DISPOSITIVO DE IMAGENES DE RECUENTO DE FOTONES.

Dispositivo de imágenes de recuento de fotones (26) para un recuento único de rayos x 5 que comprende:

a) una capa de material fotosensible (4); b) una fuente de potencial de polarización (12); c) una fuente para el suministro de la tensión de umbral (U); td) un array NxM de diodos fotodetectores (30) dispuestos en dicha capa de material 10 fotosensible (4); cada uno de dichos diodos fotodetectores (30) tienen un interfaz de potencial de polarización y un interfaz de salida de diodo (20), dicho interfaz de potencial de polarización de cada diodo fotodetector (30) se conecta a dicho potencial de polarizador (12); e) un array NxM de células de unidad de lectura de bajo ruido con ganancia elevada (36), una célula de unidad de lectura (36) para cada diodo fotodetector (30); que se controla por 15 un medio de procesamiento de datos, cada célula de unidad lectura (36) que incluye un interfaz de entrada (22) conectado con el interfaz de salida del diodo (20), un medio de amplificación de la tensión de ganancia elevada (46) que abarca una unidad de comparador (CA), una unidad digital de recuento (48), que comprende un contador digital (RSC), y un interfaz de salida del contador digital (RB) conectados en serie, cada unidad digital de recuento (48) cuenta con una 20 señal de salida (OS) de la unidad de comparador (CA); dicha señal de salida (OS) es proporcional a un número de pares de electrón hueco (10) generados por un fotón (6) en el diodo fotodetector respectivo (2); f) El array de diodos fotodetectores (30) se diseña como un detector de microcinta (26) que tiene N = 1 columna y M > 1, preferiblemente 10 < M < 105 filas. 25 5

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E08172698.

Solicitante: PAUL SCHERRER INSTITUT.

Nacionalidad solicitante: Suiza.

Dirección: C/O SIEMENS AG PATENTABTEILUNG POSTFACH 22 16 34 80506 MUNCHEN SUIZA.

Inventor/es: SCHMITT, BERND, BROENNIMANN,CHRISTIAN.

Fecha de Publicación: .

Fecha Solicitud PCT: 11 de Agosto de 2003.

Fecha Concesión Europea: 14 de Julio de 2010.

Clasificación PCT:

  • G01T1/00 SECCION G — FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01T MEDIDA DE RADIACIONES NUCLEARES O DE RAYOS X (análisis de materiales por radiaciones, espectrometría de masas G01N 23/00; tubos para determinar la presencia, intensidad, densidad o energía de una radiación o de partículas H01J 47/00). › Medida de los rayos X, rayos gamma, radiaciones corpusculares o de las radiaciones cósmicas (G01T 3/00, G01T 5/00 tienen prioridad).
  • H01L27/146 SECCION H — ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctrica en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 27/00 Dispositivos que consisten en una pluralidad de componentes semiconductores o de otros componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común (detalles H01L 23/00, H01L 29/00 - H01L 51/00; conjuntos que consisten en una pluralidad de dispositivos de estado sólido individuales H01L 25/00). › Estructuras de captadores de imágenes.
  • H01L31/115 H01L […] › H01L 31/00 Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación infrarroja, a la luz, a la radiación electromagnética de ondas más cortas, o a la radiación corpuscular, y adaptados bien para la conversión de la energía de tales radiaciones en energía eléctrica, o bien para el control de la energía eléctrica por dicha radiación; Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o el tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas; Sus detalles (H01L 51/42 tiene prioridad; dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común, diferentes a las combinaciones de componentes sensibles a la radiación con una o varias fuentes de luz eléctrica H01L 27/00). › Dispositivos sensibles a la radiación de ondas muy cortas, p. ej. rayos X, rayos gamma o radiación corpuscular.

Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre.

DISPOSITIVO DE IMAGENES DE RECUENTO DE FOTONES.

Fragmento de la descripción:

La invención relata un dispositivo de imágenes de recuento de fotones para el recuento único de rayos X. Además, la invención se refiere a un dispositivo de imágenes de recuento de fotones con una región rápida de evaluación de los datos de interés

10

Las figuras de difracción por rayos X son útiles en el análisis de estructuras moleculares, tales como las moléculas de proteína y de virus, y requieren un dispositivo de imágenes de recuento de fotones. Sobre todo, la cristalografía de la proteína y del virus impone exigencias rigurosas a los detectores de rayo X, en particular donde la fuente de rayo X es una radiación sincrotrónica de flujo elevado que permite que un experimento se haga rápidamente. Además, un campo 15 importante y de desarrollo son los experimentos de difracción de resolución temporal que usan la radiación sincotrónica, como la cristalografía y/o el análisis de difracción del polvo. La supervisión de una reacción dependiente del tiempo en una muestra, es decir un cristal o un polvo, puede aclarar los cambios dependientes del tiempo de cristal/moleculares que ocurren también en una reacción química. La velocidad de resolución en un tiempo alto es a menudo 20 crítica en tal supervisión.

En la literatura, un detector cristalográfico de velocidad alta se menciona por la patente americana 5,629, 524 y un sensor de imagen de estado sólido con un array de plano focal digital de recuento de fotones de píxel se divulga por la patente americana 5, 665, 959. La última 25 patente describe e ilustra un array de plano focal que comprende un array NxN de diodos fotodetectores conectados a los medios de recuento de fotones digital para la detección de luz de imagen de nivel muy bajo y a los medios de lectura digital del píxel de imagen para cada pixel que comprende el amplificador de memoria intermedia separado CMOS que tienen las siguientes características: baja potencia (<1 por promedio del píxel) 30 Wµ

conversión de la carga de fotoelectrones alta a la tensión de beneficio (1 mV / e), bajo ruido (< 1 e ), paso microcelular (<30 ), fácil escalabilidad (hasta10 ), capacidad propia de polarización , uniformidad suficiente de ganancia (~10 %) para la discriminación de casos 5 múltiple, y programabilidad de la corriente de polarización. Cualquier incidente del foton durante el período de muestreo genera un fotoelectrón en la salida del detector de diodo conectado a la entrada del amplificador. Ese fotoelectrón cambia el potencial de la capacidad de entrada del amplificador de memoria intermedia. Este cambio del potencial hace al amplificador de memoria intermedia de ganancia elevada presentar un cambio de potencia suficientemente 10 grande en la salida del amplificador para estar sobre el nivel de ruido del sistema. ≈mµmµ

La desventaja de este descubrimiento radica substancialmente en el diseño de este dispositivo de recuento de fotones que se dedica a detectar con brillante sensibilidad un único fotón que tiene su energía en la gama de la luz visible (varios eV). Este dispositivo se puede utilizar por lo tanto 15 para prismáticos infrarrojos o para telescopios y espectrómetros espaciales. La circuitería electrónica es por lo tanto tan sensible que un incidente de un fotón se amplifica para saturar la memoria intermedia del amplificador. Un incidente adicional de un fotón, que ocurre en el mismo diodo fotodetector, dentro del mismo período de muestreo que el primer incidente de fotón no se puede detectar por lo tanto a no ser que se reinicie la memoria intermedia. Este 20 dispositivo detector de fotones es por lo tanto totalmente inútil para los propósitos antedichos de detección de fotón de rayos x. El documento US 5, 574, 284 revela un dispositivo detector de rayos X.

Sin embargo, el diseño general del chip semiconductor es preferentemente un 25

híbrido que usa un material semiconductor separado por dos chips seleccionados para ser óptimos para el tipo fotovoltaico del detector de diodos en un chip y el amplificador de memoria intermedia y el circuito de la multiplexación en el otro chip, bump bonded al primero para hacer conexiones entre el interfaz de salida del detector de diodos sobre un chip y el interfaz de entrada del amplificador de memoria intermedia sobre el otro chip, con el amplificador de 30 memoria intermedia de diodos fotodetectores en un chip semiconductor y el

medio de multiplexación y de recuento digital sobre el segundo chip semiconductor bump bonded al primero. Como se revela en la patente americana 5,629, 524 un material conveniente para la conexión eléctrica bump es el Indio. Pero incluso este dispositivo para la detección del 5 fotón de rayos x no se puede utilizar en la alta investigación dinámica puesto que el trazado del circuito electrónico es limitado debido al tiempo muerto de la conmutación que se requiere para integrar la carga de los electrones de foto posteriormente a una cadena de condensadores (referente a un registro de desplazamiento de M-bit) que tienen que leerse luego en serie debido a su dispositivo de tipo en cadena. Se podría entender fácilmente que el funcionamiento de este 10 circuito está limitado a sus intervalos de conmutación para la carga y el escaneado de los condensadores.

Otro documento del estado anterior de la técnica que merece ser mencionado es la patente americana No. 5, 812, 191 que divulga un dispositivo de imágenes semiconductor de gran 15 energía de radiación del que tiene una array de células de pixel incluyendo un sustrato del detector semiconductor y un sustrato de lectura semiconductor. El sustrato del detector semiconductor incluye un array de células de detector de pixel, cada una de las cuales directamente genera la carga en respuesta al incidente de radiación de energía alta. El sustrato semiconductor de lectura incluye una array de circuitos individuales direccionables del pixel, 20 que está conectado a la célula correspondiente del detector del píxel para formar una célula del píxel. Cada circuito del pixel incluye la circuitería de acumulación de carga para acumular la carga que resulta directamente del incidente de radiación de alta energía en una célula correspondiente del detector de pixel, el circuito de la lectura para leer la carga acumulada, y el circuito de reiniciación para la reinicialización de la circuitería de acumulación de carga. 25 Desafortunadamente, la carga acumulada se memoriza como dato analógico usando una circuitería que tiene dos transistores, un transistor que actúa como memoria de carga mientras que la otra actúa como un interruptor de lectura receptivo a una señal de activar. Este diseño restringe la circuitería para permitir el direccionamiento individual de cada pixel pero solo descarga la carga analógica acumulada a una línea de salida cuando se activa 30

por su respectiva señal de activar. Esta circuitería no permite otra manipulación de las células de detector del pixel.

5

Otro dispositivo de imágenes para radiación de imágenes según la aplicación de la patente internacional WO 98 /16853 incluye un array de células de imágenes. El array de células de imágenes incluye un array de células detectoras que generan una carga en respuesta a la radiación instantánea y un array de circuito de células de imágenes. Cada circuito de células de imagenes se asocia con su respectiva célula detectora. El circuito de célula de imagenes incluye 10 una circuitería de recuento para contar las diversas emisiones de radiación que inciden en la celula detectora o se asocien con ella. Preferentemente, el circuito de células de imágenes incluye una circuitería de umbral conectada para recibir las señales generadas en la célula detectora asociada y que tiene valores que dependen de la energía de radiación incidente. El circuito de recuento entonces se conecta a la circuitería de umbral para contar solo las emisiones 15 de radiación dentro de una gama o gamas predeterminadas de energía. La circuitería de lectura electrónica se diseña para abarcar un registro de desplazamiento cargable que memoriza los datos en serie en una fila lo que significa que los datos de entrada son los datos del pixel anterior y a la salida entrega los datos reales al siguiente pixel. La desventaja principal de esta disposición consiste en la susceptibilidad al fracaso de una fila completa del array detector si 20 sólo falla...

 


Reivindicaciones:

Reivindicaciones

1. Dispositivo de imágenes de recuento de fotones (26) para un recuento único de rayos x 5 que comprende:

a) una capa de material fotosensible (4);

b) una fuente de potencial de polarización (12);

c) una fuente para el suministro de la tensión de umbral (U); t

d) un array NxM de diodos fotodetectores (30) dispuestos en dicha capa de material 10 fotosensible (4); cada uno de dichos diodos fotodetectores (30) tienen un interfaz de potencial de polarización y un interfaz de salida de diodo (20), dicho interfaz de potencial de polarización de cada diodo fotodetector (30) se conecta a dicho potencial de polarizador (12);

e) un array NxM de células de unidad de lectura de bajo ruido con ganancia elevada (36), una célula de unidad de lectura (36) para cada diodo fotodetector (30); que se controla por 15 un medio de procesamiento de datos, cada célula de unidad lectura (36) que incluye un interfaz de entrada (22) conectado con el interfaz de salida del diodo (20), un medio de amplificación de la tensión de ganancia elevada (46) que abarca una unidad de comparador (CA), una unidad digital de recuento (48), que comprende un contador digital (RSC), y un interfaz de salida del contador digital (RB) conectados en serie, cada unidad digital de recuento (48) cuenta con una 20 señal de salida (OS) de la unidad de comparador (CA); dicha señal de salida (OS) es proporcional a un número de pares de electrón hueco (10) generados por un fotón (6) en el diodo fotodetector respectivo (2);

f) El array de diodos fotodetectores (30) se diseña como un detector de microcinta (26) que tiene N = 1 columna y M > 1, preferiblemente 10 < M < 105 filas. 25 5

2. Dispositivo de imágenes de recuento de fotones (26) según la reivindicación 1, caracterizada en que,

dichas filas tienen una anchura de alrededor de 5 - 50 µm, preferentemente de más o menos 10 a 20 µm, una longitud de aproximadamente 0,5 a 50 mm, de alrededor de 5 a 10 mm, y un paso 30 de 10 a 100 µm, preferentemente de 25 a 75 µm.

3. Dispositivo de imágenes de recuento de fotones (26) según la reivindicación 1 o 2, caracterizada en que,

dicha fuente de suministro de tensión de umbral (U) a dicho medio de amplificación de la 5 tensión de ganancia elevada (46), comprende una fuente regulable de suministro de corrección de la tensión de umbral (TC), ambas están controladas por los medios de tratamiento de datos (DPM). T

4. Dispositivo de imágenes de recuento de fotones (26) según cualquiera de las 10 reivindicaciones precedentes 1 a 3, caracterizada en que,

los medios de tratamiento de datos (DPM) proporcionan los medios para aumentar la resolución de la posición de un fotón incidente (6); dichos medios para aumentar la resolución de la posición incluyen un medio comparador que compara las señales de dos diodos fotodetectores adyacentes (30). 15

5. Dispositivo de imágenes de recuento de fotones (26) según la reivindicación 4, caracterizada en que,

los medios de tratamiento de datos (DPM) permiten determinar una amplitud media (A) para la ganancia de los pares electrón hueco (10) generados por un fotón incidente (6) y de ajustar 20 una tensión de umbral (V) que corresponde a menos de la mitad de la amplitud media (A); dichos medios de tratamiento de datos (DPM) evalúan las señales de salida coincidentes (OS) en las células de la unidad de lectura adyacentes (36), con el fin de invalidar el recuento en las células de la unidad de lectura adyacentes (36) que han abastecido las señales de salida más pequeñas (OS). 25 maxThreshmax

6. Dispositivo de imágenes de recuento de fotones (26) según la reivindicación 4,

caracterizada en que

los medios de tratamiento de datos (DPM) permiten determinar una amplitud media (A) para la ganancia de los pares electrón-hueco (10) generados por un fotón de rayos X incidente, y de 30 ajustar una tensión de umbral (V) que corresponde a menos de la mitad de la amplitud media (A); los medios de tratamiento de datos (DPM) generan un diodo fotodetector intermedio virtual entre dos diodos fotodetectores adyacentes (30), y un fotónmaxThreshmax

incidente (6) se asigna a dicho diodo fotodetector intermedio virtual en caso de que las señales de salida (OS) en dos células de unidad de lectura (36) asignadas a los diodos fotodetectores adyacentes (30) excedan a dicha tensión de umbral (V). 5 Thresh

7. Dispositivo de imágenes de recuento de fotones (26) según alguna de las reivindicaciones anteriores 1 a 6,

caracterizada en que los medios de tratamiento de datos (DPM) controlan uno o varios de los siguientes temas: 10

a) programación de la célula de unidad de lectura (36) a través de un puerto (DIN);

b) lectura de los datos en la célula de unidad de lectura (36) a través de un puerto (DOUT);

c) calibración de la célula de unidad de lectura (36), preferentemente el medio de amplificación de la tensión de ganancia elevada (46), a través de un puerto (CAL); y

d) análisis de la señal analógica en el medio amplificador de la tensión de ganancia elevada (46) 15 con el fin de diagnosticar a través de un puerto (AOUT).

8. Un dispositivo de imágenes de recuento de fotones (14, 26, 50), para un recuento individual de rayos X, que consta de:

a) una capa de material fotosensible (4); 20

b) un array NxM de diodos fotodetectores (2, 30) dispuestos en dicha capa de dicho material fotosensible (4);

c) un array NxM de ganancia elevada, células de unidad de lectura de bajo ruido (18, 36), una célula de unidad de lectura (18, 36) para cada diodo fotodetector (2, 30); las células de unidad de lectura (18, 36) están controladas por los medios de tratamiento de datos (DPM); cada 25 célula de unidad de lectura (18, 36) consta de un medio interno de tratamiento de datos (ROI SEL) que permite asignar a cada señal de salida (OS) que representa un fotón incidente (6) o un número predeterminado de fotones incidentes (6) en el diodo fotodetector (2, 30) correspondiente a una región preseleccionable de interés (ROI) en el que cada célula de unidad de la lectura (18, 36) consta de un interfaz de entrada (22) conectado con dicho interfaz de 30 salida del diodo (20), un medio de amplificación (46) de la tensión de ganancia

elevada que constan de una unidad comparadora (CA, COMP), una unidad digital contadora (48), que consta de un contador digital (SRC), y un interfaz de salida del contador digital (RB) conectado en serie, cada unidad digital contadora (48) cuenta la señal de salida (OS) de la 5 unidad comparadora (CA; COMP);

d) dicha señal de salida (OS) se dirige adicionalmente a una región de la unidad de interés (ROI SEL); dicha región de la unidad de interés (ROI SEL) forma parte de la célula de unidad de la lectura (18, 36) o forma parte del medio de tratamiento de datos externo (DPM); y

e) dicha asignación de la señal de salida esta acompañada por un time stamp. 10

9. Dispositivo de imágenes de recuento de fotones (14, 26, 50) según la reivindicación 8, caracterizada en que,

se compone al menos de una región predeterminable de interés (ROI), por el cual un número preselecionable de diodos fotodetectores elegidos (2, 30) construye esta región de interés (ROI); 15

la señal de salida (OS) en cada célula de unidad de lectura correspondiente elegida(18, 36), esta procesada hacia una región de interés de una unidad (ROI SEL) que causa que el interfaz de salida (ROI (o, …, K)), correspondiente a la región de interés (ROI), afectada por un fotón incidente (6) establezca una región de interés de la señal afectada; dicha región de interés de la señal afectada se alinea por el time stamp originado por un medio de reloj exterior o interior. 20 out

10. Dispositivo de imágenes de recuento de fotones (14, 26, 50) según la reivindicación 9, caracterizada en que,

los medios de tratamiento de datos (DPM) proporcionan un medio para la memorización del time stamp o una información que comprende el time stamp y las regiones correspondientes de 25 interés (ROI) que han sido afectadas por un fotón incidente (6), causando en un principio la señal de salida (OS).

11. Dispositivo de imagen de recuento de fotones (14, 26, 50) según las reivindicaciones 9 o 10, caracterizado en que,

la región de la unidad de interés (ROI SEL) comprende un medio contador, por el cual un 5 umbral, para fijar una región de interés de la señal afectada, es determinable.

12. Dispositivo de imagen de recuento de fotones (14, 26, 50) según una de las reivindicaciones 9 a 10,

caracterizado en que, 10

los medios de reloj exteriores o interiores se pueden reiniciar y funcionan a una frecuencia en el ámbito de 10 a 500 MHz, preferiblemente de alrededor de 100 MHz.

13. Dispositivo de imagen de recuento de fotones según una de las reivindicaciones 8 a 12,

caracterizado en que, 15

esta previsto un número de al menos dos regiones de interés (ROI), cada una de al menos las dos regiones de interés (ROI) tiene una validez programable relacionada con el tiempo.


 

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