DE102013109416A1

DE102013109416A1 - Teilchendetektor

Info

Publication number: DE102013109416A1
Application number: DE102013109416.3A
Authority: DE
Inventors: Ottmar Jagutzki; Achim Czasch
Original assignee: ROENTDEK-HANDELS GmbH; Roentdek Handels GmbH
Current assignee: ROENTDEK-HANDELS GmbH; Roentdek Handels GmbH
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2015-03-05
Anticipated expiration: 2033-08-30
Also published as: DE102013109416B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zweidimensionalen Ortsbestimmung von Ladungswolken sowie Einzelteilchen. Die Erfindung umfasst eine Anode mit einer Nachweisoberfläche, die aus Nachweiselementen ausgebildet ist, sowie eine Ausleseelektronik. Es werden Elektronik-Kanäle der Ausleseelektronik mehrfach belegt und so effizienter genutzt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Detektor zur zweidimensionalen Bestimmung der Orte, an denen Ladungswolken auf den Detektor auftreffen. Ebenfalls Gegenstand der Erfindung sind eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Detektion von Einzelteilchen (Einzelteilchen-Detektor) sowie entsprechende Verfahren.
Hintergrund der Erfindung
Teilchendetektoren finden eine Vielzahl von Anwendungen in Technik und Wissenschaft. Einzelteilchen-Detektoren sind in der Lage, einzelne Elektronen, Ionen, Neutronen, Moleküle oder Photonen nachzuweisen. Ortsauflösende Einzelteilchen-Detektoren setzen sich häufig aus einer Mikrokanalplatte („Microchannel Plate“, MCP) als Sekundärelektronenvervielfacher sowie einer dahinter angebrachten Vorrichtung zur zweidimensionalen Ortsauslese zusammen.
Ein MCP ist eine Platte, welche eine Vielzahl mikroskopischer Kanäle aufweist; vergleiche 1. Diese Kanäle verbinden die Vorder- mit der Rückseite der Platte unter einem Winkel. Schlägt ein nachzuweisendes Teilchen in die Wand eines der Kanäle ein, so löst es dort Sekundärelektronen aus. Letztere werden von einer zwischen der Vorder- und der Rückseite des MCP angelegten Spannung beschleunigt und treffen an anderer Stelle die Wand des Kanals. Hier können sie ihrerseits Sekundärelektronen auslösen, und so fort. So entsteht in der Ebene des MCP an der Stelle des Einschlages des ursprünglichen, nachzuweisenden Teilchens eine lokal begrenzte Elektronenlawine, die das MCP auf dessen Rückseite verlässt. Es ist üblich, mindestens zwei MCPs mit unterschiedlichen Kanal-Orientierungen in Serie zu betreiben. Entsprechend der Geometrie der aneinandergrenzenden Kanäle wird bei zwei MCPs von einem „V-Stack“ oder auch „Chevron Stack“ und bei drei „gestapelten“ MCPs von einem „Z-Stack“ gesprochen. So können aus einzelnen Teilchen Elektronenwolken mit 10^5 bis 10^7 Elektronen generiert werden.
Für die Positions-Auslese mithilfe der durch das MCP generierten Sekundärelektronenwolken sind verschiedene Techniken entwickelt worden. Ein Überblick kann Jagutzki, „Microchannel-Plate Detectors in Atomic Physics Applications", in: Hagmann (Hrsg.), „Handbook for Highly Charged Ion Spectroscopic Research", Taylor & Francis, 2011, entnommen werden.
Bekannt sind Apparaturen, die darauf basieren, die Elektronenwolken auf einen Phosphorschirm aufschlagen zu lassen. Dies führt jeweils zu lokaler Fluoreszenz, welche mithilfe einer CCD-Kamera aufgenommen werden kann. Allerdings betragen die Bildwiederholraten solcher Kameras typischerweise wesentlich unter 1 kHz. Dies macht es unmöglich, einzelne Teilchen-Einschläge, welche in rascher Folge erfolgen, einzeln zu beobachten. Letzteres ist aber notwendig, wenn neben dem Ort auch der genaue Zeitpunkt des jeweiligen Einschlages registriert werden soll. Ferner haben CCD-Sensoren typischerweise den Nachteil, dass sie Rauschen erzeugen. Der Kontrast von CCD-Bildern wird davon beeinträchtigt. Messungen mit wenig „echter“ Datenrate und entsprechend langer Messdauer können so unmöglich werden.
Die Technik der „Delayline-Anoden“ folgt einem anderen Prinzip. Hierbei wird die jeweilige Elektronenwolke auf eine Drahtwicklung aufgebracht. Sie führt dort zu zwei Spannungspulsen, die vom Ort des Auftreffens der Wolke auf den Draht ausgehen und sich zu den beiden Enden des Drahtes bewegen. Die Ankunftszeiten der Pulse an den jeweiligen Drahtenden werden gemessen; aus ihrer Differenz lässt sich der Ort des Auftreffens in einer Dimension bestimmen. Durch das Kreuzen zweier Drahtwicklungen kann der zweidimensionale Ort der Elektronenwolke ausgelesen werden. Werden Teilchen in rascher Folge detektiert (Multihit), so können sich gleichzeitig Pulse von mehr als einem Teilchen auf den Drähten befinden. In diesem Fall treten Komplikationen bei der Zuordnung von Pulsen zu Teilchen auf. Es ist nicht mehr eindeutig, welche x- zu welcher y-Koordinate gehört. Im Falle einer sogenannten „Hex-Anode“ werden die Komplikationen durch das Hinzufügen einer dritten Drahtwicklung gemildert. Eine derartige Vorrichtung nebst Verfahren ist in EP 1 124 129 A2 beschrieben.
Eine dritte Klasse von Anoden nutzt das Prinzip der Ladungstrennung/Ladungswichtung. Dieses basiert darauf, dass sich die Ladung der Elektronenwolke auf mehrere Elektroden verteilt. Von den jeweiligen Verhältnissen der Ladungen auf den Elektroden kann auf den Ort des Schwerpunktes der Elektronenwolke geschlossen werden kann.
Sogenannte „Wedge and Strip"-Anoden sind in Martin et al., Rev. Sci. Instrum. 52, 1067 ff. (1981) sowie in der US-Patentschrift 4,395,636 gezeigt. Dieser Anodentyp weist Elektroden mit verschiedenen Formen (Keile, Rechtecke) auf. Im Gegensatz zur hiesigen Anode sind die Elektroden einer „Wedge-and-Strip“-Anode als eindimensionale Matrix angeordnet.
Dieser Anodentyp ist nicht adäquat Multihit-fähig. Purschke et al., NIM A 261 (1987), 537 ff. beschreibt einen ortsauflösenden Mikrokanalplatten-Detektor mit Quadrantenanoden-Auslese. Hier wird die Elektronenwolke von vier Quadranten-Elektroden aufgefangen. Aus den Verhältnissen der jeweils gemessenen Ladungen kann der Ort des Ladungsschwerpunktes bestimmt werden.
Prokazov et al., NIM A 604 (2009), 221 ff. beschreibt einen ortsauflösenden, Photonen zählenden Mikrokanalplattenbasierten Detektor mit verbesserter Quadrantenanoden-Auslese.
Quadrantenanoden sind primär zur Auslese von Detektoren mit vergleichsweise kleiner Fläche geeignet. Ihre Elektroden sollten kleiner sein als der Durchmesser der Elektronenwolke. Anderenfalls könnte es vorkommen, dass die Elektronenwolke nur von einer Elektrode erfasst wird, wodurch keine genaue Ortsbestimmung möglich wäre. Lässt man hingegen die Elektronenwolke stark expandieren, so steigt die Empfindlichkeit gegenüber Störungen, insbesondere gegenüber Inhomogenitäten des elektrischen Feldes. Die bekannten Quadrantenanoden-Systeme sind darüber hinaus nicht adäquat Multihit-fähig.
In Stepanov et al., Proc. SPIE 7376 (2010), 73760Z ist von Multi-Anoden-Systemen für orts- und zeitauflösende Einzelphotonenzähler die Rede.
Bei Multianoden-Systemen stellt sich das Problem, dass mit einer zunehmenden Anzahl von Elektroden/„Anoden“ auch der Aufwand zum Auslesen derselben steigt. In der Patentschrift DE 4429925 C1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bildsignalauskopplung bei positionsgebenden Hochvakuum-Detektoreinrichtungen beschrieben. Eine in einer Vakuum-Apparatur erzeugte Sekundärelektronen-Lawine wird innerhalb des Vakuums von einer hochohmigen Halbleiter-Dünnschicht aufgesammelt. Die Position der Ladung in der Halbleiter-Schicht wird sodann außerhalb des Vakuums als Position einer Bildladung mittels einer ortsauflösenden Anodenschicht kapazitiv ausgelesen.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermindern. Insbesondere sollen hochauflösende Detektions-Systeme mit einer großen abgedeckten Detektor-Fläche (insbesondere mit einem Durchmesser von mindestens 40 mm, vorzugsweise mindestens 80 mm, höchst vorzugsweise mindestens 120 mm) zu vertretbaren Kosten ermöglicht werden. Außerdem sollen parallele Elektronikkomponenten (Kanäle) effizient genutzt werden. Auf diese Weise können unter Anderem Kosten gespart werden. In einer bevorzugten Ausführungsform soll die Erfindung es ermöglichen, auch bei in rascher Folge nacheinander oder gleichzeitig detektierten Einzelteilchen bzw. Ladungswolken („Multihits“) den einzelnen detektierten Einzelteilchen/Ladungswolken („Hits“) eindeutige Ortskoordinaten in zwei Dimensionen (x,y) zuzuordnen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform soll auch die Auftreff-Zeit t rekonstruiert und eindeutig zugeordnet werden, sodass für einzelne aufgetroffene Einzelteilchen bzw. Ladungswolken jeweils die Koordinaten (x,y,t) zur Verfügung stehen. Ferner wird in bevorzugten Ausführungsformen eine eindeutige Zuordnung der einzelnen Auftreff-Zeiten zu Auftreff-Orten auch bei extrem geringer Zeit zwischen dem Auftreffen zweier Ladungswolken bzw. Einzelteilchen – idealerweise auch bei Gleichzeitigkeit – angestrebt. So wird auch bei Multihits für jedes der Teilchen bzw. jede der Ladungswolken ein Satz aus zwei Ortskoordinaten und der Auftreffzeit (x, y, t) gewonnen.
Es soll ein Kompromiss zwischen dem technischen Aufwand bzw. den Kosten, der Auflösung sowie der Multihit-Fähigkeit des Systems erreicht werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Vorrichtungen und die Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Demgemäß sieht die Erfindung einen Detektor zur zweidimensionalen Ortsbestimmung von Ladungswolken vor, welcher die folgenden Bestandteile umfasst:

• Eine Anode mit einer Nachweisoberfläche, wobei
– die Nachweisoberfläche als zweidimensionale Matrix aus einer Vielzahl von Nachweiselementen ausgebildet ist und
– die Nachweiselemente beim Auftreffen von Ladung der nachzuweisenden Ladungswolke auf die Nachweiselemente Signale erzeugen, welche von der auf das jeweilige Nachweiselement aufgetroffenen Ladungsmenge abhängen sowie
• eine Ausleseelektronik zur ein- oder mehrstufigen Verarbeitung der von den Nachweiselementen erzeugten Signale, umfassend
– mindestens eine Elektronik-Stufe zur kanalweisen Verarbeitung der Signale mit einer Mehrzahl paralleler Kanäle, wobei
– in zumindest einer der Elektronik-Stufen der Ausleseelektronik die Signalpfade von mindestens zwei nicht unmittelbar benachbarten Nachweiselementen der Nachweisoberfläche zusammengeschaltet sind, indem in zumindest dieser Elektronik-Stufe mindestens einer der parallelen Kanäle dieser Elektronik-Stufe mehrfach belegt ist, sodass
• dieser zumindest eine mehrfach belegte Kanal mindestens zwei nicht unmittelbar benachbarten Nachweiselementen der Nachweisoberfläche der Anode zugeordnet ist und
• von dem zumindest einen mehrfach belegten Kanal die Signale der zumindest zwei diesem Kanal zugeordneten Nachweiselelemente verarbeitet werden.

Ladungswolken im Sinne der Erfindung können beispielsweise die von ortsauflösenden Sekundärelektronenvervielfachern wie z.B. Microchannel Plates (MCPs) beim Einschlag von Einzelteilchen ausgestoßenen Elektronenwolken sein. Es kann sich aber auch allgemein um Pakete geladener Teilchen, z.B. um Ionen aus einem Teilchenbeschleuniger („Bunches“) handeln. Erfasst sein sollen im freien Raum befindliche Ladungsträger. Aber auch Ladungsverteilungen in Festkörpern wie z.B. hochohmigen Halbleiter-Dünnschichten, insbesondere auch Influenzladungen, sind Ladungswolken im hiesigen Sinne.
Die Anode im hiesigen Sinne kann auf positivem, neutralem oder negativem Potential liegen und weist eine Nachweisoberfläche auf. Die Nachweisoberfläche ist funktional zu verstehen als die „aktive“ Oberfläche des Detektors; sie umfasst eine Mehrzahl von Nachweiselementen. Die Anode ist also die Baugruppe, die die Nachweiselemente umfasst, und die Nachweisoberfläche eine zweidimensionale Raumkurve, insbesondere eine Ebene, in der die Nachweiselemente Ladung nachweisen.
Nachweiselemente sind Einrichtungen, die Signale erzeugen, wenn Ladung auf sie auftrifft. Ein Nachweiselement kann beispielsweise eine Elektrode, z.B. ein geätztes Metallfeld auf der Anode, sein. Ein Signal kann beispielsweise die durch die aufgetroffene Ladung an dieser Elektrode gegenüber einem Bezugspunkt anliegende Spannung sein. Nachweiselemente können in der Nachweisoberfläche eine beliebige Form aufweisen, beispielsweise die von Quadraten, Rechtecken, Dreiecken, Polygonen, „Tortenstücken“, Hexagons, Punkten, Kreisen oder Kreissektoren. Nachweiselemente können beispielsweise flächig auf der Oberfläche der Anode liegen, wie beispielsweise eine auf ein planes Substrat (Anode) aufgebrachte, insbesondere abgeschiedene oder aufgedampfte Elektrode. Denkbar ist jedoch z.B. auch, dass sie punktförmig oder beabstandet vor der Anode angebracht sind.
Es können alle Nachweiselemente der Nachweisoberfläche die gleiche Form aufweisen. Möglich sind jedoch auch unterschiedliche Formen von Nachweiselementen.
Die Nachweiselemente sind in der Nachweisoberfläche als zweidimensionale Matrix angeordnet. Die Nachweisoberfläche weist also in zwei Dimensionen jeweils eine Mehrzahl voneinander getrennter Nachweiselemente auf. Mit anderen Worten ist sie in beiden Richtungen unterteilt in jeweils eine Mehrzahl von separaten Nachweiselementen um die zweidimensional unterteilte Matrix aus Nachweiselementen zu bilden. Bei dieser Anordnung kann es sich beispielsweise um ein kartesisches Koordinatensystem (insbesondere eine „Schachbrett-Struktur“) handeln mit mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei Elementen pro Koordinatenachse. Ebenso ist eine Anordnung in einem Polarkoordinatensystem möglich. Hier liegt analog zum kartesischen Fall eine zweidimensionale Matrix vor, wenn die Anordnung der Nachweiselemente mindestens zwei verschiedene Radien sowie mindestens zwei verschiedene Polarwinkel aufweist. Insbesondere kann die Nachweisoberfläche als Satz aus mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei „Tortenstücken“ und mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei Kreissektoren, welcher zu den „Tortenstücken“ konzentrisch ist, ausgebildet sein.
Es kann sich auch um eine andere regelmäßige oder unregelmäßige, z.B. eine zufällig verstreute, zweidimensioale Anordnung von Nachweiselementen handeln.
Der Fall einer eindimensionalen Matrix ist ausgeschlossen. Es handelt sich vorzugsweise nicht um die Überlagerung zweier Vorrichtungen zur eindimensionalen Ortsmessung. Vorzugsweise ist insbesondere der Fall ausgeschlossen, dass die Nachweisoberfläche ausschließlich Nachweiselemente umfasst, die eine von zwei Gruppen fallen, wobei die erste Gruppe von Nachweiselementen ausschließlich für die Messung der x- und die zweite, von der ersten verschiedene Gruppe (disjunkte Mengen) von Nachweiselementen ausschließlich für die Bestimmung der y-Koordinate verantwortlich ist. Vorzugsweise sind die Nachweiselemente so angeordnet, dass bei mindestens 1%, weiter bevorzugt mindestens 10%, höchst vorzugsweise mindestens 50% der Nachweiselemente der Nachweisoberfläche das jeweilige Nachweiselement einen Beitrag sowohl zur Bestimmung der x-, als auch der y-Koordinate des Schwerpunktes einer aufgetroffenen Ladungswolke in der Nachweisoberfläche leisten kann, sofern Ladung auf das jeweilige Nachweiselement aufgetroffen ist. Das Auftreffen von Ladung auf die Nachweiselemente kann unmittelbar durch das Einschlagen von Ladungsträgern, insbesondere von Elektronen, oder mittelbar durch das Induzieren von Influenzladung erfolgen. Der Fall, dass z.B. eine freie Ladungswolke innerhalb einer Vakuum-Apparatur auf einen Festkörper aufschlägt und auf den Nachweiselementen einer außerhalb der Vakuumkammer angebrachten Anode – eventuell mit weiteren Zwischenschritten – Influenzladungen induziert, ist daher ebenfalls als Auftreffen der Ladungswolke bzw. von Ladung der Ladungswolke auf die Nachweiselemente zu verstehen. Ein Beispiel für die letztgenannte Ausgestaltung ist die Bildsignalauskopplung gemäß der Druckschrift DE 4429925 C1 .
Beim Auftreffen von Ladung erzeugen die Nachweiselemente analoge Signale, die von der auf das jeweilige Nachweiselement aufgetroffenen Ladungsmenge aus der nachzuweisenden Ladungswolke abhängen. Diese Abhängigkeit ermöglicht es, anhand der Ladungsmengen-abhängigen Eigenschaft des Signales darauf schließen, wie groß die auf das jeweilige Nachweiselement aufgetroffene Ladungsmenge ist. Ein Signal kann beispielsweise eine Spannung sein, deren Höhe von der auf das Nachweiselement aufgetroffenen Ladungsmenge abhängt.
Die Ausleseelektronik dient dem kanalweisen Auslesen und/oder der kanalweisen Verarbeitung der von den Nachweiselementen erzeugten Signale. Sie umfasst mindestens eine Elektronik-Stufe.
Kanäle sind typischerweise funktionell gleichwirkende, in einer Elektronik-Stufe parallel arbeitende Einheiten, beispielsweise einzelne Verstärker.
Eine Elektronik-Stufe ist typischerweise ein Satz mehrerer (mindestens zweier) Kanäle mit gleicher Funktion, z.B. ein Mehrkanal-Verstärker mit mehreren parallelen Kanälen (Verstärkern).
Weitere Beispiele für mögliche Elektronik-Stufen sind eine Schaltung zur unmittelbaren Auskopplung der Signale aus den Nachweiselementen (Auskopplungs-Elektronik, welche z.B. auf Auskopplungs-Kondensatoren basieren kann) sowie Analog zu Digital-Wandler (ADCs), insbesondere sogenannte „Flash-ADCs“ (manchmal auch „Digitizer“ oder „Transientenrekorder“ genannt). Ein Kanal eines Flash-ADCs misst mit hoher Wiederholrate – ähnlich einem Digital-Oszilloskop – das an ihm anliegende Analogsignal, insbesondere eine Spannung, und stellt die entsprechenden Werte zur digitalen Weiterverarbeitung, z.B. in einem Computer, bereit.
Mindestens ein Kanal in mindestens einer Elektronik-Stufe wird mehrfach, also mindestens doppelt belegt. Dieser Kanal ist mit mindestens zwei nicht unmittelbar benachbarten Nachweiselementen verschaltet und verarbeitet Signale dieser mindestens zwei Nachweiselemente. Die Signalpfade dieser mindestens zwei Nachweiselemente sind also zumindest in diesem mehrfach belegten Kanal zusammengeschaltet. Aufgrund der Verschaltung wird die üblicherweise vorhandene eins zu eins Zuordnung zwischen signalgebenden (Nachweis-)Elementen und Elektronik-Kanälen aufgehoben. In einer Ausführungsform kann einem Signal, das durch einen mehrfach belegten Kanal verarbeitet worden ist, für sich genommen ohne Weiteres nicht angesehen werden, welches der diesem Kanal zugeordneten Nachweiselemente es erzeugt hat.
Vorzugsweise sind in mindestens einer Stufe der Ausleseelektronik mindestens 10%, weiter bevorzugt mindestens 50%, höchst vorzugsweise mindestens 80 % der Kanäle dieser Stufe mehrfach belegt.
Vorzugsweise sind mindestens 10%, weiter bevorzugt mindestens 30%, höchst vorzugsweise mindestens 80% der Nachweiselemente der Nachweisoberfläche in mindestens einer Stufe der Ausleseelektronik mehrfach belegten Kanälen zugeordnet.
Die Zusammenschaltung der Signalpfade der einem mehrfach belegten Kanal zugeordneten Nachweiselemente kann beispielsweise bereits auf oder in der Anode erfolgen. Sie kann z.B. auch in, vor oder nach einer Stufe oder mehreren Stufen der Ausleseelektronik bewerkstelligt werden.
Ein Nachweiselement kann seinerseits in jeder Stufe der Ausleseelektronik genau einem Kanal zugeordnet sein.
Im Falle mindestens eines mehrfach belegten Kanals sind mindestens zwei der diesem Kanal zugeordneten Nachweiselemente nicht unmittelbar benachbart. Insbesondere grenzen sie nicht in der Nachweisoberfläche aneinander.
Vorzugsweise weisen nicht mehr als 80%, weiter bevorzugt nicht mehr als 50%, höchst vorzugsweise nicht mehr als 30%, insbesondere nicht mehr als 10% der einem bestimmten mehrfach belegten Kanal einer Stufe der Ausleseelektronik zugeordneten Nachweiselemente mindestens ein ihnen jeweils in der Nachweisoberfläche unmittelbar benachbartes Nachweiselement auf, das ebenfalls diesem mehrfach belegten Kanal zugeordnet ist. Dies gilt vorzugsweise für mindestens 1%, weiter bevorzugt für mindestens 10%, höchst vorzugsweise für mindestens 30% der mehrfach belegten Kanäle in mindestens einer Stufe der Ausleseelektronik.
Die Erfindung umfasst eine originär zweidimensionale Auslesevorrichtung. Entsprechend treten Zuordnungs-Probleme, die bei der separaten Bestimmung von x- und y-Koordinaten entstehen können, nicht auf. Sie ermöglicht es darüber hinaus, großflächige Detektoren zu bauen, die die genauen Auftrefforte von Ladungswolken auf die Nachweisoberfläche nach dem analogen Prinzip der Ladungswichtung bestimmen.
Erfindungsgemäß werden ferner in mindestens einer Stufe der Ausleseelektronik Kanäle effizienter genutzt als im Falle einer 1:1-Zuordnung von Kanälen zu Ausleseelementen. Diese Eigenschaft ist beispielsweise zur Erhöhung der Ausfallsicherheit nutzbar. Sie ermöglicht aber ebenso die Einsparung von Kanälen und damit von Kosten.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eine Stufe der Ausleseelektronik weniger Kanäle auf als die Nachweisoberfläche der Anode Nachweiselemente umfasst.
In dieser Ausführungsform können die durch die Erfindung ermöglichten Kosteneinsparungen realisiert werden. So werden beispielsweise Detektoren möglich, bei denen in mindestens einer Stufe der Ausleseelektronik weniger Kanäle verbaut sind als die Nachweisoberfläche Nachweiselemente besitzt, ohne dass auf das Auslesen von Nachweiselementen verzichtet werden muss. Aufgrund der sparsamen Nutzung von Kanälen können auch Detektoren mit einer großen Nachweisoberfläche und einer großen Anzahl von Nachweiselementen zu erträglichen Kosten mit einer Ausleseelektronik ausgestattet werden, die mindestens eine Stufe enthält, welche pro Kanal kostspielig sein kann. So werden auch verbessert Multihit-fähige Ausgestaltungen des Systems erschwinglich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind ihrerseits

• mindestens 1%, vorzugsweise mindestens 20%, höchst vorzugsweise mindestens 50% der Nachweiselemente (8xx) der Nachweisoberfläche sowie vorzugsweise
• mindestens 1%, weiter bevorzugt mindestens 10%, höchst vorzugsweise mindestens 30% der Kanäle mindestens einer, vorzugsweise zumindest der ersten Stufe der Ausleseelektronik Multihit-fähig und/oder
• mindestens 1%, weiter bevorzugt mindestens 10%, höchst vorzugsweise mindestens 50% der Multihit-fähigen Nachweiselemente in mindestens einer Stufe der Ausleseelektronik Multihit-fähigen Kanälen zugeordnet.

Als Multihits sind mindestens zwei, in rascher Folge auf die Nachweisoberfläche auftreffende Ladungswolken (mindestens zwei „Hits“) zu verstehen. Hierbei ist insbesondere von Zeitabständen von weniger als 10 µs, vorzugsweise weniger als 1 µs, weiter bevorzugt weniger als 200 ns, höchst vorzugsweise weniger als 30 ns auszugehen. Multihit-Fähigkeit bedeutet, dass es möglich ist, mindestens zwei Hits, welche innerhalb der genannten Zeitabstände geschehen, nachzuweisen und zu unterscheiden. Sowohl die Nachweiselemente, als auch die Ausleseelektronik sind vorzugsweise auf entsprechend schnelle Erzeugung, Auslese und/oder Verarbeitung von Signalen eingerichtet.
Diese Ausführungsform ermöglicht es, Multihits auch dann ohne größere Komplikationen nachzuweisen, wenn z.B. die zweite Ladungswolke eines Doppelhits (Multihit aus zwei Hits) zumindest teilweise auf Nachweiselemente auftrifft, die Kanälen in mindestens einer Stufe der Ausleseelektronik zugeordnet sind, denen auch Nachweiselemente zugeordnet sind, auf die die erste Ladungswolke aufgetroffen ist. Bei entsprechender Ausgestaltung des Detektors und entsprechendem zeitlichem Mindestabstand der Hits ist es auch möglich, Multihits nachzuweisen, die am gleichen Ort aufgetroffen sind.
Mit dem erfindungsgemäßen Detektor kann eine Multihit-Auflösung besser als 1 µs, insbesondere besser als 200 ns, bevorzugt besser als 30 ns, weiter bevorzugt besser als 10 ns, höchst vorzugsweise besser als 2 ns erreicht werden. Darüber hinaus besteht in dieser Ausführungsform bereits die Möglichkeit von Koinzidenzmessungen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung

• eine Auswertungseinheit zur Rekonstruktion des zweidimensionalen Auftreffortes der nachzuweisenden Ladungswolke auf der Nachweisoberfläche der Anode aus den von den Nachweiselementen erzeugten und von der Ausleseelektronik kanalweise verarbeiteten Signalen auf.

Die Auswertungseinheit kann eine Einheit im strukturellen Sinne sein. Sie kann aber auch funktionell vorliegen, ohne in struktureller Hinsicht eine „Baugruppe“ zu sein. In gegenständlicher Hinsicht kann sie beispielsweise ganz oder teilweise auf eine oder verschiedene Stufen der Ausleseelektronik und/oder einen oder mehrere Computer verteilt sein. Eine denkbare Auswertungseinheit umfasst beispielsweise ladungsintegrierende Verstärker (welche gleichzeitig zur Ausleseelektronik zählen) in Kombination mit weiterer Analog-Elektronik. Ladungsintegrierende Verstärker werden auch „charge amplifiers“ oder „charge sensitive amplifiers“ genannt. Anstatt der besagten weiteren Analog-Elektronik kann z.B. auch ein entsprechend programmierter Computer mit vorgeschalteten Analog- zu Digital-Wandlern zum Einsatz kommen. Die Auswertungseinheit kann – Digitalisierung der Signale vorausgesetzt – auch insgesamt als Computer mit entsprechender Programmierung ausgebildet sein. Ebenso ist eine Implementierung ganz oder teilweise in Hardware, insbesondere als FPGA, oder in Form von Analog-Elektronik denkbar. Auch Mikrocontroller sind Computer im hiesigen Sinne.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Auswertungseinheit

• eine Ladungswichtungs-Instanz zur Rekonstruktion des zweidimensionalen Ortes des Schwerpunktes der nachzuweisenden Ladungswolke in der Nachweisoberfläche aus den in den Signalen enthaltenen Informationen über die auf die Nachweiselemente jeweils aufgetroffenen Ladungsmengen nach dem Prinzip der Ladungswichtung.

Das Prinzip der Ladungswichtung erlaubt es, den Auftreffort des Schwerpunktes einer Ladungswolke mit einer Auflösung bzw. Unsicherheit zu bestimmen, die wesentlich kleiner ist als die Ausdehnung eines Nachweiselementes. Die Ladungswolke trifft dazu auf mehrere benachbarte Nachweiselemente auf (Ladungstrennung). Aus den von den Nachweiselementen jeweils nachgewiesenen, auf diese jeweils aufgetroffenen Ladungsmengen wird der genaue Schwerpunkt der Ladungswolke bestimmt, z.B. durch den Vergleich mit Kalibrierungsdaten („Lookup-Tabelle“). Es handelt sich um ein analoges Prinzip, da es nicht nur die Information berücksichtigt, ob Ladung auf ein Nachweiselement aufgetroffen ist oder nicht. Vielmehr basiert es auf der Ortsbestimmung in Ansprechen auf eine Auswertung der jeweils aufgetroffenen Ladungsmengen.
Die Nutzung der Ladungswichtung im Rahmen der hiesigen Vorrichtung ist besonders vorteilhaft, da sich so hohe Auflösungen erreichen lassen und sich gerade durch die Erfindung eine große Detektorfläche zu vertretbaren Kosten abdecken lässt. Zur Sicherstellung des Auftreffens der Ladungswolke auf mehrere – mindestens zwei – Nachweiselemente sollten letztere vorzugsweise jeweils kleiner sein als die Ladungswolke auf der Nachweisoberfläche ist. Dies bedingt, dass eine Vielzahl von Nachweiselementen erstrebenswert wird. Der erfindungsgemäßen effizienten Nutzung von Kanälen der entsprechenden Ausleseelektronik kommt daher eine hohe Bedeutung zu. Die Ladungswichtung erfordert die Bestimmung der auf die Nachweiselemente jeweils aufgetroffenen Ladungsmengen, was typischerweise eine für jeden Kanal aufwändige Ausleseelektronik bedingt. Auch in Bezug hierauf ist die erfindungsgemäß bezweckte effiziente Nutzung von Elektronik-Kanälen besonders vorzugswürdig.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Auswertungseinheit eine Signal-Nachweiselement-Zuordnungs-Instanz zur Wiederherstellung der durch die Mehrfachzuordnung des zumindest einen mehrfach belegten Kanals mindestens einer der Elektronik-Stufen der Ausleseelektronik verloren gegangenen Eindeutigkeit der Zuordnung zwischen den durch die Ausleseelektronik verarbeiteten Signalen und den Nachweiselementen der Nachweisoberfläche der Anode auf.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass sie die in dieser Ausführungsform zunächst vorliegende Mehrdeutigkeit der Zuordnung des mindestens einen mehrfach belegten Kanals zu Nachweiselementen wieder aufhebt. Das Informationsdefizit bezüglich der Frage, von welchem der einem solchen Kanal zugeordneten Nachweiselemente ein von dem jeweiligen Kanal verarbeitetes Signal herrührt, wird kompensiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird hierzu die örtliche Korrelation der von einer Ladungswolke getroffenen und daher signalgebenden Nachweiselemente ausgenutzt.
Es gilt, das vorgenannte, durch die Kanal-Mehrfachbelegung bedingte Informationsdefizit (fehlende Eindeutigkeit der Kanal zu Nachweiselement-Zuordnung) zu kompensieren. Hierzu wird das Wissen, dass die zu einer bestimmten Ladungswolke gehörigen Signale von Nachweiselementen erzeugt werden, die in einem begrenzten, insbesondere zusammenhängenden räumlichen Bereich der Nachweisoberfläche liegen, also insbesondere benachbart sind, genutzt. Dies ist von besonderem Vorteil, da alle erforderlichen Informationen ohnehin anfallen, denn bereits für das Prinzip der Ladungswichtung müssen mindestens zwei Nachweiselemente getroffen werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass

• die Auswertungseinheit eine Auftreffzeit-Rekonstruktions-Instanz zur Rekonstruktion des Zeitpunktes des Auftreffens der nachzuweisenden Ladungswolke auf die Nachweisoberfläche der Anode aus den von den Nachweiselementen der Nachweisoberfläche der Anode beim Auftreffen von Ladung der Ladungswolke erzeugten und von der Ausleseelektronik kanalweise verarbeiteten Signalen umfasst.

Die Auftreffzeit-Rekonstruktions-Instanz nutzt die in den von den Nachweiselementen beim Auftreffen von Ladung erzeugten Signalen vorzugsweise enthaltene Information über den jeweiligen Auftreff-Zeitpunkt, um den Auftreff-Zeitpunkt der Ladungswolke auf die Nachweisoberfläche zu rekonstruieren. Im einfachsten beispielhaften Fall wird hierzu der Zeitpunkt, zu dem mindestens ein Signal an einem bestimmten Auswertungs-Punkt in der Signalverarbeitungskette (Ausleseelektronik oder Auswertungseinheit) ankommt, als Auftreff-Zeitpunkt angenommen. Es kann erforderlich sein, diesen Zeitpunkt um die jeweilige Signallaufzeit bis zu dem Auswertungs-Punkt zu kompensieren, insbesondere dann, wenn verschiedene Signalpfade zu unterschiedlichen Signallaufzeiten führen. Stehen Signale mit Zeitinformation von mehreren Nachweiselementen zur Verfügung, so kann beispielsweise durch Mittelwertbildung der einzeln bestimmten Auftreff-Zeiten die Messgenauigkeit erhöht werden.
So wird zusätzlich zu den Ortskoordinaten (x,y) auch der Zeitpunkt t des Auftreffens der Ladungswolke auf die Nachweisoberfläche der Anode bestimmt. Dies erweitert die Einsatzmöglichkeiten des Detektors erheblich, da so eine weitere Messgröße zur Verfügung steht.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Auswertungseinheit eine Hit-Zuordnungs-Instanz zur Zuordnung der beim Auftreffen von mehr als einer nachzuweisenden Ladungswolke auf die Nachweisoberfläche der Anode von den Nachweiselementen der Nachweisoberfläche erzeugten und von der Ausleseelektronik kanalweise verarbeiteten Signale zu einzelnen aufgetroffenen Ladungswolken in Ansprechen auf

• die zeitliche Korrelation der beim Auftreffen jeder einzelnen Ladungswolke auf die Nachweisoberfläche von den Nachweiselementen erzeugten Signale und / oder
• die örtliche Korrelation der beim Auftreffen jeder einzelnen Ladungswolke Signale erzeugenden Nachweiselemente

Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass auch bei mehreren aufgetroffenen Ladungswolken (Multihits) die von der jeweiligen Ladungswolke (Hit) ausgelösten Signale dieser Ladungswolke zugeordnet werden können. Dies kann unter Ausnutzung der zeitlichen Korrelation der von einer Ladungswolke verursachten Signale, durch Ausnutzung der örtlichen Korrelation der tatsächlichen signalgebenden Nachweiselemente, oder durch die Auswertung beider Informationen geschehen. Ersteres ist besonders einfach und verbessert bereits die Multihit-Fähigkeit: Die Anzahl von Hits im Rahmen eines Multihits, bei der Signale noch eindeutig Ladungswolken und signalgebenden Nachweiselementen und zugeordnet werden können, wird erhöht. Besonders optimiert wird die Multihit-Fähigkeit bei einer Auswertung sowohl der zeitlichen, als auch der örtlichen Information. Bei der Ausnutzung der zeitlichen Korrelation der Signale kann es erforderlich sein, die jeweiligen Signallaufzeiten von den jeweils in Frage kommenden Nachweiselementen bis zur Hit-Zuordnungs-Instanz zu berücksichtigen und/oder zu kompensieren. Vorzugsweise kann auch die Verschiedenheit von Signallaufzeiten von in Frage kommenden Nachweiselementen zur Zuordnung der Signale zu Nachweiselementen genutzt werden.
Vorzugsweise werden die genauen zweidimensionalen Auftrefforte der einzelnen Ladungswolken durch die Ladungswichtungs-Instanz der Auswertungseinheit aus den zuvor durch die Hit-Zuordnungs-Instanz einzelnen Ladungswolken zugeordneten Signalen bestimmt.
Dies ist vorzugswürdig, da so die Genauigkeit der Ortsbestimmung mittels Ladungswichtung auch bei Multhits für die einzelnen Hits erreicht werden kann.
Ebenfalls vorzugsweise werden die Auftreff-Zeitpunkte der Ladungswolken auf die Nachweisoberfläche durch die Auftreffzeit-Rekonstruktions-Instanz aus jeweils einzelnen Hits zugeordneten Signalen bestimmt.
Das jeweilige Signal kann bereits bei der Bestimmung des Auftreffzeitpunktes von Ladung auf das jeweilige Nachweiselement einer Ladungswolke zugeordnet sein. Die Zuordnung zur Ladungswolke kann aber auch rückwirkend erfolgen; auch dieser Fall soll hier erfasst sein. Es kann gerade vorteilhaft sein, zuerst für einige oder alle Signale die jeweiligen Ladungs-Auftreff-Zeitpunkte zu bestimmen und dann beispielsweise deren zeitliche Korrelationen im Rahmen der Hit-Zuordnungs-Instanz zur nachträglichen Zuordnung der Signale zu Ladungswolken zu verwenden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist es durch das ganz besonders vorteilhafte Zusammenwirken zwischen der hierbei vorgesehenen Hit-Zuordnungs-Instanz, der Auftreffzeit-Rekonstruktions-Instanz und der Ladungswichtungs-Instanz möglich, auch bei Multihits für die einzelnen Hits die drei zusammengehörigen Koordinaten (x, y, t) präzise zu rekonstruieren. So wird für jeden einzelnen Hit der vollständige Koordinatensatz gewonnen.
Dies ist von besonderem Vorteil, weil so die maximale Information über jeden einzelnen Hit mit maximaler Präzision gewonnen wird. So können beispielsweise hochauflösende, kinematisch vollständige Koinzidenz-Messungen an Mehrteilchen-Systemen durchgeführt werden.
Außerdem Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur zweidimensionalen Ortsbestimmung von Einzelteilchen, umfassend

• einen ortsaufgelösten Sekundärelektronenvervielfacher mit einer Vorder- und einer Rückseite zur Erzeugung einer Ladungswolke beim Einschlagen eines zu detektierenden Einzelteilchens, wobei beim Einschlagen des zu detektierenden Einzelteilchens in die Vorderseite des Sekundärelektronenvervielfachers auf der Rückseite des Sekundärelektronenvervielfachers am Ort des Einschlagens des Einzelteilchens eine Ladungswolke emittiert wird, sowie
• einen Detektor zur zweidimensionalen Ortsbestimmung der auf der Rückseite des Sekundärelektronenvervielfachers emittierten Ladungswolken wie vorstehend beschrieben, wobei
• die Nachweisoberfläche der Anode des Detektors zur zweidimensionalen Ortsbestimmung der auf der Rückseite des Sekundärelektronenvervielfachers emittierten Ladungswolken der Rückseite des Sekundärelektronenvervielfachers zugewandt ist und
• die Nachweiselemente der Nachweisoberfläche der Anode des Detektors so eingerichtet sind, dass die von dem Sekundärelektronenvervielfacher beim Einschlagen des zu detektierenden Einzelteilchens in die Vorderseite des Sekundärelektronenvervielfachers auf der Rückseite des Sekundärelektronenvervielfachers emittierte Ladungswolke auf mehrere benachbarte Nachweiselemente der Nachweisoberfläche, vorzugsweise auf mindestens zwei, weiter bevorzugt auf mindestens drei, höchst vorzugsweise auf mindestens vier, auftrifft, wobei die getroffenen Nachweiselemente vorzugsweise in zwei Dimensionen angeordnet sind.

Einzelteilchen können beispielsweise einzelne reelle oder virtuelle Teilchen wie Ionen, Elektronen, Positronen, Atome, Moleküle, Neutronen, Cluster oder Photonen sein. Pulse solcher Teilchen, insbesondere Lichtpulse, sind ebenfalls Einzelteilchen im hiesigen Sinne.
Beispiele für ortsaufgelöste Sekundärelektronenvervielfacher sind Mikrokanalplatten (Microchannel Plates, MCPs) sowie Mikrospärenplaten (Microsphere Plates). Diese stoßen beim Einschlag eines Einzelteilchens in ihre Vorderseite auf ihrer Rückseite eine Ladungswolke aus. Sofern von „einem“ MCP die Rede ist, ist damit nicht ausschließlich gemeint, dass es sich um eine einzige Mikrokanalplatte handeln muss. Vielmehr können auch mehrere solcher Platten hintereinander verwendet werden und formen dann einen sogenannten „MCP-Stack“, welcher hier von den Begriffen „MCP“, „Mikrokanalplatte“, usw. erfasst sein soll.
Die Nachweiselemente der Nachweisoberfläche sind so eingerichtet, dass die Ladungswolke beim Auftreffen auf die Nachweisoberfläche mehrere, das heißt mindestens zwei, benachbarte Nachweiselemente trifft. Dies kann insbesondere durch die Abstimmung der Ausdehnung Ladungswolke zum Zeitpunkt des Auftreffens auf die Nachweisoberfläche und der Größe der Nachweiselemente aufeinander erreicht werden. Die Größe der Ladungswolke sollte beim Auftreffen die der jeweiligen Nachweiselemente überschreiten.
Diese Ausführungsform macht es möglich, die Einschlagsorte und gegebenenfalls auch die Einschlags-Zeitpunkte von Einzelteilchen zu bestimmen.
Es sollen vorzugsweise mindestens drei Nachweiselemente, die zweidimensional angeordnet sind, getroffen werden. So kann vorzugsweise das Prinzip der Ladungswichtung für beide Dimensionen angewandt werden.
Bevorzugte Multihit-fähige oder nicht Multihit-fähige Weiterbildungen dieser Vorrichtung bestimmen auch die Einschlags-Zeiten der jeweiligen Einzelteilchen in den ortsaufgelösten Sekundärelektronenvervielfacher. Hierzu kann der ortsaufgelöste Sekundärelektronenvervielfacher beim Erzeugen der jeweiligen Elektronenwolke ein Signal ausgeben (z.B. in Form einer Schwankung seiner Versorgungsspannung). Alternativ oder zusätzlich kann auf den Auftreff-Zeitpunkt der jeweils Einschlags-bedingt erzeugten Ladungswolke auf die Nachweisoberfläche der Anode zurückgegriffen werden; dieser entspricht (bis auf eine Konstante) dem Einschlags-Zeitpunkt des Einzelteilchens. Diese Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen Flugzeit-Messungen von Einzelteilchen.
Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung noch dadurch gekennzeichnet sein, dass

• die Nachweisoberfläche der Anode einen Flächeninhalt von – mindestens 1 cm², vorzugsweise mindestens 7 cm², weiter bevorzugt mindestens 30 cm², höchst vorzugsweise mindestens 60 cm², insbesondere 80 cm² und/oder – maximal 10.000 cm², vorzugsweise maximal 1000 cm², weiter bevorzugt maximal 700 cm², höchst vorzugsweise maximal 200 cm² aufweist und/oder
• der mindestens eine mehrfach belegte Kanal mindestens einer der Elektronik-Stufen der Ausleseelektronik mindestens dreifach, vorzugsweise mindestens vierfach, höchst vorzugsweise mindestens fünffach belegt ist, sodass diesem Kanal mindestens drei, vorzugsweise mindestens vier, höchst vorzugsweise mindestens fünf Nachweiselemente der Nachweisoberfläche zugeordnet sind und/oder
• die Anzahl der parallelen Kanäle mindestens einer der Elektronik-Stufen der Ausleseelektronik höchstens 80%, vorzugsweise höchstens 50%, höchst vorzugsweise unter 40% der Anzahl der Nachweiselemente der Nachweisoberfläche beträgt und/oder
• die Abfolge der Zuordnungen der Nachweiselemente in der Nachweisoberfläche der Anode zu Kanälen in zumindest einer Stufe der Ausleseelektronik in zumindest einer, vorzugsweise in beiden Dimensionen zumindest teilweise, vorzugsweise überwiegend, höchst vorzugsweise gänzlich aperiodisch ist und/oder
• die Nachweisoberfläche der Anode mindestens neun, bevorzugt mindestens fünfzehn, vorzugsweise mindestens zwanzig, höchst vorzugsweise mindestens sechzig Nachweiselemente umfasst und/oder
• die Anode als Platine ausgebildet ist, wobei insbesondere die Nachweiselemente der Nachweisoberfläche auf eine Oberfläche der Platine aufgebracht sind und / oder
• die Nachweiselemente der Nachweisoberfläche – die Nachweisoberfläche nebeneinander flächig bedeckend und/oder – ohne gegenseitige Überlappung zwischen Nachweiselementen zweidimensional in der Ebene der Nachweisoberfläche angeordnet sind und/oder – in der Ebene der Nachweisoberfläche zumindest teilweise – als Rechtecke, vorzugsweise zumindest teilweise als Quadrate und/oder – als Dreiecke und/oder – als Hexagons und/oder – als Rauten und/oder – als Streifen und/oder – als Kreissektoren ausgebildet sind und/oder
• nicht – die Unsicherheit der Bestimmung des Auftreffortes der nachzuweisenden Ladungswolke auf der Nachweisoberfläche größer ist als 5, vorzugsweise größer ist als 1, höchst vorzugsweise größer ist als 0,1 mm Halbwertsbreite (FWHM) und/oder – die Unsicherheit der Bestimmung des Zeitpunktes des Auftreffens der nachzuweisenden Ladungswolke auf die Nachweisoberfläche größer ist als 10, vorzugsweise größer als 1, höchst vorzugsweise größer als 0,15 ns Halbwertsbreite (FWHM) und/oder
• nicht kumulativ – die Unsicherheit der Bestimmung des Auftreffortes der nachzuweisenden Ladungswolke auf der Nachweisoberfläche der Anode größer als 5 mm und – die Unsicherheit der Bestimmung des Zeitpunktes des Auftreffens der nachzuweisenden Ladungswolke auf die Nachweisoberfläche größer als 10 ns Halbwertsbreite (FWHM) ist und/oder
• die Ausleseelektronik – eine Auskopplungs-Stufe zur kanalweisen Auskopplung der von den Nachweiselementen beim Auftreffen von Ladung erzeugten Signale und/oder – eine Verstärker-Stufe zur Verstärkung der von den Nachweiselementen erzeugten und vorzugsweise von der Auskopplungs-Stufe ausgekoppelten Signale, wobei die Verstärker der Verstärker-Stufe vorzugsweise als schnelle Verstärker (FAMPs), insbesondere als nichtintegrierende Verstärker zur Erhöhung der Amplituden der Signale ausgebildet sind und/oder – eine Analog zu Digital-Wandler-Stufe zur Umwandlung der von den Nachweiselementen erzeugten und vorzugsweise von der Auskopplungs-Stufe ausgekoppelten und vorzugsweise von der Verstärker-Stufe verstärkten Signale in digitale Werte, wobei vorzugsweise die Analog zu Digital-Wandler der Analog zu Digital-Wandler-Stufe als Flash-ADCs zur Aufnahme der Signalspuren der Signale, bevorzugt mit einer Abtastrate von mindestens 15, vorzugsweise von mindestens 250, weiterhin vorzugsweise von mindestens 500, höchst vorzugsweise von mindestens 1000, insbesondere von mindestens 1250 Millionen Samples pro Sekunde ausgebildet sind, umfasst und/oder
• die Ausleseelektronik – eine Ladungsintegrations-Verstärker-Stufe zur Ausgabe analoger Signale in Abhängigkeit der zeitlichen Integrale der auf die Nachweiselemente beim Auftreffen von Ladungswolken auf die Nachweisoberfläche jeweils aufgetroffenen Ladungsmengen, wobei die ladungsintegrierenden Verstärker der Ladungsintegrations-Verstärker-Stufe bevorzugt eine Integrationszeit kleiner als 1 s, vorzugsweise kleiner als 1 ms, höchst vorzugsweise kleiner als 1 µs aufweisen und vorzugsweise – eine Analog zu Digital-Wandler-Stufe zur Umwandlung der von den ladungsintegrierenden Verstärkern der Ladungsintegrations-Verstärker-Stufe ausgegebenen analogen Signale in digitale Werte umfasst und/oder
• für mindestens 10%, vorzugsweise mindestens 30%, höchst vorzugsweise mindestens 80% der in einer Stufe der Ausleseelektronik einem bestimmten mehrfach belegten Kanal zugeordneten Nachweiselemente der Nachweisoberfläche gilt, dass – zwischen jeweils zwei dieser Nachweiselemente in der Nachweisoberfläche mindestens ein, vorzugsweise mindestens zwei, weiter bevorzugt mindestens drei, höchst vorzugsweise mindestens vier weitere Nachweiselemente liegen, die nicht diesem mehrfach belegten Kanal zugeordnet sind, wobei dies bevorzugt – für mindestens 5%, vorzugsweise mindestens 20%, höchst vorzugsweise mindestens 50% der mehrfach belegten Kanäle mindestens einer der Stufen der Ausleseelektronik gilt und/oder
• mindestens eine Stufe der Ausleseelektronik mehrere mehrfach belegte Kanäle aufweist, wobei für mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 50%, höchst vorzugsweise mindestens 80% dieser mehrfach belegten Kanäle gilt, dass – einem ersten solchen mehrfach belegten Kanal zumindest ein erstes und ein zweites Nachweiselement der Nachweisoberfläche der Anode zugeordnet ist und – mindestens 99%, vorzugsweise mindestens 80%, höchst vorzugsweise mindestens 50% der zu dem ersten Nachweiselement in der Nachweisoberfläche unmittelbar benachbarten Nachweiselemente eine Gruppe bilden, wobei – die Gruppe kein drittes Nachweiselement enthält, das einem zweiten mehrfach belegten Kanal zugeordnet ist, dem außerdem ein weiteres Nachweiselement zugeordnet ist, welches dem zweiten Nachweiselement in der Nachweisoberfläche unmittelbar benachbart ist.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass

• mindestens eines der Nachweiselemente der Nachweisoberfläche zeitsensitiv ist, dergestalt dass beim Auftreffen von Ladung der nachzuweisenden Ladungswolke auf dieses zeitsensitive Nachweiselement ein Signal erzeugt, welches vom Zeitpunkt des Auftreffens der Ladung abhängt, sodass dieses zeitabhängige Signal eine Information über den Zeitpunkt des Auftreffens der Ladung auf das zeitsensitive Nachweiselement enthält und
• mindestens ein Kanal mindestens einer der Stufen der Ausleseelektronik zeitinformationserhaltend ist, dergestalt dass in diesem zeitinformationserhaltenden Kanal bei der Verarbeitung der von dem mindestens einen, diesem zeitinformationserhaltenden Kanal zugeordneten zeitsensitiven Nachweiselement beim Auftreffen von Ladung auf das zeitsensitive Nachweiselement erzeugte zeitabhängige Signal verarbeitet wird, ohne dass die in diesem zeitabhängigen Signal enthaltene Information über den Zeitpunkt des Auftreffens der Ladung auf das jeweilige zeitsensitive Nachweiselement verloren geht.

In dieser Ausführungsform enthalten die Signale zumindest eines Nachweiselementes also eine präzise Information über den Zeitpunkt des Auftreffens der Ladung auf das jeweilige Nachweiselement. Ein solches Signal kann beispielsweise ein Spannungspuls sein, dessen maximale Höhe oder zeitliches Integral von der aufgetroffenen Ladungsmenge abhängt und der zu einem Zeitpunkt sein Maximum erreicht, der zu dem Zeitpunkt des Auftreffens der Ladung auf das Nachweiselement korrespondiert.
Vorzugsweise sind mindestens 10%, weiter bevorzugt mindestens 50%, höchst vorzugsweise mindestens 90%, bestenfalls alle der Nachweiselemente der Nachweisoberfläche zeitsensitive Nachweiselemente. Von diesen zeitsensitiven Nachweiselementen sind vorzugsweise mindestens 10%, weiter bevorzugt mindestens 50%, höchst vorzugsweise mindestens 80% in mindestens einer Stufe – vorzugsweise in allen Stufen – der Ausleseelektronik zeitinformationserhaltenden Kanälen zugeordnet, sodass die von diesen zeitsensitiven Nachweiselementen erzeugten zeitabhängigen Signale von zeitinformationserhaltenden Kanälen verarbeitet werden und vorzugsweise die Zeitinformation der Auswertungseinheit zur Verfügung steht.
Diese Ausführungsform ist für Koinzidenz-Experimente vorteilhaft. Außerdem ermöglicht sie es, auch die Zeitpunkte, zu denen Ladung der nachzuweisenden Ladungswolke auf Nachweiselemente aufgetroffen sind, als weitere Information in der weiteren Verarbeitung zu nutzen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur zweidimensionalen Ortsbestimmung einer Ladungswolke umfasst die folgenden Schritte:

• Auftreffen der zu detektierenden Ladungswolke auf eine Nachweisoberfläche, welche als zweidimensionale Matrix aus Nachweiselementen bereitgestellt ist, wobei die Ladungswolke auf mehrere, vorzugsweise mindestens zwei, weiter bevorzugt auf mindestens drei, höchst vorzugsweise auf mindestens vier benachbarte Nachweiselemente auftrifft,
• Ausgabe von Signalen durch die Nachweiselemente, wobei die ausgegebenen Signale von der auf das jeweilige Nachweiselement aufgetroffenen Menge an Ladung abhängen,
• Zusammenführen der Signale von mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei, höchst vorzugsweise mindestens vier nicht unmittelbar benachbarten Nachweiselementen, wobei die eindeutige Zuordnung der einzelnen Signale zu den signalausgebenden Nachweiselementen verloren geht,
• Aufbereiten der zusammengeführten Signale,
• Wiederherstellen der eindeutigen Zuordnung zwischen den aufbereiteten Signalen und den signalerzeugenden Nachweiselementen unter Berücksichtigung der Nachbarschaft der aufgrund der zu detektierenden Ladungswolke signalerzeugenden Nachweiselemente,
• Rekonstruktion des Ladungsschwerpunktes der nachzuweisenden Ladungswolke aus den aufbereiteten und den jeweils signalausgebebden Nachweiselementen eindeutig zugeordneten Signalen unter Anwendung des Prinzips der Ladungswichtung.

Ein erfindungsgemäßes Multihit-fähiges Verfahren zur zweidimensionalen Ortsbestimmung von Ladungswolken umfasst die folgenden Schritte:

• Auftreffen der zu detektierenden mindestens zwei Ladungswolken eines Multihit-Ereignisses auf eine Nachweisoberfläche, welche als zweidimensionale Matrix aus Nachweiselementen bereitgestellt ist, wobei die Ladungswolken jeweils auf mehrere, vorzugsweise jeweils mindestens zwei, weiter bevorzugt mindestens drei, höchst vorzugsweise mindestens vier benachbarte Nachweiselemente auftreffen,
• Ausgabe von Signalen durch die Nachweiselemente, wobei die ausgegebenen Signale von der auf das jeweilige Nachweiselement aufgetroffenen Menge an Ladung abhängen,
• Zusammenführen der Signale von mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei, höchst vorzugsweise mindestens vier nicht unmittelbar benachbarten Nachweiselementen, wobei die eindeutige Zuordnung der einzelnen Signale zu den signalausgebenden Nachweiselementen verloren geht,
• Aufbereiten der zusammengeführten Signale,
• Wiederherstellen der eindeutigen Zuordnung zwischen den aufbereiteten Signalen und den signalausgebenden Nachweiselementen sowie Zuordnung der Signale zu einzelnen Ladungswolken in Ansprechen auf – die Nachbarschaft der jeweils aufgrund einer einzelnen Ladungswolke signalausgebenden Nachweiselemente und/oder – die zeitliche Korrelation der jeweils aufgrund einer einzelnen Ladungswolke erzeugten Signale,
• Rekonstruktion der Ladungsschwerpunkte der einzelnen Ladungswolken aus den aufbereiteten und den einzelnen Ladungswolken und/oder signalausgebenden Nachweiselementen eindeutig zugeordneten Signalen unter Anwendung des Prinzips der Ladungswichtung.

Ein Verfahren zur zweidimensionalen Ortsbestimmung von Einzeleilchen umfasst die Schritte

a) Einschlagen des zu detektierenden Einzelteilchens in einen bereitgestellten Sekundärelektronenvervielfacher,
b) Erzeugung einer Sekundärelektronen-Wolke am Ort des Einschlagens des zu detektierenden Einzelteilchens in den Sekundärelektronenvervielfacher,
c) Bestimmung des zweidimensionalen Ortes der erzeugten Sekundärelektronen-Wolke gemäß obigem Verfahren zur zweidimensionalen Ortsbestimmung einer Ladungswolke.

Ein erfindungsgemäßes Multihit-fähiges Verfahren zur Bestimmung der zweidimensionalen Orte sowie der Zeitpunkte der Einschläge mehrerer Einzelteilchen umfasst die Schritte

a) Einschlagen der mindestens zwei zu detektierenden Einzelteilchen in einen bereitgestellten Sekundärelektronenvervielfacher,
b) Erzeugung von Sekundärelektronen-Wolken an den Orten der Einschläge der mindestens zwei zu detektierenden Einzelteilchen in den Sekundärelektronenvervielfacher,
c) Bestimmung der zweidimensionalen Orte der erzeugten Sekundärelektronen-Wolken gemäß dem vorstehend beschriebenen Multihit-fähigen Verfahren zur zweidimensionalen Ortsbestimmung von Ladungswolken,
d) Rekonstruktion der jeweiligen Einschlags-Zeitpunkte der mindestens zwei zu detektierenden Einzelteilchen in den Sekundärelektronenvervielfacher aus den von den Nachweiselementen der Nachweisoberfläche beim Auftreffen der durch den Sekundärelektronenvervielfacher erzeugten Ladungswolken ausgegebenen und aufbereiteten Signalen.

Die beschriebenen Verfahren können insbesondere unter Einsatz der oben beschriebenen Vorrichtungen durchgeführt werden.
Die als „Instanz“ (z.B. „Hit-Zuordnungs-Instanz“) bezeichneten Merkmale können von strukturelle Baugruppen und/oder Programm-Funktionen verwirklicht werden, die vom Rest der Apparatur bzw. des Programms abgrenzbar sind. Sie können aber auch rein funktional vorliegen und in struktureller Hinsicht nicht von anderen Instanzen oder Einheiten abgrenzbar sein. Beispielsweise kann es bei der Realisierung sowohl einer Hit-Zuordnungs-Instanz, als auch einer Signal zu Nachweiselement Zuordnungs-Instanz im Rahmen eines Computerprogrammes besonders vorteilhaft sein, eine einheitliche Funktion vorzusehen, die beide Funktionalitäten gleichzeitig bewirkt. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Gleiche und ähnliche Elemente sind teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen:
1: Skizze der ortsaufgelösten Sekundärelektronenvervielfachung mittels eines Multichannel Plates (MCP).
2: Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von Einzelteilchen.
3: Exemplarische Ausgestaltung der Nachweisoberfläche einer Anode mit Zuordnung der einzelnen Elektroden zu Elektronik-Verschaltungen.
4: Vergrößerter Ausschnitt der Nachweisoberfläche mit aufgetroffener Ladung
5: Exemplarisches Signal, das von einer Elektrode generiert wurde.
6: Schema eines exemplarischen Signalpfades von der Elektrode bis zum Computer
7a bis 7c: Elektronik-Verschaltungen mit Mehrfach-Belegungen ab verschiedenen Elektronik-Stufen
8: Einfache Version einer Auswertungseinheit
9: Wie 3, aber mit drei Hits.
10: Karte der potentiell getroffenen Elektroden.
11: Bereinigte Karte der potentiell getroffenen Elektroden.
12: Zeitlicher Verlauf der aufgenommenen (digitalisierten) Signalspuren für die drei Teilchenpositionen aus 9 bei nunmehr geringfügig unterschiedlichen Auftreff-Zeiten (schematisch).
13: Signalhöcker auf Kanal 3320 – Ausschnitt aus 12.
14: Multihit-fähige Ausgestaltung der Auswertungseinheit
15: Zwei Beispiele möglicher Kanalbelegungen für eine kleinere Anodenfläche (bis ca. 50 mm Durchmesser).
Liste der Bezugszeichen
Im Folgenden werden verschiedentlich regelbasierte Bezugszeichen verwendet. Dabei sind die folgenden Buchstabenkombinationen als Variablen zu verstehen:
Variablen:

xx

Nummer einer Elektrode 8xx. Im Beispiel kann xx = 01 bis 60 sein.

y

Nummer eines Hits (aufgetroffenen Teilchens); im Beispiel: y = 1 bis 3.

zz

Nummer einer Elektronik-Verschaltung 9zz. Im Beispiel: zz = 01 bis 24.

Die Grenzen der Variablen-Bereiche beziehen sich lediglich auf die nachfolgenden Beispiele. Die Erfindung ist weder hierauf, noch auf die Anzahl der für die Variablen verwendeten Buchstaben (Dezimalstellen) beschränkt.
Bezugszeichenliste

1: Detektor
1a: System zur Detektion von Einzelteilchen
10: Mikrokanalplatte (Microchannel Plate, MCP)
10a: Vorderseite des MCP 10
10b: Rückseite des MCP 10
11: Anode
12: Nachweisoberfläche
13: Einzelne Elektrode (exemplarisch)
13m: Möglicherweise getroffene Elektrode
13g: Gruppe getroffener Elektroden
20y: Einzelteilchen Nr. y (z.B.: Einzelteilchen 201)
21y: Elektronenwolke zu Einzelteilchen 20y
21ya: Schwerpunkt der Elektronenwolke 21y
22y: Einschlagsort von Einzelteilchen 20y in MCP 10
22yb: Austrittsort der Elektronenwolke 21y auf der Rückseite 10b des MCP 10
23y: Auftreffort des Ladungsschwerpunktes 21ya auf der Nachweisoberfläche 12
23yi: Ungefährer Wert des Ortes 23y/Startwert für einen Optimierungsalgorihmus
24y: Ladung der Elektronenwolke 21y auf der Nachweisoberfläche 12
25y: Zeitpunkt des Einschlages des Einzelteilchens 20y in das MCP 10
3: Ausleseelektronik
30: Elektronik-Stufe (allgemein)
301: Elektronik-Kanal (allgemein)
302: Mehrfach belegter Elektronik-Kanal
32: Verstärker-Stufe
321: Verstärker-Kanal
32zz: Zur Elektronik-Verschaltung 9zz gehöriger Verstärker-Kanal
328xx: Der Elektrode 8xx zugeordneter Verstärker-Kanal
33: Flash-ADC-Stufe
331: Flash-ADC-Kanal
33zz: Zur Elektronik-Verschaltung 9zz gehöriger ADC-Kanal
338xx: Der Elektrode 8xx zugeordneter ADC-Kanal
4: Auswertungs-Einheit
40: Computer
401: Eingabe-Port des Computers 40
40zz: Zur Elektronik-Verschaltung 9zz gehöriger Eingabe-Kanal des Computers 40
41: Hit-Zuordnungs-Instanz
42: Signal-Nachweiselement-Zuordnungs-Instanz
43: Ladungswichtungs-Instanz
44: Auftreffzeit-Rekonstruktions-Instanz
5xx: Signalpfad, der die Elektrode 8xx mit dem Computer 40 verbindet
50120h: Höhe (Amplitude) des Signals 7331 in Verschaltung 920
50220h: Höhe (Amplitude) des Signals 7202 in Verschaltung 920
5012: Signalhöcker aus den Signalen 7331 und 7202
50120: Beitrag von Signal 7331 im Signalhöcker 5012
5012a: Linke (steigende) Flanke des Signalhöckers 5012
5012b: Rechte (fallende) Flanke des Signalhöckers 5012
6xxy: Ladung, die bei Hit Nr. y auf die Elektrode 8xx aufgetroffen ist
70: Karte der Elektroden 13 der Nachweisoberfläche 12
7xxy: Signal, das von der Elektrode 8xx aufgrund von Hit Nr. y erzeugt wurde (allgemein)
7xxyd: Digitale Signalspur von Signal 7xxy, generiert in der Flash-ADC-Stufe 33.
7xxyh: Amplitude des Signals 7xxy
7xxyi: Zeitliches Integral des Signals 7xxy
7xxyt: Zeitpunkt, zu dem das Maximum des Signals 7xxy auftritt.
7xxyu: Signal, das von der Elektrode 8xx aufgrund von Hit Nr. y erzeugt wurde in seiner ursprünglichen Form vor Verarbeitung
7xxyv: Signal 7xxyu nach Verstärkung in der Verstärker-Stufe 32
8xx: Elektrode Nummer xx; xx = 01, 02, ...
9zz: Elektronik-Verschaltung Nr. zz (zz = 01, 02, ...), die mindestens eine Elektrode mit dem Computer verbindet

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Um bei einem Detektor, der nach dem Prinzip der Ladungswichtung arbeitet, Multihit-Fähigkeit und eine gute Auflösung zu erreichen sowie eine große Fläche durch den Detektor abzudecken ist es vorteilhaft, möglichst viele Nachweiselemente vorzusehen. Allerdings stehen dem hohe Kosten gegenüber, die typischerweise von der Anzahl der erforderlichen Kanäle der Ausleseelektronik abhängen. Es ist daher von großer Bedeutung, die Kanäle von Elektronik-Stufen, welche erhebliche Kosten verursachen, effizient zu nutzen.
Die zweidimensionale Ortsbestimmung einer Ladungswolke nach dem Prinzip der Ladungswichtung erfordert Signale von mehreren – mindestens zwei – benachbarten Nachweiselementen. Sofern nur Signale von zwei Nachweiselementen vorliegen, kann der Ort in einer Raumrichtung durch Ladungswichtung genau bestimmt werden, in der zweiten nur ungefähr durch Auswertung der Position und Ausdehnung der Nachweiselemente. Um auch die zweite Ortskoordinate durch Ladungswichtung zu präzisieren ist mindestens ein Signal von mindestens einem weiteren Nachweiselement, das mit den ersten beiden nicht auf einer geraden Linie liegt, notwendig.
In den folgenden Ausführungsbeispielen der Erfindung werden Kanäle in mindestens einer Stufe der Auswertungselektronik eingespart, indem die verbleibenden Kanäle mehrfach belegt sind. Mehrfachbelegung heißt, dass der jeweilige Kanal die Signale von mindestens zwei Nachweiselementen verarbeitet. Die einem mehrfach belegten Kanal zugeordneten
Nachweiselemente sollen in der Nachweisoberfläche nicht unmittelbar benachbart sein. Durch diese Mehrfachbelegung kann hier ein von einem mehrfach belegten Kanal verarbeitetes Signal aus sich selbst heraus nicht mehr eindeutig einem bestimmten Nachweiselement zugeordnet werden.
Allerdings erzeugen – wie bereits bemerkt – beim Auftreffen einer Ladungswolke mehrere benachbarte Nachweiselemente gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig Signale. Die Nachbarschaft der tatsächlich signalgebenden Nachweiselemente in der Nachweisoberfläche wird zur eindeutigen Zuordnung eines von einem mehrfach belegten Kanal verarbeiteten Signales zu dem jeweils signalgebenden Nachweiselement genutzt. Außerdem kann die Gleichzeitigkeit der Erzeugung zusammengehöriger Signale zusätzlich genutzt werden um Signale jeweils bestimmten Ladungswolken (Hits) zuzuordnen.
In dem folgenden Beispiel wird unter Anderem eine Anode 11 mit sechzig Nachweiselementen 801 bis 860 beschrieben, die als Elektroden ausgebildet sind (3). Mit anderen Worten handelt es sich um eine Multielektroden-Anode. Auf nicht näher zu spezifizierende Elektroden wird durch die Bezeichnung 8xx verwiesen, wobei xx als Variable zu verstehen ist, die Werte von 00 bis 60 annehmen kann. Auch z.B. auf exemplarische Ladungswolken (Hits) wird verschiedentlich anstatt der Aufzählung 211, 212, 213 durch 21y Bezug genommen, wobei y = 1 bis 3. Entsprechendes gilt bei manchen anderen Zuordnungen; diesbezüglich wird auf die Definitionen in der Liste der Bezugszeichen verwiesen.
Die Elektroden 8xx sind über Verschaltungen 9zz mit dem Auswertungs-Computer 40 verbunden (vgl. 7). zz = 01 bis 24 ist wiederum eine Variable.
Im hiesigen Beispiel werden die sechzig Elektroden 8xx über die vierundzwanzig Verschaltungen 9xx ausgelesen. In mindestens einer Stufe 32, 33, 40 der Ausleseelektronik 3 reichen dafür lediglich vierundzwanzig Elektronik-Kanäle 321, 331, 401 aus. Trotzdem können alle Elektroden eindeutig adressiert werden. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, bei einer Anode von neun bis zu einigen hundert Elektroden vorzusehen. Weniger Elektroden liefern nur bei kleinen Detektoren befriedigende Ergebnisse, während bei Systemen mit über fünfhundert Elektroden eine hochwertige Ausleseelektronik trotz der Mehrfachbelegung von Kanälen praktisch unerschwinglich wird.
Die von den Elektroden 8xx beim Auftreffen von Anteilen 6xxy der Ladung 24y der Elektronenwolken 21y erzeugten Signale 7xxy (vgl. 4) sind Spannungs- bzw. Strompulse. Die Ausleseelektronik 3 umfasst die Stufen Signalauskopplung (nicht gezeigt), Verstärker 32 und Flash-ADC 33 (6/7). Die Auswertungseinheit 4 ist als Computer 40 mit entsprechender Software 41–44 ausgebildet (8/14). Als ortsauflösender Sekundärelektronenvervielfacher wird ein Microchannel Plate (MCP) 10 eingesetzt.
1 zeigt schematisch ein System 1a zur Detektion von Einzelteilchen 201. Das zu detektierende Einzelteilchen 201 schlägt dort in die Vorderseite 10a des MCP-Stapels 10 ein. Dieser ist hier als sogenannte „Chevron-Stack“ („V-Stack“)
aus zwei einzelnen MCPs ausgeführt. Der MCP-Stapel 10 emittiert auf seiner Rückseite 10b eine Elektronenwolke 211. Diese trifft auf die Anode 11 auf, wo die aufgetroffene Ladung 241 detektiert wird.
2 zeigt schematisch ein System 1a zur Detektion von Einzelteilchen 201, welches einen erfindungsgemäßen Detektor 1 zur zweidimensionalen Bestimmung der Orte 231 von Ladungswolken 211 in Kombination mit einem MCP-Stapel 10 umfasst. Letzterer ist im hiesigen Beispiel rund (aus graphischen Gründen aufgebrochen dargestellt); es können aber MCPs mit beliebiger Form verwendet werden. Die Anode 12 des Detektors 1 ist nur ausschnittsweise und vergrößert dargestellt. Das System 1a ist potentiell Multihit-fähig; gezeigt ist in 2 jedoch nur ein exemplarisches Einzelteilchen 201. Dieses trifft am Ort 221 auf die Vorderseite 10a des MCP-Stapels 10. Der MCP-Stapel 10 emittiert daraufhin auf seiner Rückseite 10b am in der Ebene des MCP-Stapels 10 gleichen Ort 221b die Elektronenwolke 211. Der Schwerpunkt 211a der Elektronenwolke 211 trifft am Auftreffort 231 auf die Nachweisoberfläche 12 der Anode 11. Ladung 241 der Elektronenwolke 211 trifft in diesem exemplarischen Fall auf die benachbarten Elektroden 824, 825, 832, 833 der Nachweisoberfläche 12 auf. Die Elektroden 8xx der Nachweisoberfläche 12 sind mit der Ausleseelektronik 3 verbunden, die wiederum mit dem Auswertungs-Computer 40 verbunden ist. Die Signalpfade 5xx führen also von den Elektroden 8xx zum Computer 40.
3 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausgestaltung der Nachweisoberfläche 12 der Anode 11. Die Anode 11 ist als nichtleitendes Substrat (Elektronik-Platine) ausgebildet, auf welches die sechzig Elektroden 801 bis 860 als Nachweiselemente aufgebracht, bzw. in die Leiterschicht der Platine eingeätzt und damit elektrisch separiert sind. Die weggeätzten Bereiche entsprechen in der Darstellung den schwarzen Linien. Jedes eine Elektrode symbolisierende Quadrat enthält zwei Zahlen als Bezugszeichen. Die jeweils obere Zahl 8xx (mit Werten von 801 bis 860) ist das Bezugszeichen der jeweiligen Elektrode. Die untere Zahl 9zz gibt die Verschaltung der jeweiligen Elektrode 8xx mit dem Auswertungs-Computer 40 über die Ausleseelektronik 3 an. Hier werden nur vierundzwanzig Elektronik-Verschaltungen 901 bis 924 verwendet um sechzig Elektroden 801 bis 860 eindeutig zu adressieren. Die Signalpfade 5xx von Elektroden 8xx mit der gleichen Verschaltung 9zz sind in mindestens einer der Stufen 32, 33, 40 der Ausleseelektronik 3 zusammengeschaltet. Ihre Signale 7xxy werden dort jeweils vom gleichen mehrfach belegten (zugeordneten) Kanal 302 verarbeitet (vgl. 7). Die Zuordnung von Verschaltungen 9zz zu Elektroden 8xx ist daraufhin optimiert, dass zwischen zwei der gleichen Verschaltung (z.B. 901) zugeordneten Elektroden (z.B. 801, 835) mindestens zwei Elektroden (z.B. 809, 818, 827) liegen, die anderen Verschaltungen (914, 918, 908) zugeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist der kleinste zugelassene Abstand zwischen zwei Elektroden (z.B. 801, 835), die der gleichen Verschaltung (901) zugeordnet sind, ähnlich einem Pferdesprung beim Schach:
Schräg/gerade/schräg (wobei die Richtung der Schrägsprünge gleich sein muss). Mit anderen Worten: Sei K der Abstand der Mittelpunkte benachbarter Elektroden 8xx (hier gleich der Kantenlänge der quadratischen Elektroden) und D der Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier Elektroden (801,835) mit gleicher Verschaltung (901). Es wurde nun darauf geachtet, dass die Bedingung D >= K·sqrt(2^2 + 3^2) immer erfüllt ist und nach Zuordnungs-Kombinationen gesucht, bei denen auch dieser Minimal-Abstand möglichst selten auftrat. Eine weitere Bedingung war in diesem Beispiel, dass eine Elektrode (z.B. 801), die der gleichen Verschaltung (z.B. 901) zugeordnet ist wie eine andere (z.B. 835), keinen Nachbarn (802, 807, 808, 809) haben sollte, der einer Verschaltung (910, 912, 913, 914) zugeordnet ist, welcher ein Nachbar (826, 827, 828, 834, 836, 842, 843, 844) der anderen Elektrode (835) ebenfalls zugeordnet ist.
Die gezeigte konkrete Anordnung bzw. Zuordnung wurde mit Hilfe eines speziell für diesen Zweck entwickelten Programms anhand der genannten Bedingungen gefunden.
Es handelt sich nicht um eine wiederkehrende Sequenz von Zuordnungen von Elektroden zu Verschaltungen. Vielmehr ist die Abfolge der Zuordnungen (in beiden Richtungen) aperiodisch. Solche aperiodischen Zuordnungs-Abfolgen haben sich gegenüber periodischen insbesondere im Falle von Multihits als vorteilhaft erwiesen, auch dann, wenn die oben genannten Bedingungen nicht eingehalten sind.
Beim Auftreffen der durch das exemplarische Einzelteilchen 201 verursachten Elektronenwolke 211 verteilt sich deren Ladung 241 anteilig auf die benachbarten Elektroden 824, 825, 832 und 833 (schraffiert). Diese erzeugen abhängig von der auf die jeweilige Elektrode aufgetroffenen Ladungsmenge 6241, 6251, 6321 und 6331 die Signale 7241, 7251, 7321 und 7331 (4), welche in der Ausleseelektronik von den den
jeweiligen Elektroden zugeordneten Verschaltungen 922, 923, 911 und 920 ausgelesen werden. Die den gleichen Verschaltungen zugeordneten Elektroden 854, 856, 852, 806, 837 und 820 (ebenfalls schraffiert) sind über die Nachweisoberfläche 12 verteilt. Daher kann in der Auswertungseinheit 4 die richtige Rück-Zuordnung von Signalen 7241, 7251, 7321 sowie 7331 in Ansprechen auf die Nachbarschaft der tatsächlich signalgebenden Elektroden 824, 825, 832 und 833 erfolgen.
4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der beispielhaften Nachweisoberfläche 12 (vier Elektroden 824, 825, 832 und 833) der Anode 11 um den Auftreffort 231 des Schwerpunktes 231 der aufgetroffenen Ladung 241. Die Anteile 6241, 6251, 6321 und 6331 der Ladung 241 sind jeweils auf die Elektroden 824, 825, 832 und 833 aufgetroffen. Die genannten Elektroden haben daraufhin jeweils ein Signal 7241, 7251, 7321 und 7331 in Form eines Spannungspulses ausgegeben. Die zeitlichen Integrale 7241i, 7251i, 7321i und 7331i der Pulse 7241, 7251, 7321 und 7331 entsprechen der auf die jeweilige Elektrode 824, 825, 832 bzw. 833 aufgetroffenen Ladungsmenge 6241, 6251, 6321 bzw. 6331. Die Signale 7241, 7251, 7321 und 7331 werden in die Ausleseelektronik 3 durch die Verschaltungen 922, 923, 911 sowie 920 eingespeist bzw. verarbeitet.
5 zeigt das Schema eines exemplarischen Spannungs- bzw. Strompulses 7241, der als Signal von der Elektrode 824 erzeugt wurde. Die zeitliche Lage 7241t seines Maximums 7241h enthält die Information, zu welchem Zeitpunkt t die Ladung 6241 aus der Elektronenwolke 211 auf die Elektrode 824 aufgetroffen ist. Dieser Zeitpunkt t entspricht – die Signallaufzeit außer Acht gelassen – dem Zeitpunkt, zu dem die Ladungswolke 211 auf die Nachweisoberfläche 12 der Anode 11 aufgetroffen ist. Das zeitliche Integral 7241i des Pulses 7241 gibt Aufschluss über die auf die Elektrode 824 aufgetroffene Ladungsmenge 6241. Näherungsweise kann diese Information auch aus der Amplitude 7241h des Pulses gewonnen werden.
In 6 ist exemplarisch ein Schema des Signalpfades 524 dargestellt, den der Signal-Puls 7241 von der Elektrode 824 bis zum Computer 40 anhand der Verschaltung 922 durchläuft. (Die Zusammenschaltungen mit anderen Signalpfaden sind nicht dargestellt.) Der ursprüngliche, von der Elektrode 824 erzeugte Puls 7241u wird zunächst durch die Ausleseelektronik 3 aufbereitet und sodann durch den Computer 40 ausgewertet. Durch den Auskopplungs-Kondensator 3122 wird der Puls 7241u aus der Elektrode 824 ausgekoppelt. Der Verstärker-Kanal 3222 vergrößert die Amplitude 7241h des ursprünglichen Pulses 7241u. Es handelt sich hier um einen schnellen Verstärker, einen sogenannten FAMP, insbesondere um einen nichtintegrierenden Verstärker. Der verstärkte Puls 7241v wird sodann durch den Flash-ADC-Kanal 3322 abgetastet und in eine digitale Signalspur 7241d umgesetzt. Letztere wird über den Eingabe-Kanal 4022 in den Computer 40 eingespeist und dort ausgewertet.
In 7a ist ein Ausschnitt der Nachweisoberfläche 12 der Anode 11 sowie eine mögliche Verschaltung 922 (durchgezogene Linie) der exemplarisch herausgegriffenen Elektroden 824 und 854 mit der Ausleseelektronik 3 und dem Computer 40 gezeigt. Die Elektroden 824 und 854 sind noch vor der Verstärker-Stufe 32 über die Verschaltung 922 zusammengeschaltet. Dies kann beispielsweise bereits in oder auf der Anode 11 selbst bewerkstelligt sein. Der von der Elektrode 824 ausgehende Signalpfad 524 (gepunktete Linie) führt aufgrund der Verschaltung 922 über den Kanal 3222 der Verstärker-Stufe 32 sowie den ADC-Kanal 3322 der ADC-Stufe 33 und den Eingabe-Kanal 4022 zum Computer 40. Selbiges gilt für den von der Elektrode 854 ausgehenden Signalpfad 554 (gestrichelte Linie). Die Signalpfade 524 und 554 sind damit in allen gezeigten Stufen 32,33,40 der Ausleseelektronik 3 zusammengeschaltet; deren Kanäle 3222, 3322 sowie der Kanal 4022 des Computers sind damit mehrfach (mindestens doppelt) belegte Kanäle 302. Im hiesigen konkreten Zuordnungs-Beispiel (vgl. 3) ist darüber hinaus die Elektrode 856 ebenfalls der Verschaltung 922 zugeordnet; dies wurde der Übersichtlichkeit halber in 7 nicht dargestellt. Darüber hinaus ist der Belegungsgrad von Kanälen nicht auf doppelte oder dreifache Belegung (wie hier gezeigt) beschränkt, sondern eine allgemeine Mehrfachbelegung, z.B. eine fünffache Belegung, möglich. Die hier nicht behandelten Elektroden 8xx sind über die jeweiligen Verschaltungen 9zz analog zu der hier gezeigten mit dem Computer 40 verbunden.
7b zeigt wie 7a eine mögliche Verschaltung 922 (durchgezogene Linie). In diesem Fall ist die Elektrode 824 über den Verstärker-Kanal 32824 und den ADC-Kanal 3322 mit dem Eingabe-Kanal 4022 des Computers 40 verbunden. Die Elektrode 854 ist über den separaten Verstärker-Kanal 32854 und den ADC-Kanal 3322 mit dem Eingabe-Kanal 4022 des Computers 40 verbunden. Die Signalpfade 524 und 554 sind also im ADC-Kanal 3322 und danach zusammengeschaltet, in der davor liegenden Verstärker-Stufe 32 jedoch separat. Nur der ADC-Kanal 3322 sowie der Eingabe-Kanal 4022 des Computers sind daher mehrfach belegte Kanäle 302.
In 7c ist wiederum analog zu 7a und 7b eine dritte Verschaltung 922 skizziert. Nunmehr bleiben die Signalpfade 524 und 554 auch in der ADC-Stufe 33 getrennt und durchlaufen die separaten ADC-Kanäle 33824 bzw. 33854. Die Sinalpfade 524 und 554 werden erst nach der Digitalisierung der jeweiligen Signals zusammengeführt, beispielsweise durch Überlagerung bzw. Addition der Signalspuren. Im Eingabe-Kanal 4022 des Computers 40 sind sie identisch. Hier ist nur der Eingabe-Kanal 4022 des Computers 40 ein mehrfach belegter Kanal 302. Diese Ausgestaltung kann insbesondere zur Verringerung der Datenrate sinnvoll sein.
In 8 ist die eine Ausgestaltung der Auswertungseinheit 4, welche hier als Computerprogramm realisiert ist, das von dem Computer 40 ausgeführt wird, schematisch dargestellt. Die Signal-Nachweiselement-Zuordnungs-Instanz 42 ordnet die aufgrund entsprechender Verschaltungen (z.B. 922, 923, 911, 920) von mehrfach belegten Kanälen 302 verarbeiteten Signale (7241, 7251, 7321 und 7331) den jeweils tatsächlich signalgebenden Elektroden (hier 824, 825, 832 und 833) zu. Die Ladungswichtungs-Instanz 43 rekonstruiert aus den in den Signalen 7241, 7251, 7321, 7331 enthaltenen Informationen über die auf die jeweils eindeutig zugeordneten Elektroden (hier 824, 825, 832 und 833) aufgetroffenen Ladungsmengen 6241, 6251, 6321 und 6331 den genauen Auftreffort 231 des Schwerpunkts der aufgetroffenen Ladung 241. Dabei kann sie von einem Anfangswert 241i für den Schwerpunkt starten und iterativ eine (z.B. gaussförmige) Modell-Ladungsverteilung verschieben, bis die realen bzw. gemessenen Werte optimal reproduziert sind.
Im nun folgenden Beispiel ist die Auswertungseinheit 4 bzw. Programmierung des Computers 40 um eine Hit-Zuordnungs-Instanz 41 erweitert. Die Multihitfähigkeit des Systems wird anhand eines exemplarischen Multihits mit drei Teilchen 201, 202 und 203 besprochen.
9 zeigt die beispielhafte Ausgestaltung der Anode 11 aus 3. Nunmehr sind gleichzeitig drei von den Teilchen 201, 202 und 203 verursachte Elektronenwolken 211, 212, 213 aufgetroffen. Diese haben zu den Ladungen 241, 242 und 243 auf der Nachweisoberfläche 12 der Anode 11 mit den Ladungsschwerpunkten 231, 232 und 233 geführt. Die Ladung 241 verteilt sich auf die Elektroden 824, 825, 832 und 833, die die Signale 7241, 7251, 7321 sowie 7331 (nicht gezeigt) erzeugen. Den genannten Elektroden sind die Elektronik-Verschaltungen 922, 923, 911 bzw. 920 zugeordnet; diese verarbeiten die Signale. Die Ladung 242 verteilt sich auf die Elektroden 812, 813, 820 und 821, welche die Signale 7122, 7132, 7202 sowie 7212 (nicht gezeigt) erzeugen, die von den zugeordneten Elektronik-Verschaltungen 912, 914, 920 bzw. 921 verarbeitet werden. Die Ladung 243 ist wiederum auf die Elektroden 843, 844, 851 sowie 852 aufgetroffen. Diese erzeugen (bzw. haben erzeugt) die Signale 7433, 7443, 7513 und 7523, welche von den zugeordneten Elektronik-Verschaltungen 904, 905, 910 bzw. 923 verarbeitet werden.
Es zeigt sich, dass sich durch die Einsparung von elektronischen Kanälen auch bei schwierigen Fällen (gleichzeitiger Einschlag von drei Teilchen) keine Nachteile ergeben. Dies ist erst bei höheren Teilchenraten zu erwarten.
Die Positionsbestimmung innerhalb der Software/Firmware 41, 42, kann beispielsweise folgendermaßen ablaufen:
Schritt 1: Insgesamt wurden Signale 7xxy in zehn verschiedenen Verschaltungen 904, 905, 910, 911, 912, 914, 920, 921, 922 und 923 gemessen. Nun werden in einer Karte 70 alle Elektroden 13m markiert, die diesen Verschaltungen zugeordnet sind. Diese Karte 70 ist in 10 visualisiert. Die als getroffen in Frage kommende Elektroden 802, 804, 806, 807, 809, 812, 813, 814, 815, 820, 821, 824, 825, 830, 832, 833, 837, 839, 843, 844, 851, 852, 853, 854, 855, 856, und 857 sind schraffiert.
Schritt 2: Es wird nun nach Gruppen 13g gesucht, die aus mindestens vier quadratisch angeordneten, als getroffen in Frage kommenden (in 10 schraffierten) Elektroden 13m bestehen, evtl. mit ganzflächig angrenzenden, ebenfalls potentiell getroffenen Nachbarn 13m. Elektroden 13m, auf die dieses Kriterium nicht zutrifft, werden verworfen. In der zu 10 analogen 11 sind nur noch die verbleibenden, zu solchen Gruppen 13g gehörigen Elektroden schraffiert. Nunmehr steht fest, dass es sich um drei Teilchen 201, 202, 203 handelt und ihre groben Positionen 231i, 232i, 233i sind als jeweilige Zentren der Quadrate aus getroffenen Elektroden 13g bereits ungefähr ermittelt worden.
Nunmehr sind auch die genannten Signale 7xxy einerseits den jeweils signalgebenden Elektroden 8xx und andererseits den sie verursachenden Hits 20y zugeordnet. Die Fehlzuordnungen zu den Elektroden 806, 814 und 853 können erkannt und ausgeschieden werden. Die Schritte 1 und 2 verwirklichen gleichzeitig die Hit-Zuordnungs-Instanz 41 und die Signal-Nachweiselement-Zuordnungs-Instanz 42.
Schritt 3: Nun werden die genauen Positionen 231, 232, 233 nach dem Prinzip der Ladungswichtung bestimmt. Dies kann geschehen, indem im Rahmen eines Minimierungsalgorithmus die Positionen 231i, 232i, 233i schrittweise so verrückt werden, dass die gemessenen Ladungsverteilungen 241, 242, 243 möglichst gut nachgebildet werden. Hierbei handelt es sich um die Ladungswichtungs-Instanz 43.
In diesem Beispiel wurde noch keine Zeitinformation von Signalen verwendet. Es kann daher auch ohne die Verwendung schneller Verstärker und Flash-ADCs realisiert werden, z.B. unter Verwendung ladungsintegrierender Verstärker und „normaler“ ADCs.
Steht jedoch eine Zeitinformation zur Verfügung, so lassen sich die Signale 7xxy in vielen Fällen schon allein anhand dieser Zeitinformation 7xxyt den richtigen Gruppen 13g zuordnen. Dies wird nun diskutiert.
Das folgende Beispiel umfasst das vorstehende, vereinfacht jedoch die Zuordnung von Signalen zu Hits und verbessert seine Multihit-Fähigkeit. Dazu wird der zeitliche Verlauf der Signale 7xxy berücksichtigt und ausgenutzt.
Zur Illustration wird der bereits oben diskutierte exemplarische Multihit dahingehend abgewandelt, dass Teilchen 202 ca. 3 Nanosekunden später als Teilchen 201 eintrifft. Bis zum Einschlag von Teilchen 203 vergehen weitere 20 Nanosekunden.
In 12 ist der jeweilige zeitliche Signalverlauf dargestellt, wie er von den Flash-ADCs 33 aufgenommen würde. Die skizzierten Kurven entsprechen dem Spannungsverlauf am jeweiligen ADC-Kanal 33zz. Sie sind aufgrund der jeweiligen Verschaltung 9zz an ihn angelegt worden.
Wenn die Teilchen 201, 202 und 203 nicht gleichzeitig eintreffen (d.h. wenn die Zeitdifferenz größer als ca. 2 Nanosekunden ist), vereinfacht sich die Zuordnung der Signale 7321, 7331, 7241, 7251, 7122, 7132, 7202, 7212, 7433, 7443, 7513 und 7523 zu den einzelnen Teilchen 201, 202, 203. Eine Zuordnung anhand der Zeiten ist eindeutig: Die zum Teilchen 201 gehörigen Signale 7321, 7241, 7251 erscheinen zu den Zeiten 7321t, 7241t, 7251t, die (bis auf ein sehr kleines Zeitfenster und eventuell unterschiedliche Signallaufzeiten) gleich sind. Selbiges gilt für die zu Teilchen 202 gehörigen Signale 7122, 7132, 7212, sowie die zu Teilchen 203 gehörigen Signale 7433, 7443, 7513 und 7523.
Grundsätzlich sind auch die Signale 7202 und 7331 in Kanal 3320 (Verschaltung 920) nach dem gleichen Prinzip eindeutig zuzuordnen. Allerdings stellt sich zunächst scheinbar ein Problem dar: Die zwei Signale 7331 und 7202 überlappen und bilden zusammen den Signalhöcker 5012.
13 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Signalhöckers 5012 auf dem ADC-Kanal 3320. Auch in diesem Fall wird selbst ein (in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehener) einfacher Minimierungsalgorithmus immer die Lösung finden. Schon aus den ADC-Kanälen 3311, 3322 und 3323 allein lässt sich bereits der Ort 231 von Teilchen 201 gut bestimmen. Damit ist dann klar, wie viel Beitrag 50120 von Teilchen 201 im Signalhöcker 5012 in Kanal 3320 enthalten ist. In besonders schwierigen Fällen kann auch anhand der Steigung der steigenden (linken) Flanke 5012a und der fallenden (rechten) Flanke 5012b die wahren Amplituden 50120h, 50220h der Signale 7331, 7202 auf Kanal 3320 geschlossen werden. Die Hit-Zuordnungs-Instanz 41 gewinnt also durch die Zeitinformation ein weiteres Zuordnungskriterium.
Der Auftreffzeitpunkt 251, 252, 253 jedes einzelnen Teilchens wird durch die Auftreffzeit-Rekonstruktions-Instanz 44 direkt aus den gemessenen Signalen 7xx1, 7xx2, 7xx3 ermittelt. Beispielsweise kann der Auftreffzeitpunkt 251 des Teilchens 201 aus den Signalen 7321, 7331, 7241, 7251 bestimmt werden. Im einfachsten Fall handelt es sich um den Zeitpunkt 7251t, zu dem ein klar identifizier- und zuordenbares Signal 7251 sein Maximum 7251h erreicht. Der Zeitpunkt 7251t kann beispielsweise durch Schwerpunktsbildung oder durch iterative Fit-Verfahren ermittelt werden.
Fehler können gegebenenfalls durch Mittelwertbildung zwischen den Werten 7321t, 7331t, 7241t, 7251t für verschiedene Signale 7321, 7331, 7241, 7251 des gleichen Teilchens 201 minimiert werden.
In den Beispielen wurde grundsätzlich angenommen, dass die Laufzeiten aller Signale 7xxy gleich sind, unabhängig davon, welches Nachweiselement 8xx das jeweilige Signal erzeugt hat und über welche Verschaltung 9zz es ausgelesen wurde. Sofern dies nicht der Fall ist, kann es notwendig sein, die Laufzeit-Differenzen zu kompensieren und/oder in der Auswertung 4 zu berücksichtigen.
In 14 ist die erweiterte Multihit-fähige Version der Auswertungseinheit 4 nochmals schematisch gezeigt. Es handelt sich um den Computer 40 nebst entsprechender Programmierung 41, 42, 43, 44. Zu den bereits in 8 gezeigten Instanzen 42, 43 tritt die Hit-Zuordnungs-Instanz 41. Diese ordnet die Signale 7xxy Hits 20y zu. Wie oben beschrieben, geschieht dies im hiesigen Beispiel durch Ausnutzung der Gleichzeitigkeit der Erzeugung jeweils zusammengehöriger Signale 7xx1, 7xx2, 7xx3 (im Falle von drei Hits); außerdem wird wie weiter oben beschrieben durch die örtliche Korrelation der aufgrund eines Hits 20y signalgebenden Nachweiselemente 8xx genutzt. Die Auftreffzeit-Rekonstruktions-Instanz 44 ermittelt die Auftreffzeiten 251, 252, 253 der Teilchen 201, 202, 203 aus den Zeiten 7xx1t, 7xx2t, 7xx3t der Signale 7xx1, 7xx2, 7xx3.
15 zeigt zwei mögliche Verschaltungs-Zuordnungen für eine Anode 11 mit 5 × 5 quadratischen Elektroden 13. Die Quadrate 13 symbolisieren Elektroden 13 der Nachweisoberfläche 12 der hiesigen Anode 11. Die vier Elektroden in den Ecken wurden nicht belegt, da sie bei der Verwendung von runden MCPs 10 nicht gebraucht werden. Die Zahlen in den Quadraten 13 bedeuten die Nummer zz der Verschaltung 9zz, welcher die jeweilige Elektrode
zugeordnet ist. Im linken Beispiel werden nur 15 Verschaltungen und daher 15 elektronische Kanäle 301 verwendet. Durch die besondere Anordnung der Elektroden 13 ist gewährleistet, dass ein elektronischer Kanal 301 nicht an zwei zu dicht beieinander liegenden Elektroden 13 angeschlossen ist. Dies würde zu Uneindeutigkeiten bei gleichzeitigen Teilchen 201, 202 führen. Es gibt jedoch zwei Stellen im linken Beispiel, bei denen sich zwei zusammengeschlossene Elektroden sehr nahe kommen: Verschaltung Nr. 15 ist nur durch Verschaltung Nr. 4 und Nr. 5 getrennt und Verschaltung Nr. 11 ist nur durch die Verschaltungen Nr. 2 und Nr. 9 getrennt. Im rechten Beispiel ist zu sehen, wie durch Hinzunahme einer weiteren elektronischen Verschaltung mit der Nummer 16 diese Situation gelöst wird. Aber auch die linke Lösung ist schon in der Praxis verwendbar.
Es sind insbesondere runde MCPs mit verschiedenen Durchmessern erhältlich. Bei MCPs mit einem Durchmesser von 40 mm sollte die Anode einen Flächeninhalt von ca. 10 cm² bis ca. 25 cm² abdecken; bei einem MCP-Durchmesser von 80 mm einen Flächeninhalt von ca. 40 cm² bis ca. 81 cm² und bei einem MCP-Durchmesser von 105 mm einen Flächeninhalt von ca. 70 cm² bis ca. 144 cm². Bei MCPs mit einem Durchmesser von 150 mm ist ein ausgelesener Flächeninhalt von ca. 150 cm² bis ca. 256 cm² besonders vorteilhaft. Die jeweils untere Grenze der Intervalle entspricht ungefähr der Fläche des jeweiligen MCP während die obere Grenze sich am Flächeninhalt eines entsprechenden Quadrates/einer entsprechenden Schachbrett-Struktur orientiert.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen.
Insbesondere die gezeigten konkreten Zuordnungen von Elektroden zu Elektronik-Verschaltungen sind jeweils nur eine Möglichkeit, die Erfindung zu verwirklichen, auf die sich diese jedoch in keiner Weise beschränkt. Außerdem ist die Erfindung in keiner Weise auf eine bestimmte geometrische Form von Elektroden beschränkt; insbesondere die in den Ausführungsbeispielen gezeigten quadratischen Elektroden sind lediglich Beispiele.
Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1124129 A2 [0006]
US 4395636 [0008]
DE 4429925 C1 [0013, 0024]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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„Wedge and Strip“-Anoden sind in Martin et al., Rev. Sci. Instrum. 52, 1067 ff. (1981) [0008]
Purschke et al., NIM A 261 (1987), 537 ff. [0009]
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Stepanov et al., Proc. SPIE 7376 (2010), 73760Z [0012]

Claims

Detektor (1) zur zweidimensionalen Ortsbestimmung von Ladungswolken (211), umfassend • eine Anode (11) mit einer Nachweisoberfläche (12), wobei – die Nachweisoberfläche (12) als zweidimensionale Matrix aus Nachweiselementen (8xx) ausgebildet ist und – die Nachweiselemente (8xx) beim Auftreffen von Ladung (241) der nachzuweisenden Ladungswolke (211) auf die Nachweiselemente (8xx) Signale (7xx1) erzeugen, welche von der auf das jeweilige Nachweiselement (8xx) aufgetroffenen Ladungsmenge (6xx1) abhängen, sowie • eine Ausleseelektronik (3) zur ein- oder mehrstufigen Verarbeitung der von den Nachweiselementen (8xx) erzeugten Signale (7xx1), umfassend – mindestens eine Elektronik-Stufe (32, 33) zur kanalweisen Verarbeitung der Signale (7xx1) mit einer Mehrzahl paralleler Kanäle (321, 331), wobei – in zumindest einer der Elektronik-Stufen (32, 33) der Ausleseelektronik (3) die Signalpfade (524, 554) von mindestens zwei nicht unmittelbar benachbarten Nachweiselementen (824, 854) der Nachweisoberfläche (12) zusammengeschaltet sind, indem in zumindest dieser Elektronik-Stufe (33) mindestens einer der parallelen Kanäle (331) dieser Elektronik-Stufe (33) mehrfach belegt ist, sodass – dieser zumindest eine mehrfach belegte Kanal (3322) mindestens zwei nicht unmittelbar benachbarten Nachweiselementen (824, 854) der Nachweisoberfläche (12) der Anode (11) zugeordnet ist und – von dem zumindest einen mehrfach belegten Kanal (3322) die Signale (7241, 7541) der zumindest zwei diesem Kanal (3322) zugeordneten Nachweiselelemente (824, 854) verarbeitet werden.
Vorrichtung nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass • die Anzahl der parallelen Kanäle (321, 331) in mindestens einer der Elektronik-Stufen (32, 33) der Ausleseelektronik (3) geringer ist als die Anzahl der Nachweiselemente (8xx) der Nachweisoberfläche (12) der Anode (11).
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • mindestens ein Nachweiselement (8xx) der Nachweisoberfläche (12) sowie mindestens ein Kanal (321) zumindest der ersten Stufe (32) der Ausleseelektronik (3) Multihit-fähig ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend • eine Auswertungseinheit (4) zur Rekonstruktion des zweidimensionalen Auftreffortes (231) der nachzuweisenden Ladungswolke (211) auf der Nachweisoberfläche (12) der Anode (11) aus den von den Nachweiselementen (8xx) erzeugten und von der Ausleseelektronik (3) kanalweise verarbeiteten Signalen (7xx1).
Vorrichtung nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass • die Auswertungseinheit (4) eine Ladungswichtungs-Instanz (43) zur Rekonstruktion des zweidimensionalen Ortes (231) des Schwerpunktes (211a) der nachzuweisenden Ladungswolke (211) in der Nachweisoberfläche (12) aus den in den Signalen (7xx1) enthaltenen Informationen über die auf die Nachweiselemente (8xx) jeweils aufgetroffenen Ladungsmengen (6xx1) nach dem Prinzip der Ladungswichtung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4. oder 5., dadurch gekennzeichnet, dass • die Auswertungseinheit (4) eine Signal-Nachweiselement-Zuordnungs-Instanz (42) zur Wiederherstellung der durch die Mehrfachzuordnung des zumindest einen mehrfach belegten Kanals (3322) mindestens einer der Elektronik-Stufen (32, 33) der Ausleseelektronik (3) verloren gegangenen Eindeutigkeit der Zuordnung zwischen den durch die Ausleseelektronik (3) verarbeiteten Signalen (7241, 7541) und den Nachweiselementen (824, 854) der Nachweisoberfläche (12) der Anode (11) aufweist.
Vorrichtung nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Signal-Nachweiselement-Zuordnungs-Instanz (42) die aufgrund der Mehrfachzuordnung des zumindest einen mehrfach belegten Kanales (3322) mindestens einer der Stufen (32, 33) der Ausleseelektronik (3) verloren gegangene eindeutige Zuordnung der von diesem mehrfach belegten Kanal (3322) verarbeiteten Signale (7251, 7541) zu Nachweiselementen (824, 854) • in Ansprechen auf die örtliche Korrelation der von der Ladungswolke (211) getroffenen Nachweiselemente (824, 825, 832, 833) der Nachweisoberfläche (12) wiederherstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4. bis 7., dadurch gekennzeichnet, dass • die Auswertungseinheit (4) eine Auftreffzeit-Rekonstruktions-Instanz (44) zur Rekonstruktion des Zeitpunktes (251) des Auftreffens der nachzuweisenden Ladungswolke (211) auf die Nachweisoberfläche (12) der Anode (11) aus den von den Nachweiselementen (824, 825, 832, 833) der Nachweisoberfläche (12) der Anode (11) beim Auftreffen von Ladung (241) der Ladungswolke (211) erzeugten und von der Ausleseelektronik (3) kanalweise verarbeiteten Signalen (7241, 7251, 7321, 7331) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4. bis 8., dadurch gekennzeichnet, dass • die Auswertungseinheit (4) eine Hit-Zuordnungs-Instanz (41) zur Zuordnung der beim Auftreffen von mehr als einer nachzuweisenden Ladungswolke (21y) auf die Nachweisoberfläche (12) der Anode (11) von den Nachweiselementen (8xx) der Nachweisoberfläche (12) erzeugten und von der Ausleseelektronik (3) kanalweise verarbeiteten Signale (7xxy) zu den einzelnen aufgetroffenen Ladungswolken (21y) in Ansprechen auf – die zeitliche Korrelation der beim Auftreffen jeder einzelnen Ladungswolke (21y) auf die Nachweisoberfläche (12) von den Nachweiselementen (8xx) erzeugten Signale (7xxy) und/oder – die örtliche Korrelation der jeweils beim Auftreffen einer einzelnen Ladungswolke (21y) Signale (7xxy) erzeugenden Nachweiselemente (8xx) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass • die Ladungswichtungs-Instanz (43) der Auswertungseinheit (4) die jeweiligen Auftrefforte (23y) der einzelnen nachzuweisenden Ladungswolken (21y) aus den von den Nachweiselementen (8xx) der Nachweisoberfläche (12) beim Auftreffen von Ladung (24y) der jeweiligen Ladungswolke (21y) auf die Nachweisoberfläche (12) erzeugten, von der Ausleseelektronik (3) kanalweise verarbeiteten und von der Hit-Zuordnungs-Instanz (41) der Auswertungseinheit (4) der jeweiligen Ladungswolke (21y) eindeutig zugeordneten Signalen (7xxy) rekonstruiert und/oder • die Auftreffzeit-Rekonstruktions-Instanz (44) der Auswertungseinheit (4) die jeweiligen Zeitpunkte (25y) des Auftreffens der einzelnen nachzuweisenden Ladungswolken (21y) auf die Nachweisoberfläche (12) aus jeweils mindestens einem von mindestens einem Nachweiselement (8xx) der Nachweisoberfläche (12) beim Auftreffen von Ladung (6xxy) der jeweiligen Ladungswolke (21y) erzeugten, von der Ausleseelektronik (3) kanalweise verarbeiteten und von der Hit-Zuordnungs-Instanz (41) der Auswertungseinheit (4) der jeweiligen Ladungswolke (21y) eindeutig zugeordneten Signal (7xxy) rekonstruiert.
Vorrichtung (1a) zur zweidimensionalen Ortsbestimmung von Einzelteilchen (201), umfassend • einen ortsaufgelösten Sekundärelektronenvervielfacher (10) mit einer Vorder- (10a) und einer Rückseite (10b) zur Erzeugung einer Ladungswolke (211) beim Einschlagen eines zu detektierenden Einzelteilchens (201), wobei beim Einschlagen des zu detektierenden Einzelteilchens (201) in die Vorderseite (10a) des Sekundärelektronenvervielfachers (10) auf der Rückseite (10b) des Sekundärelektronenvervielfachers (10) am Ort (221b) des Einschlagens des Einzelteilchens (201) eine Ladungswolke (211) emittiert wird, sowie • einen Detektor (1) zur zweidimensionalen Ortsbestimmung der auf der Rückseite (10b) des Sekundärelektronenvervielfachers (10) emittierten Ladungswolken (211) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei • die Nachweisoberfläche (12) der Anode (11) des Detektors (1) zur zweidimensionalen Ortsbestimmung der auf der Rückseite (10b) des Sekundärelektronenvervielfachers (10) emittierten Ladungswolken (211) der Rückseite (10b) des Sekundärelektronenvervielfachers (10) zugewandt ist und • die Nachweiselemente (8xx) der Nachweisoberfläche (12) der Anode (11) des Detektors (1) so eingerichtet sind, dass die von dem Sekundärelektronenvervielfacher (10) beim Einschlagen des zu detektierenden Einzelteilchens (201) in die Vorderseite (10a) des Sekundärelektronenvervielfachers (10) auf der Rückseite (10b) des Sekundärelektronenvervielfachers (10) emittierte Ladungswolke (211) auf mindestens zwei benachbarte Nachweiselemente (824, 825, 832, 833) der Nachweisoberfläche (12) auftrifft.
Verfahren zur zweidimensionalen Ortsbestimmung einer Ladungswolke (211), insbesondere mit einem Detektor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend zumindest die folgenden Schritte: • Auftreffen der zu detektierenden Ladungswolke (211) auf eine Nachweisoberfläche (12), welche als zweidimensionale Matrix aus Nachweiselementen (8xx) bereitgestellt ist, wobei die Ladungswolke (211) auf mindestens zwei benachbarte Nachweiselemente (824, 825, 832, 833) auftrifft, • Ausgabe von Signalen (7241, 7251, 7321, 7331) durch die Nachweiselemente (824, 825, 832, 833), wobei die ausgegebenen Signale (7241, 7251, 7321, 7331) von der auf das jeweilige Nachweiselement (824, 825, 832, 833) aufgetroffenen Menge an Ladung (6241, 6251, 6321, 6331) abhängen, • Zusammenführen der Signale (7241, 7541) von mindestens zwei, nicht unmittelbar benachbarten Nachweiselementen (824, 854), wobei die eindeutige Zuordnung der einzelnen Signale (7241, 7541) zu den signalausgebenden Nachweiselementen (824, 854) verloren geht, • Aufbereiten der zusammengeführten Signale (7241, 7541), • Wiederherstellen der eindeutigen Zuordnung zwischen den aufbereiteten Signalen (7241, 7541) und den signalerzeugenden Nachweiselementen (824, 854) unter Berücksichtigung der Nachbarschaft der aufgrund der zu detektierenden Ladungswolke (211) signalerzeugenden Nachweiselemente (824, 825, 832, 833), • Rekonstruktion des Ladungsschwerpunktes (231) der Ladungswolke (211) auf der Nachweisoberfläche (12) aus den aufbereiteten Signalen (7241, 7251, 7321, 7331) unter Anwendung des Prinzips der Ladungswichtung.
Multihit-fähiges Verfahren zur zweidimensionalen Ortsbestimmung von Ladungswolken (21y), insbesondere mit einem Detektor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend zumindest die folgenden Schritte: • Auftreffen der zu detektierenden mindestens zwei Ladungswolken (21y) eines Multihit-Ereignisses auf eine Nachweisoberfläche (12), welche als zweidimensionale Matrix aus Nachweiselementen (8xx) bereitgestellt ist, wobei die Ladungswolken (21y) jeweils auf mindestens zwei benachbarte Nachweiselemente (8xx) auftreffen, • Ausgabe von Signalen (7xxy) durch die Nachweiselemente (8xx), wobei die ausgegebenen Signale (7xxy) von der auf das jeweilige Nachweiselement (8xx) aufgetroffenen Menge an Ladung (6xxy) abhängen, • Zusammenführen der Signale (7xxy) von mindestens zwei, nicht unmittelbar benachbarten Nachweiselementen (8xx), wobei die eindeutige Zuordnung der einzelnen Signale (7xxy) zu den signalausgebenden Nachweiselementen (8xx) verloren geht, • Aufbereiten der zusammengeführten Signale (7xxy), • Wiederherstellen der eindeutigen Zuordnung zwischen den aufbereiteten Signalen (7xxy) und den signalausgebenden Nachweiselementen (8xx) sowie Zuordnung der Signale (7xxy) zu einzelnen Ladungswolken (21y) in Ansprechen auf – die Nachbarschaft der jeweils aufgrund einer einzelnen Ladungswolke (21y) signalausgebenden Nachweiselemente (8xx) und/oder – die zeitliche Korrelation der jeweils aufgrund einer einzelnen Ladungswolke ausgegebenen Signale (7xxy), • Rekonstruktion der Ladungsschwerpunkte (23y) der einzelnen Ladungswolken (21y) aus den aufbereiteten Signalen (7xxy) unter Anwendung des Prinzips der Ladungswichtung.
Verfahren zur zweidimensionalen Ortsbestimmung von Einzeleilchen, insbesondere mit einer Vorrichtung (1a) zur zweidimensionalen Ortsbestimmung von Einzelteilchen (201) gemäß Anspruch 11, umfassend zumindest die Schritte a) Einschlag des zu detektierenden Einzelteilchens (201) in einen bereitgestellten Sekundärelektronenvervielfacher (10), b) Erzeugung einer Sekundärelektronen-Wolke (211) am Ort (221) des Einschlages des zu detektierenden Einzelteilchens (201) in den Sekundärelektronenvervielfacher (10), c) Bestimmung des zweidimensionalen Ortes (231) der erzeugten Sekundärelektronen-Wolke gemäß Anspruch 12.
Multihit-fähiges Verfahren zur Bestimmung der zweidimensionalen Orte (221, 222, 223) sowie der Einschlags-Zeitpunkte (251, 252, 253) von mindestens zwei Einzelteilchen (201, 202, 203), insbesondere mit einer Vorrichtung (1a) zur zweidimensionalen Ortsbestimmung von Einzelteilchen (201, 202, 203) gemäß Anspruch 11, umfassend zumindest die Schritte a) Einschlagen der mindestens zwei zu detektierenden Einzelteilchen (201, 202, 203) in einen bereitgestellten Sekundärelektronenvervielfacher (10), b) Erzeugung von Sekundärelektronen-Wolken (211, 212, 213) an den Orten (221, 222, 223) der Einschläge der mindestens zwei zu detektierenden Einzelteilchen (201, 202, 203) in den Sekundärelektronenvervielfacher (10), c) Bestimmung der zweidimensionalen Orte (231, 232, 233) der erzeugten Sekundärelektronen-Wolken (211, 212, 213) gemäß Anspruch 13, d) Rekonstruktion der jeweiligen Einschlags-Zeitpunkte (251, 252, 253) der mindestens zwei zu detektierenden Einzelteilchen (201, 202, 203) in den Sekundärelektronenvervielfacher (10) aus den von den Nachweiselementen (13) der Nachweisoberfläche (12) beim Auftreffen der durch den Sekundärelektronenvervielfacher (10) erzeugten Ladungswolken (211, 212, 213) ausgegebenen, aufbereiteten Signalen (7xx1, 7xx2, 7xx3).