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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit mehreren zeilen- oder matrixförmig angeordneten photoempfindlichen Mikrozellen.
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Silizium-Photomultiplier bestehen aus Detektorzellen bzw. Mikrozellen, die jeweils eine Avalanche Photodiode (APD, Lawinendiode) und einen Serienwiderstand aufweisen. Bei Anliegen einer Speisespannung schaltet die üblicherweise in Sperrrichtung betriebene Photodiode bei Eintreffen von Strahlung, beispielsweise eines Photons, teilweise durch. Dieser Effekt wird verstärkt durch den Lawineneffekt in der Photodiode. Am Ausgang der Mikrozelle, d. h. am Knoten zwischen dem Widerstand und der Photodiode, ist ein durch das Durchschalten der Photodiode verursachte Spannungsabfall messbar und auswertbar.
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Aus
WO 2006/111883 A2 ist ein Array von Detektorzellen bekannt, bei der jede Detektorzelle als Lawinen-Photodiode ausgebildet ist. Eine Lawinen-Photodiode ist integriert in einen CMOS-Prozess. Eine digitale Schaltung gibt einen ersten Wert aus in einem Ruhezustand und einen weiteren anderen Wert, wenn die Lawinen-Photodiode ein Photon detektiert. Eine Schaltung gibt ein Triggersignal aus beim Beginn des Integrationszeitraums als Antwort auf die Zellübertragung von einem Digitalwert zum anderen.
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Aus
T. Frach et al., "Digital Silicon Photo Multiplier – Principle of Operation and Intrinsic Detector Performance", IEEE Nuclear Science Symposium, Talk 29-05-2009, ist ein voll digitaler Silizium Photomultiplier bekannt, in den eine Lawinen-Photodiode in einen CMOS-Prozess integriert ist. Diese Lösung enthält eine aktive Löschung (active quenching) und eine voll digitale Auslesung mit dem Nachteil von höheren Kosten durch einen komplexen Produktionsprozess. Verglichen mit einem analogen Silizium Photomultiplier ist die Zeitauflösung verbessert, weil die Kapazitäten der einzelnen Mikrozellen sich nicht miteinander aufaddieren und der Zeittrigger direkt auf Zellebene generiert wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen schnellen und kostengünstigen Silizium-Photomultiplier zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Weiterbildungen der Erfindung und Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Es wird vorgeschlagen, in jede Mikrozelle ein einzelnes nicht-lineares Element zu integrieren, um das Zeitsignal direkt von der Mikrozelle zu erhalten und auszuwerten. Vorzugsweise ist dieses nicht-lineare Element ein aktives Element bzw. ein Transistor, bipolar oder MOS. Vorzugsweise ist es entweder ein NMOS- oder ein PMOS-Transistor. Dieses Bauelement/Vorrichtung dient als Verstärker, der eine allgemeine Trigger-Signalleitung aktiviert. Das Energie- bzw. Ladungssignal wird ausgewertet durch Integrieren des Summen-Stroms aller Mikrozellen der Vorrichtung, wie in dem Stand der Technik analoger Silizium-Photomultiplier-Vorrichtungen.
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Die meisten Anwendungen benutzen ein analoges SiPM (Silizium Photomultiplier) und leiten sowohl das Timing/Zeit- und das Energie-Informationssignal vom gleichen Summensignal aller Mikrozellen ab. Das ist nicht die optimale Konfiguration für die Zeitinformation. Vor allem das Triggern auf das erste detektierte Photon/der ersten detektierten Photonen/Quanten ist schwierig. Weiterhin benötigt die Elektronik für den Timingtrigger (Zeitauslöser) eine höhere Bandbreite als für das Energiesignal, dies ist im Hinblick auf den Leistungsverbrauch nicht optimal.
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Es wird eine digitale Triggerleitung zu dem analogen Silizium Photomultiplier hinzugefügt, wodurch das das Zeitsignal von dem Energiesignal bzw. dem Ladungssignal getrennt wird. Die Vorteile sind:
- 1. Triggern auf das erste Photons wird einfacher und präziser als in einem rein analogen Silizium Photomultiplier.
- 2. Das Energiesignal kann mit weniger Elektronik ausgewertet werden, was zu einem beträchtlich geringerem Stromverbrauch/Leistungsbedarf führt.
- 3. Der technologische Aufwand ist geringer als bei einem voll integrierten CMOS-Prozess, wodurch die Fertigung billiger wird.
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Es sind mehrere zeilen- oder matrixförmig angeordnete photoempfindliche Mikrozellen zum Detektieren eines oder mehrerer Photonen vorgesehen mit jeweils einer in Sperr-Richtung vorgespannten, im Geiger-Modus betriebenen Lawinenphotodiode, der jeweils ein Verstärker zugeordnet ist, der die Spannung an der Lawinenphotodiode erfasst und ein Ausgangssignal eine gemeinsame Triggersignalleitung zum Erfassen des Zeitpunkt des Eingangs eines oder mehrere Photonen weitergibt. Die Anoden der Lawinenphotodioden sind zu einer Ausgangsleitung zusammengeschaltet zum jeweiligen Erfassen der Ladungen, die in den betroffenen Mikrozellen (Mi, j) durch Eintreffen eines oder mehrerer Photonen (P1, Ph2, Pf) verschoben werden. Dadurch ist eine getrennte Erfassung von Zeitpunkt und der Anzahl der eingehenden Photonen möglich.
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Bevorzugt gekennzeichnet sind mehreren Mikrozellen, insbesondere jeder Zeile oder jeder Spalte der Matrix von Mikrozellen, jeweils eine Verstärkerstufe zugeordnet, mit deren Hilfe die Triggersignalleitung aufgeteilt ist, wodurch der Einfluss von parasitären kapazitiven Effekten verringerbar ist.
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Die Verstärkerelemente und die Verstärkerstufen (Ti, 1; Ti; Ti, 2) sind bevorzugt auf Basis einer Technologie aufgebaut, beispielsweise in CMOS, NMOS, PMOS oder Bipolartechnologie, wodurch die Kosten und die Komplexität der Vorrichtung verringert werden.
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Bevorzugt sind das Erfassen der durch die Photonen verursachten Ladungsverschiebung und das Erfassendes bzw. der Zeitpunkte des Eintreffens der Photonen funktional im Wesentlichen unabhängig voneinander durchführbar, wodurch im Schaltungsdesign höhere Freiheiten verfügbar sind.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 Silizium Photomultiplier nach Stand der Technik
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2 Silizium Photomultiplier mit Verstärker
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3 Silizium Photomultiplier aus 2 mit hierarchischer strukturierter Verstärkerelektronik
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4a, b Diagramme der Ergebnisse der Simulationen des Betriebs einer Schaltung gemäß 2 oder 3.
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In den folgenden Figuren haben gleiche bzw. sich funktionell entsprechende Einheiten die gleichen Bezugszeichen. Die Figuren werden gruppenweise gemeinsam beschrieben.
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1 zeigt die elektrische Schaltung eines als Stand der Technik verfügbaren Silizium-Photomultipliers F (engl. Silizium Photomultiplier = SiPM). Eine Anzahl von Detektorzellen bzw. Mikrozellen Mi, j, die eine Lawinenphotodiode Di, j (engl. Avalanche Photo Diode = APD) und einen mit ihr in Serie geschalteten Löschwiderstand Ri, j aufweisen, ist einer Matrix angeordnet, um eine photoempfindliche Fläche F bzw. eine photoelektrische Vorrichtung F zu bilden.
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Eine Versorgungsspannung Us wird an die Detektorzellen Mi, j in Sperr-Richtung angelegt, d. h. die positive Versorgungsspannung wird über den Löschwiderstand Ri, j an die Kathode der Lawinenphotodiode Di, j verbunden. Die Detektorzellen Mi, j arbeiten im Geigermodus, d. h. die Versorgungsspannung Us ist eine Gleichspannung (Bias-Voltage_Bias, Arbeitspunkt/Gleichspannungspunkt), die etwas höher ist als die Durchbruchsspannung der Lawinenphotodioden Di, j. Der beim Detektieren eines Photons Ph1 erzeugte Lawineneffekt wird erst durch Absenken der Vorspannung UDi, j an der Lawinenphotodiode Di, j abgebrochen, was mit Hilfe des Löschwiderstands Ri, j geschieht. Dieser Vorgang des Lawinendurchbruches geschieht sehr schnell. Das Zurücksetzen, oder Wieder-Aufladen einer Lawinenphotodiode Di, j dauert hier etwa 100 bis 200 μs bei einer Kapazität der Lawinenphotodiode von 100 femtoFarad und einem Löschwiderstand von 100 kOhm. Vor allem zur Einzel-Photonenzählung ist dies geeignet.
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Alle Detektorzellen Mi, j sind elektrisch parallel miteinander geschaltet. Detektieren eine oder mehrere Mikrozellen Mi, j ein Photon Ph1 so wird ein Auslöseelektron in der Lawinenphotodiode Di, j ausgelöst, wodurch der Lawineneffekt ausgelöst wird. Dadurch durch den steigenden Zellenstrom Ii, j und dem damit ansteigenden Spannungsabfall an dem jeweiligen Löschwiderstand Ri, j reduziert sich die Vorspannung Ui, j an der/den Lawinenphotodioden Di, j so stark, dass die Lawinenphotodiode gelöscht wird, d. h wieder sperrt. Am gemeinsamen Anschluss A am Fußpunkt der jeweiligen Anode der Lawinenphotodioden Di, j ist der Gesamtstrom I aller in den einzelnen Mikrozellen Mi, j b fließenden Zellenströme Ii, j messbar, durch die die von den Photonen Phi ausgelösten Ladungslawinen in den Lawinenphotodioden Di, j ermittelbar ist. Dafür ist der gemeinsame Anschluss bzw. der Ausgang A beispielsweise über einen Mess- oder Lastwiderstand Rl vorgesehen mit der Masse verbunden. Obwohl der Betrieb der individuellen/einzelnen Detektorzelle Mi, j rein digital verläuft, arbeitet der gesamte Silizium-Photomultiplier in einem analogen Modus aufgrund der parallelen Verbindungen der Mikrozellen Mi, j miteinander.
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Die Ausführung nach 1 stellt einen analogen Silizium-Photomultiplier dar (engl. Silizium Photomultiplier = SiPM), an dessen Ausgang A Energie- und Zeitinformationen zur Verfügung stehen. In einer Anwendung des Silizium-Photomultipliers F (SiPM) in PET-Detektoren (PET = engl. Positron emission tomography) zur Auswertung von Szintillationsereignissen müssen zwei verschiedene Signale ausgewertet werden:
- a) die Zeitinformation, d. h. vor allem das Detektieren des/der ersten Photonen Ph1, und
- b) die Energie (Amplitudeninformation), d. h. die Anzahl der einfallenden Photonen Ph1, Ph2.
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Die Anforderung für diese zwei Signale ist verschieden. Während die Zeitinformation eine schnelle Elektronik und eine hohe Bandbreite benötigt, wird die Energieinformation ausgewertet durch ein Integrieren des Signals, was keine hohe Bandbreite benötigt. In 1 werden sowohl die Zeitinformation als auch die Energie-Information von der gleichen Signalquelle am Ausgang A abgegriffen. Das ist nicht die optimale Konfiguration für die Zeitinformation. Vor allem das Triggern (das Auslösen) auf das erste detektierte Photons Ph1/der ersten detektierten Photonen Ph1, Ph2 ist schwierig. Weiterhin benötigt die Elektronik für den Timingtrigger (Zeitauslöser) eine höhere Bandbreite als für das Energiesignal, was nicht einer optimalen Einstellung für den Leistungsverbrauch entspricht.
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2 zeigt eine erweiterte Silizium Photomultiplier-Vorrichtung aus 1. Jeder Mikrozelle Mi, j aus 1 ist ein Verstärkerelement Ti, j zugeordnet, wobei alle Verstärkerelemente Ti, j bevorzugt in einer Technologie aufgebaut sind, beispielsweise in CMOS, NMOS, PMOS oder Bipolartechnologie.
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Der hochohmige Eingang Bi, j des Verstärkerelements Vi, j ist mit dem Knoten zwischen dem Löschwiderstand Ri, j und dem Sperranschluss der Lawinenphotodiode Di, j verbunden und erfasst die die an Lawinenphotodiode Di, j abfallende Vorspannung UDi, j. Die jeweiligen Verstärkerelemente Vi, j werden durch eine Versorgungsspannung Up über einen gemeinsamen Pull-Up-Widerstand RTrig über eine Trigger-Signalleitung TRIG versorgt, bevorzugt jeweils über die Drain-Anschluss Di, j des als MOS-Transistor ausgebildeten Verstärkerelements Vi, j. Somit ist an der Trigger-Signalleitung TRIG eine ODER Verbindung (”Wired-OR”) der Zustände aller verbundenen Mikrozellen verfügbar. Der Ausgang ”Source” Si, j des jeweiligen Verstärkerelements Vi, j ist mit der Masse verbunden.
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Weiterhin sind die Fußpunkte der jeweiligen Anoden der Lawinenphotodioden Di, j mit dem Ausgang A verbunden. Hierdurch werden die durch die jeweiligen Lawinenphotodioden Di, j fließenden Ströme Ii, j zum Gesamtstrom I aufaddiert. Zum Messen des Gesamtstroms I ist der Ausgang A über den Mess- bzw. Lastwiderstand Rl mit der Masse verbunden, wodurch der Gesamtstrom I indirekt über den Spannungsabfall UA am Lastwiderstand Rl ermittelbar ist.
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Die Triggerspannung UTrig an Trigger-Signalleitung TRIG reduziert sich (”Lower level”), sobald ein Verstärkerelement Vi, j durch Photoneneinfall auf eine Photolawinendioden Di, j zumindest teilweise leitend wird, was untenstehend näher erläutert wird.
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Die Geschwindigkeit der Trigger-Signalleitung TRIG ist hauptsächlich bestimmt durch die parasitären, kapazitiven Lasten, die proportional zur Anzahl der Mikrozellen Mi, j ist, die mit dieser Trigger-Leitung TRIG verbunden sind.
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Für große Sensor-Anordnungen wird zur Reduzierung der parasitären, kapazitiven Lasten der Trigger-Signalleitung TRIG ein hierarchisches Triggerschema mit voneinander entkoppelten Trigger-Signalleitungen TRIGi eingesetzt, wie in 3 näher dargestellt ist. 3 zeigt ein Silizium Photomultiplier-Vorrichtung F aus 2, wobei pro Mikrozellen-Zeile Mi, 1; Mi, 2; ...; Mi, n eine Trigger-Signalleitung TRIGi vorgesehen ist. Die Verstärkerelemente Vi, j (Drain) einer Zeile i werden über eine jeweilige Verstärkerstufe Ti, 1; Ti, 2; Ti über eine allen Zeilen 1, ... i, ..., m gemeinsam zugeordnete Trigger-Signalleitung TRIG über einen gemeinsamen Pull-Up-Widerstand RTrig mit einer Versorgungsspannung Up versorgt. Eine Verstärkerstufe Ti, 1; Ti, 2; Ti weist drei vorzugsweise als MOS-Transistoren ausgebildete Verstärkerbausteine Ti, 1; Ti, 2; Ti auf. Zwei Verstärkerbausteine Ti, 1; Ti, 2 sind als Stromspiegelschaltung aufgebaut, wobei der dritte Verstärkerbaustein Ti im gemeinsamen Source-Zweig der beiden Verstärkerbausteine Ti, 1; Ti, 2 eine Stromeinprägung vornimmt, die abhängt vom Steuerstrom IBias. Der Basis des ersten Spiegelbausteins Ti, 1 ist jeweils mit der zur Versorgung der jeweiligen Verstärkerelements Mi, 1, ..., Mi, j, ..., Mi, n dienenden Trigger-Signalleitung TRIGi verbunden und wird bedarfsgerecht versorgt über den Drain des ersten Spiegelbausteins Ti, 1, der über den Pull-Up Widerstand RTrigi mit der Speisespannung US verbunden ist. Der Drain des zweiten Spiegeltransistors Ti, 2 ist mit der gemeinsamen Trigger-Signalleitung TRIG verbunden, die über einen gemeinsamen Pull-UP Widerstand RTrig mit der (Bias-)Speisespannung Up verbunden ist. Der Grundspannungslevel der Trigger-Signalleitungen TRIGi ist über die Schwellspannung UThr einstellbar, die gemeinsam an der jeweiligen Basis der zweiten Spiegelbausteine Ti, 2 anliegt. Funktionell arbeitet die Schaltung aus 3 wie die Schaltung aus 2, wobei die zusätzlichen Verstärkerelemente mit Stromspiegelschaltung und Stromeinprägung die parasitären Kapazitäten der Trigger-Signalleitung TRIG durch Unterteilen auf Einzeltriggerleitungen TRIGi und Entkoppeln reduziert. Üblicherweise werden typischerweise alle Mikrozellen einer Zeile M1, 1, ..., M1, n oder einer Spalte M1, 1, ..., Mm, 1 der Matrixanordnung F mit einer Verstärkerstufe Ti, 1; Ti, 2; Ti verbunden.
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Die Schaltung in 3 benutzt bevorzugt nur NMOS-Transistoren und Widerstände für alle Verstärkerstufen, d. h. die gleichen Devices/Vorrichtungen, die bereits in den Mikrozellen Mi, j benutzt werden. Auf diese Weise können auch diese Stufen monolithisch integriert werden, ohne die technologische Komplexität zu erhöhen.
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Andere Ausführungen der Verstärkerschaltungen weisen nur CMOS-Transistoren oder Bipolar-Transistoren oder komplette CMOS-Prozesse auf, die in ähnlicher Weise aufgebaut sind, wie in 3 angegeben.
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Der beim Detektieren eines Photons erzeugte Lawineneffekt wird erst durch Absenken der Vorspannung UDi, j an der Lawinenphotodiode Di, j abgebrochen, was mit Hilfe des Löschwiderstands Ri, j geschieht. Das Zurücksetzen, oder Wieder-Aufladen einer Lawinenphotodiode Di, j dauert hier etwa 100 bis 200 μs bei einer Kapazität der Lawinenphotodiode Di, j von 100 fF (femtoFarad) und einem Löschwiderstand Ri, j von 100 kOhm. Vor allem zur Einzel-Photonenzählung ist dies geeignet.
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Die 4a und b zeigen eine allgemeine mit dem Programm SPICE durchgeführte Simulation der Spannungswerte an der gemeinsamen Trigger-Signalleitung TRIG und des gemeinsamen Ausgangs A der photoelektrischen Vorrichtung F aus den 2 oder 3 mit Schaltungsparametern, die von einer existierenden, analogen Silizium Photomultiplier-Vorrichtung verwendet wird und auf einem 0,5 μm CMOS Prozess basieren. Parasitäre kapazitive Effekte der Triggerleitung TRIG aus 2 und 3 beeinflussen in diesem Beispiel die Messkurven nicht sichtbar. Es wird angenommen, dass eine Mikrozelle Mi, j von einem Photon Ph1 zum Zeitpunkt t1 = 1 ns (Nanosekunde) getroffen wird, wodurch eine entsprechende Elektronenlawine ausgelöst wird.
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Die vom der betreffenden Lawinenphotodiode Di, j übertragene Ladungsmenge Q und ist über die Integration über den Strom I bzw. der Spannung UA am Lastwiderstand Rl ermittelbar. Die dazugehörigen Messkurven der an unterschiedlichen Lastwiderständen Rl gemessen/simulierten Spannung UA bei Einsatz verschiedener Lastwiderstände Rl = 1 Ohm (Quadrat), 20 Ohm (schräggestelltes Quadrat), 50 Ohm (Dreieck) und 100 Ohm (Dreieck auf Spitze) sind in 4 dargestellt. Die Fläche von t = 1 ns bis zum Ende der Totzeit und nach Abklingen der Ri, j-C_Di, j – Zeitkonstante (C_Di, j = Kapazität der Photolawinendiode Di, j) unter den jeweiligen Kurven ist proportional zur übertragenen Ladungsmenge Q1. Die Anstiegszeit der Signalspannungen UA beträgt jeweils etwa 2 ns. Weiterhin ist der Einfluss des optionalen Eintreffens eines weiteren Photons Ph2 auf eine weitere Photolawinendiode Dx, y zum Zeitpunkt t = 5 ns in der Messkurve ”doppeltes, schräggestelltes Quadrat” bei R = 20 Ohm dargestellt. Es wird eine weitere Ladungsmenge Q2 von der weitere Photolawinendiode Dx, y übertragen, wodurch sich die Gesamtladungsmenge Qges = Q1 + Q2 durch o. g. Integrieren ergibt.
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Die Simulationskurve aus 4b die Triggerspannung/Triggersignal UTrig der Triggerleitung TRIG in Abhängigkeit von der Zeit t. Das Triggersignal UTrig zeigt eine klare Stufe nach Eintreffen des ersten Photons Ph1 mit einer Anstiegszeit bzw. Abfallzeit von etwa 0,2 ns und einem Spannungsabfall von etwa 0,5 V. Die Kurvenform UTrig ist im Wesentlichen unabhängig von der betreffenden Lawinenphotodiode Di, j übertragenen Ladungsmenge Q und des Lastwiderstands Rl. Die Stufe kann einfach dazu benutzt werden, um auf das erste Photon Ph1 mit einer hohen zeitlichen Auflösung zu triggern. Nach Ende der Totzeit von > 100 ns der betreffenden Photolawinendiode (nicht im aktuellen Maßstab darstellbar) stellt sich der ursprüngliche Spannungswert von ca. 3,3 wieder ein. Optional ist der Einfluss des Eintreffens mindestens eines weiteren Photons Ph2 auf eine weitere Lawinenphotodiode D1, 2 zum Zeitpunkt t = 5 ns in der Messkurve ”doppeltes, schräggestelltes Quadrat” in 4b dargestellt. Es tritt ein weiterer Spannungsabfall von etwa 0,5 V mit einer Stufendauer von etwa 0,2 ns auf. Entsprechend können auch weitere Photonen Phi auf weitere Lawinenphotodioden Dxi, yi treffen, deren exakte Eintreffzeitpunkte aus der Messkurve ablesbar sind.
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Aus den ermittelten Eintreffzeitpunkten t1, t2, ... aus 4b und der Gesamtladungsmenge Qges aus 4a sind hervorragende Rückschlüsse auf Ereignisse durchführbar, beispielsweise zum Auswerten von Szintillator-Ereignissen in Szintillator-Kristallen, die dem Silizium-Photomultiplier F vorgeschaltet sind. So ist ein direkter Einfall eines Strahlungsquants mit einer hohen Quantenenergie auf einen Szintillator-Kristall von Compton-Ereignissen mit mehreren Strahlungsquanten mit geringerer Energie unterscheidbar.
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Wie man sehen aus den Messkurven der 4a, b sehen kann, reagiert das Analog-Signal UA mit einer Anstiegszeit von ca. 2 ns viel langsamer, hier etwa um den Faktor 10 als das digitale Trigger-Signal UTrig mit einer Anstiegszeit/Abfallzeit von ca. 0,2 ns auf, aber es ist gut geeignet, um die Gesamtenergie auszuwerten. Die Dauer des Erfassens der Ladungsmenge Q entspricht aufgrund des Integrierens des Stroms über die Zeit im Wesentlichen der Totzeit der Lawinenphotodiode. der Die digitale Trigger-Signalleitung TRIG ist nicht gestört durch Zufügen von externen Lastwiderständen Rl zur Auswertung der übertragenen Ladung Qges und das analoge Ladungs-Signal UA ist nicht gestört durch die digitale Triggerleitung TRIG.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- T. Frach et al., ”Digital Silicon Photo Multiplier – Principle of Operation and Intrinsic Detector Performance”, IEEE Nuclear Science Symposium, Talk 29-05-2009 [0004]