144 Kanal Auswertebaustein für CZT-Sensoren mit Energie- und Zeitmessung

Die Bildgebung mit nuklearen Tracermaterialien erreicht in der Medizintechnik eine sehr hohe Auflösung, da mit empfindlichen Detektoren auch Einzel-Zerfallsereignisse in einem Körper erkannt und räumlich zugeordnet werden können. Der elektronische Schaltungsaufwand für die erforderlichen Multisensorsysteme ist jedoch enorm und kann nur durch höchste Integration analoger und digitaler Funktionen erreicht werden. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines 144-kanaligen Auswertebausteins für die Ladungsmessung mit Cadmium Zink Tellur (CZT) Sensoren, in denen einfallende Strahlungsquanten direkt Ladungen generieren. Die Ladungen werden in jedem Kanal integriert und über zwei Filterbänke mit unterschiedlichen Zeitkonstanten in Spannungssignale geformt. Aus den Signalverläufen wird zum einem auf den exakten Zeitpunkt eines Ereignisse zurückgerechnet und zum anderen die Energiemenge diskriminiert. Weiterhin kann zu Forschungszwecken die Pulsform eines jeden Kanals über einen Multiplexer einem schnellen Pipelineumsetzer zugeführt und digitalisiert werden. Die Zeitzuordnung eines Ereignisses in einem Kanal erfolgt mit einer Genauigkeit von bis zu 737ps. Die äquivalente Eingangsrauschladung beträgt rund 800 Elektronen. Der Baustein, der in einer 180nm CMOS Technologie auf 100 mm2 implementiert wurde, hat vielfältige Einstellmöglichkeiten für Verstärkungs- und Filterkennwerte, um die Evaluierung einer verschiedener Sensoren zu ermöglichen. Abstract Medical imaging applications demand a continuous improvement of spatial and energy resolutions. CZT detectors can operate at room temperature. Semiconductor manufacturing processes permit detectors with small pixel sizes and the high charge yield favours an improvement in energy resolution when compared with scintillating crystals. The presented readout ASIC is designed to interface a 144 pixel CZT detector with a pixel size of 800 by 800 μm. Each channel includes two 4th order semi-Gaussian shapers with a 4-steps selectable shaping time. Specific features for small pixel sizes were considered in the design of each of the 144 channels. A readout mode in which each channel can activate the energy acquisition of its eight surrounding channels is added. This feature is required to handle charge distribution across adjacent channels. Evaluation performance of the ASIC in terms of time resolution (737 ps rms) and noise equivalent charge (800 e- rms) is also shown. Preliminary ASIC results with a CZT detector are presented. An energy resolution of 4.5 % FWHM at 662 keV was obtained with a 137Cs point source. Interaction depth was not considered in the first measurement of energy resolution. A considerable improvement is expected if interaction depth is considered.