EP2748635A2 - Ortsempfindlicher detektor zur detektion von photonen- oder teilchenverteilungen - Google Patents

Ortsempfindlicher detektor zur detektion von photonen- oder teilchenverteilungen

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EP2748635A2
EP2748635A2 EP12756098.5A EP12756098A EP2748635A2 EP 2748635 A2 EP2748635 A2 EP 2748635A2 EP 12756098 A EP12756098 A EP 12756098A EP 2748635 A2 EP2748635 A2 EP 2748635A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
detector
cells
receiving surface
readout channels
readout
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12756098.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Fischer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Heidelberg
Original Assignee
Universitaet Heidelberg
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Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Heidelberg filed Critical Universitaet Heidelberg
Publication of EP2748635A2 publication Critical patent/EP2748635A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/17—Circuit arrangements not adapted to a particular type of detector
    • G—PHYSICS
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    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/161—Applications in the field of nuclear medicine, e.g. in vivo counting
    • G01T1/164—Scintigraphy
    • G01T1/1641—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions using one or several scintillating elements; Radio-isotope cameras
    • G01T1/1642—Static instruments for imaging the distribution of radioactivity in one or two dimensions using one or several scintillating elements; Radio-isotope cameras using a scintillation crystal and position sensing photodetector arrays, e.g. ANGER cameras
    • G—PHYSICS
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    • G01T1/2018—Scintillation-photodiode combinations
    • G01T1/20184—Detector read-out circuitry, e.g. for clearing of traps, compensating for traps or compensating for direct hits
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    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
    • G01T1/248—Silicon photomultipliers [SiPM], e.g. an avalanche photodiode [APD] array on a common Si substrate

Definitions

  • Location-sensitive detector for the detection of photons or particle distributions
  • the present invention relates to a
  • a location sensitive detector for detecting photon or particle distributions having a detector receiving surface formed by a plurality of detector cells of individual detector elements, and a number N of readout channels for the detector cells that is less than the number of detector cells, each detector cell being at least one of the readout channels assigned and connected to this.
  • the gamma quanta to be detected are in
  • Scintillation crystals that produce several thousand optical photons due to the interaction with the gamma quantum. This light must be detected with a spatial resolution of 0.5 to 3 mm.
  • the scintillation crystals are usually subdivided into columns of 0.5 to 3 mm in width, owing to their high thickness of several cm required for the absorption of the gamma quanta, in order to obtain the required spatial resolution.
  • the photons emitted by the individual columns must then be detected with a photodetector which also achieves this spatial resolution.
  • An embodiment of the photodetector with a number of columns corresponding to the high number of channels However, it is expensive and expensive.
  • the possibility of reducing the costs consists of distributing the light emerging from the scintillation crystals over several optical elements ("light spreaders") to several larger detector elements whose signals then interpolate the respective exit location of the light
  • DE 102005055656 B3 describes a device for processing detector signals which has fewer read-out channels than detector elements.
  • each detector element is with each
  • US 2011/0001053 A1 discloses a detection device comprising a plurality of detector cells, in which individual channels are combined in signal processing units for the detector signals. The number of readout channels connecting the detector cells to the signal processing units thereby becomes
  • the object of the present invention is to provide a location-sensitive detector for the detection of photon or particle distributions, which achieves a high spatial resolution with a small number of readout channels.
  • the detector should be in an embodiment as a photodetector also suitable for use in a gamma detector.
  • the task becomes with the location sensitive
  • Detector according to claim 1 solved.
  • Advantageous embodiments of the detector are the subject of the dependent claims or can be the
  • the proposed detector has a detector receiving surface which is formed by a plurality of detector cells of individual detector elements.
  • Detector receiving surface is thus in the individual
  • the detector has for this purpose a number N of readout channels for the
  • the number of detector cells is preferably at least 30x30 detector cells.
  • Each detector cell used for the detection is in this case assigned to at least one of the readout channels, preferably in each case exactly one readout channel, and connected thereto. In the proposed detector, the assignment of the readout channels to the detector cells is selected so that the signals of the readout channels
  • Position of the center of gravity of the incident on the detector receiving surface photon or particle distribution can be determined. Preferably, this assignment is chosen such that this Calculate position from the signals of the readout channels via a center of gravity.
  • Photodetector formed with photodiodes as detector elements.
  • the assignment of the detector cells to the readout channels is preferably locally approximated to a distribution function which, in an ideal case of a reception area which is not discrete by detector cells of size, would enable a clear determination of the position of a single impinging photon or particle at each location.
  • Each read channel is doing a position around the
  • said N positions span an area in which the detector receiving surface is located.
  • the assignment of the detector cells to the readout channels is then locally approximated to the chosen distribution function.
  • Distribution function allocates signal components of the detector cells to each readout channel preferably as a linear or nonlinear function of the relative position of the respective detector cell to the position associated with the respective readout channel.
  • the approach is accomplished by viewing areas comprising multiple detector cells. In these areas, the assignment of the individual detector cells to the
  • Selection channels are selected so that over the respective area considered approximately a division of the signal components results on the readout channels, as they are by the distribution function for a focus the area arranged detector cell is obtained.
  • N 3 read-out channels
  • use of four read-out channels results in a lower noise component.
  • the individual detector cells may be avalanche photodiodes in the proposed photodetector.
  • the entire photodetector is as
  • Silicon photomultiplier formed which has a high
  • the detector cells may be MAPS (monolithic active pixel sensors).
  • a scintillator of a plurality of scintillation crystals is arranged for the detection of X-ray or gamma quanta over the detector-receiving surface, which converts the incident X-ray or gamma quantum into optical photons with photodiodes as
  • Detector elements are detectable.
  • the scintillator can in this case, for example, in individual columns
  • the proposed detector can be found in the
  • Fig. 1 shows two examples of an assignment of
  • Fig. 4 is a highly schematic representation of a plan view of a possible
  • Fig. 5 is a schematic representation of a
  • the detector is
  • Silicon Photomultiplier SiPM is formed, in which the detector receiving surface of many single cells, referred to in the present patent application as detector cells composed.
  • the detector cells are in turn formed in a known manner by avalanche photodiodes with series resistor.
  • the detector cells are not all connected to an electrode or a readout or output channel, but to several
  • N 4
  • Readout channels used.
  • the assignment of the detector cells to the read-out channels is selected such that the position of the center of gravity of a photon distribution impinging on the detector surface can be determined from the signals of the readout channels via a center of gravity formation.
  • signals are produced at the N outputs which correspond in each case to the number of cells of the region hit by the photons, which are connected to the respective readout channel. From these signals can then due to the Cell allocation by focusing on the
  • the assignment of the cells to the read-out or output channels takes place in such a way that this is achieved locally as well as possible-within the discretization accuracy by the finite size of the individual cells.
  • Focusing is just a preferred example based on a special distribution function.
  • Distribution functions can be chosen if, for example, a higher spatial resolution in the center of the receiving surface than at the edges is desired. The assignment is dependent on the selected
  • Distribution function is then approximated by the local map as well as possible.
  • Distribution function which has the shape of a sinh (hyperbolic sine) in the directions parallel to the edges of the detector receiving surface, will be advantageous over the entire receiving surface of the same spatial errors and compared to a distribution function for center of gravity higher average spatial resolution achieved (given noise).
  • Fig. 1 shows two examples of this
  • the receiving surface consists only of 16 ⁇ 16 detector cells 2, in the lower part of the figure 32 ⁇ 32 detector cells 2.
  • the number of cells can be even higher, for example between 40 ⁇ 40 and 160 x 160 cells or above.
  • the different assignment of the individual detector cells 2 to the four readout channels is indicated by the different representation of the cells. With such an assignment of the detector cells 2 to the four readout channels, a distribution function is approximated, with which the position of the center of gravity of the incident photon distribution over a center of gravity of the signals of the four readout channels
  • FIG. 2 shows in the four partial images a to d the respective assignment of the detector cells 2 to one of the readout channels for a size of the detector receiving surface 1 of 80 ⁇ 80 cells.
  • the dots in the respective partial illustrations mark the cells that - lo
  • Each cell is assigned exactly one channel, so that one
  • the sum of the N components results in the value 1 due to the unit signal. 2)
  • the individual detector cells are not initially assigned to any channel.
  • an unassigned pixel in the cluster is randomly selected and assigned to channel i;
  • the cluster size is increased, preferably doubled, the maximum size being limited by the size of the detector receiving area, and started again at step 4). This takes place until all detector cells or pixels are assigned to a readout channel.
  • Photodetector is that the spatial resolution and determination accuracy is independent of the position of a scintillator on the receiving surface.
  • Fig. 3 shows an example of this over the
  • a detector receiving surface was simulated with 100 x 100 cells. From the locations 4 of this so-called flood map calculated by the assignment, it can be seen that, despite the rotation, the positions of the individual scintillator crystals can be well resolved.
  • the photodetector is thus very tolerant of a misalignment of any scintillator used in conjunction with the detector.
  • Fig. 4 shows still a highly schematic
  • Detector cell 2 between four readout channels 5 is located.
  • the readout channels themselves run at the edge of the detector receiving surface in the column direction.
  • Readout channels 5 is schematic in the figure
  • FIG. 5 shows, by way of example, an arrangement of several adjacent detectors with a triangular detector receiving surface 1. Each of these detectors has three readout channels which correspond to the corners of the detector
  • Detector receiving surfaces 1 are assigned.
  • one or more readout channels of respectively adjacent detectors are connected to one another, so they are used together.
  • Corner point 6 associated readout channel shared by all six adjacent detectors The same applies to the other corner points. This can additionally reduce the number of readout channels in such an arrangement.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen ortsempfindlichen Detektor für eine Detektion von Photonenoder Teilchenverteilungen, bei dem die Detektor- Empfangsfläche (1) durch mehrere Detektorzellen (2) aus einzelnen Detektorelementen gebildet ist, die mit mehreren Auslesekanälen (5) verbunden sind. Die Zuordnung der Detektorzellen (2) zu den Auslesekanälen (5) ist derart gewählt, dass aus Signalen der Auslesekanäle (5) eine Position eines Schwerpunktes einer auf die Detektor-Empfangsfläche (1) auftreffenden Photonen- oder Teilchenverteilung lokal bestimmt werden kann. Der Detektor erlaubt eine hohe Ortsauflösung bei einer geringen Anzahl an Auslesekanälen.

Description

Ortsempfindlicher Detektor zur Detektion von Photonenoder Teilchenverteilungen
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen
ortsempfindlichen Detektor zur Detektion von Photonenoder Teilichenverteilungen, mit einer Detektor- Empfangsfläche, die durch mehrere Detektorzellen aus einzelnen Detektorelementen gebildet ist, und einer Anzahl N an Auslesekanälen für die Detektorzellen, die geringer als die Anzahl an Detektorzellen ist, wobei jede Detektorzelle wenigstens einem der Auslesekanäle zugeordnet und mit diesem verbunden ist.
Ortsempfindliche Photodetektoren werden
beispielsweise für die Detektion von Gamma-Quanten in der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) eingesetzt. Die nachzuweisenden Gamma-Quanten werden dabei in
Szintillationskristallen absorbiert, die aufgrund der Wechselwirkung mit den Gamma-Quanten mehrere tausend optische Photonen erzeugen. Dieses Licht muss mit einer Ortsauflösung von 0,5 bis 3 mm detektiert werden. Die Szintillationskristalle werden aufgrund ihrer für die Absorption der Gamma-Quanten erforderlichen hohen Dicke von mehreren cm in der Regel in Säulen von 0,5 bis 3 mm Breite unterteilt, um die geforderte Ortsauflösung zu erhalten. Die von den einzelnen Säulen emittierten Photonen müssen dann mit einem Photodetektor detektiert werden, der diese Ortsauflösung ebenfalls erreicht. Eine Ausgestaltung des Photodetektors mit einer der Anzahl an Säulen entsprechenden hohen Anzahl an Kanälen ist jedoch aufwändig und kostenintensiv. Eine
Möglichkeit der Verringerung der Kosten besteht darin, das aus den Szintillationskristallen austretende Licht über eine optische Ankopplung („ light spreader") auf mehrere größere Detektorelemente zu verteilen, aus deren Signalen dann der jeweilige Austrittsort des Lichtes interpoliert wird. Dies führt jedoch zu
Randeffekten und schränkt den möglichen mechanischen Aufbau stark ein.
Die DE 102005055656 B3 beschreibt eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Detektorsignalen, die weniger Auslesekanäle als Detektorelemente aufweist. Bei dieser Vorrichtung ist jedes Detektorelement mit jedem
Auslesekanal verbunden. Eine Positionsbestimmung auftreffender Photonen wird dabei durch eine geeignete Gewichtung der Detektorsignale mit einem Binärcode erreicht . Die US 2011/0001053 AI offenbart eine Detek- tionsvorrichtung aus mehreren Detektorzellen, bei der in Signalverarbeitungseinheiten für die Detektorsignale einzelne Kanäle zusammengefasst werden. Die Anzahl der Auslesekanäle, die die Detektorzellen mit den Signal - Verarbeitungseinheiten verbinden, wird dadurch
allerdings nicht reduziert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen ortsempfindlichen Detektor zur Detektion von Photonen- oder Teilchenverteilungen anzugeben, der mit einer geringen Anzahl an Auslesekanälen eine hohe örtliche Auflösung erreicht. Der Detektor soll sich in einer Ausgestaltung als Photodetektor auch für den Einsatz in einem Gamma-Detektor eignen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem ortsempfindlichen
Detektor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Detektors sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der
nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungs- beispiel entnehmen.
Der vorgeschlagene Detektor weist eine Detektorempfangsfläche auf, die durch mehrere Detektorzellen aus einzelnen Detektorelementen gebildet ist. Die
Detektor-Empfangsfläche ist somit in die einzelnen
Detektorzellen segmentiert, die über Auslesekanäle des Detektors ausgelesen werden können. Der Detektor weist hierzu eine Anzahl N an Auslesekanälen für die
Detektorzellen auf, die sehr viel kleiner als die
Anzahl an Detektorzellen ist. Vorzugsweise weist der Detektor eine Anzahl an N = 3 oder N = 4 Auswerte- kanälen auf. Die Anzahl an Detektorzellen beträgt vorzugsweise mindestens 30x30 Detektorzellen. Jede für die Detektion genutzte Detektorzelle ist hierbei wenigstens einem der Auslesekanäle zugeordnet, vorzugsweise jeweils genau einem Auslesekanal, und mit diesem verbunden. Bei dem vorgeschlagenen Detektor ist die Zuordnung der Auslesekanäle zu den Detektorzellen so gewählt, dass aus Signalen der Auslesekanäle die
Position des Schwerpunktes der auf die Detektor- Empfangsfläche auftreffenden Photonen- oder Teilchenverteilung bestimmt werden kann. Vorzugsweise wird diese Zuordnung derart gewählt, dass sich diese Position aus den Signalen der Auslesekanäle über eine Schwerpunktbildung berechnen lässt. In einer
bevorzugten Ausgestaltung ist der Detektor als
Photodetektor mit Photodioden als Detektorelementen ausgebildet.
Die Zuordnung der Detektorzellen zu den Auslese- kanälen ist dabei vorzugsweise jeweils lokal einer Verteilungsfunktion angenähert, die in einem idealen Fall einer nicht durch Detektorzellen endlicher Größe diskretisierten Empfangsfläche an jeder Stelle eine eindeutige Bestimmung der Position eines einzelnen auftreffenden Photons oder Teilchens ermöglichen würde. Jedem Auslesekanal wird dabei eine Position um die
Detektor-Empfangsfläche oder an der Detektor- Empfangsfläche zugeordnet, wobei diese N Positionen eine Fläche aufspannen, in der die Detektor- Empfangsfläche liegt. Die Zuordnung der Detektorzellen zu den Auslesekanälen wird dann jeweils lokal der gewählten Verteilungsfunktion angenähert. Die
Verteilungsfunktion ordnet jedem Auslesekanal Signalanteile der Detektorzellen vorzugsweise als lineare oder nichtlineare Funktion der relativen Position der jeweiligen Detektorzelle zu der Position zu, die dem jeweiligen Auslesekanal zugeordnet ist. Die Annäherung erfolgt durch Betrachtung von Bereichen, die mehrere Detektorzellen umfassen. In diesen Bereichen wird dann die Zuordnung der einzelnen Detektorzellen zu den
Auslesekanälen so gewählt, dass sich über den jeweils betrachteten Bereich annähernd eine Aufteilung der Signalanteile auf die Auslesekanäle ergibt, wie sie durch die Verteilungsfunktion für eine im Schwerpunkt des Bereichs angeordnete Detektorzelle erhalten wird.
Bei einer Ausgestaltung des Detektors, bei der die einzelnen Detektorzellen annähernd rechteckige
Empfangsflächen aufweisen und eine rechteckige
Anordnung mit senkrechten Zeilen und Spalten bilden, werden vorzugsweise insgesamt N=4 Auslesekanäle
eingesetzt, die mit den Ecken der rechteckigen
Anordnung korrespondieren. Ein Einsatz von lediglich N=3 Auslesekanälen ist bei einer rechteckigen Anordnung zwar ebenso möglich, eine Nutzung von vier Auslesekanälen führt jedoch zu einem geringeren Rauschanteil. Eine Nutzung von insgesamt N=3 Auslesekanälen ist jedoch beispielsweise für eine dreieckige Anordnung von Detektorzellen vorteilhaft.
Die einzelnen Detektorzellen können beim vorgeschlagenen Photodetektor Avalanche- Photodioden sein. Vorzugsweise ist der gesamte Photodetektor als
Silizium-Photomultiplier ausgebildet, der eine hohe
Verstärkung für die auftreffenden Photonenverteilungen aufweist. Im Falle eines Detektors für die Detektion von Teilchenverteilungen können die Detektorzellen beispielsweise MAPS (monolithic active pixel sensors) sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist für den Nachweis von Röntgen- oder Gamma-Quanten über der Detektor-Empfangsfläche ein Szintillator aus mehreren Szintillationskristallen angeordnet, der die auftreffenden Röntgen- oder Gamma-Quanten in optische Photonen umwandelt, die mit Photodioden als
Detektorelementen detektierbar sind. Der Szintillator kann hierbei beispielsweise in einzelne Säulen
unterteilt sein, wie dies zum Erreichen einer hohen Ortsauflösung aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Der vorgeschlagene Detektor lässt sich in der
Ausgestaltung als Photodetektor beispielsweise in einem Gamma-Detektor in Verbindung mit Szintillations- kristallen einsetzen. Anwendungsbeispiele hierfür sind die bereits angeführte PET sowie Anwendungen in den Materialwissenschaften. Auch im Bereich der Forschung lässt sich ein derartiger Photodetektor für Anwendungen nutzen, bei denen die hohe Ortsauflösung mit möglichst wenigen elektronischen Auslesekanälen gefordert wird. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der vorgeschlagene Detektor wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 zwei Beispiele für eine Zuordnung der
einzelnen Detektorzellen des vorge schlagenen Detektors zu insgesamt
Auslesekanälen;
Fig. 2 in vier Teilabbildungen ein weiteres
Beispiel für eine Zuordnung der einzelnen Detektorzellen des vorgeschlagenen
Detektors zu den vier Auslesekanälen;
Fig. 3 ein Beispiel für eine Simulation („Flood
Map") bei schräger Anordnung eines
Szintillators in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Detektor; und Fig. 4 eine stark schematisierte Darstellung einer Draufsicht auf eine mögliche
Ausgestaltung des vorgeschlagenen
Detektors im Ausschnitt; und
Fig. 5 eine schematisierte Darstellung einer
Anordnung aus mehreren benachbarten
Detektoren.
Im nachfolgenden Beispiel ist der Detektor
Silizium-Photomultiplier (SiPM) ausgebildet, bei dem die Detektor-Empfangsfläche aus vielen Einzelzellen, in der vorliegenden Patentanmeldung als Detektorzellen bezeichnet, zusammengesetzt ist. Die Detektorzellen sind wiederum in bekannter Weise durch Avalanche- Photodioden mit Vorwiderstand gebildet. Bei dem
vorgeschlagenen Photodetektor werden die Detektorzellen nicht alle an eine Elektrode bzw. einen Auslese- oder Ausgangskanal angeschlossen, sondern an mehrere
Auslesekanäle verteilt. Im vorliegenden Beispiel einer rechteckigen Detektor-Empfangsfläche werden N = 4
Auslesekanäle verwendet. Die Zuordnung der Detektorzellen zu den Auslesekanälen wird derart gewählt, dass aus den Signalen der Auslesekanäle über eine Schwerpunktsbildung die Position des Schwerpunktes einer auf die Detektorfläche auftreffenden Photonenverteilung bestimmt werden kann. Wird ein Bereich von Detektorzellen durch Photonen getroffen, so ergeben sich an den N Ausgängen Signale, die jeweils der Anzahl der Zellen des von den Photonen getroffenen Bereiches entsprechen, die an den jeweiligen Auslesekanal angeschlossen sind. Aus diesen Signalen kann dann aufgrund der Zellzuteilung durch Schwerpunktsbildung auf die
Position des Bereiches zurückgerechnet werden.
Die Zuordnung der Zellen zu den Auslese- bzw. Ausgangskanälen erfolgt dabei derart, dass dies lokal so gut wie möglich - innerhalb der Diskretisierungsgenauigkeit durch die endliche Größe der einzelnen Zellen - erreicht wird.
Die Schwerpunktsbildung ist hierbei nur ein bevorzugtes Beispiel auf Basis einer speziellen Verteilungsfunktion. Für die Schwerpunktsbildung werden die gewählten Positionen bzw. Koordinaten { xKanai , i , y"Kanai,i denen die Auslesekanäle i (i=l..N) zugeordnet wurden, mit den dort gemessenen Signalen (Signali) gewichtet addiert. Das Ganze wird auf das Gesamtsignal normiert:
Summe [ { xKanai , i , YKanai . i } *Signali] /Summe [Signali] wobei { xrek Yrek } der Koordinate der zu bestimmenden Position, entspricht.
Auch andere über die Empfangsfläche nichtlineare
Verteilungsfunktionen können gewählt werden, falls beispielsweise eine höhere Ortsauflösung im Zentrum der Empfangsfläche als an den Rändern erwünscht ist. Die Zuordnung wird in Abhängigkeit der gewählten
Verteilungsfunktion durchgeführt, wobei diese
Verteilungsfunktion dann durch die Zuordnung jeweils lokal möglichst gut angenähert wird. Bei Wahl einer
Verteilungsfunktion, die in den Richtungen parallel zu den Kanten der Detektor-Empfangsfläche die Form eines sinh (Sinus Hyperbolicus) hat, werden vorteilhaft ein über die gesamte Empfangsfläche gleicher Ortsfehler und eine gegenüber einer Verteilungsfunktion zur Schwerpunktsbildung höhere mittlere Ortsauflösung (bei gegebenem Rauschen) erreicht.
Fig. 1 zeigt hierzu zwei Beispiele für die
Zuordnung der Detektorzellen 2 einer Detektor- Empfangsfläche 1 zu den vier Auslesekanälen für zwei unterschiedliche Diskretisierungen. Im oberen Teil der Figur besteht die Empfangsfläche zur Veranschaulichung lediglich aus 16 x 16 Detektorzellen 2, im unteren Teil der Figur aus 32 x 32 Detektorzellen 2. Bei in der Praxis eingesetzten Photodetektoren kann die Anzahl der Zellen nochmals höher sein und beispielsweise zwischen 40 x 40 und 160 x 160 Zellen oder darüber liegen. Die unterschiedliche Zuordnung der einzelnen Detektorzellen 2 zu den vier Auslesekanälen ist durch die unterschiedliche Darstellung der Zellen angedeutet. Mit einer derartigen Zuordnung der Detektorzellen 2 zu den vier Auslesekanälen wird eine Verteilungsfunktion angenähert, mit der die Position des Schwerpunkts der auf- treffenden Photonenverteilung über eine Schwerpunkts - bildung aus den Signalen der vier Auslesekanäle
bestimmt werden kann. Dies führt zu einer über die gesamte Empfangsfläche nahezu gleichen Ortsauflösung, wobei auch der Bestimmungsfehler für jeden Bereich der Detektor-Empfangsfläche 1 annähernd gleich ist.
Fig. 2 zeigt in den vier Teilabbildüngen a bis d die jeweilige Zuordnung der Detektorzellen 2 zu einem der Auslesekanäle für eine Größe der Detektor- Empfangsfläche 1 von 80 x 80 Zellen. Die Punkte in den jeweiligen Teilabbildungen markieren die Zellen, die - lo
dern jeweiligen Kanal zugeordnet sind. Jeder Zelle ist dabei genau ein Kanal zugeordnet, so dass eine
Überlagerung der vier Teilabbildung eine vollständig schwarze Fläche ergeben würde .
Im Folgenden wird ein Beispiel für eine Vorgehens - weise bei der Zuordnung der Detektorzellen zu den
Auslesekanälen erläutert, mit der die Zuordnungen der Figuren 1 und 2 erzeugt wurden. Hierbei werden folgende Schritte durchgeführt:
1) Für jede Detektorzelle (Pixel) wird in einem ersten Schritt die ideale prozentuale Aufteilung Ii eines (Einheits) Signals auf die N Auslesekanäle
berechnet (i = 1 ... N) . Dazu wird die gewählte
Verteilungsfunktion über die Fläche der Zelle
integriert. Die Summe der N Anteile ergibt in diesem Beispiel aufgrund des Einheitssignals den Wert 1. 2) Die einzelnen Detektorzellen werden zunächst keinem Kanal zugewiesen.
3) Als anfängliche Block- bzw. Clustergröße M x M wird eine Größe von 2 x 2 Detektorzellen gesetzt.
4) Es wird mit einem Cluster in einer Ecke der Detektor-Empfangsfläche begonnen .
5) Die Summe der x M Aufteilungsanteile Ii wird für diesen Cluster berechnet. Ii ist in der Regel nicht ganzzahlig. Eine bereits erfolgte Zuweisung von Pixeln im Cluster zu einem Auslesekanal wird in Fi aufaddiert. Fi ist ganzzahlig für alle i = 1 ... . 6) Solange irgendein Ii um mehr als 1 größer als das zugehörige Fi ist, muss im Cluster ein weiteres Pixel dem Kanal i zugewiesen werden:
- ein noch nicht zugeordnetes Pixel im Cluster wird zufällig ausgewählt und dem Kanal i zugewiesen;
Fi wird um 1 erhöht . Dieser Schritt wird solange wiederholt, bis alle
Differenzen Ii - Fi kleiner als 1 sind.
7) Der Cluster wird um N nach rechts/links oder nach oben/unten verschoben und ab Schritt 5) der
Vorgang wiederholt, bis die gesamte Detektor-Empfangs- fläche abgearbeitet ist. Selbstverständlich kann hierbei grundsätzlich auch an anderer Stelle der
Empfangsfläche begonnen werden oder die Abarbeitung der Gesamtfläche nach einem anderen Schema erfolgen.
8) Im nächsten Schritt wird die Clustergröße erhöht, vorzugsweise verdoppelt, wobei die maximale Größe durch die Größe der Detektor-Empfangsfläche begrenzt ist, und wieder bei Schritt 4) begonnen. Dies erfolgt solange, bis alle Detektorzellen bzw. Pixel einem Auslesekanal zugeordnet sind.
Die Annäherung an die gewünschte Verteilungsfunktion erfolgt dabei umso besser, je mehr einzelne Detektorzellen auf der Detektor-Empfangsfläche zur Verfügung stehen. Dies gilt auch für den späteren
Fehler bei der Positionsbestimmung, der auch mit zunehmender Größe des jeweils beleuchteten Bereichs abnimmt, da dann die Statistik besser wird. Bei einem Detektor von 8mm Kantenlänge und Zellen von 50μπ\ x 50μπι (Quadrat) lassen sich etwa 10 Blöcke von 0,8mm
Kantenlänge unterscheiden.
Ein besonderer Vorteil des vorgeschlagenen
Photodetektors besteht darin, dass die Ortsauflösung und Bestimmungsgenauigkeit unabhängig von der Position eines Szintillators über der Empfangsfläche ist. Fig. 3 zeigt hierzu ein Beispiel für einen gegenüber den
Kanten der Detektor-Empfangsfläche 1 verdrehten
Szintillator 3 mit 7 x 7 einzelnen Szintillator- Kristallen. Die von den Kristallen ausgesendeten
Photonen wurden hierbei mit endlicher Photonenzahl simuliert und die oben beschriebene Zuordnung der
Detektorzellen zu den Auslesekanälen angenommen.
Hierbei wurde eine Detektor-Empfangsfläche mit 100 x 100 Zellen simuliert. Aus den über die Zuordnung berechneten Auftrefforten 4 dieser so genannten Flood- Map ist ersichtlich, dass trotz der Verdrehung die Positionen der einzelnen Szintillator-Kristalle gut aufgelöst werden können. Der Photodetektor ist somit sehr tolerant gegenüber einer Dejustierung eines eventuell in Verbindung mit dem Detektor eingesetzten Szintillators.
Fig. 4 zeigt noch ein stark schematisiertes
Beispiel eines Aufbaus des Photodetektors in
Draufsicht, wobei lediglich ein Ausschnitt mit 4 x 3 Detektorzellen zu erkennen ist. Die Empfangsflächen der einzelnen Detektorzellen 2 sind rechteckig ausgebildet und in zueinander senkrechten Zeilen und Spalten angeordnet. Zwischen den einzelnen Zeilen verlaufen jeweils zwei Auslesekanäle 5, so dass jede
Detektorzelle 2 zwischen vier Auslesekanälen 5 liegt. Die Auslesekanäle selbst laufen am Rand der Detektor- Empfangsfläche in Spaltenrichtung. Die Verbindung der einzelnen Detektorzellen 2 mit den jeweiligen
Auslesekanälen 5 ist in der Figur schematisch
angedeutet . Diese Verbindung kann auch unterhalb der Detektorzellen ausgebildet sein. Figur 5 zeigt beispielhafte eine Anordnung aus mehreren benachbarten Detektoren mit dreieckiger Detektor-Empfangsfläche 1. Jeder dieser Detektoren weist drei Auslesekanäle auf, die den Ecken der
Detektor-Empfangsflächen 1 zugeordnet sind. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind jeweils ein oder mehrere Auslesekanäle jeweils benachbarter Detektoren miteinander verbunden, werden also gemeinsam genutzt. So kann im Beispiel der Figur 5 jeweils der dem
Eckpunkt 6 zugeordnete Auslesekanal von allen sechs benachbarten Detektoren gemeinsam genutzt werden. Das Gleiche gilt für die jeweils anderen Eckpunkte. Damit lässt sich die Anzahl der Auslesekanäle bei einer derartigen Anordnung zusätzlich reduzieren.
BEZUGSZEICHENLISTE
Detektor-Empfangsfläche
Detektorzellen bzw. Pixel
Szintillator
Simulierte Auftrefforte
Auslesekanäle
Eckpunkt

Claims

Patentansprüche
Ortsempfindlicher Detektor zur Detektxon von
Photonen- oder Teilchenverteilungen, mit
- einer Detektor-Empfangsfläche (1) , die durch mehrere Detektorzellen (2) aus einzelnen
Detektorelementen gebildet ist, und
- einer Anzahl N an Auslesekanälen (5) für die Detektorzellen (2) , die geringer als die Anzahl an Detektorzellen (2) ist,
- wobei jede für die Detektion genutzte
Detektorzelle (2) wenigstens einem der
Auslesekanäle (5) zugeordnet und mit diesem verbunden ist, und
- die Zuordnung der Detektorzellen (2) zu den Auslesekanälen (5) derart gewählt ist,
dass aus Signalen der Auslesekanäle (5) die
Position eines Schwerpunktes einer auf die
Detektor-Empfangsfläche (1) auftreffenden
Photonen- oder Teilchenverteilung bestimmt werden kann.
Detektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zuordnung der Detektorzellen (2) zu den Auslesekanälen (5) jeweils lokal einer
Verteilungsfunktion angenähert ist, die in einem idealen Fall einer nicht durch Detektorzellen endlicher Größe diskretisierten Empfangsfläche an jeder Stelle eine eindeutige Bestimmung der
Position eines einzelnen auftreffenden Photons oder Teilchens ermöglichen würde.
Detektor nach Anspruch 1 oder 2 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass jedem Auslesekanal (5) eine Position um die Detektor-Empfangsfläche (1) oder an der Detektor- Empfangsfläche (1) zugeordnet ist, wobei die Positionen eine Fläche aufspannen, in der die Detektor-Empfangsfläche (1) liegt, und
dass die Zuordnung der Detektorzellen (2) zu den Auslesekanälen (5) jeweils lokal einer
Verteilungsfunktion angenähert ist, die jedem Auslesekanal (5) Signalanteile der Detektorzellen (2) als lineare oder nichtlineare Funktion einer relativen Position der jeweiligen Detektorzelle (2) zu der Position zuordnet, die dem jeweiligen Auslesekanal (5) zugeordnet ist.
Detektor nach Anspruch 3 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die den Auslesekanälen (5) zugeordneten Positionen Eckpunkte der Detektor-Empfangsfläche (1) sind.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die Zuordnung der Detektorzellen (2) zu den
Auslesekanälen (5) derart gewählt ist,
dass aus Signalen der Auslesekanäle (5) über eine
Schwerpunktsbildung die Position des Schwerpunkte der auf die Detektor-Empfangsfläche (1)
auftreffenden Photonen- oder Teilchenverteilung berechnet werden kann.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass jede für die Detektion genutzte Detektorzelle (2) jeweils nur einem der Auslesekanäle (5) zugeordnet und mit diesem verbunden ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Detektorzellen (2) rechteckige Empfangsflächen aufweisen und eine rechteckige Anordnung mit zueinander orthogonalen Zeilen und Spalten bilden, wobei der Detektor insgesamt vier
Auslesekanäle (5) aufweist.
Detektor nach Anspruch 7 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zuordnung der Detektorzellen (2) zu den Auslesekanälen (5) jeweils lokal einer
Verteilungsfunktion angenähert ist, die in
Richtungen parallel zu Kanten der Detektor- Empfangsfläche (1) die Form eines Sinus
Hyperbolicus hat.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Detektorzellen (2) eine dreieckige
Anordnung bilden, wobei der Detektor insgesamt drei Auslesekanäle (5) aufweist.
10. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorzellen (5) durch Avalanche- Photodioden gebildet sind.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet ,
dass der Detektor als Silizium-Photomultiplier ausgebildet ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
dass über der Detektor-Empfangsfläche (1) ein oder mehrere Szintillationskristalle (3) angeordnet sind, die einfallende Röntgen- oder Gammaquanten in optische Photonen wandeln, für die die
Detektorelemente empfindlich sind.
Anordnung aus mehreren benachbart angeordneten Detektoren nach einem oder mehreren der
vorangehenden Patentansprüche, bei der ein oder mehrere Auslesekanäle (5) jeweils benachbarter Detektoren miteinander verbunden sind.
Verwendung des Detektors oder der Anordnung nach einem oder mehreren der vorangehenden
Patentansprüche als Photodetektor in einem
Detektor für die Positronen-Emissions-Tomographie.
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