RS57333B1 - Struktura za čitanje naelektrisanja, namenjena za detekciju fotona ili čestica - Google Patents

Description

[0001] Predloženi pronalazak se odnosi na strukturu za čitanje korišćenu, na primer, za detekciju fotona i čestica i posebno za podršku struktura za čitanje, sposobnih za prostorno određivanje položaja nalektrisanja.

[0002] Detektori za otkrivanje elektromagnetnog zračenja kvanta ili čestica konvencionalno koriste uređaj za konverziju, kao što je foto-katoda, zajedno sa mikrokanalnim, površinskim elektronskim množačem, za generisanje oblaka elektronskog naelektrisanja, proisteklog iz interakcije detektora sa kvantnim zračenjem ili česticama koje se detektuju. Oblak naelektrisanja elektrona je detektovan i njegova pozicija je prostorno određena korišćenjem dodatne anodne strukture.

[0003] Pronalazak US 5686721 opisuje takav detektor, koji ima anodnu strukturu sa određivanjem prostorne pozicije, anodu od električno vodljivog tankog filma, dodatog množitelju naelektrisanja i anodnoj strukturi niske otpornosti, kapacitivno povezane sa anodom velike otpornosti. Anoda velike otpornosti je formirana na vakuumskoj strani zida komore i anoda niske otpornosti je formirana na drugoj strani zida komore, na primer, na atmosferskom pritisku jednakom pritisku u uslovima okoline. Zid komore je formiran od, na primer, takvog stakla da su anoda velike otpornosti i anoda male otpornosti kapacitivno vezane. Oblak elektrona, koji nagrizava anodu od tankog filma, visoke otpornosti, ostaje u tom delu nekoliko desetina nanosekundi, s obzirom na visoku otpornost sloja. Takva struktura je kapacitivno povezana preko sloja stakla komore, čime se generiše slika naelektrisanja na ili u strukturi anode niske otpornosti.

[0004] Anoda niske otpornosti se sastoji od strukture sa prostornim određenjem, kao što je oblast sa tri kontakta, sa klinovima i trakama (eng. wedge-and-strip anode). Prostorni položaj slike naelektrisanja se može odrediti koristeći predpojačalo osetljivo na naelektrisanje, za svaku oblast kontakta i logički sistem za procenu. Opisane su druge anodne strukture sa prostornim određenjem, kao što je Vernier-ova anoda, spiralna anoda, sloj linije kašnjenja i sistem piksela sa digitalnim očitanjem. Sistem US 5686721 zahteva da se interne otpornosti anoda sa slojevima visoke i niske otpornosti optimalno podudaraju jedna prema drugoj i da je geometrijska konfiguracija anode niske otpornosti pogodna za prostorno određivanje naelektrisanja slike. Prostorna rezolucija može biti ograničena konfiguracijom oblasti kontakata sa individualnim očitanjem anode sa niskom otpornošću.

[0005] R. Gott i ostali autori u radu „The use of channel multiplier arrays for one and two dimenisonal x-aray image dissection“, IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol.17 (3) 1970, pp.367-373 opisuju polja za množenje kanala i kolektorske podsisteme u kojima se elektronski impulsi iz pojedinačnih kanala u polju prikupljaju koristeći ravnomerno raspoređene žičane mreže.

Susedne žice u mreži su povezane kondenzatorima i svaka od žica u mreži je otpornički uzemljena. Naelektrisani impuls, koji stiže do određene žice u mreži je podeljen mrežom kondenzatora i doveden do dva pretpojačala, osetljiva na naelektrisanje. Na osnovu njih se može utvrditi položaj impulsa naelektrisanja, u odnosu na rešetku. Prostorna određenost može biti ograničena brojem diskretnih komponenti, uključujući kondenzatore i otpornike za uzemljenje, koji moraju biti povezani u žičanoj mreži.

[0006] J. Milnes i ostali autori u radu unutar Nucl. Instr. And Meth. A, 604, 218 (2009) opisuju rezultate dobijene koristeći jednu cev za sliku, sa različitim uređajima za očitanje, prilagođenim različitim primenama: (a) četvorostruka anodna elektroda sa četvorostrukom podelom naelektrisanja, prilagođena za najbolju prostornu rezoluciju prilikom moda brojanja fotona; (b) Anoda sa linijom kašnjenja, koja omogućava uočavanje drugih pojava u okolini i vremensku rezoluciju pojava koja je veća od 1 ns i (c) čitanje sa više anoda povezanih sa višekanalnim osciloskopom za analogna merenja ili brze optičke impulse ili sa višekanalnom karticom za vremensko zavisno brojanje pojedinačnih fotona (eng. mutli-channel time correlated single photon TCSPC).

[0007] Predmet predloženog pronalaska je da obezbedi unapređenu, prostorno određenu, strukturu za čitanje, pogodnu za upotrebu u detekciji fotona ili čestica.

[0008] Prema jednom od aspekata, predloženi pronalazak obezbeđuje uređaj za prostorno određenje naelektrisanja, koji se sastoji od:

otporničkog elementa, koji definiše površinu za određivanje i kapacitivno je povezan sa bar jednim dvodimenzionalnim ravnim nizom diskretnih elektroda, koje su električno izolovane jedna od druge. Svaka od elektroda u nizu je kapacitivno povezana sa susednim elektrodama, čineći kapacitivno povezanu mrežu elektroda, onih elektroda selektovanih iz površine su povezane sa izlaznom površinom, za povezivanje sa odgovarajućim mernim uređajem;

otporničkog elementa koji ima otpornost dovoljnu za privremeno lokalizovanje naelektrisanja, snimljenog na otporničkom elementu, u površinu koja odgovara podskupu pomenutih elektroda u nizu, kako bi se na njemu formiralo kapacitivno indukovano naelektrisanje, u trajanju dovoljnom za merenje signala iz niza elektroda pomoću mernog uređaja,

pri čemu kapacitivno povezivanje elektroda u nizu rezultuje podelom kapacitivno indukovanog naelektrisanja na elektrodama, takvom da se prostorna pozicija naelektrisanja, lokalizovanog na otporničkom elementu, može odrediti na osnovu relativnih izlaza naelektrisanja mernih uređaja.

[0009] Uređaj za određivanje naelektrisanja može sadržavati više uređaja za merenje naelektrisanja, povezanih na mrežu, od kojih je svaki uređaj povezan sa različitom elektrodom u nizu, kako bi se izdvojio uzorak naelektrisanja. Kada se koristi kao detektor čestica ili fotona, uređaj za detekciju naelektrisanja može sadržavati uređaj za množenje, za interakciju sa česticama i fotonima i na osnovu toga stvaranja oblaka naelektrisanja. Uređaj za množenje je pozicioniran do otporničkog elementa, tako da je otpornički element u interakciji sa oblakom naelektrisanja, kako bi iz toga snimio naelektrisanje. Uređaj za množenje može biti uređaj za množenje elektrona. Uređaj za množenje može biti mikrokanalna ploča, foto-umnoživač ili gasni proporcionalni brojač. Čestice u interakciji mogu biti fotoni, jonizujuće čestice ili čestice sa naelektrisanjem.

[0010] Niz električno izolovanih elektroda je dvodimenzionalni niz elektroda prilagođenih za prostorno određenje naelektrisanja na otporničkom elementu, u odnosu na jednu ili dve dimenzije. Niz električno izolovanih elektroda može sadržavati niz električno provodnih elemenata, pri čemu je svaki element unutar tela niza kapacitivno povezan sa najbližim, susednim elementom, sa prvom kapacitivnom vrednošću, i svaki periferni element niza je kapacitivno povezan sa susednim perifernim elementima niza, sa drugom kapacitivnom vrednošću. Druga kapacitivna vrednost je veća od prve kapacitivne vrednosti. Svaki element u telu niza može biti kapacitivno povezan sa sledećim najbližim elementima u nizu, sa trećom kapacitivnom vrednošću, koja je znatno niža u odnosu na prvu kapacitivnu vrednost. Druga kapacitivna vrednost može biti između 10 i 100 puta veća u odnosu na prvu kapacitivnu vrednost.

[0011] Uređaji za merenje naelektrisanja su povezani sa odgovarajućim elementima u nizu, poželjno sa elementima na periferiji niza i još poželjnije ugaonim elementima niza. Uređaj za obradu može biti povezan sa svakim uređajem za merenje naelektrisanja kako bi se odredila prostorna pozicija lokalizovanog naelektrisanja na otporničkom elementu, na osnovu relativnih izlaza svakog od uređaja.

[0012] Niz električno izolovanih elektroda može sadržavati prvi podniz električno provodnih elemenata, pri čemu je svaki element unutar tela prvog podniza kapacitivno povezan sa prvim odabranim, najbližim, susednim elementima, sa prvom kapacitivnom vrednošću i svaki element u telu prvog podniza ima minimalnu ili nikakvu povezanost sa drugim odabranim, najbližim elementima u prvom podnizu. Odabrani periferni elementi prvog podniza su direktno električno povezani sa susednim perifernim elementima prvog podniza. Niz može uključivati drugi podniz provodnih elemenata, koji su komplementarni i preklapaju se sa prvim podnizom. Prvi podniz je prilagođen za detekciju prostorne pozicije naelektrisanja otporničkih elemenata u jednoj dimenziji i drugi podniz je prilagođen za detekciju prostorne pozicije naelektrisanja na otporničkom elementu u drugoj dimenziji, koja se razlikuje u odnosu na prvu. Uređaji za merenje naelektrisanja mogu biti povezani sa odgovarajućim grupama određenih perifernih elemenataniza. Poželjno je da otpornički element ima površinsku otpornost prilagođenu za omogućavanje lokalizacije naelektrisanja u vremenskom periodu od 1 do 1000 ns ili u drugim izvođenjima, vremenskom periodu u opsegu od 1 do 10000 ns.

[0013] U skladu sa drugim aspektom, predloženi pronalazak, koji obezbeđuje metod za prostorno određivanje pozicije naelektrisanja na otporničkom elementu uređaja za detekciju naelektrisanja, se sastoji od koraka:

snimanja naelektrisanja na površini detekcije, definisanoj otporničkim elementom koji je kapacitivno povezan sa najmanje jednim od dvodimenzionalnih ravnih nizova diskretnih elektoda, koje su električno izolovane jedna od druge. Svaka od elektroda u nizu je kapacitivno povezana sa susednim elektrodama u nizu, kako bi formirala kapacitivno povezanu mrežu elektroda, privremeno lokalizujući naelektrisanja na otporničkom elementu, na površini koja odgovara podskupu elektroda u nizu, koristeći otpornost elemenata za formiranje kapacitivno indukovanog naelektrisanja u podskupu elektroda.

deljenja kapacitivno indukovanog naelektrisanja duž elektroda niza, koristeći kapacitivno povezivanje elektroda;

merenja kapacitivno indukovanog naelektrisanja, uzorkovanjem niza, koristeći odgovarajuće uređaje za merenje naelektrisanja, povezane sa odgovarajućim elektrodama u nizu; i

određivanja prostorne pozicije naelektrisanja, lokalizovanog na otporničkim elementima, na osnovu relativnih izlaza spomenutih uređaja za merenje naelektrisanja.

[0014] Izvođenja predmetnog pronalaska će biti opisano kroz primere i pozivajući se na priložene crteže na kojima je:

slika 1 šematski perspektivni prikaz fotonskog detektora sa kapacitivno povezanom strukturom za čitanje naelektrisanja;

slika 2 šematski dijagram kola kapacitivno povezane mreže elemenata za formiranje strukture za čitanje, fotonskog detektora kao na slici 1;

slika 3 perspektivni prikaz stvarnog uređaja, koji se sastoji od kapacitivno povezane mreže elemenata za formiranje strukture za čitanje naelektrisanja, fotonskog detektora, kao na slici 1;

slika 4 grafički prikaz slike šupljikave maske, generisane korišćenjem fotonskog detektora prema slikama 1, 2 i 3; i

slika 5 šematski dijagram kola alternativno kapacitivne mreže elemenata, pogodne za formiranje strukture za čitanje naelektrisanja, fotonskog detektora, kao na slici 1.

[0015] U skladu sa slikom 1, fotonski detektor 1 se sastoji od foto-katode 2 ili drugih odgovarajućih sredstava za konverziju, za konvertovanje incidentnog fotona 3 ili čestice u elektron 4. Slično kao foto-katoda 2, u ovom razmeštaju je i množač elektrona, koji se sastoji od mikrokanalne ploče 5. Prva površina 11, mikrokanalne ploče 5 (gornja površina na slici 1), obezbeđuje ulaznu površinu i druga površina 12, mikrokanalne ploče 5 (donja strana na slici 1), obezbeđuje izlaznu površinu. Susedno drugoj površini 12, mikrokanalne ploče 5, je ravan, otpornički sloj 7, formiran na prvoj površini 13, dielektrične podloge 8. Na suprotnoj površini 14, dielektrične podloge 8, je niz 9 izolovanih elektroda 10, koje obuhvataju kapacitivno povezanu mrežu, koja će biti detaljnije povezana u skladu sa slikom 2.

[0016] Tokom rada, incidentni foton 3 reaguje sa foto-katodom 2 u određenim x-y koordinatama interakcije pojava na katodi. Površ x-y je definisana površinom foto-katode. Interakcija generiše fotoelektron 4, koji se ubrzava prema i u mikrotalasnu površinu 5, koja je korišćena za generisanje oblaka elektrona 6 od svakog incidentnog elektrona 4. Oblak elektrona 6 se obično sastoji od 105 do 107 elektrona. Elektronski oblak se pojavljuje iz izlazne površine 12 mikrotalasne površine 5, održavajući prostornu korelaciju sa x-y koordinatama interakcije pojava i sa x-y pozicijom incidentnog fotona na ulaznoj površini 11, s obzirom na kanalnu strukturu mikrokanalne površine. Težište oblaka naelektrisanja predstavlja x-y koordinate incidentnog fotona 3.

[0017] Otpornički sloj 7 formira anodu za fotonski detektor i potencijal je definisan okolnim provodnicima 16, koje takođe obezbeđuju DC put za pražnjenje, za naelektrisanje nakupljen na anodi. Otpornički sloj 7 definiše otporničke elemente, koji imaju otpornost dovoljno veliku za privremeno lokalizovanje naelektrisanja, generisanog iz oblaka naelektrisanja elektrona 6 prema površini anode, dovoljno vremena za signalno merenje površine 9, izolovanih elektroda 10. Poželjno je da je otpornost takva da naelektrisanje ostaje lokalizovano na prvoj izolovanoj elektrodi 10, u površini 9 (ili nekoliko susednih elektroda 10), u dovoljnom periodu uzorkovanja. Odgovarajući period uzorkovanja može biti između 1 i 10000 ns. Otpornost otporničkog sloja 7 je dovoljno niska, tako da naelektrisanje propušta preko okolnih provodnika 16 u dužem vremenskom periodu, nego što je period uzorkovanja. Opseg mogućih vrednosti otpornosti za otporničke elemente je 100 kOhm do 100 MOhm po kvadratu, a optimalno između 1 MOhm i 10 MOhm po kvadratu). Na ovaj način može biti generisana slika prostorne raspodele incidentnih fotona 3, koji stižu do fotokatode 2.

[0018] Na slici 2 je šematski prikazan primer razmeštaja za površinu 9, izolovanih elektroda 10. Elektrode 10 obično formiraju dvodimenzionalni niz električno provodnih elemenata, u kom je svaki element kapacitivno povezan sa najbližim susednim elementom. Dakle, u primeru elementa 22, on je kapacitivno povezan sa četiri najbliža susedna elementa, što je šematski naznačeno prvim kapacitivnostima 23a, 23b, 23c, 23d, raspoređenim paralelno osama niza. Konkretnije, svako provodni element 22 je takođe kapacitivno povezan sa svim sledećim, susednim elementima u nizu, što je označeno šematski sa drugim kapacitivnostima 24a, 24b, 24c, 24d, raspoređenim dijagonalno osama niza. Ovo je konfiguracija za sve elemente 22, koji su raspoređeni unutar tela niza 9, tj. koji imaju najbliže susedne elemente na sve četiri strane. Elementi u telu niza su generalno numerisani sa brojem 21.

[0019] Periferni elementi 20 niza, tj. oni koji nemaju najbliže susedne elemente na sve četiri strane, su međusobno povezani sa kapacitivnom vrednošću, koja je veća od kapacitivnosti između elemenata unutar tela niza. Na primer, periferni element na ivici 25 je kapacitivno povezan sa najbližim, susednim perifernim elementima 25a, 25b kapacitivnostima koje su šematski naznačene kao treće kapacitivnosti 26a i 26b respektivno. Periferni element 25 je takođe kapacitivno povezan sa najbližim susednim elementom 25c, unutar tela niza, sa četvrtim kapacitivnostima, označenim sa kondenzatorom 27.

[0020] Poželjno je da su treće kapacitivnosti 26 (tj. kapacitivne vrednosti između susednih, perifernih elemenata 20, niza 9) između 10 i 100 puta veće, nego prve kapacitivnosti 23 (tj. kapacitivne vrednosti između najbližih, susednih elemenata 21, unutar tela niza), ili bilo koja odgovarajuća vrednost koja omogućava linearni odziv, kao što će biti razmatrano u daljem tekstu. Prve kapacitivnosti mogu biti vrednosti 1 pF ili i niže. Poželjno je da druge kapacitivnosti budu koliko je moguće niske, kako bi se minimizovala nelinearnost. U poželjnom izvođenju, druge kapacitivnosti su manje od 10% vrednosti prvih kapacitivnosti.

[0021] Uređaj za merenje naelektrisanja 28A, 28B, 28C, 28D, obezbeđen u svakom uglu niza 9, je povezan sa ugaonim elementima 20 na periferiji niza. Poželjno je da merni uređaji 28 sadrže pojačala niske impedanse, koja mogu napajati osetljiva na naelektrisanje ili pojačala tranzijentne impedanse.

[0022] Kapacitivnost povezanih elektroda 10 u mreži rezultuje u podeli kapacitivno indukovanih naelektrisanja duž elemenata 20, 21 u mreži, u smislu da je definisana posebnom konfiguracijom mreže i koja može biti detektovana uređajima za merenje naelektrisanja 28A do 28D, koji se koriste kao čvorovi za čitanje.

[0023] Slika 3 prikazuje primer fizičkog rasporeda niza 9, kapacitivno povezanih elektroda 10. Prikazani niz sadrži niz izolovanih elektroda. Svaka elektroda sadrži provodnu površinu na prvoj strani podloge, električno povezanu sa odgovarajućom provodnom površinom na drugoj strani podloge preko vanjske strane. Provodne površine na prvoj strani podloge su izolovane jedne od drugih i provodne površine druge strane su takođe izolovane jedne od drugih. Provodne površine na drugoj strani (one koje su vidljive na slici) se koriste za povezivanje uređaja za merenje i površinski postavljene periferne kapacitivnosti 30, dodate okolo kako bi se obezbedila visoka kapacitivnost, potrebna između perifernih elemenata 25 u površini 9. One odgovaraju trećim kapacitivnostima 26a i 26b na slici 2. Signali četiri naelektrisanja sa površine se dovode do uređaja za merenje naelektrisanja 28A,…28D (slika 2), preko žica 31, prikazanih na slici 3. Slika 3 prikazuje zadnju stranu uređaja, tj. odgovarajuću površinu 14 na slici. Druga strana ploče, koja se ne vidi na slici 3, je u kontaktu sa dielektričnom podlogom 8, detektora 1.

[0024] Stvarna slika, snimljena detektorom sa mikrokanalnom pločom u modu brojanja fotona, je prikazana na slici 4. Slika 1 mm debele šupljikave maske, dobijena koristeći detektor za brojanje fotona na slici 3, sa konfiguracijom anodne površine za čitanje 9, je prikazana na slici 2. Aktivna površina čitanja slike je 25 mm. Brojanje pojava, integrisano u vremenskom periodu, kao funkcija pozicije x, je crtano na slici duž x-ose; brojanjepojava, integrisano u vremenskom periodu, kao funkcija pozicije y, je crtano na slici duž y-ose; i rezulutujuća slika x-y intenziteta je prikazana sa sivom skalom intenziteta na desnoj strani. Maska sadrži kvadratni niz šupljina, debljine 1 mm, plus četiri niza šupljina, raspoređenih kao lukovi u četiri ugla maske (od kojih su samo dve i po vidljive, zbog neusaglašenosti).

[0025] Primer Izvođenja, prikazan na slici 1, se sastoji od fotonskog i detektora čestica 1, koji koristi mikrokanalnu ploču 5, kao uređaj za množenje elektrona.Alternativne kombinacije mogu sadržavati detektor koji koristi foto-umnoživač slika ili gasni proporcionalni brojač. Dielektrična podloga 8 može biti bilo koji odgovarajući materijal za kapacitivno povezivanje otporničkog sloja 7 sa nizom 9, izolovanih elektroda 10. Niz 9, elektroda 10 i otporničkog sloja 7, može biti konstruisan na suprotnim površinama iste dielektrične podloge 8 ili mogu biti konstruisani kao odvojeni elementi, smešteni u blizini jedni drugima. Ova konfiguracija ima prednost u proizvodnji kada se koristi cevni, vakuumski foto-umnoživač, s obzirom da niz 9 i prisutne veze ne moraju ispunjavati specifikacije vakuumske cevi i zahteve obrade.

[0026] Naelektrisanje signala na nizu elektroda 9 je kapacitivno indukovano i povezano je u električnom AC smislu, tako da nije potrebna otpornička veza ovih elektroda za pražnjenje. Može se koristiti jednostavan niz izolovanih provodnih elemenata 10 (tj. izolovanih ostrva bakra na jednoslojnoj ili višeslojnoj štampanoj ploči (eng. printed circuit board – PCB), kao što je prikazano na slici 3.

[0027] Fizička kapacitivnost geometrije elektroda 10 se može koristiti u većini uzoraka za povezivanje nizova, čime se znatno pojednostavljuje dizajn, izbegavanjem potrebe za diskretnim pasivnim komponentama (kondenzatorima). Poželjni dizajn, prikazan na slici 3, koristi površinski postavljene kondenzatore 30 između svake elektrode po obimu 25, dok druge izvedbe dizajna mogu ili povećavati površinski obim provodnika, kako bi se povećale vrednosti kapacitivnosti, ili ne zahtevaju takve kapacitivnosti.

[0028] Poželjan dizajn na slici 2 je dvodimenzionalni niz provodnih elemenata 20, 21, od kojih je svaki kapacitivno povezan sa najbližom i drugim najbližom susednom elektrodom. U ovoj šemi je naelektrisanje poželjno mereno u četiri ugla niza (kao što je prikazano merenim uređajima 28A do 28D. U opštem slučaju, uređaji za merenje naelektrisanja mogu biti povezani sa određenim elementima niza, poželjno na perifernim ivicama niza i najpoželjnije u elementima koji se nalaze u uglovima niza. Viša kapacitivnost je poželjna između susednih elektroda 25, oko obima površine (obično između 10 do 100 puta od najbliže susedne kapacitivnosti) kako bi se dobio linearan odziv. Algoritam za dekodiranje je:

gde su x i y koordinate težišta naelektrisanja.

[0029] Alternativna konfiguracija za niz 9 provodnih elemenata 10 je prikazan na slici 5. Konfiguracija niza 50 ima prvi podniz, koji se sastoji od vertikalnih lanaca 51, provodnih elemenata 10, od kojih su svi na jednom kraju povezani sa uređajem za merenje 58B i na drugom kraju povezani sa uređajem za merenje 58D. Niz 50 ima drugi podniz koji se sastoji od horizontalnih lanaca 52, provodnih elemenata 10, od kojih su svi na jednom kraju povezani na uređaj za merenje naelektrisanja 58A i na drugom kraju povezani na uređaj za merenje naelektrisanja 58C. Dva podniza, poželjno, nemaju nikakvu ili imaju minimalnu međukapacitivnost. Poželjno je da ne postoji nikakva ili da postoji minimalna kapacitivnost između elemenata 10 iz susednih lanaca unutar istih podnizova, kao što je prikazano šematski. Kapacitivna podela u ovoj konfiguraciji je značajno linearna i nisu potrebne dodatne veće kapacitivnosti na periferiji niza. Međutim, podela početnog signala naelektrisanja između dva podniza može smanjiti nivo odnosa signal-šum i time neznatno smanjiti rezoluciju pozicije.

[0030] Dakle, generalno gledano, naelektrisanje može biti podeljeno u dva odvojena podniza linearnih kapacitivnih delitelja. Konfiguracija ima značajno linearan odziv, ali nešto nižu prostornu rezoluciju, jer se samo polovina signala koristi za određivanje svake prostorne koordinate. Algoritam za dekodiranje ovog niza je:

[0031]Mogu se razmatrati i drugi dizajni niza, koji koriste više od četiri čvora za merenje, distribuiranih u dvodimenzionalnom nizu, unutar aktivne površine slike. Naelektrisanje signala pojava može biti sakupljeno na podskupu mernih čvorova, omogućavajući drugima privremeno preklapanje ili istovremene pojave,koje će biti detektovane na drugim podskupovima čvorova.

[0032] Naelektrisanje signala na svakom čvoru se meri elektronski, na primer korišćenjem pretpojačala osetljivog na naelektrisanje, pojačala oblika i analogno/digitalnog konvertora. Mogu se koristiti i druge tehnike koje se zasnivaju na brzim vremenskim pretpojačalima, diskriminatorima ili tehnikama vremenskog prekoračenje praga za merenje visine impulsa (ekvivalentne naelektrisanju).

[0033] Korišćenje unutrašnje kapacitivnosti niza elektroda 9, na slici 3, (pre nego diskretnih komponenti dodatih nizu, osim na njenoj periferiji) može se obezbediti velika prednost u performansama, s obzirom da se time smanjuje kapacitivno punjenje na mernim uređajima (u odnosu na upotrebu diskretnih komponenti). Ovo smanjuje šum i bitno unapređuje prostornu rezoluciju ili, obrnuto, omogućava detektoru da radi na nižim pojačanjima, što je posebna prednost na visokim brzinama brojanja. Kombinacija kapacitivne podele, niskog šuma, sa lokalizacijom punjenja, obezbeđena kapacitivnim slojem 7, smanjuje nadalje šum, eliminisanjem delova šuma. Deo šuma predstavlja udeo šuma koji potiče iz statistike podele diskretnih naelektrisanja (u ovom slučaju, elektrona) među brojnim elektrodama. S obzirom da nismo direktno sakupljali, već kapacitivno povezivali sakupljeno naelektrisanje (koje je privremeno lokalizovano na otporničkom sloju 7) sa elektrodama 10, komponente šuma se mogu smanjiti do nule. Deo šuma, kada je prisutan, dominira na niskim nivoima signala, zahvaljujući svojoj proporcionalnosti prema recipročnoj vrednosti kvadratnog korena sakupljenog naelektrisanja, tako da nedostatak ove komponente šuma takođe pruža prednosti u performansama na nižim pojačanjima detektora.

[0034] Uređaji i metode koji su ovde opisani se mogu koristiti u svim oblastima, kada je potrebno brojanje fotona visoke rezolucije, pri čemu je prikazivanje slike neophodno u sprezi sa preciznim vremenom stizanja elektrona, reda pikosekundi. Takve oblasti uključuju: (a) vremenski određenu spektroskopiju – FLIM, FRET, FCS, snimanje na osnovu jednostrukog molekula; 3D snimanje, pronalaženje opsega, LIDAR, CRDS, CEAS; (c) kvantno snimanje, vremenski povezano snimanje pojava; (d) vreme tehnika letenja – spektroskopija mase, mikroskopija jona polja, molekularna dinamika; (e) snimanje neutralnog snopa – MBE dijagnostika; optička, difuziona tomografija; (g) luminiscencija/fosforescencija; pikosekundni detektori sa multipikselnim čitanjem fizike čestica, fizika velike energije, eksperimenti fizike astročestica, na primer za optička čitanja brzih scintilatora u Čerenkovim detektorima.

[0035] Moguće su različite promene u odnosu na ilustrovana izvođenja, bez odstupanja od oblasti pronalaska, kako je definisan zahtevima. U svim primerima, koji su prethodno obrađeni, nizovi elektroda ne moraju biti pravougaonog oblika niti čak pravilni ili periodični, pod uslovom da se lokacija pojava naelektrisanja može odrediti odgovarajućim algoritmom, koji uzima u obzir geometriju niza.

[0036] Druga izvođenja su namerno u okviru obima priloženih zahteva.

Claims (15)

Patentni zahtevi

1. Uređaj za prostorno određenu detekciju naelektrisanja (1), koji se sastoji od:

otporničkog elementa (7), koji definiše površinu detekcije (13) i kapacitivno je povezan sa najmanje jednim dvodimenzionalnim ravnim nizom (9), diskretnih elektroda (10), koje su električno izolovane jedna od druge, gde je svaka elektroda (10) u nizu (9) kapacitivno povezana sa susednim elektrodama (10) u nizu (9), kako bi formirala kapacitivno povezanu mrežu elektroda (10),

onih izabranih (20) elektroda (10) u nizu (9), od kojih je svaka povezana sa izlaznim nizom, za vezu sa odgovarajućim uređajem za merenje naelektrisanja (28A-D);

otporničkog elementa (7), koji ima otpornost dovoljnu za privremeno lokalizovanje naelektrisanja snimljenog na otporničkom elementu (7), na površini koja odgovara podskupu navedenih elektroda (10) u nizu (9), kako bi se formiralo kapacitivno indukovano naelektrisanje, u vremenu dovoljnom za merenje signala u nizu (9) elektroda (10), pomoću uređaja za merenje naelektrisanja (28A- D),

gde kapacitivno povezivanje elektroda (10) u nizu (9), rezultuje u podeli kapacitivno indukovanih naelektrisanja duž elektroda (10), tako da se prostorna pozicija naelektrisanja, lokalizovanih na otporničkim elementima (7), može odrediti na osnovu relativnih izlaza uređaja za merenje naelektrisanja (28A-D).

2. Uređaj za detekciju naelektrisanja (1) prema zahtevu 1, dalje uključuje više uređaja za merenje naelektrisanja (28A-D), povezanih sa mrežom, pri čemu se svaki uređaj za merenje naelektrisanja (28A-D) povezuje sa različitim elektrodama (20) u nizu (9), kako bi na osnovu toga uzorkovao naelektrisanje.

3. Uređaj za detekciju naelektrisanja (1), prema zahtevu 1, za upotrebu kao detektor čestica ili fotona, dalje sadrži:

uređaj za množenje (5), za interakciju sa česticama ili fotonima (3) i na osnovu toga generisanje oblaka naelektrisanja (6); uređaj za množenje (5) je pozicioniran susedno otporničkom elementu (7), tako da otpornički element (7) međusobno reaguje sa obakom naelektrisanja (6), kako bi se na osnovu toga snimilo naelektrisanje.

4. Uređaj za detekciju naelektrisanja (1) prema zahtevu 1, u kom niz (9) od električno izolovanih elektroda (10) sadrži niz (9), električno izolovanih elemenata (20-22, 25), gde je svaki element (21) unutar tela niza (9) kapacitivno povezan sa najbližim susednim elementima sa prvom kapacitivnom vrednošću (23),

gde je svaki element (20), na periferiji niza (9), kapacitivno povezan sa susednim elementima na periferiji niza (9), sa drugom kapacitivnom vrednošću (26), pri čemu je druga kapacitivna vrednost (26) veća od prve kapacitivne vrednosti (23).

5. Uređaj za detekciju naelektrisanja (1) prema zahtevu 4, u kom je svaki element (21) u telu niza (9) kapacitivno povezan sa sledećim najbližim elementima u nizu (9), sa trećom kapacitivnom vrednošću (24), koja je značajno niža u odnosu na prvu kapacitivnu vrednost (23).

6. Uređaj za detekciju naelektrisanja (1) prema zahtevu 4, u kom je druga kapacitivna vrednost (26) između 10 i 100 puta veća nego prva kapacitivna vrednost (23).

7. Uređaj za detekciju naelektrisanja (1) prema bilo kom od zahteva 4 do 6, koji dalje obuhvata više uređaja za merenje naelektrisanja (28A-28D) na periferiji niza (9).

8. Uređaj za detekciju naelektrisanja (1) prema zahtevu 7, u kom su određeni elementi (20), ugaoni elementi.

9. Uređaj za detekciju naelektrisanja (1) prema zahtevu 1, u kom niz (50) električno izolovanih elektroda (10) sadrži prvi niz električno provodnih elemenata,

gde je svaki element unutar tela prvog niza kapacitivno povezan sa prvim, određenim, najbližim, susednim elementima sa prvom kapacitivnom vrednošću, i gde svaki element u telu prvog niza ima minimalno ili nikakvo kapacitivno povezivanje sa drugim, određenim, najbližim elementima u nizu,

gde su određeni elementi na periferiji prvog niza direktno električno povezani sa susednim elementima na periferiji prvog niza.

10. Uređaj za detekciju naelektrisanja (1) prema zahtevu 9, dalje sadrži drugi niz provodnih elemenata, komplementaran sa, i koji se preklapa sa prvim nizom, pri čemu je prvi niz prilagođen za određivanje prostorne pozicije naelektrisanja na otporničkom elementu u jednoj dimenziji (x), i drugi niz prilagođen za određivanje prostorne pozicije naelektrisanja na otporničkom elementu u drugoj dimenziji (y), koja se razlikuje od prve dimenzije.

11. Uređaj za detekciju naelektrisanja (1) prema zahtevu 9, dalje sadrži više uređaja za merenje naelektrisanja (58A-D), od kojih je svaki povezan sa grupom (51, 52), spomenutih, određenih elemenata na periferiji prvih ili drugih nizova.

12. Uređaj za detekciju naelektrisanja prema zahtevu 3, u kom uređaj za množenje (5) sadrži uređaj za množenje elektrona, mikrokanalnu ploču, foto-umnoživač ili gasni proporcionalni brojač.

13. Uređaj za detekciju naelektrisanja (1) prema zahtevu 1, u kom otpornički element (7) ima površinsku otpornost prilagođenu da se omogući lokalizacija naelektrisanja u periodu, u opsegu od 1 do 10000 ns.

14. Uređaj za detekciju naelektrisanja (1) prema zahtevu 2, koji dalje uključuje uređaj za obradu, povezan sa svakim od uređaja za merenje naelektrisanja (28A-D), kako bi se odredila prostorna pozicija lokalizovanog naelektrisanja.

15. Metod prostornog određenja pozicije naelektrisanja na otporničkom elementu (7), uređaja za detekciju naelektrisanja (1), koji obuhvata sledeće korake:

snimanje naelektrisanja na površini za detekciju (13) definisano otporničkim elementom (7), koji je kapacitivno povezan sa najmanje jednim dvodimenzionalnim ravnim nizom (9), diskretnih elektroda (10), koje su električno izolovane jedna od druge, gde je svaka elektroda (10) u nizu (9) kapacitivno povezana sa susednim elektrodama (10) u nizu (9), kako bi se formirala kapacitivno povezana mreža elektroda (10),

privremeno lokalizovanje naelektrisanja na otporničkom elementu (7), na oblasti koja odgovara podskupu elektroda (10) u nizu (9), pri čemu se koristi otpornost otporničkog elementa (7), kako bi se formirao kapacitivno indukovano naelektrisanje na podskupu elektroda (10);

deljenje kapacitivno indukovanog naelektrisanja duž elektroda (10) niza (9), korišćenjem kapacitivnog povezivanja elektroda (10);

merenje kapacitivno indukovanog naelektrisanja uzorkovanjem niza (9) i korišćenjem uređaja za merenje odgovarajućeg naelektrisanja (28A-D), povezanog sa onim elektrodama (20), koje su selektovane od elektroda (10) niza (9); i

određivanje prostorne pozicije naelektrisanja lokalizovanog na otporničkom elementu (7), na osnovu relativnih izlaza pomenutih uređaja za merenje (28A-D).