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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Detektionseinrichtung
mit wenigstens einem Detektor und einer Verarbeitungseinheit zur
Verarbeitung von Signalen des Detektors, wobei wenigstens eine Kühleinheit
zur Kühlung des Detektors und der Verarbeitungseinheit
vorgesehen ist.
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In
der medizinischen Bildgebung gewinnen so genannte „Hybridmodalitäten” zunehmend
an Bedeutung, wie zum Beispiel PET-CT, SPECT-CT, PET-MR und SPECT-MR.
Hierbei bedeuten:
- PET:
- Positronen-Emissions-Tomographie
- CT:
- Computertomographie
- SPECT:
- Single Photon Emission
Computed Tomography
- MR:
- Magnetresonanztomographie
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Vorteilhaft
an diesen Kombinationen ist die Verbindung einer Modalität
mit einer hohen Ortsauflösung (insbesondere MR oder CT)
mit einer Modalität mit hoher Sensitivität (insbesondere
SPECT oder PET). Im Folgenden wird auf ein kombiniertes PET-MR-System
Bezug genommen. Die vorliegende Erfindung lässt sich im
Allgemeinen jedoch auf alle Formen von Hybridmodalitäten
oder in Zusammenhang stehende Messverfahren übertragen.
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Die
PET nutzt die besonderen Eigenschaften der Positronenstrahler und
der Positronen-Annihilation aus, um quantitativ die Funktion von
Organen oder Zellbereichen zu bestimmen. Dem Patienten werden dabei
vor der Untersuchung entsprechende Radiopharmaka verabreicht, die
mit Radionukliden markiert sind. Die Radionuklide senden beim Zerfall Positronen
aus, die nach kurzer Distanz mit einem Elektron in Wechselwirkung
treten, wodurch eine so genannte Annihilation eintritt. Dabei entstehen
zwei Gamma-Quanten, die in entgegengesetzter Richtung (um 180° versetzt)
auseinander fliegen. Die Gamma-Quanten werden von zwei gegenüberliegenden PET-Detektormodulen
innerhalb eines bestimmten Zeitfensters erfasst (Koinzidenz-Messung),
wodurch der Ort der Annihilation auf eine Position auf der Verbindungslinie
zwischen diesen beiden Detektormodulen bestimmt wird.
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Zum
Nachweis muss das Detektormodul bei der PET im Allgemeinen einen
Großteil der Gantry-Bogenlänge bedecken. Es ist
in Detektorelemente von wenigen Millimetern Seitenlänge
unterteilt. Jedes Detektorelement generiert bei Detektion eines Gamma-Quants
eine Ereignisaufzeichnung, die die Zeit sowie den Nachweisort, d.
h. das entsprechende Detektorelement angibt. Diese Informationen
werden an eine schnelle Logik übermittelt und verglichen. Fallen
zwei Ereignisse in einem zeitlichen Maximalabstand zusammen, so
wird von einem Gamma-Zerfallsprozess auf der Verbindungslinie zwischen
den beiden zugehörigen Detektorelementen ausgegangen. Die
Rekonstruktion des PET Bildes erfolgt mit einem Tomografiealgorithmus,
d. h. der sog. Rückprojektion.
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Da
in MR-Systemen mit hohem Magnetfeldern gearbeitet wird, ist die
Verwendung von damit kompatiblen Materialien innerhalb dieser Systeme erforderlich.
Insbesondere ist bei der Konstruktion der PET-Detektoren in kombinierten
PET-MR-Systemen auf eine Unempfindlichkeit der Detektoren gegen
Magnetfelder zu achten.
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In
der
US 2007/0102641
A1 ist ein kombiniertes PET-MR-System beschrieben, bei
dem als Szintillationskristall Lutetiumoxyorthosilikat (LSO) zur Umwandlung
der Gamma-Quanten in Licht und zur Detektion des Lichts Lawinenphotodioden
(Avalanche Photodioden, APD) verwendet werden. Die APD sind mit
Vorverstärkern verbunden. Ein Ring aus derartigen PET-Detektoren
ist innerhalb eines MR-Geräts angeordnet. Dadurch lassen
sich gleichzeitig MR- und PET-Datensätze aufnehmen. Aus
der
US 7,218,112 B2 eine
vergleichbare Anordnung bekannt.
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Insbesondere
bei den häufig verwendeten Halbleiter-Verstärkern
und Halbleiterdetektoren (Avalanche Photo Diode, APD) hängt
die Verstärkung von der Temperatur ab. Da die Bauteile
während des Betriebs Temperaturschwankungen ausgesetzt
sind, ist eine Kühlung erforderlich. Durch Zuführung
gekühlter Luft lässt sich die Temperatur der Verstärker
und Photodioden regulieren. Bei Verwendung von Luft mit konstanter
Temperatur ergibt sich die Temperatur der Verstärker aus
dem Gleichgewicht der erzeugten Wärme und der durch die
Luft über die Oberflächen der Verstärker
abgegebenen Wärme. Die Kühlung kann in gleicher
Weise für andere Teile des Detektionssystems eingesetzt
werden.
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Die
APD sind jedoch nicht nur Temperaturschwankungen aufgrund ihres
Betriebs ausgesetzt. Insbesondere die durch die kompakte Bauform
bedingte Nähe zu der Gradientenspule und der Anregungsspule
des MR-Systems stellt eine von außen auf die APD wirkende
Wärmequelle dar. Die Temperatur einer Gradientenspule liegt
während des Betriebs typischerweise zwischen 20 und 80°C
auf. Diese Temperaturunterschiede wirken sich auch auf die APD aus
und damit auf deren Verstärkung. Die Effekte dieser Wärmequelle
lassen sich mit Luftkühlung nur schwer beherrschen. Daher
ist es vorteilhaft eine Wasserkühlung vorzusehen.
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Zusätzlich
zum Problem der Kühlung sind insbesondere PET-Detektoren
sehr empfindlich gegenüber Störungen durch elektromagnetische
Felder. Hierfür sind beispielsweise die in APD zeitaufgelöst
gemessenen, sehr geringen Ströme verantwortlich. Durch
die Integration in das MR-System ist der PET-Detektor dann den Feldern
ausgesetzt, die für die Bildgebung mittels MR notwendig
sind. Gradientenfelder, die durch einen nach dem Schaltreglerprinzip
arbeitenden Verstärker betrieben werden verursachen hierbei
Störungen von Frequenzen im Bereich bis einige 100 kHz.
Gegen diese Störungen ist die APD abzuschirmen. Zusätzlich
kann das HF-System des MR-Geräts Störungen höherer
Frequenzen erzeugen, die ebenfalls zu berücksichtigen sind.
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Es
ist bekannt, elektromagnetisch empfindliche Bauteile mittels leitfähigen
Materialien, beispielsweise mittels Kupferfolie gegen elektromagnetische Störungen
abzuschirmen. Der Abschirmeffekt kommt dadurch zustande, dass in
dem abschirmenden Material Ströme induziert werden, die
dann die elektromagnetischen Felder im Inneren der Abschirmung aufheben.
Durch die Dicke und die Geometrie der abschirmenden Struktur wird
der Frequenzbereich definiert, in dem die Abschirmung wirksam ist.
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Somit
ist es möglich, einen PET-Detektorblock vollständig
mit einer abschirmenden Hülle zu versehen. Da jedoch die
durch das Schalten der Gradienten bedingte Erwärmung der
Abschirmung proportional zur Fläche steigt ist es wünschenswert,
die Abschirmung möglich und klein auszuführen,
um keine unnötige Wärme in das PET-Detektionssystem einzubringen.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Detektionseinrichtung
mit optimierter Abschirmung bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Detektionseinrichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer
Ausführung der Erfindung wird eine Detektionseinrichtung
mit wenigstens einem Detektor und einer Verarbeitungseinheit zur
Verarbeitung von Signalen des Detektors angegebenen, wobei wenigstens
eine Kühleinheit zur Kühlung des Detektors und
der Verarbeitungseinheit vorgesehen ist. Es ist eine elektromagnetische
Abschirmung für den Detektor und die Verarbeitungseinheit
vorgesehen, die wenigstens zwei elektrisch verbundene Abschnitte
umfasst, von denen ein erster Abschnitt eine höhere elektrische
Leitfähigkeit als ein zweiter Abschnitt aufweist und wobei
der zweite Abschnitt in thermi schem Kontakt zur Kühleinheit
steht. Durch die vorgesehene Kühleinheit lassen sich Detektor
und die Verarbeitungseinheit für die Signale des Detektors effizient
kühlen. Dadurch, dass die Abschirmung zwei Abschnitte mit
unterschiedlich hoher elektrischer Leitfähigkeit umfasst,
fällt die durch die Abschirmung hervorgerufene Verlustleistung
hauptsächlich auf dem Abschnitt mit der geringeren elektrischen
Leitfähigkeit an. Dieser Abschnitt steht jedoch in Kontakt zur
Kühleinheit, so dass die entstehende Wärme effizient
abführbar ist. Sowohl der Detektor, als auch die Verarbeitungseinheit
werden folglich durch die Erwärmung der Abschirmung nicht
beeinflusst, so dass die Abschirmung sehr nahe an der Verarbeitungseinheit
und dem Detektor angeordnet werden kann. Dadurch ist die Abschirmung
im Vergleich zu einer vollständigen Umhüllung
des PET-Detektorblocks deutlich kleiner ausführbar.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umschließt
die Abschirmung den Detektor und die Verarbeitungseinheit nur teilweise.
Dadurch wird beispielsweise der Detektor zugänglich für
optische Signale. Es ist dabei darauf zu achten, dass die ausgesparten
Bereiche der Abschirmung deren abschirmende Wirkung im relevanten
Frequenzbereich nicht beeinträchtigen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Detektor
einen Lichterzeuger und einen Lichtsensor, wobei der Lichtsensor
derart angeordnet ist, dass er Licht des Lichterzeugers in ein elektrisches
Signal umwandeln und an die Verarbeitungseinheit übermitteln
kann. Mittels eines derartigen Detektors lassen sich beispielsweise
Gamma-Quanten durch den Lichterzeuger in sichtbares Licht und dann
mittels des Lichtsensors in ein elektrisches Signal umwandeln.
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Vorteilhaft
ist eine Ausgestaltung der Erfindung derart, dass der erste Abschnitt
der Abschirmung zwischen dem Lichterzeuger und dem Lichtsensor angeordnet
ist und wenigstens eine Ausnehmung aufweist, die derart angeordnet
ist, dass Licht des Lichterzeugers zum Lichtsensor gelangen kann. Durch
die Ausnehmung ist es möglich, dass Licht vom Lichterzeuger
durch die Abschirmung hindurch zum Lichtsensor gelangen kann.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste
Abschnitt der Abschirmung eine der Ausnehmung zugeordnete Unterbrechung auf,
die derart ausgebildet ist, dass ein die Ausnehmung umschließender
Strompfad elektrisch unterbrochen ist. Dadurch wird effektiv verhindert,
dass im Fall einfallende elektromagnetischer Strahlung um die Ausnehmung
Wirbelströme erzeugt werden, die eine Erwärmung
dem nicht gekühlten im Bereich der Abschirmung erzeugen.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich in den nachfolgend
beschriebenen Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den
Figuren. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines PET-MR-Kombigeräts,
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2 eine
schematische Darstellung eines PET-Detektorblocks,
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3 ein
schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung und
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4 eine
schematische Ansicht einer Abschirmung für ein Detektorarray.
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Die
Ausführungsbeispiele der Erfindung lassen sich bevorzugt
auf einem kombinierten PET-MR-Gerät verwenden. Ein kombiniertes
Gerät hat den Vorteil, dass sowohl MR- als auch PET-Daten isozentrisch
gewonnen werden können. Dies ermöglicht, das Untersuchungsvolumen
innerhalb der interessierenden Region mit den Daten der ersten Modalität
(PET) genau zu definieren und diese Informationen in der weiteren
Modalität (z. B. Magnetresonanz) zu nutzen. Eine Übertragung
der Volumeninformation der interessierenden Region von einem externen PET-
auf ein MR-Gerät ist zwar möglich, jedoch ist ein
erhöhter Aufwand für die Registrierung der Daten gegeben.
Im Allgemeinen lassen sich an der auf dem PET-Datensatz ausgewählten
interessierenden Region sämtliche mit Magnetresonanz oder
sonstigen bildgebenden Verfahren bestimmbaren Daten ermitteln. Beispielsweise
können statt der Spektroskopiedaten auch fMRI-Daten, Diffusions-Daten,
T1 oder T2 gewichtete Bilder oder quantitative Parameter mittels
Magnetresonanzuntersuchungen in der interessierenden Region gewonnen
werden. Ebenfalls können Methoden der Computertomographie
(z. B. Perfusionsmessung, Mehrfachenergiebildgebung) oder Röntgen
eingesetzt werden.
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Ergänzend
ist jedoch auch möglich, durch Verwendung mehrerer so genannter
Tracer verschiedene biologische Eigenschaften im PET-Datensatz darzustellen
und so die interessierende Region und das dadurch festgelegte Volumen
noch weiter zu optimieren oder mehrere verschiedene Untersuchungsvolumina
auf einmal auszuwählen, die dann in nachfolgenden Untersuchungen
analysiert werden.
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Analog
lassen sich die Ausführungsbeispiele der Erfindung auch
auf Hybridmodalitäten mit nicht isozentrischen Untersuchungsvolumina,
wie beispielsweise bekannte PET-CT-Systeme anwenden.
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Die 1 zeigt
eine bekannte Vorrichtung 1 zur überlagerten MR-
und PET-Bilddarstellung. Die Vorrichtung 1 besteht aus
einer bekannten MR-Röhre 2. Die MR-Röhre 2 definiert
eine Längsrichtung z, die sich orthogonal zur Zeichnungsebene
der 1 erstreckt.
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Wie
dies in der 1 gezeigt ist, sind koaxial innerhalb
der MRI-Röhre 2 mehrere, um die Längsrichtung
z paarweise gegenüberliegend angeordnete PET-Detektionseinheiten 3 angeordnet.
Die PET-Detektionseinheiten 3 bestehen vorzugsweise aus
einem APD-Fotodiodenarray 5 mit einem vorgeschalteten Array
aus LSO-Kristallen 4 und einer elektrischen Verstärkerschaltung
(AMP) 6. Die Erfindung ist aber nicht auf die PET-Detek tionseinheiten 3 mit
dem APD-Fotodiodenarray 5 und dem vorgeschalteten Array
aus LSO-Kristallen 4 beschränkt, sondern zur Detektion
können gleichsam auch anders geartete Fotodioden, Kristalle
und Vorrichtungen verwendet werden.
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Die
Bildverarbeitung zur überlagerten MR- und PET-Bilddarstellung
erfolgt durch einen Rechner 7.
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Entlang
ihrer Längsrichtung z definiert die MR-Röhre 2 ein
zylindrisches, erstes Bildfeld. Die Vielzahl der PET-Detektionseinheiten 3 definiert
entlang der Längsrichtung z ein zylindrisches, zweites Bildfeld.
Erfindungsgemäß stimmt das zweite Bildfeld der
PET-Detektionseinheiten 3 im wesentlichem mit dem ersten
Bildfeld der MR-Röhre 2 überein. Realisiert
wird dies durch eine entsprechende Anpassung der Anordnungsdichte
der PET-Detektionseinheiten 3 entlang der Längsrichtung
z.
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In
der 2 ist ein schematisches Schnittbild durch eine
Detektionseinheit 201 dargestellt. Zwischen einem LSO-Kristall 203 und
einem Lichtleiter 205 ist eine Anschlussschicht 301 eingebracht. Auf
den Lichtleiter 205 ist eine Zwischenschicht 303 aufgebracht,
oberhalb derer mehrere APD 305 innerhalb einer Halterung 307 angeordnet
sind. Die zwei Kühleinheiten 207 und 209 sind
wiederum oberhalb der Halterung 307 angeordnet. Innerhalb
der Kühleinheiten 207 und 209 verläuft
je zweimal die Kühlleitung 211, durch die in die
Kühleinheiten 207 und 209 mit Kühlwasser
beschlossen werden können. Die Kühlleitung 211 ist
derart innerhalb der Kühleinheiten 207 und 209 ausgebildet,
dass von einer hier nicht dargestellten Kühlmittelquelle
kommendes Kühlmittel zunächst durch die Kühleinheit 207 fließt. Im
weiteren Verlauf der Kühlleitung 211 führt
diese das Kühlmittel durch die Kühleinheit 209.
auf diese Weise lassen sich mittels einer einzigen Kühlmittelquelle
sowohl die Kühleinheit 207, als auch die Kühleinheit 209 zur
Kühlung der APD 305 verwenden.
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Zwischen
den Kühleinheiten 207 und 209, sowie
der Halterung 307 ist eine Platine 309 eingebracht.
Diese weist starre Abschnitte 309a und flexible Abschnitte 309b auf
und kann daher einstückig hergestellt werden. Die Platine 309 ist
mit diversen elektronischen Bauteilen 311 bestückt.
Sie weist außerdem elektrische Verbindungen 313 zu
den APD 305 auf. Die auf den verschiedenen starren Abschnitten 309a befindlichen
Bauteile 311 lassen sich über Leiterbahnen über
die flexiblen Abschnitte verbinden. Durch die Verbindung der starren
und flexiblen Abschnitte 309a und 309b lässt
sich bei vergleichsweise großer Platinenoberfläche
dennoch die gezeigte kompakte Bauform realisieren.
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Die
elektronischen Bauteile 311 oder die Platine 309 stehen
an mehreren Stellen im thermischen Kontakt mit den Kühleinheiten 207 und 209.
Folglich werden auch diese durch die Kühleinheiten 207 und 209 gekühlt.
Da ein Teil der Platine 309 und einige der auf ihr befindlichen
Bauteile 313 zwischen der Kühleinheit 207 und
der Halterung 307 der APD 305 liegen, ist ein
direkter thermischer Kontakt zwischen den APD 305 und der
Kühleinheit 207 in dieser Ausführung
nicht vorgesehen. Die Wärmeleitfähigkeit von den
APD 305 über die Halterung 307, die Platine 309 und
die Bauteile 313 zur Kühleinheit 207 ist
jedoch bei richtiger Wahl der verwendeten Materialien ausreichend
hoch, um eine gute thermischer Ankoppelung der APD 305 an
die Kühleinheit 207 zu gewährleisten.
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Durch
den LSO-Kristall 203 werden bei PET-Ereignissen erzeugte
Gamma-Quanten durch Szintillation im Licht umgewandelt. Das erzeugte Licht
wird über den Lichtleiter 205 zu den APD 305 weitergeleitet.
Diese erzeugen aus dem anfallenden Lichtstrom Impulse, die über
die Leitungen 313 an die Platine 309 und ihrer
Bauteile 311 weitergegeben werden. Auf der Platine 309 findet
eine vorläufige Verarbeitung der empfangenen Signale statt.
Die Verstärkung der APD 305 ist temperaturabhängig, was
bei nicht ausreichender Kühlung zu Messungenauigkeiten
führen würde. Daher ist hier eine Temperaturstabilisierung
im Bereich weniger Grad Celsius zu realisieren, um einen reibungslosen
Betrieb der Detektionseinheit 201 zu gewährleisten.
Die Kühleinheit 207 steht in derart gutem thermischem
Kontakt zur Halterung 307 der APD 305, dass eine
effiziente und einfach realisierbare Kühlung der APD 305 gegeben
ist. Die eigene Erwärmung der APD 305 während des
Betriebes kann so ausgeglichen werden.
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Durch
die kompakte Bauform von PET-MR-Systemen befinden sich im Allgemeinen mehrere
der Detektionseinrichtungen 201 im eingebauten Zustand
in der Nähe von diversen Wärmequellen. Dabei spielt
insbesondere die Gradientenspule eine signifikante Rolle. Ihre Temperatur schwankt
je nach Betriebszustand zwischen etwa 20 und 80°C. Die
daraus resultierende äußere Wärmeeinstrahlung
auf die APD 305 hat einen signifikanten Einfluss auf ihre
Arbeitstemperatur und damit auf ihre Verstärkung. Durch
die zwischen der Gradientenspule und den APD 305 liegende
Kühleinheit 209 wird diese Wärmeeinstrahlung
stark vermindert, so dass das Arbeitsverhalten der APD 305 keinen
negativen Einflüssen mehr ausgesetzt ist.
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In
der 3 ist schematisch eine zu der Darstellung aus 2 vergleichbare
Detektionseinheit dargestellt. Es sind drei Kühleinheiten 401, 403 und 404 dargestellt,
die von Kühlleitungen 405 durchsetzt sind. Drei
APD 407 sind mittels einer Halterung 409 mit einer
Verarbeitungseinheit 411 für Signale der APD 407 verbunden.
Die Verarbeitungseinheit 411 umfasst elektronische Bauteile 412 und
steht in direktem thermischem Kontakt mit den Kühleinheiten 401 und 403.
Die Verarbeitungseinheit 411 und die APD 407,
sowie die Halterung 409 sind von einer Abschirmung 413 umgeben.
Die Abschirmung 413 ist hier nicht maßstabstreu
dargestellt. Sie besteht aus einer Kupferfolie und umfasst mehrere
Abschnitte 415, 416 und 417, die teilweise
unterschiedliche Dicken aufweisen. Der Abschnitt 415 in
der Abschirmung 413 ist mehrfach unterbrochen, so dass
von unten Licht in die APD 407 gelangen kann.
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Der
Abschnitt 417 der Abschirmung steht in direktem thermischen
Kontakt mit der Verarbeitungseinheit 411 und mit der Kühleinheit 404,
so dass in ihm entstehende Wärme effizient über
die Kühleinheit 404 abführbar ist. Durch
die unterschiedlichen Dicken der Abschnitte 415, 416 und 417 der
Abschirmung entsteht die bei einfallender HF-Strahlung erzeugte
Wärme hauptsächlich im Abschnitt 417,
so dass in der Nähe der empfindlichen APD 407 kaum Erwärmung
stattfindet. Die Abschirmung besteht beispielsweise im Bereich der
Abschnitte 415 und 416 aus einer 100 μm
starken Kupferfolie, im Abschnitt 417 hingegen aus einer
17 μm starken Kupferfolie. Es lassen sich jedoch auch andere
Materialien oder Strukturen zur Abschirmung vorsehen.
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In
der 4 ist der Abschnitt 415 der Abschirmung 413 in
einer Frontalansicht dargestellt. Der Abschnitt 415 weist
Ausnehmungen 451 auf, durch die Licht auf die darunter
liegenden APD fallen kann. Zusätzlich ist jeder Ausnehmung 451 eine
Unterbrechung 453 zugeordnet. An jeder Unterbrechung 453 ist
die Abschirmung 413 elektrisch unterbrochen, so dass sich
unter der Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung kein Wirbelstrom
um die Ausnehmung in 451 ausbilden kann, der Wärme
erzeugen würde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 2007/0102641
A1 [0007]
- - US 7218112 B2 [0007]