DE19545261A1 - Interpolierende Widerstandsauslese in zwei Dimensionen für Strahlungsdetektoren nach dem Prinzip der ortsabhängigen Signalaufteilung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ausleseelektrode nach dem Oberbegriff das Anspruchs 1, opti­ miert durch einige der in den Unteransprüchen beschriebenen Maßnahmen. Die allgemeine Anordnung, hier in der Kombination mit einem µm-Streifen Gaszähler, ist in Fig. 1 dargestellt. Das Ziel der Erfindung war von Anfang an, ein Multizellensystem zu entwickeln, das belie­ big erweitert werden kann, linear arbeitet und lokal unabhängig (asynchron) ausgelesen werden kann.

Stand der Technik und daraus folgende Unzulänglichkeiten

In vielen technischen und medizinischen Anwendungen benötigt man bildgebende Röntgen­ detektoren mit elektronischer Auslese. Je nach Anwendung werden verschiedene Detekto­ ren eingesetzt. Es gibt aber immer noch Fälle, in denen die Leistungen der existierenden Detektoren nicht ausreichen. Unter anderem in der Proteinkristallographie hätte man gerne einen Detektor, der Online-Messungen ermöglicht, hohe Intensitäten verarbeiten kann, eine gewisse Energieauflösung hat und durch Einzelphotonenzählung eine gute statistische Auf­ lösung von Intensitätsunterschieden erreicht. Trotzdem bleibt dem Anwender bislang nichts anderes übrig, als erhebliche Nachteile in Kauf zu nehmen: Die CCD-Kamera, als Beispiel für die Gruppe der Halbleiterdetektoren, ist in der Fläche stark begrenzt und empfindlich gegen Strahlungsschäden, Film und die Imageplate benötigen eine erhebliche Auslesezeit. Allen gemeinsam ist überdies, daß es sich um integrierende Systeme handelt, was die Dy­ namik begrenzt und die Energieauflösung nur durch Filterung möglich macht, was erhebli­ che Einschränkungen mit sich bringt. Die ebenfalls eingesetzten Bildwandler, die Röntgen­ quanten in sichtbares Licht umwandeln, leiden unter intensitätsabhängigen Verzerrungen und einer schlechten Konversionseffizienz, die überdies von der Energie der Strahlung ab­ hängt, was durch das Absorptionsspektrum des Konvertermaterials begründet ist.

Aus diesen Gründen werden in vielen Experimenten, bei denen es auf Energieauflösung, Größe, und Einzelpulszählung ankommt, Gasdetekoren eingesetzt. Meistens handelt es sich hier um Weiterentwicklungen des Proportionalzählrohrs, bei dem die Strahlung das Gas ionisiert, die Ionen im elektrische Feld separiert und im zunehmend starken Feld im Bereich der Anode lawinenartig weitere Ionen produziert werden, die dann als Entladungspuls ge­ messen werden können. Diese Messung kann direkt an Anode oder Kathode durchgeführt werden, es besteht aber auch die Möglichkeit der Influenzauslese.

Bisher sind im Bereich der bildgebenden Gaszähler projizierende Systeme üblich. Diese Sy­ steme werden in großen Maßstäben gebaut, die Technik ist etabliert, der elektronische Aufwand relativ gering. Der Ort des Ereignisses wird auf die in der Nähe befindlichen An­ oden und Kathodenstreifen projiziert, die unter bestimmten Winkeln angeordnet sind und die Koordinaten darstellen. Das Problem dieser Detektoren sind Ambiguitäten, die bei ho­ hen Ereignisraten auftreten und somit die Intensität begrenzen. Falls man nicht bereits mit der Information zufrieden ist, die sich daraus ergibt, welche Elektrode ein Signal liefert, kann in einer Dimension der Ort durch Interpolation ermittelt werden, indem man mit Ver­ zögerungsleitungen oder mit resistiver Signalaufteilung an einem Widerstandsdraht arbeitet. Bei Verwendung einer durchgehenden zweidimensionalen Widerstandsschicht kann eine unabhängige Projektion der x- und y-Koordinaten erreicht werden. Da hier noch weniger Kanäle ausgelesen werden als bei einer vergleichbaren Vieldrahtkammer, ist hier das Raten­ problem besonders gravierend.

Außerdem gibt es Pixeldetektoren. Hier kann jedes Pixel unabhängig von den anderen eine hohe Rate verarbeiten, wodurch sich eine globale Rate ergibt, die nur durch die Zahl der Pixel begrenzt ist. Pixeldetektoren sind im Prinzip beliebig erweiterbar.

Die Ortsauflösung interpolierender Influenzsysteme mit relativ großen Elektroden ist im wesentlichen durch das Signal-zu-Rauschverhältnis limitiert. Dagegen hängt die Auflösung nicht interpolierender Influenzsysteme wesentlich von der Elektrodengröße ab, wobei eben­ so mit abnehmender Fläche das Signal-zu-Rauschverhältnis schlechter wird. Will man an der Einzelpulsmessung festhalten und außerdem die sensitive Fläche herkömmlicher Detektoren erreichen, führen besonders im letzteren Fall die geringen Abmessungen der Elektroden zwangsläufig auch zu einer nicht mehr wirtschaftlichen Anzahl benötigter Vorverstärker und Elektronikverknüpfungen. Deshalb wurden bislang mit kleinen Pixelelektroden nur kleinflä­ chige Detektoren gebaut.

Die Interpolierende Widerstandsauslese in zwei Dimensionen für Strahlungsdetektoren

Die Erfindung stellt einen geeigneten Kompromiß dar, die Vorteile der projizierenden Ein­ zelphoton-Auslese und der Pixelauslese zu vereinen: Viele matrixförmig angeordnete, rela­ tiv kleine Widerstandszellen, welche im Prinzip unabhängig voneinander ausgelesen werden können, sind zu einer großen, beliebig erweiterbaren Fläche vereint. Das System kann als Influenzelektrode, als Kathode oder als Anode eingesetzt werden, was ein breites Anwen­ dungsspektrum erlaubt. Während eine Zelle ausgelesen wird, kann der restliche Bereich des Detektors bis auf die unmittelbar benachbarten Zellen uneingeschränkt sensitiv sein. Durch geeignetes Design kann ein näherungsweise lineares Wiedergabeverhalten und die Unab­ hängigkeit der Koordinaten erreicht werden. Innerhalb der Zellen wird die registrierte La­ dung bei Verwendung niederohmiger Streifen auf diese projiziert und dort, wie bereits als eindimensionale Widerstandsauslese etabliert, auf die benachbarten Kontakte aufgeteilt. So können die Orte der einzelnen Ereignisse interpolativ erheblich genauer als die Zellabmes­ sungen bestimmt werden. Dadurch wird die Zahl der benötigten elektronischen Verstärker und Verknüpfungen deutlich reduziert. Da es sich um einen schwerpunktbildenden Prozeß handelt, sind sogar Auflösungen unterhalb der Influenzbreite möglich. Da die einzelnen Zellen klein im Vergleich zur Gesamtfläche sind, sind Mehrfachkoinzidenzen innerhalb einer Zelle selten, woraus folgt, daß der Gesamtdetektor erheblich höhere Intensitäten verarbeiten kann als bisherige projizierende Systeme gleicher Größenordnung.

Die vorgeschlagene Trennung der Zellen durch Schlitze oder Isolatorstreifen zwischen den Zellen verhindert die beliebige Ausbreitung der Signale auf eine Vielzahl von umgebenden Kontakten. Dies bewirkt einige Vorteile: Die Signale bleiben auf die Kontakte in nächster Nähe limitiert, so daß hier das Signal-zu-Rausch-Verhältnis besser wird. Der Auslesealgo­ rithmus vereinfacht sich, da nicht mehr so viele Variablen eingehen. Randeffekte, bei inein­ ander übergehenden Zellen ein großes Problem betreffend der am Rand des Detektors gele­ genen Zellen, spielen keine große Rolle mehr.

Folgende Nachteile werden in Kauf genommen: Um das unvermeidliche Widerstandsrau­ schen nach Nyquist-Johnson zu optimieren, muß man möglichst große Widerstandswerte verwenden. Dadurch verschlechtert sich aber die Signalausbreitung, was sich in großen Laufzeiten und nicht zu übersehender dispersiver Signalverflachung, d. h. langen Signaldau­ ern äußert. Diese Effekte sind ortsabhängig und nehmen mit der Größe der Zellen zu. Wer­ den flächendeckende Formen der Zellen gewählt, so ergeben sich systematische Nichtlineari­ täten, die mit größer werdendem Verhältnis der Widerstände im Zellinneren zu denen am Rand kleiner werden, wobei ein geeigneter Kompromiß je nach Anwendung gewählt wird.

Ausführungsbeschreibung Allgemein

Die Kontakte werden an den Eckpunkten der Zellen angebracht. Hier ist es gleichwohl möglich, daß jede Zelle ihre eigenen Kontakte hat, als auch, daß ein Kontakt mit allen um­ liegenden Zellen verbunden ist. Wie der Kontakt aussieht, ist prinzipiell ohne Bedeutung, es empfiehlt sich aber, die Kontaktierung durch das Substrat hindurch von hinten vorzuneh­ men. Die Kontaktfläche sollte definiert sein, um an allen Stellen des Detektors das gleiche Ansprechverhalten zu gewährleisten. Runde Kontaktflächen reichen im allgemeinen aus, die Formen der Kontaktflächen können aber auch auf die Zellgeometrie abgestimmt werden. Verwendet man lange schmale Kontaktstreifen, kann man diese auch als niederohmige Randstreifen nach Anspruch 8 begreifen. Die Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit können sauber nebeneinander gefertigt, überlappend oder gar ganz überlagernd angeordnet werden. Im Fall der Verwendung von halbleitendem Material kann durch eine lokale Dotierung ein nahtloser Übergang zwischen verschiedenen Widerstandsbereichen hergestellt werden.

Spezielles Ausführungsbeispiel

Als eine der vielen verschiedenen Realisierungsmöglichkeiten soll ein Prototyp, der im Rahmen einer Diplomarbeit getestet wurde, beschrieben werden. Dieser Prototyp wurde in Dickfilmhybridtechnologie gefertigt, prinzipiell sind aber alle Techniken, mit denen man flächige Widerstände definieren kann, geeignet.

Zunächst werden mit einem geeigneten Laser Löcher für die Kontaktierungen in den Träger aus Keramik auf Al₂O₃-Basis gebohrt. Für die ersten Prototypen wurden Träger von 300 µm und 600 µm erfolgreich verwendet. Die Löcher werden mit Leiterpaste auf Silberpalladium­ basis gefüllt. Gleichzeitig können die Anschlüsse nach außen auf die Rückseite gedruckt werden. Falls die Lochdurchmesser nicht gleichzeitig als Kontaktierungsflächen genutzt werden, werden nach dem Trocknen die definierten Kontaktflächen auf die Vorderseite ge­ druckt. Nach dem Sintern wird auf die Vorderseite die niederohmige Schicht homogen auf­ getragen und ebenfalls gesintert. Nach Bedarf wird diese niederohmige Schicht nun mit ei­ nem Laser so strukturiert (bzw. sauber nachgearbeitet, falls man bereits strukturiert ge­ druckt hat), daß Stege von einem Knoten zum nächsten stehen bleiben. Da die Knoten qua­ dratische Zellen definieren, ergibt sich ein Linienmuster wie auf kariertem Papier. Ist man sich sicher, daß man die hochohmige quadratische Schicht so präzise in die nun freien Qua­ drate innerhalb der Stege drucken kann, daß die niederohmigen Streifen rundum (durch geringfügige Überlappung) kontaktiert werden ohne den Schlitz zu überbrücken, kann man die Stege schon im selben Arbeitsgang mit dem Laser der Länge nach aufschlitzen. Sonst muß man diesen Schritt separat ausführen, nachdem man dann der Einfachheit halber die ganze Fläche homogen mit der hochohmigen Schicht überdeckt hat. Nach dem Sintern der hochohmigen Schicht ist das Interpolierende Pixelausleseelement im Prinzip fertig. Das Er­ gebnis dieser Ausführungsbeschreibung ist ausschnittsweise in den Abbildungen Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt.

Soll beispielsweise ein Mikrostreifengaszähler die Gasverstärkung bewirken und über Influ­ enz ausgelesen werden, so ist darauf zu achten, daß die Dicke des Glasträgers möglichst gering ist, damit die Signale mit ausreichender Amplitude registriert werden können. Es empfiehlt sich dann, die Glasfolie mit der Metallisierung nach oben blasenfrei auf das Inter­ polierende Pixelausleseelement aufzukleben.

In der beschriebenen Version hat ein Detektor mit 64 Kanälen auf 14 mm × 14 mm Fläche und einer Gasfüllung von 1 bis 4 Bar Ar90/10CO₂ Bilder von Röntgen-Diffraktionsspots von Kollagenase geliefert, die teilweise voraussichtlich Mitte 97 in Nuclear Instruments and Methods, North Holland veröffentlicht werden.

Literatur

zu den projizierenden Detektorsystemen
R.Lewis, "Multiwire Gas Proportional Counters: Decrepit Antiques or Classic Performers?", J. Synchrotron Rad. (1994), 1, 43-53
M. Lampton and C.W. Carlson, "Low-distortion resistive anodes for two­ dimensional position-sensitive MCP-systems", Rev. Sci.Instrum. 50 (9), Sept. 1979

zum Mikrostreifengaszähler:
A.Oed, Nucl. Instr. and Meth. A263 (1988) 351

zu den Pixeldetektoren
M.Cuzin, "Detectors for x-rays", in "x-Ray Detectors for Synchrotron Radiation", A.H.Walenta, editor, Proc. Europ. Workshop on X-Ray Detectors for Synchrotron Radiation Sources, Aussois, Sept. 30 to Oct. 4 1991, p 140-150

zu C.A.T. und MICROMEGAS
F. Bartol, M. Bordessoule, G. Chaplier, M. Lemonnier and S. Megtert, J. Phys. III France 6 (1996) 337-347
Y. Giomataris, Ph. Rebourgeard and J.P.Robert, "The development of MICRO MEGAS for high particle-flux environments", Proceedings of the international Workshop on Microstrip Gas chambers, Lyon, 1995, Editors: D.Contardo, F.Sauli

zum Widerstandsrauschen
H. Nyquist, Thermal agitation in conductors, Phys. Rev 29, 614, (1927)
H. Nyquist, Thermal agitation of electric charge in conductors, Phys. Rev, 32, 110- 113, (1928)
J.B.Johnson, Thermal agitation of electricity in conductors, Nature, 119, 50f, (1927)
J.B.Johnson, Thermal agitaion of electricity in conductors, Phys Rev 29, 367f, (1928)
Veljko Radeka, Low-Noise Techniques in Detectors, Ann. Rv. Nucl. Part. Sci 1988. 38 : 2177-77

Claims (8)

1. Interpolierende Widerstandsauslese in zwei Dimensionen für Strahlungsdetektoren nach dem Prinzip der ortsabhängigen Signalaufteilung gekennzeichnet dadurch, daß sich wieder­ holende Zellen die gesamte Bildfläche eines 2D-Detektors überdecken und an regelmäßig angebrachten Kontakten die Signale zur Interpolation abgenommen werden. Die interpolierende Widerstandsauslese in zwei Dimensionen kann als Elektrodensystem zur Ortsauslese Anwendung finden in verstärkenden Systemen mit Townsend Lawine wie Mi­ krostreifendetektor, Vieldrahtkammer, Proportionalkammer, Mikrogapdetektor, Parallel­ plattendetektor, (metallischer) Lochplatte (C.A.T., MICROMEGAS ), darüber hinaus in Ionisationskammern, Funkenkammern, Sekundärelektronenvervielfachern, Mikrokanalplat­ ten, und in Verbindung mit, als Oberfläche von, oder als integrierte Struktur von Halbleiter­ detektoren.

2. Interpolierende Widerstandsauslese in zwei Dimensionen für Strahlungsdetektoren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß man mehrere Widerstandsschichten verschie­ dener spezifischer Flächenwiderstände verwenden kann:

• a. Nutzung des endlichen Widerstandes des Substrates als eine Widerstandsschicht,
• b. Verwendung von nur einer Widerstandsschicht,
• c. Verwendung von mindestens zwei Widerstandsschichten.

3. Interpolierende Widerstandsauslese in zwei Dimensionen für Strahlungsdetektoren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht oder die Wider­ standsschichten wie folgt strukturiert werden können:

• a. Verwendung mindestens einer nichthomogenen Widerstandsschicht,
• c. verschiedene Formen unterschiedlicher Widerstandsschichten,
• b. Verwendung unterschiedlicher Schichtdicken einer oder mehrerer Widerstandsschichten,
• d. Beschränkung zusätzlicher Widerstandsschichten auf den Randbereich der Zellen,
• e. alleinige Realisierung solcher Randstreifen auf Träger, der elektrisch schlecht leitend oder isolierend ist,
• f. freigespanntes Netz von Widerständen, an Knotenpunkten kontaktiert,
• g. an Kontakten aufgehängtes Netz von Widerstandsdrähten.

4. Interpolierende Widerstandsauslese in zwei Dimensionen für Strahlungsdetektoren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Zellen Polygonen entspricht, welche die ebene Fläche bündig bedecken, z. B. Dreiecke, Quadrate, Sechsecke oder Kom­ binationen daraus.

5. Interpolierende Widerstandsauslese in zwei Dimensionen für Strahlungsdetektoren nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Zellen nur näherungsweise solchen Polygonen entspricht, aber die gleichen Funktionen erfüllt.

6. Interpolierende Widerstandsauslese in zwei Dimensionen für Strahlungsdetektoren nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen eine konkave Form haben, unter Inkaufrahme von Zwischenräumen zwischen den Zellen.

7. Interpolierende Widerstandsauslese in zwei Dimensionen für Strahlungsdetektoren nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die zu bedeckende Fläche gekrümmt sein kann.

8. Interpolierende Widerstandsauslese in zwei Dimensionen für Strahlungsdetektoren nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Elemente entkoppelt sind. Dieser Entkopplung können die folgenden Maßnahmen dienen, die teilweise auch miteinan­ der kombiniert werden können:

• a. Entkopplung durch niederohmige Streifen. Befinden sich diese niederohmigen Streifen am Rand der Zelle, bewirken sie außerdem eine Linearisierung.
• b. Schlitze in der Fläche, vorzugsweise als Trennschlitz zwischen den Elementen.
• c. implantierte Isolatoren in der Fläche (z. B. Keramikstreifen anstelle von Schlitzen)
• d. Zellen in Aushöhlungen des Substrats, getrennt durch stehengebliebene Wände e. keinerlei Kontakt zwischen Elementen, auch keine gemeinsamen Vorverstärker
• f. Zusammenstellung von ursprünglich getrennten Elementen oder Elementgruppen.