ES2812588T3

ES2812588T3 - Una configuración de detector con tiras de fotomultiplicadores semiconductores y lectura diferencial

Info

Publication number: ES2812588T3
Application number: ES13725063T
Authority: ES
Inventors: Crispin Williams
Original assignee: Instituto Naz Di Fisica Nucleare; European Organization for Nuclear Research CERN; Instituto Nazionale di Fisica Nucleare INFN
Current assignee: Instituto Naz Di Fisica Nucleare; European Organization for Nuclear Research CERN; Instituto Nazionale di Fisica Nucleare INFN
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2021-03-17
Anticipated expiration: 2033-05-07
Also published as: EP2994779A1; EP2994779B1; WO2014180487A1; US20160097866A1; US9778378B2

Abstract

Una configuración de detector (10), que comprende: un bloque de cristal centelleador (12) que comprende una pluralidad de elementos centelleadores alargados (14) dispuestos en una matriz de filas y columnas; una pluralidad de elementos sensores de fotomultiplicadores semiconductores (24; 24a - 24p) acoplados ópticamente a dicho bloque de cristal centelleador (12), en donde dichos elementos sensores (24; 24a - 24p) comprenden tiras alargadas (24; 24a - 24p) y en donde cada uno de dichos elementos sensores (24; 24a - 24p) tiene un ancho (w) en una dirección perpendicular a una dirección de longitud, caracterizado por que dicho ancho (w) es al menos dos veces menor que el ancho de un elemento centelleador (14) al que dicho elemento sensor (24); 24a - 24p) está acoplado ópticamente de manera que cada uno de dichos elementos centelleadores esté acoplado ópticamente a una pluralidad de dichos elementos sensores; y medios de lectura (30a - 30e) acoplados eléctricamente a dicha pluralidad de elementos sensores (24; 24a - 24p), en donde dicha configuración de detector (10) está adaptada para acoplar diferencialmente cada uno de dichos elementos sensores (24; 24a - 24p) a dichos medios de lectura (30a - 30e).

Description

DESCRIPCIÓN

Una configuración de detector con tiras de fotomultiplicadores semiconductores y lectura diferencial

Campo de la invención

La invención se refiere a una configuración de detector que emplea un bloque de cristal centelleador y una pluralidad de fotomultiplicadores semiconductores, tales como para su uso en detectores de tiempo de vuelo o detectores gamma para tomografía por emisión de positrones.

Antecedentes y estado de la técnica relacionada

Las configuraciones de detector que emplean un bloque de cristal centelleador ópticamente acoplado a una matriz de almohadillas sensoras de fotomultiplicadores de silicio tienen amplias aplicaciones tanto en laboratorios de física de partículas como en detectores para fines de medicina, militares y de seguridad. Las partículas incidentes generan uno o muchos fotones en el cristal centelleador. Los fotones viajan a través del cristal centelleador hasta que alcanzan una serie de almohadillas sensoras de fotomultiplicadores semiconductores que se colocan en la superficie del cristal. Las almohadillas sensoras de fotomultiplicador de silicio comprenden típicamente una pluralidad de fotodiodos de avalancha en un sustrato de silicio común. Las dimensiones de cada fotodiodo de avalancha pueden variar de 20 a 100 gm, y su densidad puede llegar a 1000/mm2 o incluso más. Cada fotodiodo de avalancha en la almohadilla sensora del fotomultiplicador funciona en modo Geiger y puede acoplarse a los fotodiodos adyacentes por medio de una resistencia de enfriamiento de polisilicio. Se puede aplicar una tensión de polarización inversa (típicamente en el intervalo de 20 V a 100 V en silicio) a cada uno de los fotodiodos de avalancha, resultando en una ganancia entre 105 y 106. Por medio del efecto fotoeléctrico, un fotón que incide sobre un fotodiodo de avalancha creará un electrón primario en el sustrato semiconductor, que luego se amplificará en una avalancha de electrones que genera una señal de carga que puede leerse y analizarse.

Una partícula cargada que atraviesa el cristal puede generar un pulso de luz excitando el centelleador o por radiación de Cherenkov. Este pulso de luz es el origen de los fotones que ingresan al fotodiodo de avalancha. Una partícula cargada de energía generará un pulso de luz con una intensidad que depende de su energía, mientras que una gamma puede experimentar conversión y liberar un electrón con una energía relacionada con la energía de la gamma inicial. Un pulso de luz más intenso desde el centelleador disparará más de los fotodiodos de avalancha y generará así una señal más grande. Así, al analizar la señal producida por una colección de estos fotodiodos, se puede extraer información sobre el tiempo y la amplitud del pulso de luz.

Por ejemplo, los detectores de este tipo pueden usarse para mediciones de tiempo de vuelo de partículas incidentes que permiten la deducción de la velocidad de la partícula incidente. Cuando se combina con información sobre la curvatura de la pista de la partícula en un campo magnético, de donde se puede deducir el momento de la partícula, la información de velocidad permite determinar la masa de la partícula. La configuración de detector también puede emplearse como un detector gamma altamente sensible en aplicaciones médicas, tal como para la tomografía por emisión de positrones (PET).

La precisión del tiempo mejora el valor de la medición. Esto está claro para la aplicación de tiempo de vuelo ya que una información de tiempo más precisa permite una mejor determinación de la masa. Para aplicaciones médicas como PET, la información precisa del tiempo da como resultado imágenes más claras y una dosis reducida de trazadores radiactivos administrados a los pacientes.

En la solicitud de patente internacional WO2012/152587 A2 se describe un detector gamma basado en fotodiodos de avalancha en modo Geiger para aplicaciones en tomografía por emisión de positrones. Los fotomultiplicadores de silicio están dispuestos en tiras que se extienden a lo largo del borde del cristal centelleador. El documento US 2010/0243865 A1 describe otro detector de radiación que comprende una serie de detectores de dos terminales. El documento US 7.385.201 B1 describe un sistema de formación de imágenes de medicina nuclear que incluye un detector que incluye una pluralidad de conjuntos de sensores de tiras de silicio que rodean un centelleador.

La figura 1a es una vista esquemática en perspectiva de otra configuración de detector convencional. La configuración de detector convencional 100 comprende un bloque de cristal centelleador 102 que está formado por una pluralidad de elementos centelleadores 104 alargados individuales. La configuración de detector 100 comprende además un conjunto de sensores 106 que comprende una pluralidad de almohadillas sensoras 108 de fotomultiplicadores de silicio. Las almohadillas 108 son cuadráticas, y sus dimensiones corresponden a las dimensiones de las respectivas superficies extremas de los elementos centelleadores 104. Con fines ilustrativos, la figura 1a muestra el conjunto de sensores 106 separado del bloque de cristal centelleador 102. Sin embargo, para el funcionamiento, el conjunto de sensores 106 se montará en la superficie extrema 110 del bloque de cristal centelleador 102 de manera que las almohadillas sensoras 108 se apoyen y correspondan a las superficies extremas de los elementos centelleadores 104. Esto establece un acoplamiento óptico entre los elementos centelleadores 104 y las almohadillas sensoras 108, y permite que las almohadillas sensoras 108 detecten fotones generados en los elementos centelleadores 104. Cada una de las almohadillas sensoras 108 es una almohadilla de fotomultiplicador de silicio como se describió anteriormente, y está eléctricamente acoplada a un medio de lectura (no mostrado en la figura 1a) para detectar la señal generada por los fotones incidentes.

Se puede colocar un segundo conjunto de sensores correspondiente (no mostrado en la figura 1a) en la superficie extrema opuesta a la superficie 110 para aumentar la resolución espacial y temporal.

Un esquema de lectura convencional para el conjunto de sensores 106 se muestra en la vista en sección transversal esquemática de la figura 1b. La figura 1b muestra un corte de una fila del conjunto de sensores 106 con cinco almohadillas sensoras 108a a 108e. Las almohadillas sensoras 108a a 108e están conectadas a un electrodo común 112 que acopla eléctricamente las almohadillas sensoras 108a a 108e. El electrodo común 112 puede ser un ánodo común, pero también puede ser un cátodo común. Como se muestra en la figura 1b, el electrodo común se puede acoplar a tierra. La configuración de detector 100 comprende además una pluralidad de electrodos individuales 114a a 114e acoplados a las respectivas almohadillas sensoras 108a a 108e. Los electrodos 114a a 114e están separados entre sí y no están directamente acoplados eléctricamente entre sí. Los electrodos 114a a 114e son cátodos si el electrodo común 112 es un ánodo, y viceversa. Cada uno de los electrodos 114a a 114e está acoplado a una pluralidad respectiva de amplificadores frontales correspondientes 116a a 116e a través de conexiones eléctricas respectivas 118a a 118e. Cada uno de los amplificadores frontales 116a a 116e puede acoplarse a un discriminador correspondiente (no mostrado) para el análisis de señal posterior. Los amplificadores frontales 116a a 116e están acoplados a tierra a través de una conexión de enlace eléctrico común 120.

Si una de las almohadillas sensoras 108a a 108e se activa, tal como la almohadilla sensora 108b en la figura 1b, la corriente generada fluye a través de la conexión eléctrica 118b y la fase de entrada del amplificador frontal 116b y a través de la conexión de enlace 120 a tierra. Por lo tanto, el amplificador frontal 116b y el discriminador miden la corriente que fluye a través de este con respecto a tierra. Esta tierra puede tener muchos picos actuales alimentados desde otros canales, lo que puede conducir a comunicación cruzada y fluctuación de tiempos.

En su artículo de investigación "Lectura basada en el tiempo de un fotomultiplicador de silicio (SiPM) para tomografía por emisión de positrones en el tiempo de vuelo (TOF-PET)", IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol 58, Número 3, junio de 2011, P. Jarron et al. explican que la resolución de tiempo puede mejorarse significativamente reemplazando la conexión a tierra común de la figura 1b con una lectura diferencial, en donde cada una de las almohadillas sensoras 108a a 108e tiene su propio ánodo y cátodo separados, que están conectados a las entradas de una fase de amplificador de modo de corriente diferencial correspondiente. Una conexión de entrada diferencial tiene la ventaja de un rechazo superior del ruido de tierra y de la tensión de alimentación, que es una característica clave para una lectura rápida multicanal. Sin embargo, para una variedad de detectores SiPM, la conexión diferencial de cada una de las almohadillas es compleja y costosa. Adicionalmente, las conexiones eléctricas de las almohadillas sensoras individuales conducen a un área muerta alrededor de cada almohadilla. Estas áreas muertas reducen efectivamente la eficiencia del fotodetector.

Lo que se requiere es una configuración de detector que combine una sincronización mejorada con una alta eficiencia al mismo tiempo que reduzca la complejidad de fabricación.

Visión general de la invención

Este objetivo se logra con la configuración de detector y el método de detección de acuerdo con las reivindicaciones independientes 1 y 12, respectivamente. Las reivindicaciones dependientes se refieren a realizaciones preferidas.

Una configuración de detector según la presente invención constituye la materia objeto de la reivindicación 1.

Los inventores descubrieron que la lectura diferencial (en comparación con la lectura de un solo extremo) reduce la comunicación cruzada entre canales, y la comunicación cruzada reducida reduce sustancialmente el ruido en un sistema multicelda. Alargar los sensores de lectura en tiras que se extienden hasta el borde del área del detector permite una lectura diferencial sin ningún espacio muerto adicional. Como resultado, se puede lograr una configuración de detector con excelente resolución de tiempo y alta eficiencia. La reducción en la cantidad de circuitos y conexiones eléctricas reduce la complejidad de fabricar y operar la configuración de detector, lo cual es una ventaja particular para detectores grandes.

En una realización preferida, cada uno de dichos elementos sensores comprende su propia conexión anódica y su propia conexión catódica, en donde dicha configuración de detector puede adaptarse para acoplar diferencialmente dicha conexión de ánodo y dicha conexión de cátodo a dichos medios de lectura.

La lectura diferencial o acoplamiento, en el sentido de la presente invención, puede denotar una configuración en la que los medios de lectura están directamente acoplados a las respectivas conexiones de ánodo y conexiones de cátodo de los elementos sensores individuales. En una realización preferida, al menos dos de dichos elementos sensores no comparten un electrodo común, como un ánodo común o un cátodo común.

Preferiblemente, no hay dos de dichos elementos sensores que compartan un electrodo común, como un ánodo común o un cátodo común.

En una realización preferida, dichos medios de lectura comprenden una fase de amplificación, en donde dicha configuración de detector está adaptada para acoplar diferencialmente cada elemento sensor a dicha fase de amplificación.

El acoplamiento diferencial de los elementos sensores individuales a la fase de amplificación evita la comunicación cruzada de los canales vecinos y, por lo tanto, mejora la resolución de tiempo.

Los elementos sensores pueden colocarse uno al lado del otro a lo largo de una superficie lateral de dicho bloque de cristal centelleador. Preferiblemente, dicha superficie lateral puede ser el lado más corto de dicho bloque de cristal, es decir, una superficie extrema de dicho bloque de cristal centelleador.

La división del bloque de cristal centelleador en una pluralidad de elementos centelleadores separados proporciona una lectura codificada en matriz y permite la mejora de la resolución espacial. Los elementos centelleadores pueden servir como guías de luz individuales que guían una señal de luz desde una partícula incidente al elemento sensor ubicado en su superficie lateral.

Cada uno de dichos elementos sensores puede proporcionar una medición de tiempo independiente. Los inventores descubrieron que aumentar el número de elementos sensores permite una mejora de la resolución de tiempo al tomar promedios de una pluralidad de elementos sensores, y al mismo tiempo permite el descarte de pulsos tempranos que pueden ser causados por recuentos oscuros. Como resultado, se puede mejorar el rendimiento de tiempo y se puede minimizar el efecto de la tasa de recuento oscuro.

Un ancho de dicho elemento sensor es más pequeño que un ancho de un elemento centelleador al cual dicho elemento sensor está acoplado ópticamente.

Dicho ancho de dicho elemento sensor es un ancho medido en una dirección perpendicular a una dirección longitudinal de dicho elemento sensor alargado. Dicho ancho de dicho elemento centelleador es un ancho medido a lo largo de la misma dirección, es decir, perpendicular a dicha dirección de longitud.

Al elegir el ancho del elemento sensor más pequeño que el ancho correspondiente de un elemento centelleador al cual el elemento sensor está acoplado ópticamente, se puede aumentar el número de elementos sensores por elemento centelleador, lo que permite una lectura independiente que mejora el tiempo y permite descartar las señales de recuento oscuro.

Los inventores descubrieron que la elección óptima del número de elementos sensores por elemento centelleador equilibra el aumento en el rendimiento de tiempo con la complejidad adicional en la fabricación y la lectura, y también depende del tamaño de las tiras.

Se pueden lograr buenos resultados en una configuración de detector en la que dicho ancho de dicho elemento sensor sea al menos dos veces menor que dicho ancho de dicho elemento centelleador, y preferiblemente al menos tres veces más pequeño que dicho ancho de dicho elemento centelleador, particularmente al menos cuatro veces más pequeño.

En una realización preferida, una longitud de dichos elementos sensores es al menos cinco veces mayor que el ancho de dichos elementos sensores, y preferiblemente al menos diez veces mayor o veinte veces mayor.

Preferiblemente, dichos elementos sensores se extienden desde un borde de dicho bloque de cristal centelleador hasta un borde opuesto de dicho bloque de cristal centelleador.

Los elementos sensores que se extienden a lo largo de todo el extremo del bloque centelleador permiten una lectura de las señales en el borde de los elementos sensores y, por lo tanto, evitan las conexiones centrales que conducirían a un área muerta no deseada.

Si se desean conexiones centrales, se pueden formar como una vía a través de silicio (TSV) para reducir el área muerta.

En una realización preferida, dicha pluralidad de elementos sensores de fotomultiplicador semiconductor comprende un primer subconjunto de elementos sensores de fotomultiplicador semiconductor acoplados ópticamente a dicho bloque de cristal centelleador en una primera superficie lateral de dicho bloque de cristal centelleador, y un segundo subconjunto de elementos sensores de fotomultiplicador semiconductor acoplado ópticamente a dicho bloque de cristal centelleador en una segunda superficie lateral de dicho bloque de cristal centelleador. Dicha segunda superficie lateral puede ser opuesta a dicha primera superficie lateral.

Al proporcionar conjuntos de elementos sensores de fotomultiplicadores semiconductores en los extremos opuestos del bloque de cristal del centelleador, la resolución del detector espacial puede mejorarse. En particular, la ubicación de un evento a lo largo de una dirección perpendicular a un plano de los conjuntos de sensores puede determinarse a partir de la diferencia de tiempo de las señales de carga detectadas en los extremos opuestos del cristal centelleador. La resolución espacial mejorada conduce a una mejora adicional de la resolución de tiempo.

Dichos elementos sensores en dicho primer subconjunto pueden estar orientados perpendicularmente a dichos elementos sensores en dicho segundo subconjunto. La orientación perpendicular permite una mejora adicional de la resolución espacial.

Dichos elementos sensores de fotomultiplicadores semiconductores pueden ser elementos sensores de fotomultiplicadores de silicio.

Dichos elementos sensores pueden comprender cada uno una pluralidad de fotodiodos de avalancha semiconductores, como los fotodiodos de avalancha de silicio.

En una realización preferida, dichos elementos sensores comprenden cada uno una pluralidad de celdas o almohadillas de fotomultiplicadores semiconductores dispuestas en una fila, tales como almohadillas de fotomultiplicador de silicio, en donde las celdas o almohadillas adyacentes en dicha fila están conectadas eléctricamente.

Cada una de dichas celdas o almohadillas comprende preferiblemente una pluralidad de fotodiodos de avalancha semiconductores, como los fotodiodos de avalancha de silicio.

En una realización preferida, dichos elementos sensores comprenden cada uno un primer conjunto de elementos de conexión eléctrica para acoplar eléctricamente dicho elemento sensor a dichos medios de lectura, y un segundo conjunto de elementos de conexión eléctrica para acoplar eléctricamente dicho elemento sensor a dichos medios de lectura, en donde dicho primer conjunto de elementos de conexión eléctrica y dicho segundo conjunto de elementos de conexión eléctrica se colocan en los extremos opuestos de dicho elemento sensor a lo largo de una dirección longitudinal del mismo.

Leer las señales en los extremos opuestos de los elementos sensores permite mejorar la resolución espacial del elemento detector. En particular, la posición de un evento o golpe a lo largo de cada elemento sensor alargado puede determinarse a partir de la diferencia de tiempo de las señales de detección recogidas del primer conjunto de elementos de conexión eléctrica y el segundo conjunto de elementos de conexión eléctrica, respectivamente.

Dicho primer conjunto de elementos de conexión eléctrica y dicho segundo conjunto de elementos de conexión eléctrica pueden comprender cada uno un elemento de ánodo y un elemento de cátodo.

La invención se refiere además a un método de detección que comprende las etapas de proporcionar una configuración de detector con un bloque de cristal centelleador que comprende una pluralidad de elementos alargados centelleadores dispuestos en una matriz de filas y columnas, una pluralidad de elementos sensores de fotomultiplicadores semiconductores acoplados ópticamente a dicho bloque de cristal centelleador, en donde dichos elementos sensores comprenden o son tiras alargadas y en donde dicho elemento sensor tiene un ancho en una dirección perpendicular a una dirección longitudinal, siendo dicho ancho al menos dos veces menor que el ancho de un elemento centelleador al que dicho elemento sensor está acoplado ópticamente, y un medio de lectura acoplado eléctricamente a dicha pluralidad de elementos sensores. El método comprende además una etapa de acoplar diferencialmente cada elemento sensor a dicho medio de lectura.

Dicha configuración de detector puede ser una configuración de detector con algunas o todas las características descritas anteriormente.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

Las características y ventajas de la presente invención se harán más evidentes a partir de una descripción detallada de las realizaciones preferidas junto con los dibujos adjuntos, en los cuales:

la figura 1a es una vista en perspectiva esquemática de una configuración de detector convencional que emplea un conjunto de almohadillas de fotomultiplicadores de silicio acopladas a un conjunto de cristales centelleantes;

la figura 1b es una vista esquemática en sección transversal que ilustra la conexión eléctrica de la configuración de detector convencional de la figura 1a a través de un electrodo de tierra común;

la figura 2 es una vista en perspectiva esquemática de una configuración de detector de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 3 es una vista frontal que muestra las conexiones de lectura de las tiras de fotomultiplicador de silicio de la configuración de detector de la figura 2; y

la figura 4 muestra las conexiones de lectura diferencial de la configuración de detector según la presente invención.

La figura 2 es una vista esquemática en perspectiva de una configuración de detector 10 según la presente invención. La configuración de detector 10 puede usarse en un detector de tiempo de vuelo en un experimento de física de partículas, pero también puede usarse como detector gamma en aplicaciones de medicina, militares y de seguridad, como en el campo de la tomografía por emisión de positrones (PET).

La configuración de detector 10 comprende un bloque de cristal 12 formado por una pluralidad de elementos centelleadores alargados 14 dispuestos en una matriz de filas y columnas. La figura 2 muestra una configuración con 16 elementos centelleadores 14 dispuestos en cuatro filas y cuatro columnas. Sin embargo, este es un mero ejemplo, y pueden emplearse bloques de cristal centelleador con cualquier número de filas y columnas. Los elementos centelleadores 14 adyacentes pueden separarse ópticamente entre sí por medio de una lámina reflectante interpuesta o un entrehierro.

Los tamaños típicos para detectores de PET médicos son 3 mm x 3 mm x 15 mm. El tamaño de 3 mm x 3 mm puede ser mayor o menor dependiendo del tamaño de la celda SiPM empleada. La longitud (15 mm) debe ser lo más grande posible para aumentar la sensibilidad del dispositivo; sin embargo, una mayor longitud degrada la resolución del tiempo (y la energía).

Los elementos centelleadores 14 mostrados en la figura 2 tienen forma de cubo con una sección transversal cuadrada. Sin embargo, la invención no está tan limitada, y dependiendo de las aplicaciones y las limitaciones de fabricación, también pueden emplearse elementos centelleadores 14 con una sección transversal rectangular u otras formas.

La configuración de detector que se muestra en la figura 2 comprende además un primer conjunto de sensores 16 acoplado física y ópticamente a una primera superficie extrema 18 del bloque de cristal centelleador 12, y un segundo conjunto de sensores 20 acoplado a una segunda superficie extrema opuesta 22 del bloque de cristal centelleador 12 de manera que cada uno de los elementos centelleadores 14 esté acoplado ópticamente al primer conjunto de sensores 16 en un primer extremo del mismo y esté acoplado ópticamente al segundo conjunto de sensores 20 en un segundo extremo opuesto del mismo.

En el dibujo esquemático de la figura 2, el primer conjunto de sensores 16 y el segundo conjunto de sensores 20 se muestran separados del bloque de cristal centelleador 12. Sin embargo, esto es solo para fines ilustrativos, y debe entenderse que durante el funcionamiento y para la lectura y el análisis, el primer conjunto de sensores 16 y el segundo conjunto de sensores 20 se colocan y montan en las superficies extremas respectivas 18 y 22 del bloque de cristal centelleador 12, de modo que se establece un contacto óptico entre el bloque de cristal centelleador 12 y los conjuntos de sensores 16, 20.

El primer conjunto de sensores 16 y el segundo conjunto de sensores 20 son generalmente idénticos entre sí, aparte del hecho de que el segundo conjunto de sensores 20 se coloca sobre la segunda superficie extrema 22 en una orientación que se puede girar 90° con respecto a la orientación del primer conjunto de sensores 16 colocado sobre la primera superficie lateral 18. La orientación perpendicular de los conjuntos de sensores 16, 20 mejora la resolución espacial de la configuración de detector 10.

El primer conjunto de sensores 16 y el segundo conjunto de sensores 20 comprenden cada uno una pluralidad de tiras de fotomultiplicadores de silicio 24 que están dispuestas en paralelo y adyacentes entre sí. En la configuración que se muestra en la figura 2, el primer conjunto de sensores 16 y el segundo conjunto de sensores 20 comprenden cada uno un número de 16 tiras de fotomultiplicadores de silicio 24, y por lo tanto cada uno de los elementos centelleadores 14 estará en contacto óptico con cuatro tiras de fotomultiplicadores de silicio 24 del primer conjunto de sensores 16 y cuatro tiras de fotomultiplicadores de silicio 24 del segundo conjunto de sensores 20. Pero esta configuración es un mero ejemplo, y tanto el primer conjunto de sensores 16 como el segundo conjunto de sensores 12 pueden comprender un número menor o mayor de tiras de fotomultiplicadores de silicio 24.

En la configuración que se muestra en la figura 2, las tiras de fotomultiplicadores de silicio 24 se extienden a lo largo de toda la longitud 1 del bloque de cristal centelleador 12 desde un borde del mismo hasta un extremo opuesto del mismo.

En general, el tamaño de una celda (o tira) de SiPM tiene un tamaño limitado. Esto se debe a que la tasa de recuento oscuro aumenta (linealmente) con el área y también la capacitancia eléctrica de la celda aumenta linealmente con el área. El aumento de la tasa de recuento oscuro conduce a problemas, dado que un recuento oscuro que ocurre justo antes del evento de interés destruye la temporización. La mayor capacitancia solo hace que sea cada vez más difícil diseñar dispositivos electrónicos rápidos. Sin embargo, las tiras, si son largas, pueden dar una ventaja ya que podrían considerarse como líneas de transmisión.

Como ejemplo, las tiras 24 pueden tener una longitud de 15 mm y un ancho de 0,75 mm.

Cada tira de fotomultiplicadores de silicio 24 es un fotodiodo que se ejecuta a una alta ganancia de tal manera que un electrón primario generado por un fotón incidente por medio del efecto fotoeléctrico inicia una avalancha o descarga Geiger. Para limitar la propagación de la descarga por todo el dispositivo, cada tira de fotomultiplicadores de silicio 24 se subdivide en pequeños píxeles de un área limitada con la tensión suministrada a través de una resistencia limitadora. Cada píxel corresponde a un fotodiodo de avalancha, como es generalmente conocido de la técnica anterior. La carga de la señal generada por un solo fotodiodo de avalancha que sufre una descarga Geiger está dada por la capacitancia del píxel (diodo) multiplicado por la sobretensión aplicada. La sobretensión es la tensión por encima de la tensión de ruptura y generalmente asciende a varios voltios. La carga generada generalmente está en el intervalo de 106 electrones.

La tira de fotomultiplicadores de silicio 24 en general puede estar formada por una pluralidad de celdas cuadradas de fotomultiplicador dispuestas en una fila, en donde las celdas adyacentes en la fila están conectadas eléctricamente. De este modo, las tiras 24 pueden estar formadas por celdas cuadradas de fotomultiplicador de silicio que están disponibles comercialmente en varios proveedores.

Las conexiones eléctricas y la lectura de la configuración de detector 10 se explicarán ahora con más detalle con referencia a la figura 3. La figura 3 es una vista frontal del primer conjunto de sensores 16, y muestra 16 tiras de fotomultiplicadores de silicio adyacentes 24a a 24p. Cada una de las tiras 24a a 24p tiene un primer conjunto de elementos de conexión 26a a 26p en un primer lado de la superficie de la misma, y un segundo conjunto de elementos de conexión 28a a 28p formado en un lado de la superficie opuesta de la misma. Cada uno del primer conjunto de elementos de conexión 26a a 26p y el segundo conjunto de elementos de conexión 28a a 28p comprende tanto una conexión de ánodo como una conexión de cátodo.

La conexión eléctrica de los elementos de conexión 26a a 26p y 28a a 28p a los medios de lectura se ilustra con mayor detalle en la figura 4, que muestra una vista esquemática a lo largo de la superficie lateral del primer conjunto de sensores 16. La figura 4 es un recorte, que, para facilitar la ilustración, solo muestra cinco tiras de fotomultiplicadores de silicio 24a a 24e con los elementos de conexión correspondientes 26a a 26e. Uno de los elementos de conexión 26a a 26e es el elemento catódico, mientras que el elemento de conexión opuesto 26a a 26e es el elemento anódico respectivo. Como se puede tomar de la figura 4, los ánodos y cátodos de las tiras de fotomultiplicadores de silicio individuales 24a a 24e no están conectados directamente eléctrica o físicamente. Por lo tanto, cada una de las tiras de fotomultiplicadores de silicio 24a a 24e tiene su propio conjunto separado de ánodos y cátodos 26a a 26e. Como se puede tomar de la figura 4, los electrodos de ánodo y cátodo 26a a 26e de cada una de las tiras de fotomultiplicadores de silicio 24a a 24e están conectados a las entradas a los correspondientes amplificadores frontales 30a a 30e a través de los respectivos pares de conexiones eléctricas 32a a 32e. Dicha conexión de lectura se conoce como totalmente diferencial.

Los elementos anódicos y catódicos correspondientes, amplificadores frontales y conexiones eléctricas se proporcionan en los extremos opuestos de las tiras de fotomultiplicadores de silicio 24a a 24e.

En contraste con el estado de la técnica como se explica con referencia a la figura 1b anterior, el acoplamiento diferencial de las tiras de fotomultiplicadores de silicio 24a a 24e a los amplificadores frontales 30a a 30e evita una conexión a tierra común. Si se genera una avalancha en la tira de fotomultiplicadores de silicio 24b, la carga correspondiente se suministrará localmente a través de las conexiones eléctricas 32b solo al amplificador frontal 30b correspondiente, y no se inyecta corriente a tierra. El discriminador (no mostrado) acoplado al amplificador frontal 30b detecta la diferencia entre las entradas más y menos (en lugar de medir la señal con respecto a tierra), lo que resulta en la reducción de la fluctuación y una mejor temporización.

Como ventaja adicional, las tiras de fotomultiplicadores de silicio alargadas 24 transportan la señal de lectura a los bordes laterales del detector, y de ese modo permiten un fácil acceso tanto al ánodo como al electrodo del cátodo. En comparación con una geometría de almohadilla convencional como se muestra en la figura 1 a, esto reduce la cantidad de conexiones eléctricas en los conjuntos de sensores 16, 20 y, por lo tanto, el área muerta, mejorando así la eficiencia del fotodetector.

Si se desencadena una avalancha en una de las tiras de fotomultiplicadores de silicio de 24a a 24h, se pueden recoger señales de carga independientes del primer conjunto de elementos de colección 26a a 26p y el segundo conjunto de elementos de conexión 28a a 28p. La diferencia de tiempo entre las señales permite la derivación de la posición del golpe a lo largo de la tira, mientras que el tiempo del golpe puede calcularse a partir de la suma de los tiempos de detección (es decir, el promedio) de las señales. Debido a las mediciones independientes en ambos extremos de las tiras 24, la fluctuación introducida por la electrónica y el tiempo para los convertidores digitales pueden reducirse en un factor V2.

De manera similar, la diferencia de tiempo de las señales medidas con el primer conjunto de sensores 16 y el segundo conjunto de sensores 20 permite la determinación de la posición del golpe a lo largo de la longitud del elemento centelleador 14 correspondiente, en una dirección z perpendicular al plano xy de los conjuntos de sensores 16, 20. Esta determinación reduce los errores de paralaje y también puede mejorar la resolución de tiempo.

Uno de los problemas asociados convencionalmente con los fotomultiplicadores de silicio es su tasa de recuento oscuro (DCR) relativamente alta. Un recuento oscuro es un disparo aleatorio de un fotodiodo de avalancha de silicio. Si ocurre un recuento oscuro poco tiempo antes del pulso de luz de interés, ambos pulsos se fusionarán y el tiempo atribuido al evento será temprano debido a que la electrónica se disparó temprano en este recuento oscuro. Además, después de una señal de recuento oscuro, la electrónica tarda un tiempo en recuperarse, y durante este tiempo de recuperación, la resolución de tiempo de la electrónica se degrada. En un sistema de fotomultiplicador de silicio convencional, por lo tanto, es difícil determinar si un tiempo es preciso o es un tiempo temprano debido a un pulso de recuento oscuro o un tiempo retrasado causado por el tiempo de recuperación de la electrónica.

Los inventores descubrieron que el efecto de los recuentos oscuros puede minimizarse disminuyendo el ancho w de las tiras de fotomultiplicadores de silicio 24 de manera que cada elemento centelleador 14 esté acoplado ópticamente a una pluralidad de tiras de fotomultiplicadores de silicio 24, En la configuración que se muestra en la figura 2, un ancho w de la tira de fotomultiplicadores de silicio 24 es cuatro veces más pequeño que el ancho y la longitud de los elementos centelleadores 14, y por lo tanto cada uno de los elementos centelleadores 14 está acoplado a cuatro tiras de fotomultiplicadores de silicio 24 del primer conjunto de sensores 16 en una superficie lateral de la misma, y además está acoplado a cuatro tiras de fotomultiplicadores de silicio 24 del segundo conjunto de sensores 20 en la superficie lateral opuesta 22 de la misma. La reducción del área de las tiras de fotomultiplicadores de silicio 24 reduce el número de recuentos oscuros. Al mismo tiempo, cada una de las tiras 24 permite realizar una medición de tiempo independiente. Por lo tanto, un aumento en el número de tiras permite una mejora en el tiempo al tomar un promedio de mediciones independientes, y además permite descartar los pulsos tempranos causados por los recuentos oscuros. Los inventores encontraron esta configuración particularmente ventajosa en aplicaciones en las que es necesario determinar el tiempo de llegada de un primer fotón.

La descripción detallada de las realizaciones preferidas y las figuras simplemente sirven para ilustrar la invención y los efectos ventajosos que logra, pero no debe entenderse como que implica ninguna limitación. El alcance de la invención se determinará únicamente por medio de las reivindicaciones adjuntas.

Signos de referencia

10 configuración de detector

12 bloque de cristal centelleador de configuración de detector 10

14 elemento centelleador del bloque de cristal centelleador 12

16 primer conjunto de sensores

18 primera superficie lateral del bloque de cristal centelleador 12

20 segundo conjunto de sensores

22 segunda superficie lateral del bloque de cristal centelleador 12

24 tira de fotomultiplicadores de silicio

24a - 24p tiras de fotomultiplicadores de silicio

26a - 26p primer conjunto de elementos de conexión de tiras de fotomultiplicadores de silicio 24a - 24h 28a - 28p segundo conjunto de elementos de conexión de tiras de fotomultiplicadores de silicio 24a - 24h 30a - 30d amplificadores frontales

32a - 32d conexiones eléctricas

100 configuración de detector convencional

102 bloque de cristal centelleador de configuración de detector 100

104 elemento centelleador del bloque de cristal centelleador 102

106 conjunto de sensores

108 almohadillas sensoras del conjunto de sensores 106

108a - 108e almohadillas sensoras

110 superficie lateral del bloque de cristal centelleador 102

112 ánodo común de almohadillas sensoras 108a - 108e

114a - 114e cátodos de almohadillas sensoras 108a - 108e

116a - 116e amplificadores frontales

118a - 118e conexiones eléctricas

120 conexión de enlace

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una configuración de detector (10), que comprende:

un bloque de cristal centelleador (12) que comprende una pluralidad de elementos centelleadores alargados (14) dispuestos en una matriz de filas y columnas;

una pluralidad de elementos sensores de fotomultiplicadores semiconductores (24; 24a - 24p) acoplados ópticamente a dicho bloque de cristal centelleador (12), en donde dichos elementos sensores (24; 24a - 24p) comprenden tiras alargadas (24; 24a - 24p) y en donde cada uno de dichos elementos sensores (24; 24a - 24p) tiene un ancho (w) en una dirección perpendicular a una dirección de longitud, caracterizado por que dicho ancho (w) es al menos dos veces menor que el ancho de un elemento centelleador (14) al que dicho elemento sensor (24); 24a - 24p) está acoplado ópticamente de manera que cada uno de dichos elementos centelleadores esté acoplado ópticamente a una pluralidad de dichos elementos sensores; y medios de lectura (30a - 30e) acoplados eléctricamente a dicha pluralidad de elementos sensores (24; 24a - 24p), en donde dicha configuración de detector (10) está adaptada para acoplar diferencialmente cada uno de dichos elementos sensores (24; 24a - 24p) a dichos medios de lectura (30a - 30e).

2. La configuración de detector (10) según la reivindicación 1, en donde cada uno de dichos elementos sensores (24; 24a - 24p) comprende su propia conexión de ánodo (26a - 26p; 28a - 28p) y su propia conexión de cátodo (26a - 26p; 28a - 28p), y en donde dicha configuración de detector (10) está adaptada para acoplar diferencialmente dicha conexión de ánodo ( 26a - 26p; 28a - 28p) y dicha conexión de cátodo (26a - 26p; 28a - 28p) a dichos medios de lectura (30a - 30e).

3. La configuración de detector (10) según la reivindicación 1 o 2, en donde al menos dos de dichos elementos sensores (24; 24a - 24p) no comparten un electrodo común.

4. La configuración de detector (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dichos medios de lectura comprenden una fase de amplificación (30a - 30e), en donde dicha configuración de detector (10) está adaptada para acoplar diferencialmente cada uno de dichos elementos sensores (24; 24a - 24p) a dicha fase de amplificación (30a - 30e).

5. La configuración de detector (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde una longitud (1) de dicho elemento sensor (24; 24a - 24p) es al menos cinco veces mayor que un ancho (w) de dicho elemento sensor.

6. La configuración de detector (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dichos elementos sensores (24; 24a - 24p) se extienden desde un borde de dicho bloque de cristal centelleador (12) hasta un borde opuesto de dicho bloque de cristal centelleador (12).

7. La configuración de detector (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha pluralidad de elementos sensores de fotomultiplicadores semiconductores (24; 24a - 24p) comprenden un primer subconjunto (16) de elementos sensores de fotomultiplicadores semiconductores (24; 24a - 24p) acoplados ópticamente a dicho bloque de cristal centelleador (12) en una primera superficie lateral (18) de dicho bloque de cristal centelleador (12), y además comprende un segundo subconjunto (20) de elementos sensores de fotomultiplicadores semiconductores (24; 24a - 24p) acoplados ópticamente a dicho bloque de cristal centelleador (12) en una segunda superficie lateral (22) de dicho bloque de cristal centelleador (12), en donde dicha segunda superficie lateral (22) es opuesta a dicha primera superficie lateral (18).

8. La configuración de detector (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dichos elementos sensores (24; 24a - 24p) comprenden una pluralidad de fotodiodos de avalancha semiconductores.

9. La configuración de detector (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dichos elementos sensores (24; 24a - 24p) comprenden una pluralidad de celdas de fotomultiplicadores semiconductores dispuestas en una fila, en donde las celdas adyacentes en dicha fila están conectadas eléctricamente, en donde cada celda comprende una pluralidad de fotodiodos de avalancha semiconductores.

10. La configuración de detector (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dichos elementos sensores (24; 24a - 24p) comprenden un primer conjunto de elementos de conexión eléctrica (26a - 26p) para acoplar eléctricamente dicho elemento sensor (24; 24a - 24p) a dicho medio de lectura (30a - 30e) y un segundo conjunto de elementos de conexión eléctrica (28a - 28p) para acoplar eléctricamente dicho elemento sensor (24; 24a - 24p) a dicho medio de lectura (30a - 30e), en donde dicho primer conjunto de elementos de conexión eléctrica (26a ^{- 26p) y dicho segundo conjunto de elementos de conexión eléctrica (} 28 ^{a - 28p) se colocan en los extremos opuestos}de dicho elemento sensor (24; 24a - 24p) a lo largo de una dirección longitudinal del mismo.

11. La configuración de detector (10) según la reivindicación 10, en donde dicho medio de lectura (30a - 30e) está adaptado para determinar una diferencia de tiempo de las señales recibidas de dicho primer conjunto de elementos de conexión eléctrica (28a - 28p) y dicho segundo conjunto de elementos de conexión eléctrica (28a - 28p), y para determinar una ubicación de un evento de detección a lo largo de una dirección de longitud de dicho elemento sensor (24; 24a - 24p) en función de dicha diferencia de tiempo.

12. Un método de detección, que comprende las etapas de:

proporcionar una configuración de detector (10) con un bloque de cristal centelleador (12) que comprende una pluralidad de elementos centelleadores alargados (14) dispuestos en una matriz de filas y columnas, una pluralidad de elementos sensores de fotomultiplicadores semiconductores (24; 24a - 24p) acoplados ópticamente a dicho bloque de cristal centelleador (12), en donde dichos elementos sensores (24; 24a - 24p) comprenden tiras alargadas (24; 24a - 24p), y en donde cada uno de dichos elementos sensores (24; 24a - 24p) tiene un ancho (w) en una dirección perpendicular a una dirección de longitud, caracterizado por que dicho ancho (w) es al menos dos veces menor que el ancho de un elemento centelleador (14) al que dicho elemento sensor (24); 24a - 24p) está acoplado ópticamente de manera que cada uno de dichos elementos centelleadores está acoplado ópticamente a una pluralidad de dichos elementos sensores, y un medio de lectura (30a - 30e) está acoplado eléctricamente a dicha pluralidad de elementos sensores (24; 24a - 24p);

acoplar diferencialmente cada uno de dichos elementos sensores (24; 24a - 24p) a dicho medio de lectura (30a - 30e); y

detectar señales de luz en los elementos centelleadores en función de la salida de los elementos sensores.

13. El método de detección según la reivindicación 12, en donde dicha configuración de detector (10) es una configuración de detector según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.