Chipentwicklung fu127 ur Pixel - Prof. Dr. Norbert Wermes ...

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30 3. Zählende und integrierende Detektorelektronik für biomedizinische Bildgebung MPEC-Chip [6] implementiert wurde, lässt sich keine Aussage über das Energiespektrum der Photonen treffen. Der ATLAS-Pixeldetektor implementiert eine Energiemessung von Einzelereignissen. Die Energieinformation wird in der Pulsbreite eines digitalen Signales kodiert und ist gleichbedeutend mit der Zeit, die das Spannungssignal des Vorverstärkerausgangs oberhalb der Komparatorschwelle liegt (time over threshold-Messung). Da in einem typischen Messintervall nur ein Ereignis erwartet wird, handelt es sich bei dem ATLAS-Pixeldetektor eher um ein integrierendes als zählendes Detektorsystem. 3.1.2 Integration des Signalstromes Durch die Integration des Signalstroms wird die Gesamtenergie aller Photonen innerhalb eines Messintervalls bestimmt. Niedrige Signalströme lassen sich aufgrund verschiedener Rauschbeiträge nur fehlerbehaftet messen. Die Messung hoher Signalströme, jenseits des Arbeitsbereiches der Einzelpulszählung, stellt jedoch kein Problem dar. 3.1.3 Nutzung beider Methoden Um sowohl die Vorteile der Einzelpulszählung als auch die der Integration des Signalstromes zu nutzen, wurde der CIX-Chip (counting and integrating x-ray) entwickelt, der beide Konzepte vereint [12]. Der dynamische Bereich soll so das Zählen einzelner Photonen und die Messung gro er Signalströme umfassen. Im Überlappungsbereich beider Methoden lässt sich die mittlere Energie pro Photon berechnen und eine spektrale Information erhalten. In der Medizin liefern integrierende Systeme, wie ein klassischer Röntgen lm, und zählende, auf Halbleiterdetektoren basierendeS Systeme verschiedenen Bildkontrast. Ursache hierfür ist die Variation der spektralen Absorption der Röntgenstrahlen bei unterschiedlichen Materialien wie Gewebe oder Knochen. Die Verwendung des CIX-Konzeptes für biomedizinische Bildgebung kann also diagnostische Vorteile bieten. Im Folgenden wird das Funktionsprinzip des CIX-Chips mit Schwerpunkt auf die Anforderungen an die Zählerstruktur näher erläutert. 3.2 Funktionsprinzip des CIX-Chips Ein neuer Prototypchip (CIX 0.2) wurde entwickelt. Dieser verfügt über 64 einzelne Pixel, die in einer 8×8-Matrix angeordnet sind. Jeder dieser Pixel enthält analoge Schaltungen, die eine Einzelpulszählung und gleichzeitige Integration des Eingangssignals ermöglichen. Das Eingangsignal kann von Schaltkreisen zur Ladungsinjektion simuliert werden oder von einem angeschlossenen Sensor stammen. Ein ladungsemp ndlicher Vorverstärker erzeugt ein zur Ladung proportionales Spannungssignal
3.2. Funktionsprinzip des CIX-Chips 31 Ladungspumpe Cintegrator Verstärker VSchwelle2 - Rückkopplung Vorverstärker - Signalduplikation - Leckstromkompensation CRückkopplung Vorverstärker Signalquelle VSchwelle1 Komparator + - Komparator + - - Kontrolllogik - Ladungszähler - Zeitzähler + Latches Einzelpulszähler Integrator Rückkopplung Einzelpulszählung Abbildung 3.1: CIX: Einzelpulszählung und Integration des Signalstromes welches von einem Komparator mit einer einstellbaren Schwelle verglichen wird. Bei Überschreiten der Schwelle wird der sogenannte Einzelpulszähler inkrementiert. Die Rückkopplungschaltkreise des ladungsemp ndlichen Vorverstärkers erfüllen zweierlei Aufgaben. Neben der Kompensation von auftretenden Detektorleckströmen wird das Eingangssignal zum Zweck der Integration dupliziert (siehe Abbildung 3.1). Der Integrator ist ein ladungsempfindlicher Verstärker mit einer Rückkopplungskapazität von 30fF, diese ist sechsfach grö er als die Rückkopplungskapazität des Vorverstärkers. Falls das Ausgangsspannungssignal des Integrators eine bestimmte Schwelle überschreitet, löst eine Kontrolllogik synchron zu einem externen Takt eine Ladungspumpe aus. Diese zieht eine einstellbare Ladungsmenge von der Rückkopplungskapazität ab.
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