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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Detektieren eines Photons oder mehrerer Photonen an einer Frontseite eines Mehrkanalphotomultipliers, wobei die Vorrichtung den Mehrkanalphotomultiplier und eine mit dem Mehrkanalphotomultiplier verbundene Auslese-Elektronik umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein System.
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Zurzeit werden Auslesesysteme für Mehrkanalphotomultiplier üblicherweise als Sonderanfertigung für eine vorgegebene Einbaugeometrie und Detektorfläche aus mehreren Einheiten z.B. zum elektronischen Auslesen des Photomultipliers, zum Zwischenauswerten der Signale oder für einen Weißabgleich mit manuellem Eingriff zusammengesetzt.
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Sowohl die Anzahl der Komponenten als auch der Betriebsaufwand, d.h. der Aufwand für manuelle Eingriffe, limitiert derzeit die Einsatzbereiche dieser Technologie. Zudem sind die bestehenden Systeme wenig flexibel und die komplex aufgebaute und in der Regel nur aufwändig steuerbare Elektronik nimmt viel Bauraum ein, was zu großen toten Bereichen in der Detektionsfläche führen kann.
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Die vorgenannten, aus dem Stand der Technik bekannten Merkmale können einzeln oder in beliebiger Kombination mit einem der nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Gegenstände kombiniert werden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Vorrichtung bereitzustellen.
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Zur Lösung der Aufgabe dient eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein System nach dem Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Zur Lösung der Aufgabe dient eine Vorrichtung zum Detektieren eines Photons oder mehrerer Photonen an einer Frontseite eines Mehrkanalphotomultipliers, wobei die Vorrichtung den Mehrkanalphotomultiplier und eine mit dem Mehrkanalphotomultiplier verbundene Auslese-Elektronik umfasst, wobei die Auslese-Elektronik eine Grundfläche aufweist, die kleiner oder gleich der Fläche der Frontseite ist.
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Die Vorrichtung kann beispielsweise ein Photon oder mehrere Photonen bei einem Auftreffen auf eine Detektionsfläche des Mehrkanalphotomultiplier an der Frontseite des Mehrkanalphotomultiplier detektieren.
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Insbesondere dient die Vorrichtung zum Detektieren eines Photons oder eines geladenen oder nicht geladenen Teilchens oder mehrerer Photonen oder mehrerer geladener oder nicht geladener Teilchen. Ein geladenes Teilchen, z.B. ein Elektron oder Proton, oder nicht geladenes Teilchen, z.B. ein Neutron, kann vorzugsweise unter Zuhilfenahme einer an der Frontseite vorgeschalteten Umwandlungseinheit, z.B. einen Szintillator, durch den Mehrkanalphotomultiplier an der Frontseite detektiert werden. Ein besonders geeigneter Szintillator ist aus der Druckschrift
WO 2016/083021 A1 bekannt. Dieser ist aus Pixeln gebildet, die durch Zwischenräume oder Rillen voneinander getrennt sind.
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Detektieren an einer Frontseite des Mehrkanalphotomultipliers meint, dass beispielsweise ein Photon oder mehrere Photonen für das Detektieren auf die Frontseite treffen, insbesondere auf eine Detektionsfläche, die sich über einen Teil oder die ganze Frontseite des Mehrkanalphotomultipliers erstreckt. Vorzugsweise ist an der Frontseite zur Stabilisierung und optischen Abschirmung ein umlaufender Außenrand um die Detektionsfläche herum vorgesehen. Insbesondere nimmt der Rand insgesamt weniger als 5%, bevorzugt gleich oder weniger als 3% der gesamten Fläche der Frontseite ein. Vorzugsweise ist ein nicht detektierender Rand um die Detektionsfläche an der Frontseite weniger als 2 mm, bevorzugt gleich oder weniger als 1,5 mm breit.
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Ein Photomultiplier wird auch Photoelektronenvervielfacher, Photovervielfacher oder engl. „photomultiplier tube“ genannt und üblicherweise mit „PMT“ abgekürzt. Ein gewöhnlicher Photomultiplier umfasst eine Photokathode, die ein Photon oder mehrere Photonen über den photoelektrischen Effekt in mindestens ein Photoelektron oder mehrere Photoelektronen, also freie Elektronen, umwandelt, und zwar unabhängig davon, wo ein Photon auf die Photokathode trifft. Über eine Anode kann auf diese Weise bei Detektieren eines Photons oder mehrerer Photonen durch den Photomultiplier ein analoges Signal bereitgestellt werden.
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Ein Mehrkanalphotomultiplier, auch Multianodenmultiplier oder engl. „multianode photomultiplier“ genannt und üblicherweise mit „MaPMT“ abgekürzt, entspricht mehreren integrierten Photomultipliern insbesondere in einem einzigen Gehäuse. Jede der einzelnen Anoden stellt dann jeweils insbesondere über einen das Gehäuse nach außen durchdringenden Pin einen Ausgang für ein analoges Signal bereit, das durch die Auslese-Elektronik weitergeleitet, ausgelesen und/oder weiterverarbeitet werden kann.
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Vorzugsweise deckt eine Photokathode einen bestimmten Flächenabschnitt der Detektionsfläche ab, der nachfolgend Pixel genannt wird. Fällt ein Photon auf diesen Flächenabschnitt, also auf diesen Pixel, wird die entsprechende Photokathode das Photon detektieren und ein entsprechendes analoges Signal über den analogen Ausgang ausgeben. Jedes analoge Signal kann also örtlich einem Pixel auf der Detektionsfläche zugeordnet werden.
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Insbesondere entspricht die Anzahl der Kanäle des Mehrkanalphotomultipliers der Anzahl der Photokathoden, der Anoden und/oder der analogen Ausgänge. Die Anzahl der Kanäle ist daher ein Maß für die Auflösung, d.h. Pixel pro Fläche, des Mehrkanalphotomultipliers oder der Detektionsfläche.
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Der Mehrkanalphotomultiplier ist mit der Auslese-Elektronik verbunden, insbesondere mittels Pfostenstecker. Neben einer Signalverbindung kann optional auch zusätzlich mechanisch verbunden werden, um eine mechanisch feste Fixierung zwischen des Mehrkanalphotomultipliers und der Auslese-Elektronik zu erhalten.
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Signalverbindung meint das Verbinden von Signalleitern oder Signalleitungen, also z.B. eine Leitung für ein analoges oder digitales Signal. Mechanisch verbunden meint allgemein kraftschlüssig, stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden. Mechanisch fest verbunden oder fixiert meint allgemein manuell nicht ohne Werkzeug und/oder nicht zerstörungsfrei lösbar. Mit anderen Worten ist eine mechanisch fest verbundene Baueinheit im Betrieb nicht für ein Trennen der fest verbundenen Komponenten vorgesehen.
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Eine Auslese-Elektronik für einen Mehrkanalphotomultiplier umfasst mehrere Signalleitungen, logische und/oder programmierbare Bausteine, eine oder mehrere Leiterplatten und/oder mindestens eine vorzugsweise digitale Schnittstelle für eine externe Auswertungseinheit. Eine Auslese-Elektronik nimmt mindestens einen Schritt zur Weiterverarbeitung mindestens eines analogen Signals vor. Eine detaillierte Auswertung und Analyse der von der Auslese-Elektronik bereitgestellten, insbesondere digitalen Signale erfolgt jedoch an einer externen Auswertungseinheit, z.B. PC (Personal Computer). Allgemein kann eine Auslese-Elektronik dennoch aus den ausgelesenen Signalen beispielsweise ein Ja/Nein-Ergebnis ermitteln, z.B. ob an einem Pixel ein gemessener Wert einen Schwellenwert überschritten hat oder nicht, und ausgeben, was vorliegend nicht als eine detaillierte Auswertung oder Analyse angesehen wird.
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Die Grundfläche der Auslese-Elektronik wird definiert durch die Projektion der äußersten Konturen der gesamten Auslese-Elektronik auf eine Ebene parallel zu der Detektionsfläche des Mehrkanalphotomultipliers.
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Gesamte Auslese-Elektronik meint in diesem Zusammenhang ohne angeschlossene Kabel z.B. zu der externen Auswertungseinheit oder einer externen Stromquelle. Mit anderen Worten zeigt die Grundfläche an, wie weit sich die gesamte Auslese-Elektronik parallel zur Detektionsfläche nach außen erstreckt.
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Man stelle sich einen imaginären Schlauch um die gesamte Auslese-Elektronik herum aus Richtung der Frontseite des Mehrkanalphotomultipliers bis zu der gegenüberliegenden Rückseite der Auslese-Elektronik vor, wie schematisch durch eine gestrichelte Linie in 3 dargestellt. Dieser imaginäre Schlauch würde sowohl an der Rückseite als auch an der gegenüberliegenden Seite, die dem Mehrkanalphotomultiplier zugewandt ist, die Außenkontur der Grundfläche aufweisen. Zwischen der Rückseite und der gegenüberliegenden Seite wäre dann der Schlauch an jeder Stelle der Außenkontur geradlinig gespannt, weil keine Komponente oder kein Teil der Auslese-Elektronik über diesen imaginären Schlauch überstehen oder hinausragen würde. Der Schlauch illustriert somit ein hinreichendes Bauvolumen für die gesamte Auslese-Elektronik, also ohne Kabel zu externen Komponenten. Vorzugsweise wäre ein solcher Schlauch quaderförmig.
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Mit anderen Worten überdeckt die Grundfläche von der Rückseite der Vorrichtung oder Auslese-Elektronik aus gesehen die gesamte Auslese-Elektronik in Richtung zur Frontseite.
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Vorzugsweise weist der Mehrkanalphotomultiplier keine Außenkontur auf, die über die Außenkontur der Frontseite des Mehrkanalphotomultipliers hinausragt.
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Dadurch, dass die Auslese-Elektronik eine Grundfläche aufweist, die kleiner oder gleich der Fläche der Frontseite des Mehrkanalphotomultipliers ist, wird ein modularer Aufbau eines Systems mit mehreren der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ermöglicht.
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Der Aufbau kann auf diese Weise beliebig skaliert werden und somit eine Gesamtdetektionsfläche als die Summe mehrerer angrenzender Detektionsflächen jeweils einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in beliebiger Größe bereitgestellt werden.
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Tote Bereiche der Detektionsfläche oder Gesamtdetektionsfläche können so reduziert werden.
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Zudem ist der Aufbau besonders flexibel und kann bei Bedarf auch nachträglich geändert werden.
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Eine kompakte Vorrichtung für ein einfaches und flexibel aufgebautes System wird so ermöglicht, dass eine automatisierte Verwendung der Messdaten oder Messinformation direkt aus der Ausleseeinheit zulässt. Insbesondere weist eine Grundfläche der Auslese-Elektronik, die kleiner oder gleich der Fläche der Frontseite des Mehrkanalphotomultipliers ist, eine geringere Länge und/oder Breite verglichen mit der Frontseite des Mehrkanalphotomultipliers auf. Mit anderen Worten ist die Grundfläche kürzer und/oder schmaler als die Frontseite.
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Die Grundfläche steht also an keiner Stelle über den Außenumfang der Frontseite, also insbesondere über den Rand um die Detektionsfläche herum, über oder ragt darüber hinaus.
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Grundsätzlich wird die Grundfläche wie die Frontseite durch die Länge und die Breite aufgespannt. Die Länge und Breite liegen in der Ebene oder einer parallelen Ebene zur Detektionsfläche des Mehrkanalphotomultipliers. Die Länge steht allgemein senkrecht auf der Breite. Insbesondere steht die Tiefe senkrecht auf der Länge und senkrecht auf der Breite. Die Tiefe erstreckt sich aus Richtung der Frontseite zur Rückseite der Auslese-Elektronik hin. Insbesondere bilden die Länge und Breite der Grundfläche zusammen mit der Tiefe einen imaginären Quader, der dem imaginären Schlauch entspricht, der oben beschrieben wurde.
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In einer Ausführungsform ist die Frontseite rechteckig oder quadratisch und/oder die Grundfläche ist im Wesentlichen rechteckig oder im Wesentlichen quadratisch ist.
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Eine Rechteckform und Quadratform erlaubt ein besonders eng anliegendes nebeneinander und übereinander Anordnen zur Minimierung von toten Bereichen einer Gesamtdetektionsfläche. Zudem erlaubt eine Quadratform ein besonders flexibles aneinander Anordnen von mehreren Vorrichtungen in Längen- und Breitenrichtung.
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Wenn eine Komponente oder ein Teil der Auslese-Elektronik an nur einer Stelle punktuell oder lokal eine äußere Konturauswölbung bildet, kann dadurch die Grundfläche oder dessen Außenkontur die Form eines nicht rechtwinkligen Mehrecks annehmen. Wenn der Gesamteindruck der Grundflächenform jedoch immer noch rechteckartig oder quadratartig ist, handelt es sich um ein im Wesentlichen rechteckige bzw. im Wesentlichen quadratische Grundfläche.
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In einer Ausführungsform ist die Auslese-Elektronik so konfigurierbar, dass die Auslese-Elektronik in einem Ereignis-Melde-Modus oder in einem Ereignis-Daten-Modus betrieben werden kann, wobei in dem Ereignis-Melde-Modus nur das Auftreten eines Ereignisses, insbesondere in Form eines Ereignis-Signal, ausgegeben wird, während im Ereignis-Daten-Modus eine Messinformation über das Ereignis, insbesondere in Form eines Mess-Signals, ausgegeben wird.
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Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das bloße Auftreten eines Ereignisses, z.B. das Detektieren eines Photons an einem Pixel, besonders schnell ermittelt und insbesondere in Form des Ereignis-Signals, d.h. z.B. als binärer Code, also Ja oder Nein bzw. 1 oder 0, ausgegeben werden kann. Hingegen dauert das Bereitstellen einer oder mehrerer Messinformationen, z.B. eine gemessene Pulshöhe eines detektierten Photons, im Vergleich dazu deutlich länger.
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Diese Unterscheidung zwischen den erläuterten zwei verschiedenen Signalverarbeitungsweisen in Form des Ereignis-Melde-Modus oder des Ereignis-Daten-Modus dient dazu, eine schnelle Auslesung zu ermöglichen, wenn es lediglich auf das Auftreten von Ereignissen ankommt.
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Soll jedoch ein Ereignis gemessen werden und wird auf einem bestimmten Pixel ein Ereignis festgestellt, wird das Mess-Signal mit der Messinformation, z.B. die detektierte Signalform, für dieses Ereignis ausgegeben, was vergleichsweise langsam abläuft.
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Es ist ebenfalls möglich, im Ereignis-Daten-Modus alle Mess-Signale aller Pixel auszugeben, was im Vergleich noch langsamer abläuft. Vorzugsweise wird die Signalform nur im Ereignis-Daten-Modus übermittelt.
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Im Ereignis-Melde-Modus wird insbesondere keine Signalform übermittelt. Vorzugsweise geschieht Im Ereignis-Melde-Modus die Übermittlung eines Ereignis-Signals immer nur für den Pixel, das als erstes angesprochen wird insbesondere bis zur nächsten Totzeit. Hingegen werden im Ereignis-Daten-Modus die analog-digitalgewandelten Werte aller Pixel übermittelt.
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Ausgeben kann allgemein ein Weiterleiten an eine nachgelagerte Komponente oder ein nachgelagertes Bauteil innerhalb der Vorrichtung sein, welches das Ereignis-Signal oder Mess-Signals verarbeitet oder unverarbeitet einer externen Auswertungseinheit über eine Schnittstelle bereitstellt.
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Im Ereignis-Daten-Modus könnte die Schnelligkeit der Verarbeitung erhöht werden, in dem die nachgelagerten Komponenten, auf die noch näher eingegangen wird, besonders leistungsfähig ausgestattet werden. Dies benötigt jedoch Bauraum, den es vorliegend bevorzugt einzusparen gilt, damit die Grundfläche kleiner oder gleich der Fläche der Frontseite wird.
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In einer Ausführungsform ist jedem Pixel des Mehrkanalphotomultipliers jeweils ein analoger Ausgang des Mehrkanalphotomultipliers zugeordnet ist, und jeder dieser analogen Ausgänge ist wiederum an jeweils einen analogen Eingang einer integrierten Schaltungseinheit angeschlossen, wobei die integrierte Schaltungseinheit insbesondere ein ASIC ist. Eine besonders hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit kann so erreicht werden. Durch die integrierte Schaltungseinheit kann z.B. eine erste Verarbeitung der Signale, z.B. Verstärkung, vorgenommen werden.
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Bevorzugt sind mehrere integrierte Schaltungseinheiten vorgesehen, um die analogen Ausgänge auf mehrere integrierte Schaltungseinheiten aufzuteilen. Wenn der Mehrkanalphotomultiplier beispielsweise 64 analoge Ausgänge hat, könnten vorzugsweise genau vier integrierte Schaltungseinheiten mit jeweils 16 analogen Eingängen vorgesehen werden. Vorzugsweise sind bei Vorsehen von mehreren integrierten Schaltungseinheiten die integrierten Schaltungseinheiten parallel geschaltet. Eine besonders hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit kann so realisiert werden.
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Ein ASIC ist die Abkürzung für eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (engl. „application-specific integrated circuit“ und wird auch „Custom Chip“ genannt. Durch den Einsatz eines ASIC als integrierte Schaltungseinheit kann eine besonders hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit erzielt werden.
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Ein Signal, das von einer integrierten Schaltungseinheit bereitgestellt wird, wird im Folgenden Ausgangssignal genannt.
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In einer Weiterentwicklung weist die integrierte Schaltungseinheit, die bevorzugt nur analog ein Signal verarbeitet, zusätzlich einen oder nur einen Ereignis-Signal-A/D-Wandler auf, um das bevorzugt analog verarbeitete Signal in ein digitales Ausgangssignal der integrierten Schaltungseinheit zum Ausgeben an eine nachgeschaltete Komponente umzuwandeln.
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In einer alternativen oder ergänzenden Weiterentwicklung kann die integrierte Schaltungseinheit so konfiguriert werden, dass die integrierte Schaltungseinheit alle Signale der analogen Ausgänge des Mehrkanalphotomultipliers nur weiterleitet, d.h. ohne eine Signalverarbeitung durchzuführen. Bevorzugt wird dann rein analog weitergeleitet, so dass auch das Ausgangssignal analog ist.
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In einer Ausführungsform übermittelt die integrierte Schaltungseinheit im Ereignis-Melde-Modus ein Ereignis-Signal über eine Trigger-Leitung oder im Ereignis-Daten-Modus ein Mess-Signal über eine Messinformations-Leitung an eine programmierbare und/oder digital arbeitende Logikbausteineinheit, insbesondere ein FPGA.
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Auf diese Weise kann das Auftreten eines Ereignisses besonders schnell an eine externe Auswertungseinheit gemeldet werden oder Messinformationen über das Ereignis in einer fertig aufbereiteten Form beispielsweise für einen PC als externe Auswertungseinheit durch die Auslese-Elektronik bereitgestellt werden. Fertig aufbereitete Form von Messinformationen meint beispielsweise über eine Ethernet-Schnittstelle übermittelbar.
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Insbesondere ist die Trigger-Leitung unmittelbar an die integrierte Schaltungseinheit angeschlossen, um ein Ereignis-Signal als Ausgangssignal der integrierten Schaltungseinheit mittels der Trigger-Leitung zu übermitteln, vorzugsweise für jeden Kanal eine Trigger-Leitung.
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Vorzugsweise ist das Ereignis-Signal ein digitales Ausgangssignal der integrierten Schaltungseinheit. Grundsätzlich ist es möglich, dass die integrierte Schaltungseinheit digitale und/oder analoge Schaltungen oder Funktionen umfasst. Insbesondere weist die integrierte Schaltungseinheit einen Ereignis-Signal-A/D-Wandler auf. Ein Ereignis kann so besonders schnell gemeldet werden.
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Insbesondere ist die Messinformations-Leitung an eine integrierte Schaltungseinheit angeschlossen oder damit verbunden, um ein Mess-Signal als Ausgangssignal der integrierten Schaltungseinheit mittels der Messinformations-Leitung zu übermitteln.
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Insbesondere ist bei Vorsehen von mehreren integrierten Schaltungseinheiten nicht für jede der integrierten Schaltungseinheiten eine eigene Messinformations-Leitung vorgesehen, sondern eine gemeinsame Messinformations-Leitung, um ein Mess-Signal einer der integrierten Schaltungseinheiten zur Logikbausteineinheit zu übermitteln. Bevorzugt weist die Auslese-Elektronik insgesamt mindestens zwei und/oder höchstens fünf Messinformations-Leitungen auf, insbesondere unabhängig von der Anzahl der integrierten Schaltungseinheiten. Auf diese Weise können parallel mehrere verschiedene Messinformationen über ein Ereignis besonders schnell übermittelt werden und gleichzeitig ein einfacher Aufbau erhalten werden.
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Vorzugsweise ist das Mess-Signal ein analoges Ausgangssignal der integrierten Schaltungseinheit, das über die Messinformations-Leitung übermittelt wird.
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In einer Weiterentwicklung weist die Auslese-Elektronik einen Mess-Signal-A/D-Wandler auf, der bevorzugt an der Messinformations-Leitung, vorzugsweise zwischen der integrierten Schaltungseinheit und der Logikbausteineinheit, angeordnet ist, um das analoge Mess-Signal der integrierten Schaltungseinheit auf dem Weg zur Logikbausteineinheit in ein digitales Mess-Signal umzuwandeln. Vorzugsweise ist der Mess-Signal-A/D-Wandler multiplexfähig, kann die Mess-Signale mehrerer paralleler Messinformations-Leitungen in digitale Mess-Signale umwandeln. Bauraum kann so eingespart werden.
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Bevorzugt sind allgemein die analogen Signale des Mehrkanalphotomultipliers und/oder die analogen Ausgangssignale der integrierten Schaltungseinheit Stromsignale, also keine Spannungssignale.
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Wenn das Mess-Signal von der integrierten Schaltungseinheit als analoges Stromsignal ausgegeben wird, ist dem Mess-Signal-A/D-Wandler vorzugsweise ein Strom-Spannungs-Wandler vorgeschaltet, so dass an dem Mess-Signal-A/D-Wandler ein Spannungssignal empfangen wird, das in das digitale Signal insbesondere für die Logikbausteineinheit umgewandelt werden soll. Eine besonders effektive Umwandlung von dem analogen Ausgangssignal in ein digitales Eingangssignal für die Logikbausteineinheit kann so ermöglicht werden.
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Insbesondere ist die Messinformations-Leitung eine analoge Differentialleitung. Eine einfache und zuverlässige Funktionsweise der Auslese-Elektronik für die Bereitstellung von Messdaten eines Ereignisses kann so ermöglicht werden.
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Ein FPGA ist die Abkürzung für engl. „Field Programmable Gate Array“. Ein FPGA ist ein insbesondere digital arbeitender integrierter Schaltkreis, in welchen eine logische Schaltung geladen werden kann.
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Durch den Einsatz eines FPGA als die Logikbausteineinheit kann ein fertig aufbereitetes Mess-Signal besonders zuverlässig und einfach bereitgestellt werden. Ferner erlaubt ein FPGA eine besonders einfache und benutzerfreundliche Einstellbarkeit und Nutzung im Betrieb.
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In einer Weiterentwicklung ist nur eine Logikbausteineinheit vorgesehen, vorzugsweise für größere Anzahl an integrierten Schaltungseinheiten wie z.B. ASICS. Ein einfacher und platzsparender Aufbau kann so realisiert werden.
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In einer Ausführungsform entspricht die Anzahl der Trigger-Leitungen der Anzahl der jeweils einem Pixel zugeordneten analogen Ausgänge des Mehrkanalphotomultipliers. Eine besonders schnelle Ereignis-Signal-Übermittlung kann so ermöglicht werden.
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In einer Ausführungsform wird im Ereignis-Melde-Modus bei Auftreten eines Ereignisses an einem Pixel nur die jeweilige Trigger-Leitung für die Übermittlung des Ereignis-Signals genutzt wird, während alle übrigen Trigger-Leitungen blockiert werden. Eine besonders schnelle Übermittlung und auch Weiterverarbeitung des Ereignis-Signals durch die nachgelagerte Komponente, insbesondere Logikbausteineinheit, kann so ermöglicht werden.
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Insbesondere werden alle übrigen Trigger-Leitungen derselben integrierten Schaltungseinheit blockiert, also keine Trigger-Leitungen anderer integrierter Schaltungseinheiten bei Vorsehen von mehreren integrierten Schaltungseinheiten. Ein besonders einfacher Aufbau kann so ermöglicht werden.
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In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung nur einen Mehrkanalphotomultiplier auf und/oder die Auslese-Elektronik weist nur eine Logikbausteineinheit zum Steuern der Auslese-Elektronik und zum Bereitstellen einer Datenschnittstelle für eine externe Auswertungseinheit auf. Insbesondere dient die Logikbausteineinheit ferner zum Kalibrieren der Auslese-Elektronik, vorzugsweise der mindestens einen integrierten Schaltungseinheit. Durch nur einen Mehrkanalphotomultiplier und nur eine Logikbausteineinheit kann ein besonders einfacher und kompakter Aufbau realisiert werden, der sich mit geringem Aufwand herstellen und steuern lässt.
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In einer Ausführungsform umfasst die Auslese-Elektronik mehrere integrierte Schaltungseinheiten für ein erstes Verarbeiten der analogen Signale des Mehrkanalphotomultiplier, welche die analogen Ausgänge des Mehrkanalphotomultipliers unter sich aufteilen und/oder eine gemeinsame Messinformations-Leitung für die Übermittlung eines Mess-Signals an die Logikbausteineinheit nutzen.
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Erstes Verarbeiten der analogen Signale meint, dass die Signale anschließend noch durch eine nachgelagerte Komponente wie z.B. der Logikbausteineinheit weiterverarbeitet werden. Verarbeiten oder Weiterverarbeiten meint, dass grundsätzlich die Möglichkeit zur planmäßigen Modifikation des Signals besteht, jedoch auch eine Kalibrierung vorgesehen werden kann, durch die das Signal lediglich ohne Modifikation weitergeleitet wird. Ein einfaches Kabel ist nicht zur Verarbeitung oder Weiterverarbeitung eines Signals eingerichtet oder geeignet, weil es keine planmäßige Modifikation des Signals im Sinne der vorliegenden Anmeldung erlaubt. Die bloßen physikalischen Eigenschaften eines Kabels wie z.B. der intrinsische Widerstand, die auch Auswirkungen auf ein Signal haben können, sind hier ausdrücklich nicht als eine planmäßige Modifikation gemeint. Vielmehr verlangt eine planmäßige Modifikation eines Signals beispielsweise eine logische Operation, Verschaltung oder zumindest eine zusätzliche elektronische Komponente. Somit verarbeitet beispielsweise die Logikbausteineinheit das Ereignis-Signal durch das Weiterleiten des Signals zu einer Datenschnittstelle, auch wenn das Ereignis-Signal möglicherweise nicht gezielt modifiziert wurde. Denn die Logikbausteineinheit verfügt grundsätzlich über die Einrichtung, um bei entsprechender Konfiguration das Ereignis-Signal modifizieren zu können. Ebenso verarbeitet die integrierte Schalteinheit ein Mess-Signal durch das Weiterleiten in Richtung der Logikbausteineinheit, auch wenn das Mess-Signal möglicherweise nicht gezielt modifiziert wurde. Denn die integrierte Schalteinheit verfügt grundsätzlich über die Einrichtung, um bei entsprechender Konfiguration das Mess-Signal modifizieren zu können.
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Die Vorteile des Vorsehens mehrerer integrierter Schaltungseinheiten, des Aufteilens der analogen Signale des Mehrkanalphotomultipliers unter mehreren integrierten Schaltungseinheiten sowie der Nutzung einer gemeinsamen Messinformations-Leitung für die Übermittlung eines Mess-Signals wurden bereits oben erläutert.
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In einer Ausführungsform ist ein Ereignis-Signal-A/D-Wandler der integrierten Schaltungseinheit zugeordnet, um ein digitales Ereignis-Signal an die Logikbausteineinheit zu übermitteln. Die entsprechenden Vorteile wurden bereits oben erläutert.
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In einer Ausführungsform ist ein Mess-Signal-A/D-Wandler an einer Messinformations-Leitung zwischengeschaltet, um ein digitales Mess-Signal an die Logikbausteineinheit zu übermitteln. Die entsprechenden Vorteile wurden bereits oben erläutert.
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In einer Weiterentwicklung erlaubt die Logikbausteineinheit ein Steuern und/oder Konfigurieren der integrierten Schaltungseinheit oder der mehreren integrierten Schaltungseinheiten. Durch die zentrale Steuerung und/oder Kalibrierung durch die Logikbausteineinheit wird ein einfacher Aufbau ermöglicht. Eine Steuerung und Kalibrierung ist besonders einfach und komfortabel beispielsweise durch die Auswertungseinheit möglich, wobei insbesondere aufgrund der Programmierbarkeit des Logikbausteineinheit eine Vielzahl von Maßnahmen automatisiert werden können, die sonst manuelle Eingriffe erfordern würden.
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In einer Ausführungsform ist ein D/A-Wandler an einer Kalibrationsleitung von der Logikbausteineinheit zu der integrierten Schaltungseinheit zwischengeschaltet, um ein Kalibrationssignal analog an die mindestens eine integrierte Schaltungseinheit zu übermitteln.
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Auf diese Weise lässt sich die mindestens eine integrierte Schaltungseinheit und/oder alle integrierten Schaltungseinheiten gleichzeitig besonders einfach kalibrieren, weil auch digital verarbeitete Signale von der Logikbausteineinheit für die Kalibrierung genutzt werden können. Vorzugsweise ist nur eine Kalibrationsleitung mit zwischengeschaltetem D/A-Wandler in der Auslese-Elektronik vorgesehen, die bei Vorsehen von mehreren integrierten Schaltungseinheiten gemeinsam genutzt wird.
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In einer Ausführungsform ist eine Steuerleitung zwischen der Logikbausteineinheit und der mindestens einen integrierten Schaltungseinheit vorgesehen. Die Steuerleitung dient beispielsweise der Konfiguration, was z.B. die Auswahl zwischen den beiden Alternativen, Ereignis-Melde-Modus und Ereignis-Daten-Modus, umfasst. Diskriminierung betrifft allgemein die Information, in welchem Energiebereich Nutzsignale zu finden sind.
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Vorzugsweise sind nur diese beiden alternativen Modi vorgesehen, um einen Aufbau und eine Steuerbarkeit mit besonders geringer Komplexität umzusetzen.
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Bei mehr als einer integrierten Schaltungseinheit ist eine eigene Steuerleitung für jede der integrierten Schaltungseinheiten vorgesehen.
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Vorzugsweise sind neun Steuerleitungen zu jeder der integrierten Schaltungseinheiten vorgesehen, um einen besonders hohen Automatisierungsgrad im Betrieb realisieren zu können.
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In einer Weiterentwicklung ist eine separate analoge Kalibrierungsleitung von der Logikbausteineinheit bis zu der mindestens einen integrierten Schaltungseinheit vorgesehen. Vorzugsweise weist die Auslese-Elektronik nur eine solche von der Logikbausteineinheit bis zur integrierten Schaltungseinheit rein analoge Kalibrierungsleitung auf. Eine Analog-Digital-Umwandung kann somit entfallen und besonders schnell kalibriert werden.
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In einer Ausführungsform ist eine Photomultiplier-Simulationseinheit vorgesehen, vorzugsweise mittels einer Kapazität oder mehrerer Kapazitäten.
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Insbesondere ist die Photomultiplier-Simulationseinheit an der Kalibrierungsleitung und/oder an der Kalibrationsleitung, insbesondere zwischen einer integrierten Schaltungseinheit und einem D/A-Wandler, zwischengeschaltet. Ein besonders hoher Automatisierungsgrad und ein zugleich zuverlässiger Detektionsbetrieb kann dadurch erreicht werden.
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In einer Ausführungsform umfasst der Mehrkanalphotomultiplier mindestens 32, mindestens oder genau 64, mindestens oder genau 256, und/oder höchstens 1024 Kanäle, Anoden oder analoge Ausgänge.
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Genau 64, also 8 × 8, oder genau 256, also 16 × 16, haben den Vorteil, dass diese Anzahl von Kanäle, Anoden oder analoge Ausgänge platzeffizient und/oder auf einer quadratischen Fläche angeordnet werden können, wo die Anzahl der Reihen gleich der Anzahl der Spalten ist.
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Eine überschaubare und gut handhabbare Anzahl von Chips genügt zudem zur Verarbeitung der Signale der analogen Ausgänge, so dass immer noch ein besonders einfach aufgebautes und steuerbares System erhalten werden kann.
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Mindestens 32 Kanäle, Anoden oder analoge Ausgänge haben den Vorteil, dass diese Anzahl es noch erlaubt, eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der die Grundfläche kleiner oder gleich der Fläche der Frontseite ist.
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Bei mehr als 1024 Kanälen, Anoden oder analogen Ausgängen wäre eine so große Anzahl von Chips zur Signalverarbeitung nötig, dass die resultierende Komplexität wieder zu einem limitierenden Faktor werden könnte und zudem die Fehleranfälligkeit der Vorrichtung ansteigen würde.
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In einer Ausführungsform beträgt die Frontseitenlänge und/oder die Frontseitenbreite mindestens 35 mm, bevorzugt 45 mm, und/oder höchstens 70 mm, bevorzugt höchstens 60 mm, besonders bevorzugt höchstens 55 mm.
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Mindestens 35 mm erlauben, eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der die Grundfläche kleiner oder gleich der Fläche der Frontseite ist. Höchstens 70 mm ermöglicht eine besonders kompakte, aber einfache Bauweise, wobei ein System mit mehreren solcher Vorrichtungen besonders flexibel aufgebaut werden kann.
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Höchstens 55 mm haben insbesondere in Verbindung mit 64 Kanälen des Mehrkanalphotomultipliers durch vorzugsweise vier Chips den Vorteil eines besonders leicht zu handhabbaren, fehlerrobusten und automatisierten Betriebs der Auslese-Elektronik. Eine besonders vorteilhafte Abstimmung und Auslastung der Komponenten wird hiermit ermöglicht.
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In einer Ausführungsform ist die Frontseitentiefe im Wesentlichen so groß oder größer als die Frontseitenlänge und/oder die Frontseitenbreite, bevorzugt höchstens 1,5 mal so groß.
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Bei einer im Wesentlichen so großen Frontseitentiefe wie Frontseitenlänge und Frontseitenbreite weist die Vorrichtung einen würfelartigen Gesamteindruck auf.
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Dadurch, dass die Frontseitentiefe größer ist als die Frontseitenlänge und/oder die Frontseitenbreite, bevorzugt aber nicht größer als das 1,5-fache, kann eine besonders einfach und flexible handhabbare Vorrichtung bereitgestellt werden, die aufgrund der ausgewogenen Proportionen und der vergleichsweise gleichmäßigen Gewichtsverteilung zu einem besonders stabilen System mit mehreren Vorrichtungen lösbare zusammengesetzt und bei Bedarf auch verändert werden kann. Vorzugsweise dient eine mechanische Aufnahme- und Fixierungseinrichtung zu einer besonders einfachen Fixierbarkeit und Lösbarkeit einer einzelnen Vorrichtung von einer oder mehrerer benachbarter Vorrichtungen eines Systems mit mehreren baugleichen Vorrichtungen. Insbesondere kann so eine Aufnahme- und Fixierungseinrichtung aus Metall hergestellt sein und/oder mindestens eine Schraubverbindung für das lösbare Fixieren aufweisen.
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In einer Ausführungsform ist die Auslese-Elektronik, also die gesamte Auslese-Elektronik, auf mindestens zwei Leiterplatten und/oder höchstens sechs Leiterplatten verteilt angeordnet, wobei die Leiterplatten hintereinander angeordnet sind, und zwar parallel oder orthogonal zur Frontseite und/oder zur Detektionsfläche des Mehrkanalphotomultipliers. Eine Leiterplatte ist allgemein ein Träger aus Isolationsmaterial zur mechanischen Befestigung von elektronischen Bauteilen und/oder elektrischen Verbindung(en).
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Durch die Aufteilung auf mindestens zwei Leiterplatten wird besonders einfach ermöglicht, dass die Grundfläche kleiner oder gleich der Fläche der Frontseite ist. Zudem wird eine Trennung von analoger/digitaler Signalverarbeitung ermöglicht und ein Übersprechen vermieden oder reduziert. Bei mehr als sechs Leiterplatten würde der Aufbau eine besonders hohe Komplexität und zudem übermäßig große Tiefe erreichen, welche einem reibungslosen Einsatz in der Praxis hinderlich wäre.
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Das zur Frontseite und/oder zur Detektionsfläche parallele hintereinander Anordnen der Leiterplatten ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau mit einer besonders zuverlässigen Funktionsweise. Beispielsweise können so die Leitungslängen zwischen dem Mehrkanalphotomultiplier und der mindestens einen integrierten Schaltungseinheit minimiert werden. Schlussendlich kann hierdurch räumlich besonders effizient eine Grundfläche erhalten werden, die kleiner oder gleich der Fläche der Frontseite ist.
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In einer Ausführungsform ist die Auslese-Elektronik auf zwei separate, jedoch fest mechanisch verbundene Bauteile verteilt, wobei das erste Bauteil die mindestens eine integrierte Schaltungseinheit und/oder das zweite Bauteil die Logikbausteineinheit umfasst. Insbesondere umfasst ein Bauteil mindestens eine Leiterplatte. Ein Bauteil kann aber auch zwei Leiterplatten und/oder zusätzliche Elektronikbausteine umfassen, die jedoch mechanisch fest miteinander verbunden sind. Vorzugsweise werden Daten zwischen zwei Bauteilen durch Leitungen ausgetauscht oder übertragen, die einen Luftspalt von mehr als 1 mm frei durchqueren. Mit anderen Worten verlaufen zwischen zwei Bauteilen frei hängende Kabel. Zwei benachbarte Bauteile sind somit zwar fest miteinander verbunden, jedoch sind die Datenleitungen zwischen den Bauteilen vorzugsweise nicht fest in einem Träger integriert.
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Ein besonders kompakter und funktionell übersichtlicher Aufbau kann so ermöglicht werden. Eine Aufnahme- und Fixierungseinrichtung kann eine Auslese-Elektronik mit zwei Bauteilen besonders zuverlässig und für den Benutzer einfach anbringbar und lösbar halten und fixieren. Auch die Grundfläche kann auf diese Weise unter Ausnutzung der oben beschriebenen Synergien kleiner oder gleich der Fläche der Frontseite gehalten werden.
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In einer Weiterentwicklung ist das erste Bauteil zwischen dem Mehrkanalphotomultiplier und dem zweiten Bauteil angeordnet und/oder verbindet den Mehrkanalphotomultiplier mit dem zweiten Bauteil. Insbesondere sind die Eingänge der integrierten Schaltungseinheit entsprechend oder ungefähr an den Positionen der analogen Ausgänge des Mehrkanalphotomultipliers angeordnet, vorzugsweise in Reihen und Spalten, d.h. matrixförmig. Ein übersichtlicher und einfacher Aufbau, kurze Kabellängen und eine kompakte Bauweise können so ermöglicht werden.
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In einer Weiterentwicklung sind auf dem zweiten Bauteil der Mess-Signal-A/D-Wandler, der Strom-Spannungs-Wandler, der D/A-Wandler und/oder die Photomultiplier-Simulationseinheit angeordnet. Eine kompakte Bauweise kann so ermöglicht werden.
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In einer Ausführungsform weist die Auslese-Elektronik, bevorzugt das zweite Bauteil, mindestens eine Schnittstelle zur Ausgabe eines Signals an eine externe Auswertungseinheit auf, vorzugsweise eine RJ-45-Schnittstelle, eine Lemo-Schnittstelle und/oder eine JTAG-Schnittstelle.
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Ein besonders hoher Automatisierungsgrad und Benutzerkomfort können so erzielt werden. Das Anordnen mindestens einer Schnittstelle an dem zweiten Bauteil vereinfacht den Zugang zum Anschließen eines Kabels für den Benutzer und ermöglicht ferner eine besonders kompakte Bauweise, weil möglichst wenig Bauraum durch Kabelführung verloren geht.
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Eine JTAG- oder IEEE-Schnittstelle kann zur benutzerseitigen Steuerung, Konfiguration und/oder Programmierung der Logikbausteineinheit, insbesondere FPGA, genutzt werden. Ein gewöhnlicher Computer oder PC kann durch die JTAG-Schnittstelle oder Ethernet-Schnittstelle als Auswertungseinrichtung. eingesetzt werden. Die Lemo-Schnittstelle dient der zeitlichen Synchronisation bei der Weiterverarbeitung der Signale des Mehrkanalphotomultipliers. Die RJ-45-Schnittstelle, also eine Ethernet-Schnittstelle, ermöglicht, dass der Logikbausteineinheit, insbesondere FPGA, Anweisungen über das Internet erhalten kann. Bevorzugt ist eine Internetschnittstelle vorgesehen. Umgekehrt kann die Logikbausteineinheit aber auch ohne Anweisungen über eine Internetschnittstelle Daten weiterleiten.
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In einer Weiterentwicklung ist ein elektrischer Energieverteiler zum Versorgen der Auslese-Elektronik mit Strom und/oder ein separater Hochspannungsverteiler für den Mehrkanalphotomultiplier vorzugsweise auf dem zweiten Bauteil vorgesehen. Das separate Vorsehen des elektrischen Energieverteilers und des Hochspannungsverteilers lässt sich technisch besonders einfach umsetzen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung zur Lösung der Aufgabe betrifft ein System mit mehreren Vorrichtungen insbesondere gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorhergehend beschriebenen Vorrichtung zur Lösung der Aufgabe, wobei die Frontseiten der Mehrkanalphotomultiplier der Vorrichtungen auf einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, um eine zusammenhängende Gesamtdetektionsfläche zu bilden, wobei zwei benachbarte Vorrichtungen übereinander und/oder nebeneinander unmittelbar aneinander anliegen oder angrenzen.
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Angrenzen meint, dass zwei Vorrichtungen seitlich und parallel zueinander ausgerichtet so eng wie möglich nebeneinander angeordnet und bevorzugt in dieser Position mechanisch fest verbunden sind. Anliegen meint, dass zwei benachbarte Vorrichtungen mindestens in einem Punkt oder Flächenabschnitt aneinander angrenzen.
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Bevorzugt liegen zwei benachbarte Rand-Abschnitte, welche die jeweilige Detektionsfläche ihrer Vorrichtung umgeben, aneinander an. Eine besonders große Gesamtdetektionsfläche mit minimalen toten Bereichen kann so bereitgestellt und mit geringem Aufwand gesteuert und betrieben werden. Zudem kann eine integrierte Datenaufbereitung sowie ein direktes Auslesen von Nutzdaten ermöglicht werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert und mit Bezug zu den Zeichnungen die Ausführungsformen sowie zusätzliche vorteilhafte Ausgestaltungen näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1: Schematische Darstellung der Vorrichtung;
- 2: Schematische Übersicht über den Aufbau der Vorrichtung;
- 3: Schematische isometrische Rückansicht der Vorrichtung;
- 4: Schematische isometrische Rückansicht eines Systems mit mehreren mechanisch verbundenen Vorrichtungen;
- 5: Schematische isometrische Detail-Frontansicht eines Systems mit mehreren mechanisch verbundenen Vorrichtungen, wobei auf drei der vier Frontseiten optionale Szintillatoren angekoppelt sind;
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung mit einem an die Frontseite ankoppelbaren gestrichelt dargestellten Szintillator 23 und einer an die Vorrichtung anschließbaren gestrichelt dargestellten Auswertungseinheit 22, insbesondere Computer.
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Die 2 zeigt die Aufteilung der Auslese-Elektronik 2, 3 auf das erste Bauteil 2 und das zweite Bauteil 3, die unten näher erläutert werden.
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Die 3 zeigt die äußeren Dimensionen der Vorrichtung 10, die insgesamt eine vorzugsweise quadratische Frontseite 4 mit einer quadratischen Detektionsfläche 21 sowie eine rechteckige oder im Wesentlichen quadratische Grundfläche 5 aufweist, die durch die Länge L' und die Breite B' aufgespannt wird. Die gesamte Auslese-Elektronik befindet sich - wie in 3 durch eine gestrichelte Linie umrissen - innerhalb eines quaderförmigen, imaginären Schlauches mit der Länge L', der Breite B' und der Tiefe T". Die Grundfläche 5 ist kleiner als die Fläche der Frontseite 4 mit der Länge L und der Breite B. Auch die restlichen Außenkonturen des Mehrkanalphotomultipliers bleiben in Längen- und Breitenrichtung innerhalb der Außenkontur der Frontseite 4.
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Die Vorrichtung 10 kann problemlos zu einem System 20 nebeneinander und übereinander angrenzend und anliegend angeordnet werden, so dass eine ebene Gesamtdetektionsfläche aus den einzelnen Detektionsfläche 21 der einzelnen Vorrichtungen 10 zusammengesetzt werden kann.
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Die 4 zeigt exemplarisch ein solches System 20 mit vier nebeneinander und übereinander fixiert angeordneten Vorrichtungen 10. Das System 20 ist beliebig skalierbar und die Außenkontur der Gesamtdetektionsfläche kann bei Bedarf flexibel verändert werden, indem die Anordnung der Vorrichtungen 10 verändert wird.
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Die 5 zeigt das System 20 der 4 mit optional angekoppelten Szintillatoren 23. Bei einer Vorrichtung 10 ist für Illustrationszwecke der Szintillator 23 ausgeblendet, um die Detektionsfläche 21 zu zeigen. Die Auslese-Elektronik 2, 3 wurde in 5 ebenfalls ausgeblendet.
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Ein Szintillator ist ein Körper, dessen Moleküle beim Durchgang von energiereichen Teilchen, wie z.B. einem Neutron, insbesondere durch Stoßprozesse angeregt werden und die Anregungsenergie in Form beispielsweise von Licht, also Photonen, wieder abgeben. Einige dieser Photonen breiten sich in Richtung der Detektionsfläche 21 des Mehrkanalphotomultipliers 1 aus und fallen auf ein Pixel der Detektionsfläche 21.
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Vorzugsweise ist der Szintillator durch einen Luftspalt von ca. 1 mm von der Detektionsfläche 21 getrennt an dem Mehrkanalphotomultiplier an gebracht, insbesondere wenn der Szintillator keine Furchen aufweist, und/oder umfasst Li-Glas oder besteht daraus. Vorzugsweise sind Furchen in dem Szintillator vorgesehen, insbesondere bei einem direkten Aufliegen des Szintillators auf der Detektionsfläche 21, um eine klare Trennung der Pixel des Mehrkanalphotomultipliers 1 zu erreichen und dadurch beispielsweise den sogenannten „Cross-Talk“-Effekt, also Übersprech-Effekt, zu reduzieren, bei dem beispielsweise ein Photon, dass in einem bestimmten Pixel des Szintillators im Rahmen eines Detektionsvorgangs erzeugt wurde, aufgrund einer schrägen Ausbreitungsrichtung und des Luftspalts an dem korrespondierenden Pixel der Detektionsfläche 21 vorbei auf ein benachbartes Pixel der Detektionsfläche 21 trifft und folglich falsch zugeordnet wird.
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In 2 ist links ist ein Mehrkanalphotomultiplier 1 gezeigt. Rechts davon schließt sich das erste Bauteil 2 an, welches die Funktion Verstärker, Diskriminator und Analog-Digitalwandlung für das Mess-Signal übernimmt. Der Diskriminator sorgt dafür, dass aus der Vielzahl der gemessenen Signale des Mehrkanalphotomultipliers 1 die Nutzsignale herausgefiltert werden. Die durch die integrierte Schaltungseinheit 7 herausgefilterten Signale werden an das zweite Bauteil 3 mit der FPGA als die Logikbausteineinheit 11 weiter übermittelt und zwar vorzugsweise in digitaler Form.
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Im Ereignis-Daten-Modus ordnet der FPGA einem Mess-Signal, der von der integrierten Schaltungseinheit 7 durch ein erstes Verarbeiten analog bereitgestellt und durch den Mess-Signal-A/D-Wandler 25 digital an den FPGA übermittelt worden ist, einen Ort auf der Detektorfläche 21, also z.B. die Lage oder die Nummer eines Pixel zu. Zudem kann der FPGA das Mess-Signal mit einem Zeitstempel versehen und/oder rechnet bei Bedarf z.B. die Pulshöhe als eine Messinformation in eine entsprechende Einheiten umrechnen.
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Im Ereignis-Melde-Modus erhält der FPGA lediglich das Ereignis-Signal mit der Ja/Nein-Information, dass es ein Ereignis an einem bestimmten Pixel oder an einem einer bestimmten integrierten Schaltungseinheit zugeordneten Pixel gegeben hat.
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Die so aufbereiteten Daten werden durch den FPGA in ein Netzwerk oder über ein Netzwerk beispielsweise einem Computer zugeleitet.
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In 2 bedeuten die in Klammern gesetzten Zahlen die Anzahl der in der abgebildeten Ausführungsform eingesetzten Leitungen, die vereinfacht nur durch eine Linie dargestellt sind. D.h. sechzehn Leitungen verlaufen von dem Mehrkanalphotomultiplier 1 zu jeder der vier integrierten Schaltungseinheiten 7.
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Die integrierten Schaltungseinheiten 7, die in Form eines Chips vorliegen, dienen als Verstärker und Diskriminator und können zusätzlich auch eine Analog-Digital-Umwandlung eines Ereignis-Signals vornehmen. Jeder der vier Chips bzw. integrierten Schaltungseinheiten 7 verfügen über sechzehn Signaleingänge. So wird erreicht, dass für jeden Pixel der Detektionsfläche 21 ein eigener Signaleingang in den Chip bzw. die integrierte Schaltungseinheit zur Verfügung steht. Die Chips bzw. integrierten Schaltungseinheiten 7 sind in logischer Hinsicht parallel geschaltet. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch eine besonders zuverlässige und schnelle Funktionsweise erzielt werden kann.
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Um die Verarbeitung zu steuern, gibt es 4x9 serielle Steuerungsleitungen 17, also neun Steuerungsleitungen 17 pro Chip bzw. integrierte Schaltungseinheit 7. Die Steuerung erfolgt über das zweite Bauteil 3 bzw. den FPGA 11. Der FPGA 11 steuert beispielsweise die Diskriminierung, übermittelt also die Information, in welchem Energiebereich die Nutzsignale zu finden sind.
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Über den FPGA 11 wird weiter eine Kalibrierung durchgeführt. Dafür ist eine Kalibrationsleitung 12 und eine insbesondere analoge Kalibrierungsleitung 18 vorgesehen. Die Kalibrationsleitung 12 umfasst einen D/A-Wandler 19. Weiter gibt es eine Photomultiplier-Simulationseinheit 24, insbesondere eine oder mehrere Kapazitäten, die dafür zuständig sind, einen Photomultiplier zu simulieren. Der FPGA gibt ein digitales Kalibrationssignal aus. Dieses wird über den D/A-Wandler 19in ein analoges Kalibrationssignal umgewandelt und anschließend in Kapazitäten eingespeist. Die Kapazitäten simulieren nun einen Photomultiplier. Das sich hieraus ergebende Simulations-Signal wird dann an die Chips, also die integrierten Schaltungseinheiten 7 weitergeleitet. Im Anschluss daran geben die integrierten Schaltungseinheiten 7 ein Digitalsignal aus. Dieses wird dann kalibriert, so dass alle integrierten Schaltungseinheiten 7 in Reaktion auf ein gleiches Eingangssignal ein gleiches Ausgangssignal erzeugen. Auch der Mehrkanalphotomultipliers 1 reagiert in der Regel unterschiedlich. Diese unterschiedlichen Reaktionen sind jedoch vorher bekannt und werden in dem FPGA hinterlegt, so dass auch hier ein Abgleich bzw. eine Kalibrierung vorgenommen werden kann.
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Zur Weiterleitung eines Ereignis-Signals im Ereignis-Melde-Modus gibt es Trigger-Leitungen 8. Zur Weiterleitung eines Mess-Signals im Ereignis-Daten-Modus gibt es eine differential analoge Messinformations-Leitung 9. Die Trigger-Leitungen 8 dienen also für die Weiterleitung der Information, dass ein Ereignis stattgefunden hat. Die Messinformations-Leitung 9 hingegen dient zur Weiterleitung einer Messinformation, z.B. der Pulshöhe oder der Pulsform, also komplette Pulsform, vorzugsweise als analoge Daten. Diese Unterscheidung zwischen zwei verschiedenen Weiterleitungen dient dazu, eine schnelle Auslesung zu ermöglichen, wenn es lediglich auf das Auftreten von Ereignissen ankommt.
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Soll nur ein Ereignis gemessen werden und wird beispielsweise auf einem beliebigen Pixel ein Ereignis festgestellt, also z.B. ein Photon registriert, wird dieses Ereignis weiterverarbeitet und von der integrierten Schaltungseinheit 7 als Digitalsignal an den FPGA übermittelt. In dieser Zeit werden die anderen fünfzehn Kanäle der entsprechenden integrierten Schaltungseinheit 7 blockiert. Die Weiterleitung erfolgt über die Trigger-Leitungen 8. Der Ereignis-Melde-Modus wurde zuvor vom FPGA an die integrierten Schaltungseinheiten 7 übermittelt und zwar über die Steuerleitungen 17. Jede integrierte Schaltungseinheit 7 verfügt nur über einen Ereignis-Signal-A/D-Wandler (nicht dargestellt). Um in dem Fall, dass Pulshöhen und/oder Pulsform von Interesse sind, also im Ereignis-Daten-Modus, besonders schnell verarbeiten zu können, umfasst die differential analoge Messinformations-Leitung 9 ebenfalls einen Mess-Signal-A/D-Wandler. Die Chips bzw. integrierten Schaltungseinheiten 7 sind weiter so geschaffen, dass keine digitale Verarbeitung stattzufinden braucht. Jede integrierte Schaltungseinheit 7 verfügt daher über sechzehn analoge Ausgänge. Die Chips bzw. integrierte Schaltungseinheiten 7 können so geschaltet werden, über FPGA und Steuerleitungen 17, dass also ein analoges Signal des Mehrkanalphotomultipliers 1 an einen analogen Ausgang 6 der integrierten Schaltungseinheiten 7 weitergeleitet wird, welches lediglich gegebenenfalls durch Widerstände nivelliert wird. Es können so grundsätzlich also die Analogsignale über 4x16 Leitungen, nämlich die Trigger-Leitung 8, oder aber nur über eine Leitung 9, nämlich die Messinformations-Leitung 9, an das zweite Bauteil 3 weitergeleitet werden, vorzugsweise in digitaler Form nach einer analog-digital-Umwandlung durch die oben erwähnten A/D-Wandler. Der Mess-Signal-A/D-Wandler 25 ist vorzugsweise multiplexfähig, kann also mehrere Signale gleichzeitig bearbeiten. Alternativ oder ergänzend könnten auch entsprechend mehrere A/D-Wandler vorgesehen werden, also eine Anordnung, welches leistungsfähiger Analog-Digitalwandlung betreiben kann. Aus Bauraumgründen ist nur ein Mess-Signal-A/D-Wandler 25 zu bevorzugen. Der bevorzugt multiplexfähige Mess-Signal-A/D-Wandler 25 leitet dann die digitalisierten Daten an den FPGA weiter.
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In einer Ausführungsform ist eine standardisierte I2C-Schnittstelle 26 vorgesehen, vorzugsweise an dem zweiten Bauteil 3, die so eingerichtet ist, dass Daten von einem Sensor 27 (in 2 nur schematisch durch eine gestrichelte Linie angedeutet) eingespeist werden können, vorzugsweise in die Logikbausteineinheit 11. Der Insbesondere kann der Sensor ein Temperatursensor, Feuchtigkeitssensor und/oder Spannungssensor sein. Bei Bedarf können so Temperatur-, Feuchtigkeits-, Spannungs- und Stromwerte eingespeist werden, z.B. zu Umgebungsdaten wie z. B. ob Licht an war und der Mehrkanalphotomultiplier folglich nichts messen konnte.
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Es gibt vorzugsweise eine RJ-45-Schnittstelle 16, über diese der FPGA Anweisungen erhält.
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Es gibt vorzugsweise eine Lemo-Schnittstelle, über die zwecks Synchronisation ein Takt für die internen Quarzkristall-Schwingungen vorgegeben werden kann. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass sämtliche internen Taktgeber gleichgeschaltet sind und somit zeitgleich gemessen werden kann, also beispielsweise bei Takt eins. Quarze werden nicht physisch umgestellt, stattdessen wird mit einer Logik festgestellt, wann zeitgleich gemessen worden ist.
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Es gibt vorzugsweise eine JTAG-Schnittstelle 14, die an eine externe Auswertungseinheit 22, vorzugsweise PC, angeschlossen werden kann und dazu dient, Firmware in den FPGA hochladen zu können. Es gibt darüber hinaus vorzugsweise einen Energieverteiler 28 für die Komponenten des ersten und zweiten Bauteils 2, 3 und/oder einen Hochspannungsverteiler 29, abgekürzt HV, zur Versorgung des Mehrkanalphotomultipliers 1 mit Hochspannung. Es ist technisch vorteilhaft und einfacher, die beiden unterschiedlichen Spannungsversorgungen zu trennen. Eine Versorgungseinheit 30 stellt die Energie für den Energieverteiler 28 und/oder den Hochspannungsverteiler 29 bereit, wandelt also den Strom der externen Energieversorgung entsprechend um.
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In einer Ausführungsform ist das zweite Bauteil 3 insgesamt der FPGA bzw. ein FPGA-Bauteil oder FPGA-Bauteilanordnung. Vorzugsweise ist das zweite Bauteil 3 oder der FPGA bzw. das FPGA-Bauteil aus zwei Sub-Bauteilen zusammengesetzt - wie in 2 durch die zwei gestrichelt umrandeten Kästen illustriert, die beide wiederum durch eine Strichpunktlinie umgeben sind, die das zweite Bauteil 3 repräsentiert. Insbesondere sind in einem Sub-Bauteile die Schnittstellen zu externen Komponenten und der Stromversorgung zusammengefasst, also die RJ-45-Schnittstelle 16, die LEMO- Schnittstelle 15, und die JTAG-Schnittstelle 14 sowie der Energieverteiler 28, der Hochspannungsverteiler 29 und die Versorgungseinheit 30. Dies ermöglicht einen einfachen und übersichtlichen Aufbau sowie eine besonders kompakte Bauweise.
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Die vorbeschriebene Aufteilung auf zwei Bauteile 2, 3, wobei das zweite Bauteil 3 wiederum aus zwei Sub-Bauteilen insbesondere mit jeweils einer eigenen Leiterplatten 13 zusammengesetzt ist, ermöglicht eine schlauchförmige Bauweise und damit ein größen-skalierbares System 20 mit mehreren Vorrichtungen 10.
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Vorzugsweise ist der Mehrkanalphotomultiplier 1 ein Hamamatsu Flat-Planel MaPMT H8500 mit 8x8 PMTs.
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Vorzugsweise ist die integrierte Schaltungseinheit 7 ein Ideas IDE3465 von der Fa. Ideas Integrated Detector Electronics AS.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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