DE112021005007T5

DE112021005007T5 - Elektronische front-end-schaltung für eine photonenzähl-anwendung

Info

Publication number: DE112021005007T5
Application number: DE112021005007.9T
Authority: DE
Inventors: Fridolin Michel; Charalambos Andreou; Massimo Rigo; Matthias Steiner; Juan Miguel GAVILLERO
Original assignee: Ams International AG
Current assignee: Ams International AG
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2021-11-03
Publication date: 2023-07-27
Also published as: WO2022101071A1; JP2023549068A; CN116438475A; US20230417932A1

Abstract

Eine elektronische Front-End-Schaltung (10a, 10b) für eine Photonenzählanwendung umfasst einen ladungsempfindlichen Verstärker (100) mit einer Verstärkerschaltung (110) und einem Kondensator (120), der in einem Rückkopplungspfad zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite der Verstärkerschaltung (110) angeordnet ist. Ein steuerbarer Schalter (200) ist parallel zu dem Kondensator (120) angeordnet. Die Schaltung (10a, 10b) umfasst eine Verzögerungsschaltung (300) zur Bereitstellung eines Verzögerungsschaltungsausgangssignals (DS), das eine zeitverzögerte Darstellung des ladungsempfindlichen Verstärkerausgangssignals (CS) ist. Eine Ausgangssignalerzeugungsschaltung (400) ist derart ausgebildet, dass sie das Ausgangssignal (OS) durch Subtraktion des Verzögerungsschaltungsausgangssignals (DS) von dem ladungsempfindlichen Verstärkerausgangssignal (CS) erzeugt.

Description

Technischer Bereich
Die Offenbarung bezieht sich auf eine elektronische Front-End-Schaltung, die in einer Photonen-Zählanwendung, wie z.B. Multi-Energie-Spektral-CT (Computertomographie), verwendet werden kann. Die Offenbarung bezieht sich ferner auf eine Photonenzählschaltung und eine Vorrichtung zur medizinischen Diagnostik.
Hintergrund
Bei herkömmlichen Computertomographie-Anwendungen wird ein indirektes Detektionsprinzip verwendet, um ein Photon zu erfassen, das leicht durch das weiche Gewebe des Körpers eines Patienten dringt. Indirekte Detektoren umfassen einem Szintillator, der Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandelt, das von einem Photodetektor oder einer Photodiode aufgefangen wird, um als Reaktion auf die auf das Material des Szintillators auftreffenden Röntgenstrahlen ein elektrisches Signal zu erzeugen. Im Gegensatz zur konventionellen Computertomographie, die nach dem Prinzip der indirekten Detektion arbeitet, greift die photonenzählende Computertomographie auf Sensoren mit direkter Konversion zurück. Direkte Konversionssensoren verwenden ein bestimmtes Material, z. B. CdTe, CdZnTe, Si, GaAs, TlBr etc., um als Reaktion auf die Wechselwirkung eines Röntgenphotons im Substrat Elektron-Loch-Paar Wolken zu erzeugen. Die Menge der Ladung ist proportional zur Energie des auftreffenden Photons.
Elektronen - im Falle eines CdTe/CZT-Materials zum Beispiel - induzieren an ihrer Sammelelektrode (Anode) ein transientes Stromsignal, das dann von der Front-End-Elektronik weiterverarbeitet wird. Das Front-End erzeugt einen Spannungspuls, dessen Amplitude proportional zur Energie des auftreffenden Photons ist. Die Amplitude des Spannungspulses wird dann mit einer Vielzahl von Energiediskriminatoren verglichen. Die Diskriminatoren, deren Energieschwelle niedriger als die Impulsamplitude ist, schalten um und inkrementieren einen entsprechenden Zähler. Die Anzahl der Photonen pro Energie wird in den Diskriminatoren innerhalb von Zeitintervallen (Bildprojektionen) gezählt.
1 zeigt ein Blockdiagramm einer Photonenzählschaltung 2 mit einer elektronischen Front-End-Schaltung 10, einem Photonendetektor 20 und einem Energiediskriminator 30. Der Photonendetektor 20 erzeugt einen transienten Stromimpuls I_pulse, der dadurch verursacht wird, dass ein Photon auf eine lichtempfindliche Fläche 21 des Photonendetektors 20 trifft. Die elektronische Front-End-Schaltung 10 umfasst üblicherweise einen ladungsempfindlichen Verstärker und eine Shaper-Stufe. Die Shaper-Stufe erzeugt einen Spannungspuls, dessen Amplitude proportional zur Energie (Ladung) des auftreffenden Röntgenphotons ist. Die durch den Stromimpuls I_pulse bereitgestellten Ladungen werden von der Shaper-Stufe integriert und so schnell wie möglich wieder entfernt, um die nächste, zeitlich zufällige Wechselwirkung zu erfassen. Die Amplitude des von der Shaper-Stufe erzeugten Spannungspulses Vpulse wird mit einer Reihe von Energieschwellen von Diskriminatoren des Energiediskriminators 30 verglichen, um jedes Photon entsprechend seiner Energie zu zählen und zu kategorisieren.
Bei Computertomographie-Anwendungen kann der Röntgenfluss mehr als 1*10⁹ Photonen/mm² s betragen. Daher sind sehr hohe Zählraten erforderlich, so dass die elektronische Front-End-Schaltung 10 für den Betrieb unter Bedingungen mit sehr hohem ballistischem Defizit ausgelegt ist.
Das ballistische Defizit ist der Verlust an der Impulsamplitude im Vergleich zur idealen vollen Erfassung, der auf die kontinuierliche Entladung eines Rückkopplungskondensators des ladungsempfindlichen Verstärkers der elektronischen Front-End-Schaltung 10 zurückzuführen ist. Folglich erreicht das Maximum des Spannungspulses Vpulse nicht den theoretischen C/Q-Wert aufgrund der gleichzeitigen Entladung durch einen Widerstand, der parallel zum Rückkopplungskondensator des ladungsempfindlichen Verstärkers geschaltet ist. Ein Rückkopplungswiderstand (oder anderer Entladungsmechanismus) ist erforderlich, um den Impuls zu formen und die Spannung wieder auf den Referenzwert zu bringen, damit ein nachfolgender Impuls so schnell wie möglich verarbeitet werden kann.
Das ballistische Defizit spielt eine wichtige Rolle bei der Energieauflösung von Photonenzählungsdetektoren. Ereignisse mit der gleichen auftreffenden Röntgenenergie können je nach Ort des Ereignisses (relativ zum Zentrum der Pixel und der Tiefe der Wechselwirkung) leicht unterschiedliche transiente Reaktionen auf dem Detektor zeigen. Die Elektronik für sehr hohe Zählraten muss typischerweise unter Bedingungen mit hohem ballistischem Defizit arbeiten.
Die Arbeit unter solchen Bedingungen bringt es mit sich, dass die elektronische Front-End-Schaltung leicht unterschiedliche Impulsamplituden des Spannungssignals Vpulse für Ereignisse mit der gleichen Energie, aber an unterschiedlichen Orten der Wechselwirkung liefert. Dies trägt zu einer Unsicherheit der registrierten Energie bei, was zu einer schlechteren Energieauflösung führt.
Es besteht die Notwendigkeit, eine elektronische Front-End-Schaltung für eine Photonen-Zählanwendung bereitzustellen, die mit sehr hohen Zählraten arbeiten kann und gleichzeitig ein vernachlässigbares ballistisches Defizit aufweist, was zu einer besseren Leistung führt. Darüber hinaus besteht der Wunsch, eine Photonenzählschaltung bereitzustellen, die eine hohe Leistung in Bezug auf Zählraten und Energieauflösung aufweist. Darüber hinaus besteht der Wunsch, eine Vorrichtung zur medizinischen Diagnostik bereitzustellen, die in der Lage ist, mit sehr hohen Zählraten zu arbeiten.
Zusammenfassung
Eine elektronische Front-End-Schaltung für eine Photonenzählanwendung, die ein reduziertes ballistisches Defizit aufweist und hohe Photonenzählraten ermöglicht, ist im Patentanspruch 1 beschrieben.
Die elektronische Front-End-Schaltung umfasst einen Ausgangsknoten, um ein Ausgangssignal bereitzustellen, einen Eingangsknoten, um ein Eingangssignal zu empfangen, einen ladungsempfindlichen Verstärker, der eine Verstärkerschaltung mit einer Eingangsseite, die mit dem Eingangsknoten gekoppelt ist, und einer Ausgangsseite umfasst, um ein ladungsempfindliches Verstärkerausgangssignal bereitzustellen, und einen Kondensator, der in einem Rückkopplungspfad zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite der Verstärkerschaltung angeordnet ist. Die elektronische Front-End-Schaltung umfasst ferner einen steuerbaren Schalter, der parallel zu dem Kondensator angeordnet ist, und eine Verzögerungsschaltung, um ein Verzögerungsschaltungsausgangssignal bereitzustellen. Das Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung ist eine zeitverzögerte Darstellung des Ausgangssignals des ladungsempfindlichen Verstärkers. Die elektronische Front-End-Schaltung umfasst eine Ausgangssignalerzeugungsschaltung, die mit dem Ausgangsknoten gekoppelt ist, um das Ausgangssignal bereitzustellen. Die AusgangssignalErzeugungsschaltung ist derart ausgebildet, dass sie das Ausgangssignal durch Subtraktion des Verzögerungsschaltungsausgangssignals von dem ladungsempfindlichen Verstärkerausgangssignal erzeugt.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform der elektronischen Front-End-Schaltung hat die Verzögerungsschaltung eine Eingangsseite, um das ladungsempfindliche Verstärkerausgangssignal zu empfangen. Die Verzögerungsschaltung ist derart ausgebildet, dass sie das Verzögerungsschaltungsausgangssignal mit einer ersten Verzögerungszeit erzeugt, nachdem sie das ladungsempfindliche Verstärkerausgangssignal an der Eingangsseite der Verzögerungsschaltung empfangen hat.
Gemäß einer Ausführungsform der elektronischen Front-End-Schaltung sind die Verstärkerschaltung und der Kondensator derart angeordnet, dass eine Ladung in dem Kondensator gespeichert wird, wenn das Eingangssignal als ein Stromimpuls ausgebildet ist. Die Ladung ist abhängig von dem Stromimpuls des Eingangssignals.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der elektronischen Front-End-Schaltung wird der steuerbare Schalter in einem nichtleitenden Zustand und einem leitfähigen Zustand betrieben. Der steuerbare Schalter und der Kondensator sind derart angeordnet, dass der Kondensator geladen wird, wenn der steuerbare Schalter in dem nichtleitenden Zustand betrieben wird, und der Kondensator entladen wird, wenn der steuerbare Schalter in dem leitenden Zustand betrieben wird.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es, die elektronische Front-End-Schaltung mit einer Reset-Topologie zu versehen. Die Reset-Topologie ermöglicht die Verwendung eines hochohmigen Rückkopplungspfads, was wiederum die Verringerung des ballistischen Defizits bei gleichzeitiger Beibehaltung hoher Zählraten ermöglicht. Nach jedem Impuls des am Eingangsknoten empfangenen Eingangssignals und nachdem die volle Ladung des Eingangsereignisses auf dem Kondensator im Rückkopplungspfad gesammelt wurde, wird der ladungsempfindliche Verstärker durch den steuerbaren Schalter zurückgesetzt. Die elektronische Front-End-Schaltung weist ein vernachlässigbares ballistisches Defizit auf, ohne flussabhängige Energieverzerrung, mit Ausnahme der Impulsanhäufung.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform der elektronischen Front-End-Schaltung umfasst die Schaltung eine Steuerschaltung, die zur Überwachung der in dem Kondensator gespeicherten Ladung und zur Steuerung des steuerbaren Schalters in Abhängigkeit von der in dem Kondensator gespeicherten Ladung ausgebildet ist. Insbesondere ist die Steuerschaltung derart ausgebildet, dass sie den steuerbaren Schalter nach einer Verzögerung von dem nichtleitenden Zustand in den leitenden Zustand schaltet, wenn die Steuerschaltung erfasst, dass die im Kondensator gespeicherte Ladung einen Schwellenwert überschreitet.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform der elektronischen Front-End-Schaltung umfasst die Steuerschaltung eine zweite Verzögerungsschaltung, um ein Steuersignal zu erzeugen, um den steuerbaren Schalter von dem nichtleitenden Zustand in den leitenden Zustand zu schalten. Die zweite Verzögerungsschaltung ist derart ausgebildet, dass sie das Steuersignal mit einer zweiten Verzögerungszeit erzeugt, nachdem die Steuerschaltung das Überschreiten eines Schwellenwerts der in dem Kondensator gespeicherten Ladung erfasst hat.
Nachdem ein Eingangsstromimpuls mit einer Energie oberhalb eines Schwellenwerts erfasst wurde, wird folglich eine Verzögerung ausgelöst. Nach Ablauf der Verzögerungszeit wird der (Rückkopplungs-)Kondensator zurückgesetzt.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der elektronischen Front-End-Schaltung sind die Verzögerungsschaltung und die zweite Verzögerungsschaltung derart ausgebildet, dass die zweite Verzögerungszeit kürzer oder gleich der ersten Verzögerungszeit ist. Die zweite Verzögerungszeit wird derart gewählt, dass die ungünstigste Ladungssammelzeit berücksichtigt wird. Die erste Verzögerungszeit der (Einschwing-)Verzögerungsschaltung gewährleistet die vollständige Erfassung der Ladung im (Rückkopplungs-) Kondensator.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform umfasst die elektronische Front-End-Schaltung einen zweiten steuerbaren Schalter, um die Verzögerungsschaltung von der Ausgangssignalerzeugungsschaltung zu trennen. Die Ausgangssignalerzeugungsschaltung hat einen ersten Eingang, der mit dem weiteren steuerbaren Schalter verbunden ist, und einen zweiten Eingang, der mit der Ausgangsseite der ladungsempfindlichen Verstärkerschaltung verbunden ist.
Der zweite steuerbare Schalter ist derart ausgebildet, dass er in einem ersten Zustand, in dem der zweite steuerbare Schalter die Verzögerungsschaltung mit dem ersten Eingang der Ausgangssignalerzeugungsschaltung verbindet, und in einem zweiten Zustand, in dem der zweite steuerbare Schalter die Verzögerungsschaltung vom ersten Eingangsknoten der Ausgangssignalerzeugungsschaltung trennt und den ersten Eingangsknoten der Ausgangssignalerzeugungsschaltung mit einem Referenzpotential verbindet, betrieben werden kann.
Der zweite steuerbare Schalter kann vorteilhaft verwendet werden, um das Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung von der Ausgangssignalerzeugungsschaltung zu trennen, indem der erste Eingangsknoten der Ausgangssignalerzeugungsschaltung mit dem Referenzpotential verbunden wird. Insbesondere wird der zweite steuerbare Schalter vorteilhaft durch die Rücksetzung des (Rückkopplungs-)Kondensators des ladungsempfindlichen Verstärkers bereitgestellt. Der zweite steuerbare Schalter sorgt dafür, dass die Weiterleitung des Ausgangssignals der Verzögerungsschaltung an die Signalerzeugungsschaltung unterbrochen wird, wodurch ein zusätzliches Unterschwingen des Ausgangssignals am Ausgangsknoten der Frontend-Elektronik vermieden wird.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform der elektronischen Front-End-Schaltung umfasst die Steuerschaltung eine dritte Verzögerungsschaltung, um ein zweites Steuersignal mit einem ersten Pegel zu erzeugen, um den zweiten steuerbaren Schalter von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand zu schalten, und mit einem zweiten Pegel zu erzeugen, um den zweiten steuerbaren Schalter von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand zu schalten. Die dritte Verzögerungsschaltung ist derart ausgebildet, dass sie den ersten Pegel des zweiten Steuersignals mit einer dritten Verzögerungszeit erzeugt, nachdem sie den zweiten Pegel des zweiten Steuersignals erzeugt hat.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektronischen Front-End-Schaltung ist die dritte Verzögerungsschaltung derart ausgebildet, dass die dritte Verzögerungszeit gleich oder länger als die zweite Verzögerungszeit ist. In diesem Fall folgt das Ausgangssignal am Ausgangsknoten der elektronischen Front-End-Schaltung dem Rücksetzen des (Rückkopplungs-)Kondensators des Integrators der elektronischen Schaltung ohne Unterschwingungen.
Die vorgeschlagene Ausgestaltung der elektronischen Front-End-Schaltung löst den Zielkonflikt zwischen Zählrate und Energieauflösung, der für klinische Anwendungen in der Computertomographie sehr wichtig ist. Darüber hinaus führt die Unempfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Eingangstransienten zu einer besseren Gesamtstabilität des Signals.
Eine Photonenzählschaltung, die es ermöglicht, eine große Anzahl von Photonen zu erfassen, die auf einen Photonendetektor auftreffen, ist im Patentanspruch 14 beschrieben.
Die Photonenzählschaltung umfasst eine elektronische Front-End-Schaltung gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen und einen Photonendetektor mit einem photonenempfindlichen Bereich. Der Photonendetektor ist derart ausgebildet, dass er einen Stromimpuls erzeugt, wenn ein Photon auf den photonenempfindlichen Bereich trifft.
Die Photonenzählschaltung umfasst ferner einen Energiediskriminator, der mit dem Ausgangsknoten der elektronischen Front-End-Schaltung verbunden ist. Der Photonendetektor ist mit dem Eingangsknoten der elektronischen Front-End-Schaltung verbunden, so dass der von der Photonendetektorschaltung erzeugte Strompuls an den Eingangsknoten der elektronischen Front-End-Schaltung angelegt wird, wenn das Photon auf den photonenempfindlichen Bereich des Photonendetektors trifft.
Die elektronische Front-End-Schaltung ist derart ausgebildet, dass sie einen Spannungspuls am Ausgangsknoten der elektronischen Front-End-Schaltung erzeugt, wenn der Strompuls an den Eingangsknoten der elektronischen Front-End-Schaltung angelegt wird. Der Energiediskriminator ist derart ausgebildet, dass er ein digitales Signal in Abhängigkeit von einem Pegel des Spannungspulses erzeugt.
Eine Vorrichtung zur medizinischen Diagnostik, die das Prinzip der Photonenzählung verwendet, ist im Patentanspruch 15 angegeben. Die Vorrichtung umfasst die Photonenzählschaltung, wie oben beschrieben. Die Vorrichtung kann als Röntgenapparat oder als Computertomograph ausgestaltet sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der elektronischen Front-End-Schaltung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung dargelegt. Es versteht sich, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung lediglich beispielhaft sind und einen Überblick oder einen Rahmen für das Verständnis der Natur und des Charakters der Ansprüche bieten sollen.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen dienen dem weiteren Verständnis und sind Bestandteil der Beschreibung. Als solche wird die Offenbarung vollständiger aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Figuren verstanden werden, von denen:

1 ein Blockdiagramm einer Photonenzählschaltung zeigt;
2A eine erste Ausführungsform einer elektronischen Front-End-Schaltung für eine Photonen-Zählanwendung mit reduziertem ballistischem Defizit und hoher Zählrate zeigt;
2B eine zweite, verbesserte Ausführungsform einer elektronischen Front-End-Schaltung für eine Photonen-Zählanwendung mit reduziertem ballistischem Defizit und hoher Zählrate zeigt;
3 die Funktionsweise der zweiten (verbesserten) Ausführungsform der elektronischen Front-End-Schaltung für eine Photonen-Zählanwendung veranschaulicht;
4 eine Antwort der vorgeschlagenen ersten Ausführungsform der elektronischen Front-End-Schaltung auf auftreffende Photonen unterhalb und oberhalb eines Impulsschwellenwertes veranschaulicht; und
5 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur medizinischen Diagnostik zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
2A zeigt eine Ausführungsform einer elektronischen Front-End-Schaltung 10a zur Erzeugung eines als Spannungspuls ausgebildeten Ausgangssignals OS als Antwort auf einen transienten Eingangsstrom, z. B. einen Strompuls, der von einem in 1 dargestellten Photonendetektor 20 erzeugt wird. Die elektronische Front-End-Schaltung 10a umfasst einen Ausgangsknoten O10, um das Ausgangssignal OS bereitzustellen, und einen Eingangsknoten I10, um ein Eingangssignal IS zu empfangen. Die elektronische Front-End-Schaltung umfasst ferner einen ladungsempfindlichen Verstärker 100, der eine Verstärkerschaltung 110 umfasst, deren Eingangsseite mit dem Eingangsknoten I10 eingekoppelt ist und deren Ausgangsseite ein ladungsempfindliches Verstärkerausgangssignal CS liefert. Der ladungsempfindliche Verstärker 100 umfasst ferner einen (Rückkopplungs-)Kondensator 120, der in einem Rückkopplungspfad zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite der Verstärkerschaltung 110 angeordnet ist. Der ladungsempfindliche Verstärker 100 kann optional einen (Rückkopplungs-)Widerstand 130 enthalten, der parallel zu dem Kondensator 120 geschaltet ist.
Die elektronische Front-End-Schaltung 10a umfasst ferner einen steuerbaren Schalter 200, der parallel zu dem Kondensator 120 angeordnet ist. Darüber hinaus umfasst die elektronische Front-End-Schaltung 10a eine Verzögerungsschaltung 300, um ein Verzögerungsschaltungsausgangssignal DS bereitzustellen. Das Verzögerungsschaltungsausgangssignal DS ist eine zeitverzögerte Darstellung des Ausgangssignals CS des ladungsempfindlichen Verstärkers. Die elektronische Front-End-Schaltung 10a umfasst eine Ausgangssignalerzeugungsschaltung 400, die mit dem Ausgangsknoten O10 gekoppelt ist, um das Ausgangssignal OS zu erzeugen. Die Ausgangssignalerzeugungsschaltung 400 ist derart ausgebildet, dass sie das Ausgangssignal OS erzeugt, indem sie das Ausgangssignal DS der Verzögerungsschaltung von dem Ausgangssignal CS des ladungsempfindlichen Verstärkers subtrahiert. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist die Ausgangssignalerzeugungsschaltung 400 als ein Signaladdierer konfiguriert.
Die Verstärkerschaltung 110 und der Kondensator 120 sind derart angeordnet, dass, wenn das Eingangssignal IS ein Strompuls, z. B. ein Strompuls I_pulse , der von dem in 1 gezeigten Photonendetektor 20 erzeugt wird, ist, eine Ladung in dem Kondensator 120 gespeichert wird, wenn der steuerbare Schalter 200 in einem nicht leitenden Zustand ist, wie in 2A gezeigt. Die in dem Kondensator 120 gespeicherte Ladung ist abhängig von dem Strompuls des Eingangssignals IS.
Der steuerbare Schalter 200 ist derart ausgebildet, dass er in einem nicht leitenden Zustand und in einem leitenden Zustand betrieben werden kann. Der steuerbare Schalter 200 und der Kondensator 120 sind derart angeordnet, dass der Kondensator 120 geladen wird, wenn der steuerbare Schalter 200 im nicht leitenden Zustand betrieben wird, und der Kondensator 120 entladen wird, wenn der steuerbare Schalter 200 im leitenden Zustand betrieben wird.
Die elektronische Front-End-Schaltung 10a umfasst eine Steuerschaltung 500, die derart ausgebildet ist, dass sie die in dem Kondensator 120 gespeicherte Ladung überwacht und den steuerbaren Schalter 200 in Abhängigkeit von der in dem Kondensator 120 gespeicherten Ladung steuert. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Frontend-Elektronik ist die Steuerschaltung 500 derart ausgebildet, dass sie den steuerbaren Schalter 200 aus dem nicht leitenden Zustand in den leitenden Zustand schaltet, wenn die Steuerschaltung 500 feststellt, dass die im Kondensator 120 gespeicherte Ladung einen Schwellenwert Vth überschreitet.
Die Verzögerungsschaltung 300 hat eine Eingangsseite, um das ladungsempfindliche Verstärkerausgangssignal CS zu empfangen. Die Verzögerungsschaltung 300 ist derart ausgebildet, dass sie das Verzögerungsschaltungsausgangssignal DS mit einer ersten Verzögerungszeit DT1 erzeugt, nachdem sie das ladungsempfindliche Verstärkerausgangssignal CS an der Eingangsseite der Verzögerungsschaltung 300 empfangen hat.
2A zeigt eine mögliche Realisierung der Steuerschaltung 500. Die Steuerschaltung 500 umfasst eine zweite Verzögerungsschaltung 510 zum Erzeugen eines Steuersignals s1 zum Umschalten des steuerbaren Schalters 200 aus dem nichtleitenden Zustand in den leitenden Zustand und umgekehrt. Die zweite Verzögerungsschaltung 510 ist derart ausgebildet, dass sie das Steuersignal s1 mit einer zweiten Verzögerungszeit DT2 erzeugt, nachdem die Steuerschaltung 500 das Überschreiten des Schwellwertes Vth der in dem Kondensator 120 gespeicherten Ladung festgestellt hat.
Die elektronische Front-End-Schaltung 10a ist derart ausgebildet, dass sie als Verzögerungs-Leitungs-Signalformer wirkt. Das heißt, die zeitverzögerte Version des Ausgangssignals des ladungsempfindlichen Verstärkers, d. h. das Ausgangssignal DS der Verzögerungsschaltung, wird vom Ausgangssignal CS des ladungsempfindlichen Verstärkers subtrahiert, wodurch niederfrequente Komponenten, z. B. Verluste und 1/f-Rauschen der Eingangsstufe, eliminiert werden. Die Verzögerungszeit DT1 wird ausreichend lang gewählt, dass die vollständige Speicherung einer durch das Eingangssignal IS verursachten Ladung im Kondensator 120 gewährleistet ist. Das Signal IS kann von dem Photonendetektor 20 erzeugt werden, der als Direktwandler ausgestaltet sein kann. Die Subtraktion des Ausgangssignals DS der Verzögerungsschaltung von dem Ausgangssignal CS des ladungsempfindlichen Verstärkers führt zu einem Ausgangssignal OS mit einem schmalen Puls. Die elektronische Front-End-Schaltung 10a erzeugt somit einen schmalen Spannungspuls als Antwort auf ein Eingangssignal IS, das ein Strompuls ist.
Wenn die Verzögerungszeit DT1 lang genug eingestellt ist, um das ungünstigste Einschwingverhalten zu berücksichtigen, weist die Schaltung 10a ein geringes ballistisches Defizit auf. Außerdem ist der Schaltkreis 10a aufgrund der Subtraktion von Natur aus unempfindlich gegenüber Leckströmen und erfordert keine Wiederherstellung der Basislinie für dynamische Komponenten.
Die elektronische Front-End-Schaltung 10a ist auch mit einer Reset-Topologie ausgestattet, die durch den steuerbaren Schalter 200 realisiert wird, der von der Steuerschaltung 500 gesteuert wird. Die Steuerschaltung 500 umfasst eine Komparatorschaltung 530, die derart ausgebildet ist, dass sie eine Spannung des Kondensators 120 mit dem Schwellwert Vth vergleicht. Wenn die Spannung des Kondensators 120 den Schwellwert Vth überschreitet, ändert das Ausgangssignal der Komparatorschaltung 530 seinen Zustand, so dass eine Verzögerung gestartet wird.
Das heißt, nachdem ein Eingangspuls IS mit einer Energie oberhalb eines durch den Schwellwert Vth ermittelten Pulsschwellwertes erfasst wird und der Ausgang der Komparatorschaltung 530 seinen Zustand ändert, wird durch die Verzögerungsschaltung 510 eine Verzögerung ausgelöst. Infolgedessen wird das Steuersignal s1 von der Verzögerungsschaltung 510 mit der Verzögerungszeit DT2 erzeugt, nachdem der Ausgang der Komparatorschaltung 530 seinen Wert geändert hat, um den steuerbaren Schalter 200 in einen leitenden Zustand zu schalten.
Folglich wird nach Ablauf der Verzögerungszeit DT2 der Rückkopplungskondensator 120 zurückgesetzt, indem der Kondensator 120 über den steuerbaren Schalter 200, der im leitenden Zustand betrieben wird, entladen wird. Da der Auslöser für die Verzögerungsschaltung 510 ein Schwellwert oberhalb der Basislinie ist, kann die Verzögerungszeit DT2 derart gewählt werden, dass sie kürzer oder gleich der Einschwingverzögerungszeit DT1 ist, um die Zählrate zu maximieren, wenn das Einsetzen des Pulses begonnen hat.
Die elektronische Front-End-Schaltung 10a ermöglicht die Erzeugung eines pulsförmigen Ausgangssignals OS, beispielsweise eines Spannungspulses, als Antwort auf einen Eingangsstrompuls IS. Der steuerbare Schalter 200 wird zunächst im nicht leitenden/offenen Zustand betrieben, so dass der Kondensator 120 in Abhängigkeit von einem an den Eingangsknoten I10 angelegten Strompuls IS aufgeladen wird. Das Ausgangssignal OS hat somit eine steigende Flanke. Nach Ablauf der Verzögerungszeit DT1 erzeugt die Verzögerungsschaltung 300 das Verzögerungsschaltungsausgangssignal DS. Die Amplitude des Ausgangssignals DS der Verzögerungsschaltung wird von dem Ausgangssignal CS des ladungsempfindlichen Verstärkers subtrahiert, so dass der Ausgangssignalpuls OS nun eine fallende Flanke aufweist.
Sobald die im Kondensator 120 gespeicherte Ladung den Schwellwert Vth überschreitet und die Verzögerungszeit DT2 abgelaufen ist, wird der steuerbare Schalter 200 durch die Steuerschaltung 500 in den leitenden Zustand geschaltet, so dass der Kondensator 120 schlagartig entladen wird und das Ausgangssignal OS auf den Nullpegel fällt.
2B zeigt eine Ausführungsform einer elektronischen Front-End-Schaltung 10b, die eine verbesserte Modifikation der Ausgestaltung von 2A darstellt. Wie in 2B gezeigt, wurde die Schaltung aus 2A um einen zweiten steuerbaren Schalter 600 erweitert, um die Verzögerungsschaltung 300 von der Ausgangssignalerzeugungsschaltung 400 zu trennen. Die Ausgangssignalerzeugungsschaltung 400 hat einen ersten Eingang 1400a, der mit dem zweiten steuerbaren Schalter 600 verbunden ist, und einen zweiten Eingang I400b, der mit der Ausgangsseite der Verstärkerschaltung 110 verbunden ist. Der zweite steuerbare Schalter 600 ist derart ausgebildet, dass er in einem ersten Zustand, in dem der zweite steuerbare Schalter 600 die Verzögerungsschaltung 300 mit dem ersten Eingang 1400a der Ausgangssignalerzeugungsschaltung 400 verbindet, und in einem zweiten Zustand, in dem der zweite steuerbare Schalter 600 die Verzögerungsschaltung 300 von dem ersten Eingangsknoten 1400a der Ausgangssignalerzeugungsschaltung 400 trennt und stattdessen den ersten Eingangsknoten I400a mit einem Bezugspotential VSS, zum Beispiel einem Massepotential, verbindet, betrieben werden kann.
Um den ersten und zweiten Zustand des zweiten steuerbaren Schalters 600 zu steuern, wird die Steuerschaltung 500 um eine Steuerstufe 520 erweitert, die eine dritte Verzögerungsschaltung 521 und ein Flipflop 522 umfasst. Die Steuerstufe 520 ist derart ausgebildet, dass sie ein zweites Steuersignal s2 mit einem ersten Pegel erzeugt, um den zweiten steuerbaren Schalter 600 von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand zu schalten, und mit einem zweiten Pegel erzeugt, um den zweiten steuerbaren Schalter 600 von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand zu schalten. Die Steuerstufe 520 ist ferner derart ausgebildet, dass sie den ersten Pegel des zweiten Steuersignals s2 mit einer dritten Verzögerungszeit DT3 erzeugt, nachdem sie den zweiten Pegel des zweiten Steuersignals s2 erzeugt hat.
Insbesondere erzeugt das Flipflop 522 den ersten Pegel des zweiten Steuersignals s2, nachdem es einen Zustand des Steuersignals s1 empfangen hat, um den ersten steuerbaren Schalter 200 in den leitenden Zustand zu schalten. Infolgedessen wird der zweite Steuerschalter 600 auf das Bezugspotential geschaltet. Nachdem die Verzögerungsschaltung 521 den ersten Pegel des zweiten Steuersignals s2 empfangen hat, erzeugt sie nach der Verzögerungszeit DT3 ein Ausgangssignal, das das Flipflop 522 ansteuert, um den ersten Pegel des zweiten Steuersignals s2 zu erzeugen. Der erste Pegel des zweiten Steuersignals s2 bewirkt, dass der zweite steuerbare Schalter 600 in den ersten Zustand, in dem der zweite steuerbare Schalter 600 die Verzögerungsschaltung 300 mit der Ausgangssignalerzeugungsschaltung 400 verbindet, zurückgeschaltet wird.
3 veranschaulicht die Funktionsweise der Topologie der elektronischen Front-End-Schaltung 10b aus 2B. Ein Photon, das auf den Photonendetektor 20 auftrifft, erzeugt einen Strompuls als Eingangssignal IS der Schaltung 10b. Der Kondensator 120 wird auf einen Maximalwert aufgeladen und das ladungsempfindliche Verstärkerausgangssignal CS sowie das Ausgangssignal OS werden mit einer steigenden Flanke erzeugt. Nach Ablauf der Verzögerungszeit DT1 wird das Ausgangssignal DS der Verzögerungsschaltung von dem Ausgangssignal CS des ladungsempfindlichen Verstärkers durch die Ausgangssignalerzeugungsschaltung 400 subtrahiert, so dass das Ausgangssignal OS eine fallende Flanke aufweist. Nachdem die im Kondensator 120 gespeicherte Ladung eine durch den Schwellwert Vth definierte Pulsschwelle überschritten hat, erzeugt die Verzögerungsschaltung 510 das Steuersignal s1, so dass der steuerbare Schalter 200 in einen leitenden Zustand geschaltet wird. Infolgedessen wird der Kondensator 120 schlagartig entladen, und das Ausgangssignal CS des ladungsempfindlichen Verstärkers fällt auf den Nullpegel.
Gemäß der verbesserten Ausgestaltung der elektronischen Front-End-Schaltung 10b wird die verzögerte Version des Ausgangssignals des ladungsempfindlichen Verstärkers, d.h. das Ausgangssignal DS der Verzögerungsschaltung, von der Ausgangssignalerzeugungsschaltung 400 zur Erzeugung des Ausgangssignals durch einen steuerbaren Schalter 600 für eine Zeit, die der Verzögerungszeit DT3 entspricht, getrennt. Der steuerbare Schalter 600 ist aufgrund der Rücksetzung des Rückkopplungskondensators 120 vorgesehen. Wie oben erläutert, bewirkt das Zurücksetzen, dass das Ausgangssignal CS des ladungsempfindlichen Verstärkers auf den Nullpegel fällt. Die Subtraktion des Ausgangssignals DS der Verzögerungsschaltung vom Ausgangssignal CS des ladungsempfindlichen Verstärkers durch die Signalerzeugungsschaltung 400 würde zu einer großen zusätzlichen Unterschwingung führen, da die verzögerte Version des Ausgangssignals des ladungsempfindlichen Verstärkers das Signal noch vor der Rücksetzung beeinflusst. Der zweite steuerbare Schalter 600 stellt sicher, dass der Einfluss nicht berücksichtigt wird, wodurch die zusätzliche Unterschreitung beseitigt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der zweite steuerbare Schalter 600 für die gleiche Dauer wie die Verzögerungszeit DT2 auf dem Bezugspotenzial, z. B. auf Masse, gehalten, d. h. die Verzögerungszeit DT2 ist gleich der Verzögerungszeit DT3. In diesem Fall folgt das Ausgangssignal OS des Schaltkreises 10b der Rücksetzung des ladungsempfindlichen Verstärkers 100 ohne Unterschwingungen. Die Verzögerungszeit DT3, während der der zweite steuerbare Schalter 600 auf das Bezugspotenzial VSS gelegt wird, ist in 3 als „AUS“ dargestellt.
Die AUS-Periode beeinträchtigt das Puls-Anhäufungs-Verhalten nicht. Nach dem Reset ist der ladungsempfindliche Verstärker 100 bereit, den nächsten Puls zu empfangen. Die Tatsache, dass die Verzögerungsleitung ausgeschaltet ist, spielt keine Rolle, solange sie die Einschaltverzögerungszeit DT1 selbst nicht beeinträchtigt.
Von besonderem Interesse ist der Effekt, dass die Energie eines auftreffenden Photons und damit der Eingangsstromimpuls des Eingangssignals IS so gering ist, dass der Reset nicht ausgelöst wird. Die elektronischen Front-End-Schaltungen 10a und 10b sorgen jedoch dafür, dass solche Ereignisse dennoch von der Verzögerungs-Leitung-Topologie verarbeitet werden. Das heißt, das Ausgangssignal OS führt zu einem kleinen Puls, der sehr schmal ist und außer durch die Wahrscheinlichkeit einer Anhäufung nicht zu Energiedriften beiträgt.
4 zeigt ein solches Ereignis zwischen zwei Ereignissen höherer Energie. Das zweite Ereignis des Auftreffens von Photonen, das in 4 mit nur etwa 6 keV dargestellt ist, überschreitet beispielsweise nicht den durch den Schwellenwert Vth definierten Pulsschwellenwert und löst daher keine Rücksetzung aus. Die in den elektronischen Front-End-Schaltungen 10a und 10b implementierte Verzögerungs-Leitungs-Subtraktion sorgt jedoch dafür, dass der Puls auf ein sehr schmales Intervall beschränkt ist. Ohne die Verzögerungs-Leitungs-Topologie würde der ladungsempfindliche Verstärker 100 die Ladung im Kondensator 120 akkumulieren und einen Energiesockel verursachen. Der nächste Puls, der über dem Schwellwert Vth liegt, würde dann aufgrund des Energiesockels die falsche Energie aufweisen.
Wenn die elektronische Front-End-Schaltung mit einem Rückkopplungswiderstand 130 ausgestattet ist, wie in 2A und 2B gezeigt, kann auf das Ereignis mit niedriger Energie ein kleiner restlicher Unterschwinger folgen. Das zweite Ereignis mit hoher Energie wird daher einen geringfügigen Fehler aufweisen. Es ist jedoch zu beachten, dass sich diese restliche Unterschreitung nicht über den zweiten Puls hinaus ausbreitet. Die restliche Unterschreitung ist energieabhängig. Da sie nur bei Pulsen auftritt, die unterhalb der Pulsschwelle liegen, ist der Fehler auf sehr niedrige Energieniveaus beschränkt. Wie oben erläutert, ist der Rückkopplungswiderstand 130 jedoch optional, so dass ohne Rückkopplungswiderstand keine restliche Unterschwingung auftritt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die jeweilige Ausführungsform der elektronischen Front-End-Schaltungen 10a und 10b ein vernachlässigbares ballistisches Defizit ohne flussabhängige Energieverzerrung aufweist, abgesehen von der Pulsanhäufung. Durch die Verwendung des Reset-Mechanismus können die inhärenten Unterschwinger von Delay-Line-Shapern unterdrückt werden. Darüber hinaus können durch die Verwendung der Delay-Line-Shaper-Topologie Energiesockel, die aus dem Rücksetzvorgang resultieren, verhindert werden.
Das von den elektronischen Front-End-Schaltungen 10a und 10b erzeugte Ausgangssignal OS ist von Natur aus immun gegen jegliche Verluste oder niederfrequente Komponenten mit Zeitkonstanten, die deutlich größer sind als die Einschwingverzögerung. Da die vorgeschlagenen Ausgestaltungen der elektronischen Front-End-Schaltungen 10a und 10b mit einem Reset-Mechanismus ausgestattet sind, stellt die Sättigung des ladungsempfindlichen Verstärkers 110 kein Problem dar. Jede Spannungsschwankung am Ausgang des ladungsempfindlichen Verstärkers, die durch Verluste und/oder niederfrequente Komponenten verursacht wird, wird durch die Pulsschwelle begrenzt. Wenn der Pegel des Ausgangssignals CS des ladungsempfindlichen Verstärkers diesen Wert überschreitet, setzt sich die Schaltung selbst zurück. Der ladungsempfindliche Verstärker 100 benötigt daher nicht unbedingt einen Rückkopplungswiderstand 130.
Ferner ist zu beachten, dass das durch den Rücksetzmechanismus verursachte kT/C-Rauschen ebenfalls kompensiert wird, da es letztlich durch die Subtraktion des ladungsempfindlichen Verstärkerausgangssignals CS und seiner verzögerten Version DS entfernt wird.
Die daraus resultierende Zählratenfähigkeit der elektronischen Front-End-Schaltungen 10a und 10b ist von Natur aus nicht paralysierbar. Sowohl der Rücksetzvorgang als auch die Verzögerungsleitungs-Subtraktion erzwingen eine Zurückkehr zur Basislinie, was zu einer nicht paralysierbaren Charakteristik führt.
Die vorgeschlagene Ausgestaltung der elektronischen Front-End-Schaltungen 10a und 10b bietet ein ausgezeichnetes ballistisches Defizit. Insbesondere, wenn zwei Eingangspulse die gleiche Ladung haben, aber der zweite Puls 10% kürzer in der Zeit ist, liefert das Ausgangssignal OS, das durch die elektronischen Front-End-Schaltungen 10a und 10b erzeugt wird, die gleiche Ausgangsamplitude als Antwort auf beide Eingangspulse, während eine elektronische Front-End-Schaltung, die ein ballistische Defizit aufweist, unterschiedliche Pulsamplituden als Antwort auf die Eingangspulse trotz der gleichen Ladung liefern würde.
Die Verzögerungsschaltung 300 kann durch verschiedene Arten von Schaltungen realisiert werden, z. B. durch einen kaskadierten Verstärker mit Phasenverschiebung, eine Verzögerungsregelschleife usw. Die Einschwingverzögerungszeit DT1 kann typischerweise zwischen 5 ns und 25 ns, vorzugsweise zwischen 7 ns und 12 ns liegen. Die Einschwingverzögerungszeit DT1 ist immer länger als das ungünstigste Einschwingverhalten eines normal arbeitenden Direktwandlerpixels.
Die durch den Schwellwert Vth definierte Pulsschwelle liegt typischerweise auf dem niedrigstmöglichen Energieniveau der auftreffenden Photonen über dem Rauschpegel, um Fehlauslösungen zu vermeiden, typischerweise zwischen dem Drei- bis Fünffachen des Rauschens der Elektronik. Alternativ kann auch der niedrigste Schwellwert des Komparatorsystems, der typischerweise zwischen 20 und 30 keV liegt, zum Erfassen auftreffender Photonen und zum Auslösen der Rückstellung verwendet werden.
Die vorgeschlagene Ausgestaltung der elektronischen Front-End-Schaltkreise 10a und 10b kann für verschiedene Photonenzählanwendungen wie Computertomographie, Sicherheit, Gepäckinspektion und jede andere Anwendung, die hohe Photonenzählraten und Signalstabilität erfordert, verwendet werden.
5 zeigt ein Anwendungsbeispiel, bei dem eine Photonenzählschaltung 2, die mit elektronischen Front-End-Schaltungen 10a oder 10b ausgestattet ist, in einer Vorrichtung 1 zur medizinischen Diagnostik vorgesehen ist.
Die Vorrichtung kann z. B. als Röntgenapparat oder als Computertomograph ausgestaltet sein.
Die hier offengelegten Ausführungsformen der elektronischen Front-End-Schaltung für eine Photonenzählanwendung wurden erörtert, um den Leser mit neuen Aspekten der Ausgestaltung der elektronischen Front-End-Schaltung vertraut zu machen. Obwohl bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, können viele Änderungen, Modifikationen, Äquivalente und Substitutionen der offengelegten Konzepte von einem Fachmann vorgenommen werden, ohne unnötig vom Schutzumfang der Ansprüche abzuweichen.
Insbesondere ist die Ausgestaltung der elektronischen Front-End-Schaltung für eine Photonenzählanwendung nicht auf die offengelegten Ausführungsformen beschränkt und gibt Beispiele für viele mögliche Alternativen für die in den erläuterten Ausführungsformen enthaltenen Merkmale. Es ist jedoch beabsichtigt, dass alle Modifikationen, Äquivalente und Substitutionen der offengelegten Konzepte in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche aufgenommen werden.
Merkmale, die in separaten abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind, können vorteilhaft kombiniert werden. Außerdem sind die in den Ansprüchen verwendeten Bezugszeichen nicht so zu verstehen, dass sie den Umfang der Ansprüche einschränken.
Außerdem schließt der hier verwendete Begriff „umfassend“ andere Elemente nicht aus. Darüber hinaus soll der hier verwendete Artikel „ein“ ein oder mehrere Bauelemente oder Elemente umfassen und ist nicht so zu verstehen, dass er nur die Einzahl bedeutet.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 102020129875.7 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur medizinischen Diagnostik
2: Photonen-Zählschaltung
10: elektronische Front-End-Schaltung
20: Photonendetektor
21: photonenempfindlicher Bereich
30: Energiediskriminator
100: ladungsempfindlicher Verstärker
110: Verstärkerschaltung
120: Kondensator
130: Widerstand
200: steuerbarer Schalter
300: Verzögerungsschaltung
400: Ausgangssignalerzeugungsschaltung
500: Regelkreis
510: Verzögerungsschaltung
520: Regelstufe
521: Verzögerungsschaltung
522: Flip-Flop
530: Komparator
600: steuerbarer Schalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102020129875 [0071]

Claims

Elektronische Front-End-Schaltung für eine Photonen-Zählanwendung, die Folgendes umfasst: - einen Ausgangsknoten (O10) zur Bereitstellung eines Ausgangssignals (OS), - einen Eingangsknoten (I10) zum Empfangen eines Eingangssignals (IS), - einen ladungsempfindlichen Verstärker (100), der eine Verstärkerschaltung (110) mit einer Eingangsseite, die mit dem Eingangsknoten (I10) gekoppelt ist, und einer Ausgangsseite zur Bereitstellung eines ladungsempfindlichen Verstärkerausgangssignal (CS) und einen Kondensator (120), der in einem Rückkopplungspfad zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite der Verstärkerschaltung (110) angeordnet ist, umfasst, - einen steuerbaren Schalter (200), der parallel zu dem Kondensator (120) angeordnet ist, - eine Verzögerungsschaltung (300) zum Bereitstellen eines Verzögerungsschaltungsausgangssignal (DS) bereitzustellen, wobei das Verzögerungsschaltungsausgangssignal (DS) eine zeitverzögerte Darstellung des ladungsempfindlichen Verstärkerausgangssignals (CS) ist, - eine Ausgangssignalerzeugungsschaltung (400), die mit dem Ausgangsknoten (O10) gekoppelt ist, um das Ausgangssignal (OS) bereitzustellen, - wobei die Ausgangssignalerzeugungsschaltung (400) derart ausgebildet ist, dass sie das Ausgangssignal (OS) durch Subtraktion des Verzögerungsschaltungsausgangssignals (DS) von dem ladungsempfindlichen Verstärkerausgangssignal (CS) erzeugt.
Elektronische Front-End-Schaltung nach Anspruch 1, - wobei die Verzögerungsschaltung (300) eine Eingangsseite hat, um das ladungsempfindliche Verstärkerausgangssignal (CS) zu empfangen, - wobei die Verzögerungsschaltung (300) derart ausgebildet ist, dass sie das Verzögerungsschaltungsausgangssignal (DS) mit einer ersten Verzögerungszeit (DT1) erzeugt, nachdem sie das ladungsempfindliche Verstärkerausgangssignal (CS) an der Eingangsseite der Verzögerungsschaltung (300) empfangen hat.
Elektronische Front-End-Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der ladungsempfindliche Verstärker (110) und der Kondensator (120) derart angeordnet sind, dass, wenn das Eingangssignal (IS) als ein Stromimpuls gebildet wird, eine Ladung in dem Kondensator (120) gespeichert wird, wobei die Ladung von dem Stromimpuls des Eingangssignals (IS) abhängig ist.
Elektronische Front-End-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, - wobei der steuerbare Schalter (200) in einem nicht leitfähigen Zustand und einem leitfähigen Zustand betrieben wird, - wobei der steuerbare Schalter (200) und der Kondensator (120) derart angeordnet sind, dass der Kondensator (120) geladen wird, wenn der steuerbare Schalter (200) in dem nicht leitfähigen Zustand betrieben wird, und der Kondensator (120) entladen wird, wenn der steuerbare Schalter (200) in dem leitfähigen Zustand betrieben wird.
Elektronische Front-End-Schaltung nach einem der Ansprüche 1-4, umfassend: eine Steuerschaltung (500), die zum Überwachen der in dem Kondensator (120) gespeicherten Ladung und zum Steuern des steuerbaren Schalters (200) in Abhängigkeit von der in dem Kondensator (120) gespeicherten Ladung ausgestaltet ist.
Elektronische Front-End-Schaltung nach Anspruch 5, wobei die Steuerschaltung (500) derart ausgebildet ist, dass sie den steuerbaren Schalter (200) nach einer Verzögerung von dem nicht leitfähigen Zustand in den leitfähigen Zustand schaltet, wenn die Steuerschaltung (500) erfasst, dass die in dem Kondensator (120) gespeicherte Ladung einen Schwellenwert überschreitet.
Elektronische Front-End-Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, - wobei die Steuerschaltung (500) eine zweite Verzögerungsschaltung (510) umfasst, um ein Steuersignal (S1) zu erzeugen, um den steuerbaren Schalter (200) von dem nicht leitfähigen Zustand in den leitfähigen Zustand zu schalten, - wobei die zweite Verzögerungsschaltung (510) derart ausgebildet ist, dass sie das Steuersignal (S1) mit einer zweiten Verzögerungszeit (DT2) erzeugt, nachdem die Steuerschaltung (500) das Überschreiten eines Schwellenwertes (Vth) der in dem Kondensator (120) gespeicherten Ladung erfasst hat.
Elektronische Front-End-Schaltung nach Anspruch 7, wobei die Verzögerungsschaltung (300) und die zweite Verzögerungsschaltung (510) derart ausgebildet sind, dass die zweite Verzögerungszeit (DT2) kürzer oder gleich der ersten Verzögerungszeit (DT1) ist.
Elektronische Front-End-Schaltung nach einem der Ansprüche 1-8, umfassend: - einen zweiten steuerbaren Schalter (600) zum Trennen der Verzögerungsschaltung (300) von der Ausgangssignalerzeugungsschaltung (400), - wobei die Ausgangssignalerzeugungsschaltung (400) einen ersten Eingang (I400a), der mit dem zweiten steuerbaren Schalter (600) verbunden ist, und einen zweiten Eingang (I400b), der mit der Ausgangsseite der ladungsempfindlichen Verstärkerschaltung (110) verbunden ist, hat.
Elektronische Front-End-Schaltung nach Anspruch 9, wobei der zweite steuerbare Schalter (600) derart ausgebildet ist, dass er in einem ersten Zustand, in dem der zweite steuerbare Schalter (600) die Verzögerungsschaltung (300) mit dem ersten Eingang (I400a) der Ausgangssignalerzeugungsschaltung (400) verbindet, und in einem zweiten Zustand, in dem der zweite steuerbare Schalter (600) die Verzögerungsschaltung (300) von dem ersten Eingangsknoten (I400a) der Ausgangssignalerzeugungsschaltung (400) trennt und den ersten Eingangsknoten (I400a) der Ausgangssignalerzeugungsschaltung (400) mit einem Referenzpotential (VSS) verbindet, betrieben wird.
Elektronische Front-End-Schaltung nach Anspruch 9 oder 10, - wobei die Steuerschaltung (500) eine Steuerstufe (520) umfasst, um ein zweites Steuersignal (S2) mit einem ersten Pegel zu erzeugen, um den zweiten steuerbaren Schalter (600) von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand zu schalten, und mit einem zweiten Pegel, um den zweiten steuerbaren Schalter (600) von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand zu schalten, - wobei die Steuerstufe (520) dazu ausgebildet ist, den ersten Pegel des zweiten Steuersignals (S2) mit einer dritten Verzögerungszeit (DT3) zu erzeugen, nachdem sie den zweiten Pegel des zweiten Steuersignals (S2) erzeugt hat.
Elektronische Front-End-Schaltung nach Anspruch 11, wobei die dritte Verzögerungsschaltung (520) derart ausgebildet ist, dass die dritte Verzögerungszeit (DT3) gleich oder länger als die zweite Verzögerungszeit (DT2) ist.
Elektronische Front-End-Schaltung nach einem der Ansprüche 1-12, wobei die Integratorschaltung (100) einen Widerstand (130) umfasst, der parallel zu dem Kondensator (120) geschaltet ist.
Photonenzählschaltung, umfassend: - eine elektronische Front-End-Schaltung (10) nach einem der Ansprüche 1-13, - einen Photonendetektor (20) mit einem photonenempfindlichen Bereich (21), wobei der Photonendetektor (20) derart ausgebildet ist, dass er einen Stromimpuls (Ipulse) erzeugt, wenn ein Photon auf den photonenempfindlichen Bereich (21) trifft, - einen Energiediskriminator (30), der mit dem Ausgangsknoten (A10) der elektronischen Front-End-Schaltung (10) verbunden ist, - wobei der Photonendetektor (20) mit dem Eingangsknoten (I10) der elektronischen Front-End-Schaltung (10) verbunden ist, so dass der von dem Photonendetektor (20) erzeugte Stromimpuls (Ipulse) an den Eingangsknoten (I10) der elektronischen Front-End-Schaltung (10) angelegt wird, wenn das Photon auf den lichtempfindlichen Bereich (21) des Photonendetektors (20) trifft, - wobei die elektronische Front-End-Schaltung (10) derart ausgebildet ist, dass sie einen Spannungspuls (Vpulse) am Ausgangsknoten (A10) der elektronischen Front-End-Schaltung (10) erzeugt, wenn der Strompuls (Ipulse) an den Eingangsknoten (I10) der elektronischen Front-End-Schaltung (10) angelegt wird, - wobei der Energiediskriminator (30) derart ausgebildet ist, dass er ein digitales Signal in Abhängigkeit von einem Pegel des Spannungspulses (Vpulse) erzeugt.
Vorrichtung zur medizinischen Diagnostik, umfassend: - die Photonenzählschaltung (2) nach Anspruch 14, - wobei das Gerät (1) als Röntgenapparat oder Computertomograph ausgestaltet ist.