(57)【要約】  本発明は測定電子の光子誘発トリガーするための光電陰極を備えた光子検出器に関している。少なくとも一つの一次元電子検出器ピクセル配列が空間的位置情報をもたらす。電子光学部品ユニットは、測定電子を当該配列にガイドするために用いられる。各ピクセル（１９）は、ピクセル（１９）のアナログ測定信号をデジタル測定信号に変換するための、バックグラウンド抑制用ディスクリミネータを備えた電子コンバータユニット（２０）を有している。電子後処理ユニット（３９）はデジタル測定信号を処理するために用いられる。各ピクセル（１９）のコンバータユニット（２０）は、少なくとも一つのクロック発振器（３６）、並びにクロック発振器（３６）と信号接続している少なくとも一つのカウンタ（２９、３０）、及び、デジタルタイミング信号を発生するためのディスクリミネータ（２７）を有する。タイミング信号は、時間基準点と、ディスクリミネータ（２７）によって抑制されなかったアナログ測定信号の到着時間（ｔ測定）との間の、クロック周期の数から生じるようになっている。こうして、光子検出器において、測定信号から位置情報だけが得られるのではなく、加えて、与えられたピクセルにおいて測定信号がトリガーされたときの情報も得られるようになる。
2009541718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定電子を光子誘発トリガーするための光電陰極（９）を備え、
少なくとも一次元の、電子検出器ピクセル配列（１２）を備え、
測定電子を電子検出器ピクセル配列（１２）にガイドするための電子光学部品ユニット（１５）を備えた光子検出器（１）であって、
電子検出器ピクセル配列（１２）の各ピクセル（１９）は、
ピクセル（１９）のアナログ測定信号をデジタル測定信号に変換するための電子コンバータユニット（２０）であって、ディスクリミネータ（２７）を備えている、コンバータユニット（２０）と、
デジタル測定信号の後処理用の電子後処理ユニット（３９）とを有する、光子検出器において、
各ピクセル（１９）のコンバータユニット（２０）は、
少なくとも一つのクロック発振器（３６）との信号接続と、
デジタルタイミング信号を発生するために、クロック発振器（３６）及びディスクリミネータ（２７）と信号接続している少なくとも一つのカウンタ（２９、３０）とを有し、
上記デジタルタイミング信号は、カウンタ（２９、３０）において、時間基準点（ｔ開始）と、ディスクリミネータ（２７）によって阻止されなかったアナログ測定信号の到着時間（ｔ測定）との間の、クロック周期の数から得られることを特徴とする、光子検出器。
【請求項２】
クロック周期が、阻止されなかったアナログ測定信号の発生時点からカウントされ始めるように、少なくとも一つのカウンタ（２９、３０）が制御ユニット（３３、３９）と接続されることを特徴とする、請求項１に記載の光子検出器。
【請求項３】
クロック周期が、阻止されなかったアナログ測定信号の発生時点までカウントされるように、少なくとも一つのカウンタ（２９、３０）が制御ユニット（３３、３９）と接続されることを特徴とする、請求項１に記載の光子検出器。
【請求項４】
時間基準点（ｔ開始）が固定した時間間隔で設定されるように、制御ユニット（３３、３９）が少なくとも一つのカウンタ（２９、３０）と協働することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光子検出器。
【請求項５】
厳密に一つのカウンタ（２９、３０）が、二つの時間基準点（ΔT測定段階）間の、特定の時間周期中カウントされ、一方で他のカウンタ（３０、２９）によって発生したタイミング信号が、読み出される、つまり後処理ユニット（３９）へ送られるように、二つのカウンタ（２９、３０）がディスクリミネータ（２７）と及びカウンタ切替制御ユニット（３３）と信号接続している、一ピクセル（１９）辺り少なくとも二つのカウンタ（２９、３０）によって特徴付けられる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光子検出器。
【請求項６】
二つのカウンタのうちの一つ目（２９、３０）によって記録され得るクロックパルスが、二つのカウンタのうちの二つ目によって記録され得る時間的に前後するクロックパルス間の時間間隔内に存在するように、少なくとも一つのクロック発振器（３６）と信号接続された、一ピクセル（１９）辺り少なくとも二つのカウンタ（２９、３０）によって特徴付けられる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光子検出器。
【請求項７】
少なくとも一つのシフトレジスタ（４３）であって、読み取られるべき各カウンタ（２９、３０）のカウンタ読み取りが、シフトレジスタに送られ且つ連続して押し出されるように、デジタルタイミング信号を後処理ユニット（３９）へ伝達するために、カウンタ（２９、３０）と協働する上記シフトレジスタによって特徴付けられる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光子検出器。
【請求項８】
カウンタ読み取りに関連付けられたピクセル（１９）においてトリガーされた測定信号が無いと判断され得る場合にカウンタ読み取りは無視されるように、後処理ユニット（３９）が実行されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光子検出器。
【請求項９】
読み出されたカウンタ読み取りと関連付けられた複数のピクセル（１９）が、これらカウンタ読み取りと関連付けられたピクセル（１９）において同時に存在する複数の信号がトリガーされたと判断され得る場合に、組み合わせられるように、後処理ユニット（３９）が実行されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光子検出器。
【請求項１０】
全てのコンバータユニット（２０）及び／又は全ての後処理ユニット（３９）が、一つの構成要素に統合されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光子検出器。
【請求項１１】
ピクセル（１９）が不連続の単位であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光子検出器。
【請求項１２】
ピクセル（１９）が、連続したセンサー層（１９ａ）のセグメントとして形成されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光子検出器。
【請求項１３】
測定電子のエネルギーを減少するための、光電陰極（９）と電子検出器ピクセル配列（１２）との間の減衰層（１８）によって特徴付けられる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光子検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の特徴構成部分の前に係る、光子検出器に関している。
【背景技術】
【０００２】
ピクセル配列を備えたこの種の光子検出器の実施形態は、非特許文献１から公知である。
【０００３】
この種の光子検出器は、衝突測定光子のための位置情報を得るために用いられ得る。約１０ｎｓの分解能で検出されるアナログ測定信号を解析することによって、時間的情報が集められ得る。電子検出器ピクセル配列によって得られた位置情報と時間的情報とを相互に関連させることが、仮にも非常に制限された程度にのみ可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】サイエリー  ジーワイエス（Thierry GYS）による講義原稿、「光子検出器−原理と技術（３／５）(Particle Detector-Principles and Techniques (3/5))」、講義（Lecture） 3b、シーイーアールエヌ  アカデミックトレーニングプログラム（CERN Academic Training Programme） 2004/2005
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って本発明の課題は、上記種の光子検出器を、位置情報に加え、測定信号が既定のピクセルでトリガー（開始）された時の情報も測定信号から引き出すことが可能となるように、改良することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、本発明に従って、請求項１の特徴づけ部分に具体化された特徴構成を有する光子検出器によって解決される。
【０００７】
本発明によると、高い時間分解能を有する測定処理が、クロック発振器と、位置情報に加えて完全な時間的情報も得ることができるような少なくともクロックサイクルの数を記録するカウンタとを用いることによって可能となるように、実現された。光子検出器は、そこから、測定信号が電子検出器ピクセル配列の所定の位置でトリガーされた時が推測され得るような測定データを供給する。このことは、第一に、アナログ測定信号がA/Dコンバータによって時間のかかる方法でデジタル化されるのではなく、記録されたクロックサイクルの数を表すデジタルタイミング信号に迅速に転換されるという事実を用いることによって、成される。クロック発振器は、例えば、５００MHｚのサイクル周波数をもたらしてもよい。ディスクリミネータは、バックグラウンド抑制をもたらすために特に用いられる。
【０００８】
請求項２及び３に係るカウンティング実施態様は、デジタルタイミング信号の発生にとって有利であることが証明された。
【０００９】
請求項４に係る時間基準点（Referenz-zeitpunkt）を事前に設定することは、僅かな作業量だけを要求する。事前設定時間基準点の繰り返し周波数は、例えば１０ｋHzであってもよい。
【００１０】
請求項５に係るカウンタ装置は、不動作時間（Totzeit）無く時間測定処理することを可能にする。このことは、完了位置と時間的情報が、より長い時間周期に渡っても得られ得ることを意味する。
【００１１】
請求項６に係るカウンタ装置は、たった一つのカウンタが用いられる場合のクロック発振器のサイクル周波数に基づいて成し遂げられ得るものよりも、より良い時間分解能を結果的にもたらす。二つのカウンタは、同一のクロック発振器によってもたらされてもよい。代替として、しかしながら、二つの同期したクロック発振器による供給も可能である。同一のクロック発振器によってもたらされる二つのカウンタが用いられる場合、二つのカウンタのうち一つのサイクル入力を、二つのカウンタのうちのもう一つのサイクル入力よりも遅らせることが可能である、それによって、第一カウンタによって記録されるサイクルパルスは、二つのカウンタのうちの第二カウンタによって検出される前後二つのサイクルパルスの中間の時間間隔となる。代替として、二つのカウンタのうち一つに送られるディスクリミネータ信号において、二つのカウンタのうちのもう一つに送られるディスクリミネータ信号のものに対して時間を遅らせることも可能であり、それによってここでも二つのカウンタのうちの、第一番目によって記録されるサイクルパルスは、二つのカウンタのうちの、第二番目によって記録される前後二つのサイクルパルスの中間の時間間隔となるという結果をもたらす。
【００１２】
請求項７に係る読出しユニットは速い。
【００１３】
請求項８及び９に係る後処理ユニットの改良は、後処理される必要のあるデータ量を減少する。
【００１４】
請求項１０に係る統合化は、簡潔な光子検出器を作り出す。
【００１５】
請求項１１に係る分離しているピクセル構造は、ピクセル漏話（クロストーク）の危険性を減少する。
【００１６】
請求項１２に係るピクセル構造は、簡潔に実行され得る。
【００１７】
請求項１３に係る減衰層は、望ましくない誤測定信号が、電子検出器ピクセル配列から後方散乱された測定電子によってトリガーされるのを回避する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】光子事象に関連した様々な時間間隔を表すための一つの時間スケールにおける、測定されるべき光子事象の概略図である。
【図２】光子検出器の一実施形態の図である。
【図３】測定処理中の、図２の光子検出器の図であって、図２と比較して多少の細部は省略している。
【図４】図２の光子検出器の、電子検出器ピクセル配列の一ピクセルの概略的に且つより詳細に表した図である。
【図５】電子検出器ピクセル配列の断面図であって、個々のピクセルは図４と比較してより概略的に図示している。
【図６】図５と類似の、電子検出器ピクセル配列の追加実施形態の断面図である。
【図７】ピクセルあたり二つのカウンタを用いることによって、光子検出器内でデジタルタイミング信号を生じ且つ伝達するための概略フロー図であって、その二つのカウンタ間において、同期化及び不動作時間の無い切替が、カウンタ切替制御ユニットによって生じる。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の代表的な実施形態を図面に基づいて以下に、より詳細に説明する。
【００２０】
図２中の参照番号１を全てにわたって記された光子検出器は、光子パルスの時間的遷移を測定信号として測定するために作動する。図示していない表面上に入射する４つの光子パルス２、３、４、５の、かかる光子パルスのかかる時間的遷移の一例を図１に示す。光子パルス２〜５は、光子パルス持続時間又は光子パルス幅として参照される、時間周期Δｔｂ中に当該表面上に衝突する少なくとも一つの光子６から成る。時間において前後する光子パルス２〜５は、パルス間に、光子パルス間隔として参照される間隔Δｔａを有している。多数の連続する光子パルスの平均光子パルス間隔は、繰り返し率として参照される、周波数に相当する。光子パルスの光子パルス持続時間中に、個々の光子６は一般的に、測定表面の様々な位置に衝突する。光子パルス２〜５内の各光子６は、光子パルス間隔と比較して、時間的に最も近い表面上に衝突する同光子パルス２〜５の光子６に対し、光子間隔として参照される短い時間間隔を有している。光子間隔は、ゼロと光子パルス持続時間との間である。一つ以上の光子パルス中、各場合においてたった一つの光子が表面上に衝突することが可能である。光子検出器１の時間分解能に応じて、上記は、光子間隔、光子パルス幅、又は光子パルス距離を分解してもよい。
【００２１】
図２中に図示された光子検出器１は、図２中に鎖線で記され且つ光子（Photonen）６を通す、入口窓８を備えたハウジング７を有している。ハウジング７は、入口窓８のすぐ後に置かれた光電陰極９を取り囲んでいる。光電陰極９の表面には測定光子が衝突可能であって、同時に測定表面も備えている。光電陰極９は単層で構成され、光子６が入射される場合には、そこから光電子（Photoelektronen）がたたき落とされ得るが、その路１０が例として図３中に示されている。遊離処理後、光電子は、入口窓８に面していない光電陰極９の側に位置する。光電陰極９は、アルカリ金属含有材料から構成されても良く、及び、入口窓８の背面上に蒸着されてもよい。導電性給電接続１１を介して、光電陰極９は図示されていない電力／電圧供給源に接続される。光電陰極９は、後に記載される電子検出器ピクセル配列１２に対して、且つ、電子検出器ピクセル配列１２に隣接する一つ以上の電極に対して、負の電位である。
【００２２】
更にハウジング７中に配置されるのは、少なくとも一つのコイル１３、ならびに電子光学部品ユニット１５のプレート又はワイヤ１４である。電子光学部品ユニット１５は、ハウジング７の外側に配置されたコイル１６を補足的に備える。電子光学部品ユニット１５の構成要素１３、１４、及び１６は、給電接続１７を介して図示していない電力／電源供給源に接続される。
【００２３】
光子検出器１が作動している時、電子光学部品ユニット１５のプレート又はワイヤ１４及び、光電陰極９は、光電子を加速する電場を発生する。光電子が検出器セットアップ上に衝突する場合、入射光子６のエネルギーよりも著しく大きなエネルギーを好ましくは有している。この衝突エネルギーは、例えば２０keVであってもよい。光電子は、光電陰極から電子検出器ピクセル配列１２の方へ、好ましい向きでこの電場中を移動する。電場の場進展及び場強度は、光電陰極９の及び導電性プレート又はワイヤの形状、寸法及び位置によって、ならびに、これら構成要素に加えられた電圧によって影響される。
【００２４】
電場分布は、光電陰極９の及び導電性プレート１４の形状、寸法及び位置を、ならびに、これらの電圧を、検出器の配列上における加速された光電子の衝突位置上への、光電子のトリガー処理位置の、良好な近似において一対一の対応関係にあるマッピングが得られるように選択することによって設計されてもよい。コイル１３、１６は、電流がそれらを通って流れる場合に、光電子の路に影響を与え且つそれによって電子光学的マッピングの改良に導く、磁場を発生する。これは、電子光学的マッピングを最適化するために使用することができる。
【００２５】
電子光学部品ユニット１５のマッピング特性は、公知の電子伝達プログラムの助けによって良好な近似に計算され得、且つユニットの設計において最適化され得る。光電子に対するマッピング規則B：（ｘ光電陰極，ｙ光電陰極）→（ｘ配列，ｙ配列）が公知であって、よく定義されており、且つ、位置（ｘ光電陰極，ｙ光電陰極）における小さい表面要素Δｘ光電陰極・Δｙ光電陰極と、位置ｘ配列，ｙ配列におけるΔｘ配列・Δｙ配列との間の良好な近似における一対一の対応関係にあると推定し得る。マッピングが一対一の対応関係にあれば、このことは光電子がトリガーされた表面要素Δｘ光電陰極・Δｙ光電陰極が、加速された電子が到着し且つ検出された各表面要素Δｘ配列・Δｙ配列由来の全ての衝突位置からの良好な近似値に決定され得ることを意味している。これは、例えば反転したマッピング規則の使用によって、又は、読出しユニット中の又は接続された評価ユニット中の検索表の使用によって、実施され得る。電子光学的マッピングは、Δｘ光電陰極・Δｙ光電陰極によって定義された陰極表面要素が、関連したセンサー表面要素Δｘ配列・Δｙ配列よりも大きくなるように、設計されてもよい。この場合、マッピングは縮小（減少）効果を有する。この状況は図３中に示されている。電子光学的マッピングは、しかしながら、Δｘ光電陰極・Δｙ光電陰極によって定義された陰極表面要素が、関連したセンサー表面要素Δｘ配列・Δｙ配列よりも小さくなるように、設計されてもよい。この場合、マッピングは拡大効果を有する。この拡大の場合、全陰極表面は、全センサー表面より小さく設計されてもよい。この場合、最大処理可能な光子流れは増加し得る。
【００２６】
電子検出器ピクセル配列１２と光電陰極９との間には、電子検出器ピクセル配列１２によって光電陰極９の方へ後方散乱された、光電陰極９の方向へ動く電子を吸収するために用いられる材料でできた減衰層１８が設置される。これは、後方散乱された電子のエネルギーは、加速された光電子のエネルギーよりも小さく、且つ、それらが減衰層を通り抜ける間のエネルギー損失は従って、加速された光電子のエネルギー損失よりも大きくなるという利点となる。当該層を適切に選択された材料及び厚みで作ることによって、これは望まない多重応答の割合を減少する。
【００２７】
光電子は、電場内での加速後又は加速中に、電子検出器ピクセル配列１２上に衝突する。電子検出器ピクセル配列１２は、少なくとも一つの検出器ピクセル１９の行から構成される、つまり、少なくともそれは一次元的に設計される。原則として、ピクセル配列１２は、行及び列に配列した、検出器ピクセル１９から構成された行列を有する。例えば、６５５３６、かかる検出器ピクセル１９は、２５６×２５６行列として配列されてもよい。例えば、３２×３２行列も可能である。
【００２８】
次の記載は、検出器ピクセル１９が行及び列に配列されていると考えている。各検出器ピクセル１９は、行ｉ及び列ｊの表示によって一義的に特定される。
【００２９】
図４は、検出器ピクセル１９及び追加の電子構成部品に割り当てられた電子コンバータユニット２０と共に、検出器ピクセル１９のうち一つのより詳細な設計を表している。図５及び６は、横並びに配列された検出器ピクセル１９の変形実施形態を表している。各検出器ピクセル１９は、検出器電極２１の下に、追加の検出器電極２３と信号回線２４とを介してコンバータユニット２０のパルス形成ユニット２５に接続された精密センサー層２２を有している。
【００３０】
全ての検出器ピクセル１９のためのコンバータユニット２０は、図示していない集積回路内の一つのチップ内で組み合わせられている。
【００３１】
ここで用いられている「検出器ピクセル」という用語は、空間分解能による測定が、電子検出器ピクセル配列１２によって実施されることを図で示すことを意図している。個々の検出器ピクセル１９は、図５の実施形態において示されたような不連続の単位として実行されても良いが、図６の実施形態において示されたような連続したセンサー層１９ａのセグメントであって、そこでは位置分解能が、与えられたセンサー層セグメントの、それに関連したコンバータユニット２０に対する空間近接度によって確保されてもよい。このようにして検出器ピクセルは、センサー層１９ａを介して互いに機械的に接続され得る。図５及び６中に示された、検出器ピクセル１９の二つの変形は、一つの電子検出器ピクセル配列１２を形成するために一つの共用チップ内で統合され得る。
【００３２】
パルス形成ユニット２５内において、前置増幅、積分、又は、検出器ピクセル１９上に測定電子が衝突することによって生じたアナログ測定信号の、他のアナログ処理が実施されてもよい。
【００３３】
検出器ピクセル１９のセンサー層１９ａは、半導体材料から構成される。光電陰極９からトリガーされた光電子が検出器ピクセル１９上の光電子路１０の末端に衝突する場合、検出器ピクセル１９のセンサー層内の振動処理によって、電子孔対を放出する。検出器電極２１、２３間の所定の場所にある電場の方向に従って、電子又は孔が、コンバータユニット２０に面している検出器電極２３の方へ浮動する。これは、信号回線２４内に、初期にパルス形成ユニット２５内で前処理されるアナログ測定信号としても以下に参照される、電流信号を生じる。
【００３４】
パルス形成ユニット２５は、追加の信号回線２６を介してディスクリミネータ２７と信号接続状態にある。後者には閾値が保存される。ディスクリミネータ２７の閾値は、個々に加速された、電子光学部品ユニット１５内で獲得できる最大エネルギーを有する光電子がコンバータユニット２０の入力内にトリガーするであろう最大の信号よりも、小さい値に設定される。勿論、減衰層１８による減衰も、この状況において考慮にされるだろう。ディスクリミネータ２７内では、処理されたアナログ測定信号は、パルス形成ユニット２５の後、閾値と比較することによってその強度について解析される。処理されたアナログ測定信号が閾値を越えている場合は、ディスクリミネータ２７は処理されたアナログ測定信号を通過させる。後者はカウンタ信号回線２８に（一定の経路で）送られる。この一定の経路で送られた信号も、カウンタトリガー又はトリガー信号として以下に参照されるであろう。アナログ測定信号を通過させる代わりに、ディスクリミネータ２７は、閾値が越えられた場合にキャリア信号を生じることが可能である。コンバータユニット２０において、ディスクリミネータ２７に加えて他のディスクリミネータが備えられてもよい。
【００３５】
カウンタ信号回線２８は、コンバータユニット２０の二つのカウンタ２９、３０に接続される。代替として、ディスクリミネータ２７を二つの別々のカウンタ信号回線２８を介して二つのカウンタ２９、３０に接続することも可能である。二つのカウンタ２９、３０は、詳細に示してはいない方法で使用可能な回線３１、３２を介してカウンタ切替制御ユニット３３に接続される。使用可能な回線３２上には、各場合において、使用可能な回線３１の反転信号が存在する。その結果、カウンタ２９、３０のうち厳密に一つは、いかなる場合であっても稼動中である。二つのカウンタ２９、３０は、カウントサイクルを有するクロック発振器３６に、詳細には示されていない方法で接続された信号回線３４、３５を介して備えられる。クロック発振器は、例えば５００MHｚの周波数を有するクロックパルスを供給する。制御回線３７、３８を介して、カウンタ２９、３０は、詳細には示されていない方法で、電子後処理ユニット３９と信号接続状態にある。カウンタ２９、３０は更に、読出し回線４０、４１を介して後処理ユニット３９と信号接続状態にある。検出器ピクセルのカウンタ２９、３０のうち一つは、各場合において、他の検出器ピクセルの他のカウンタを介して、後処理ユニット３９に接続されてもよい。このようにして互いに接続されたカウンタは、カウンタの読み取りを簡素化するシフトレジスタの回線に沿って設計されてもよい。
【００３６】
カウンタ信号回線２８上のディスクリミネータ２７によって通り抜けさせられたトリガー信号は、各稼動中のカウンタ２９、３０内におけるカウンタ測定をトリガーする。各稼動中のカウンタ２９、３０に対するトリガー信号は、カウント開始又はカウント停止信号のいずれかを表してもよい。
【００３７】
カウント開始信号の代わりに、稼動中のカウンタ２９又は３０が、後処理ユニット３９によって特定された次の時間基準点ｔ開始までの、トリガー信号の到着時のクロックパルスをカウントし始め、それによってアナログ測定信号をトリガーした光子の衝突時間ｔ光子が一義的に決定される。
【００３８】
カウント停止信号の代わりに、各稼動中のカウンタ２９又は３０が、後処理ユニット３９によって特定された前の時間基準点ｔ開始に開始した、カウント処理を終了する。これも、従って、アナログ測定信号をトリガーした光子の衝突時間ｔ光子の厳密な定義をもたらす。
【００３９】
次の、光子検出器１の記載は、カウント開始信号の変形に基づいている。
【００４０】
各稼動中のカウンタ２９、３０によって測定されたカウンタ読み取りは、つまり、時間基準点ｔ開始と、稼動中のカウンタ２９、３０における、ディスクリミネータ２７によって阻止されなかったアナログ測定信号の到着の時間ｔ測定との間の、クロックパルスの数は、デジタルタイミング信号を表し、それによって測定された光子６の衝突時間は一義的に決定される。ｔ光子に対してｔ測定は、ディスクリミネータ信号のカウンタまでのランタイム分だけ遅れる。時間ｔ光子及びｔ測定は、それらの間に、厳密には装置パラメータである、固定時間間隔を有している。時間における点としてのｔ光子及びｔ測定は、従って同様の情報内容を有している。
【００４１】
コンバータユニット２０内において、二つのカウンタ２９、３０の各々は、関連付けられた追加のカウンタも有してよい。上記は、同様の周波数のクロックパルスを、それが関連しているカウンタ２９、３０のクロックパルスとしてカウントするように設計される。この追加のカウンタは、クロックパルスが、固定された時間遅延で追加のカウンタに到着するように、又はそれ（カウンタ）によって、固定された時間遅延で記録されるように、クロック発振器３６に接続される。この遅延は、好ましくは合計して、二つの連続したクロックパルス間の間隔の半分となる。各稼動中のカウンタ２９又は３０のカウンタ読み取りと追加の関連したカウンタとの間の差を計算することによって、たった一つのカウンタ２９、３０が用いられた場合よりも良好なこの方法で、時間分解能が得られうる。複数の時間基準点が、固定した周波数において互いに連続して続き、且つ、ΔT測定段階の時間間隔を有する。光子検出器１の作動中に次の時間基準点に到達した場合、カウンタ切替制御ユニット３３は使用可能な信号を反転し、それによって以前は非稼動中であったカウンタ、例えばカウンタ３０は、いまや稼動中となる、一方で、以前は稼動中であったカウンタ、この例ではカウンタ２９がそのカウント処理を停止し、トリガーした光電子の到着に応じて開始してもよい。次にカウンタ２９は、読出し回路４０を介して後処理ユニット３９へ、そのカウンタ読み取りを報告する。後処理ユニット３９は、最初に、電子検出器ピクセル配列１２の全ての稼動中カウンタ２９のカウンタ読み取りを、ｉ×ｊ行列の形で記録する。各コンバータユニット２０の読出し回路４０を介した読出し後、読み出されたカウンタ２９は、制御回線３７によってゼロにリセットされる。この全てのことは、他のカウンタ３０が測定可能となる間に起きる。リセット後、非稼動中のカウンタ２９は次の時間基準点に到達するまで待機する。使用可能な信号は次に再度反転され、カウンタ２９はカウントを開始し、一方でカウンタ３０は上記工程に従って読み出される。これは不動作時間の無い測定処理を可能にする。
【００４２】
例えば、時間基準点は１０ｋHzの周波数に設定される。したがって光子検出器１の読出し周波数は、同様に１０ｋHzである。
【００４３】
後処理ユニット３９内において、カウンタ読み取りの評価が起きる。ゼロである全てのカウント値が検出器ピクセル１９に属し、そこではカウンタの測定時間中に光電子が記録されなかったのである。
【００４４】
上記した、ゼロのカウンタ読み取りを無視することに加えて、同一の値を有するカウンタ読み取り用データ、つまり、異なる検出器ピクセル１９で同時に測定信号がトリガーされたデータ、を組み合わせることによってもデータ換算が成し遂げられ得る。
【００４５】
全ての検出器ピクセル１９のコンバータユニット２０の読出し回線４０、４１を介して後処理ユニット３９まで送られる時間及び位置分解したデータは、時間において相前後している時間基準点間の多重測定段階の完了後、又は、各個々の測定段階の完了後、アルゴリズムを用いて後処理され得る。伝達ユニット４２によって、外側（外部）に接続された装置、ならびに、表示装置及び記憶装置への伝達も可能となる。
【００４６】
伝達ユニット４２に加え、後処理ユニット３９も読出しユニット４３を備える。読出しユニット４３は、各検出器ピクセルの測定期間が終わった後、検出器ピクセル１９のカウンタ読み取りを読み出すための、及び、処理し又は縮小（減少）するかもしれない機能を有している。それは、衝突された検出器ピクセル１９のアドレスのような情報を加えてもよい。データは読出しユニット４３から伝達ユニット４２まで一定の経路で送られる。読出しユニット４３の出力データは、デジタル形態で存在する。
【００４７】
読出しユニット４３は電気回路であって、その構成要素は、好ましくは集積回路として実施される。カウンタ読み取りを読み出すために実質的に用いられる読出しユニット４３の電子サブユニットは、好ましくは、検出器電子ユニットを収容するチップにおける集積回路として実施され、従ってケース内に置かれる。このことは検出器ピクセル１９の集密な配列、及び読み出しユニット４３と後処理ユニット３９の簡潔な構成要素を各々結果としてもたらす。例えば評価のために用いられる読出しユニット４３及び／又は後処理ユニット３９の構成要素は、ケースの外側に設置されてもよい。読出しユニット４３は多重電気回路から構成されてもよい。
【００４８】
カウンタ読み取りは、読出し段階中、逐次的に又はグループで読出しユニット４３に伝達される。読出しユニット４３は、例えばシフトレジスタの様式で作動する。処理において、読み取られるべき各カウンタ２９、３０のカウンタ読み取りは、一定の経路で読出しユニット４３に送られ、且つ列になってその中に押し出される。カウンタ２９、３０は、読み出し段階中シフトレジスタとして機能してもよい。
【００４９】
読出しユニット４３は、任意にカウンタ読み取り又はカウンタ読み取りとアドレスデータの部分集合に属する検出器ピクセル１９を識別するアドレス情報を備えた、又は、カウンタ読出し及びアドレスデータから計算された値を備えた、カウンタ読み取りを伝達ユニット４２へ伝達する。
【００５０】
読出しユニット４３において、検出器ピクセル１９内における電子の記録の全ての時間又は位置、且つそれらから、カウンタ読み取り由来の同じ光子の到着の時間又は位置を決定することが可能である。当該値を決定するための多くの使用可能な方法をここで説明する。行ｉ及び列ｊの、トリガー点から検出器ユニットのセンサー上の衝突点までの光電子の平均飛行時間Δｔij光電子は、電場及び磁場進展から計算可能である。飛行時間は、光電陰極上における光子の衝突時間の算出に用いられ得る。同様に、センサー上における電子の到着とこの衝突に関連したクロックパルスのカウントの処理開始時間との間の持続時間Δｔ変換が、計算又は測定によって決定され得る。陰極上における光子の衝突時間ｔ光子に対し、従って以下が良好な近似を与える。ｔij光子＝ｔ開始＋（ΔT測定段階−Nij・Δｔクロック）−Δｔ変換−Δｔij光電子ここで、全てのｉ及びｊに対してNij＞０である。ｔ開始は、各場合において前の時間基準点を表す。Δｔクロックは、二つのクロックパルス間の時間間隔を表す。Nijは、行ｉ及び列ｊの、検出器ピクセル１９のコンバータユニット２０の、各稼動中カウンタのカウンタ読み取りを表す。時間において上記で定義された点ｔ測定は、以下によって与えられ、ｔij測定＝ｔ開始＋（ΔT測定段階−Nij・Δｔクロック）全てのｉ及びｊに対して＞０である。
【００５１】
Nij＞０ならばΦij光電子＝１であり、且つ、Nij=0ならばΦij光電子＝０であると数量を定義することによって、検出器配列上における光電子衝突位置の空間的分布の一標本抽出を得る。各検出器ピクセルのセンサー表面が小さい場合、近似に於いて、位置（ｘij配列，ｙij配列）によって特徴付けられる、行ｉ及び列ｊの、検出器ピクセルのセンサー表面の幾何学的中央に光電子が衝突したと考えられ得る。光電子トリガー位置の分布の標本抽出、及びこのように結果として光電子に帰着する、良好な近似における、光子の衝突位置の標本抽出が、従って全ての検出器ピクセルのカウンタ読み取りから次のようにして得られる。Φ光子（ｘij光電陰極，ｙij光電陰極）：＝Φij光電子であって、その際（ｘij光電陰極，ｙij光電陰極）＝B−１（ｘij配列，ｙij配列）である。
【００５２】
（ｘij光電陰極，ｙij光電陰極）に対する（ｘij配列，ｙij配列）の関連付けは、例えば検索表又は、外部に接続された電子ユニット内の読出しユニット内の数学的アルゴリズムによって実行されてもよい。この関連付けは、全ての測定段階の完了後、事後に実行されてもよい。
【００５３】
トリガーされた光電子が行ｉ及び列ｊで検出器ピクセル内に記録された、上記で定義された、光子の衝突時間ｔij光子において、Φ光子（ｘij光電陰極，ｙij光電陰極，ｔij光子）：＝Φij光電子と定義するならば、光電子をトリガーした入射光子の空間的及び時間的分布の標本抽出を得る。光電子が記録された、第一（最初の）光子の衝突時間がｔmn光子で与えられ、ｔmn光子＜ｔij光子は、全てのｉ，ｊに、ｉ≠ｍ及びｊ≠ｎが当てはまらなければならない。読出しユニット又は外部ユニット内で実行される単純なアルゴリズムを用いることによって、陰極上に衝突する光子パルスの開始時間を算出すること及びそれを外部ユニットに表示するようにもたらすことがそれゆえに可能となる。
【００５４】
測定時間ΔT測定段階を等しい持続時間のNの時間間隔に分割するならば、時間Ti間隔＝ｔ開始＋ｉ・ΔT測定段階/N内の連続する（N+1）の点を得る、ここでｉは０からNまでの整数値をとる。読出しユニット又は外部評価ユニットにおいて、カウンタ読み取りがこの間隔Ikにおいて時間入力ｔij光子を有する、全配列の全ての検出器ピクセルの数Ak（振幅（Amplitude）のA）は、各間隔Ik＝［Tk間隔, Tk+1間隔］に対して決定され、その際kは０から（N-1）までの整数値をとり、このようにして得られた数列（Folge）A(tk):=Akここでtk＝（Tk間隔＋Tk+1間隔）/2は、測定期間中に光電陰極上に入射した光子パルスのパルス形態の経時的等距離読み取りを表している。
【００５５】
常に経時的に等距離ではない光子パルスのパルス形態の標本抽出は、全ての検出器ピクセルのカウンタ読み取りから個々に決定された時間の、時間ｔij光子のソート(Sortierung)を遡ることによって、又は測定期間中に光電子を記録した検出器ピクセルのカウンタ読み取りのソートを辿ることによって得られる。このソートは、各場合、所定の間隔Ik以内で記録された時間に対して、読出しユニット又は外部ユニットによって実行されてもよい。これらソート及び評価処理は、全カウンタ数のうちのある部分集合に制限して、例えば、検出器ピクセル配列のある領域に対するカウンタに制限して実行してもよく、且つ、読出しユニット又は外部ユニットによって実行してもよい。このようにして、光電陰極の異なる領域で電子をトリガーした光子パルスのパルス形態を標本抽出することができる。これらパルス形態標本抽出処理は、読出しユニット又は外部評価ユニット内においてアルゴリズムとして実行される。この種の標本抽出は、ゆくゆくはデジタル化される光電子増倍管のアナログ出力パルスと等価である。光電子増倍管が用いられる場合、原則としてFADC（ファストアナログデジタルコンバータ；ファストA/D-変換器）を用いることによって、このパルスのデジタル化された形が得られる。
【００５６】
その上、光子の衝突時間分布の特性時間点（charakteristische Zeitpunkte）が読出しユニット内で決定され得る。この一例は、最大光子流れ時間の決定、又は、第一光子の到着時間の決定である。これらの値は、数列A(tk)から容易に決定され得る。最大光子流れ時間付近の一（時間）間隔内の光子数も決定され得る。最大値付近の一間隔内の光子数はA(tm)として得られ、全てのｉ≠ｍにA(tm)≧A(ti)が当てはまらなければならない。光電子増倍管が用いられる場合、例えば、光電子増倍管の出力に接続されたパルス波高ADCを用いることによって、最大値における光子数と等価の値が得られる。
【００５７】
決定され得るもう一つの値は、光子パルスと共に表面に落ち且つ光電子をトリガーした光子の合計Eu→vである。
【数１】
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ここで、uは第一光子が表面に落ちた時間間隔の数である。vは光子パルスの終了時間が存在する（時間）間隔の数を表す。これら間隔は、上記したカウンタ読み取りのソートから容易に決定される。
【００５８】
この値Eu→vは、光子パルスによってトリガーされた同様のアナログ光電子増倍管において流れたであろう電荷と等価である。光電子増倍管が用いられる場合、例えば、光電子増倍管の出力に接続されたQDC（電荷（Q）デジタル変換器）を用いることによってこの値が得られる。
【００５９】
既に上記したように、二つの関連付けられた入射光子集団が表面に、光子パルスの持続時間よりも大きな時間差で衝突するか、又は、個々の光子パルスの空間的広がりと比較して大きな主衝突位置の開きをもって衝突するように、二つの光子パルスは互いに区別され得る。我々が発明した装置によって生じた情報は、密に間隔をもった光子パルスの空間的ならびに時間的分離の両方を可能にする。
【００６０】
読出しユニット内において又は外部ユニット内において、アルゴリズムは、予想した光子パルス幅内にある光電子を同時に記録した多数の検出器ピクセルを、互いに僅かな時間遅延をもって、検索し且つ識別してもよい。次に、このようにして識別された数の検出器ピクセル内に記録された光電子は、個々の光子パルスから由来すると仮定され得る。このパルスの光子の空間的及び時間的分布が次に、上記した処理に従って、計算及び解析をこのようにして識別した量の検出器ピクセルに制限することによって、決定され得る。例えば、このパルスにおける光子の総数、短時間間隔Ikの一つにおける光子の最大数、この光子パルスの第一光子の到着時間、又は、他の特性時間等の値が、識別された検出器ピクセルのカウンタ読み取りから上記処理と同様に決定され得る。
【００６１】
同様に、検出器ピクセルの配列内の特定できる領域において検出器ピクセルの量に対する検索が実施され得る、且つ、これらが、光子パルス幅に相当すべき特定の時間間隔内に光電子を記録した場合には、これらは識別され得る。次に、一領域の検出器ピクセル内に記録された光電子は、同様の光子パルスから由来するということが仮定され得る。上記した評価処理をこのように識別された一領域の検出器ピクセルのこれら量に制限することは、光電陰極上の相当する光子パルスの光子到着の空間的及び時間的分布に関する情報をもたらす。この可能性は、光子用広表面検出ユニットの製造において新しい機会をもたらす。光電子増倍管を用いることによって、シンチレーションカウンターによる粒子の検出中に、光波ガイドを介して輻射線検知媒体の特定の範囲に光学的に接続された、多数の光電子増倍管又は、セグメント化した陰極を備えた光電増倍管のいずれかを用いて位置情報が得られる。我々が発明したユニットによって、ある場合において、光波ガイドの使用無しで済ますことが可能となる。電子光学部品ユニット及び小さな精密検出器領域の適切な設計により、我々が発明した装置の位置分解能は、セグメント化した電子増倍管の使用に又は多数の電子増倍管と組み合わせた光波ガイドの使用に入手可能であるものの位置分解能よりも、著しく良好であり得る。
【００６２】
センサー内にエネルギーを投入する光電子は、密に隣接した検出器ピクセル内の或る環境下で、殆んど同時のディスクリミネータパルスのトリガーを生じる。例えば、ピクセル化した半導体検出器が用いられる場合に、電荷シェア効果によってこの効果が起こり得る。処理において、センサーの電場内を浮動するフリーの電荷キャリヤの分布は、ピクセル電極に到着した時に、隣接するピクセル電極にも到達してもよく、それによって二つの検出器ピクセルの殆んど同時の応答を結果的にもたらす。読出しユニットにおいてこれら事象が識別され得る、というのは、殆んど同時に応答する検出器ピクセルは、読み取られたカウンタ読み取りにおいて非常に僅かな違いを有しているという事実によって、これらが特徴付けられているからである。これら事象は、たった一つの入射光子に属しているような評価処理中に、読出しユニット又は外部に接続されたユニット内でみることができる。
【００６３】
読出しユニット又は、カウンタ読み取りに属する検出器ピクセルに係る、加えられたかもしれない位置情報を有するカウンタ読み取り内で生じたデータは、転送ユニットを介して、接続されたケーブルを有する集積回路を介して、又は光ファイバーを介して、又は直接、又は電気ケーブル又は光ファイバーを介して、表示装置又は更なるデータ処理用外部装置に転送することが可能である。
【００６４】
図７は、測定処理中に生じる工程の概略図である。４４はカウンタ２９の初期化工程を表す。作動可能工程４５の間、カウンタ２９はカウント可能であって、カウンタ２９は次の時間基準点のために「使用可能」に切り替えられる。４６は、トリガー信号によるカウンタ２９のトリガーを、つまり、トリガー工程を示している。４７及び４８は、カウンタ２９のカウント段階を表している。４９は、カウント処理の完了を表している。完了工程４９と同時に、作動可能工程４５が、カウンタ切替制御ユニット３３を介して同期された、カウンタ３０で生じる。５０、５１は、カウンタ２９から読出しユニット４３までの、カウンタ２９のカウンタ読み取りの転送工程を表す。５２は、例えばゼロである効果への、カウンタ読み取り用削除工程を表す。５２において、カウンタ読み取りが削除されないならば、カウンタ読み取りから位置ｉｊへの推論を可能にする、アドレス情報が加えられる。伝達工程５３中、削除されなかったカウンタ読み取りは、それらのアドレスと共に伝達ユニット４２へ伝達される。加えて、伝達ステップ５４において、削除されなかったカウンタ読み取り及び関連したアドレスは、外部ユニットに伝達されるか又は保存される。４４〜５０の工程が、二つの連続した時間基準点間の間隔だけ時間的にずれて、同様にカウンタ３０内で生じる。
【００６５】
光子検出器１の主な用途は、核、素粒子及び天文素粒子物理学における試験の実行であり、陽電子放射断層撮影装置、単光子放射型コンピュータ断層撮影カメラ、X線画像増倍管における使用、又は暗視装置としての使用である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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