层（4）中布置的NxM光检测器二极管（2）阵列；每个所述光检测器二极管（2）具有偏压接口（12）和二极管输出接口，每个光检测器二极管（2）的所述偏压接口（12）连接到偏压（V_bias）；

c）NxM高增益、低噪声读取单元（RO）阵列，每个光检测器二极管（2）具有一个读取单元（RO）;

d)每个读取单元（RO）包括：

d1)连接到所述二极管输出接口的输入接口（IN）、包括集成电容器（C_int）的高增益电压放大装置（amp），

d2)至少两条并行数字计数器线路，

d3)每条线路包括具有可独立选择的阈值（threshold1、threshold2）的比较器和对于每条计数器线路独立地确定所述数字计数器的计数间隔的可选通部（gate1、gate2）。

e)多路复用装置，允许基于每个像素或对于若干像素并行访问所述读取单元，以读取所述数字计数器给数据处理装置，将数据从芯片传递到所述数据处理装置，特别是不形成所述读取单元的整体部分的外部读取电子器件。

2.根据权利要求1所述的检测器系统，其中，设置至少两个阈值，使得一个阈值在约光子能量的一半的水平，并且至少另一阈值在约1.5倍的光子能量的水平。

3.根据权利要求1或2所述的检测器系统，其中为了适于泵浦和探测测量，所述可选通部是能够控制的，其中对于确定数量的读取单元（包括全部读取单元），在一个数字计数器中对在探测阶段（泵浦）期间的命中计数，并且在另一数字计数器中对在另一探测（非泵浦，即，不需要样本的泵浦）阶段期间的命中进行计数。

4.根据前述权利要求中任一项所述的检测器系统，其中对于确定数量的读取单元（包括全部读取单元），设置至少两个阈值以建立窗口鉴别器，由此使得一个阈值被设置为所述窗口的下边缘，而另一阈值被设置为所述窗口的上边缘。

5.根据前述权利要求中任一项所述的检测器系统，其中所述可选通部以固定频率的信号、优选地以例如10MHz到200MHz的固定频率行进的计数使能信号选通，所述信号由所述比较器的输出选通，由此仅当所述高增益电压放大装置(amp)的输出处的模拟信号高于为各个比较器（comp1、comp2、comp4）设置的阈值时，对所述固定频率信号的脉冲进行计数。

6.根据前述权利要求中任一项所述的检测器系统，其中所述多路复用装置和数据处理装置允许读取一条计数器线路、同时其他计数器线路用于下一次的数据获取。

7.根据前述权利要求中任一项所述的检测器系统，其中如果比较器输入处的信号高于比较器阈值，则通过单元的比较器、对于每个单元电荷积分放大器（amp1）独立地复位。