專利名稱：在敏感層上具有多個(gè)電極的輻射探測器的制作方法
在敏感層上具有多個(gè)電極的輻射探測器
本發(fā)明涉及輻射探測器，該輻射探測器包括用于將光子轉(zhuǎn)換成電信號
的敏感層，該敏感層的表面上具有多個(gè)電極。此外，本發(fā)明涉及x射線探
測器和包括這種輻射探測器的成像系統(tǒng)。
US 2006/0033029 Al公開了一種輻射探測器，其包括一疊敏感層(例 如CeZnTe (CZT)晶體)，這些敏感層的正面和背面上具有電極。在一個(gè)具 體的設(shè)計(jì)中，該電極采用平行條帶的形式，其中正面和背面上的條帶相互 垂直。輻射既可以與敏感層平行也可以與敏感層垂直地撞擊到所述探測器 上。
基于這一情形，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種替代性的探測器設(shè)計(jì)， 其中期望所述設(shè)計(jì)更易于制造并且特別適于在計(jì)數(shù)探測器中使用。
這一目的是通過根據(jù)權(quán)利要求1的輻射探測器、根據(jù)權(quán)利要求12的X 射線探測器以及根據(jù)權(quán)利要求13的成像系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)的。在從屬權(quán)利要求中 公開了優(yōu)選實(shí)施例。
根據(jù)本發(fā)明的輻射探測器可在任何領(lǐng)域的應(yīng)用中用于電磁輻射(特別 是X輻射或伽瑪輻射)的定量和/或定性探測。其包括下列部件
a) 輻射孔徑，要探測的輻射的光子可以通過該輻射孔徑進(jìn)入，其中所 述光子平均沿給定輻射方向傳播。該輻射孔徑可以是物理實(shí)體，如快門中 的開口，或者其可簡單地表示幾何區(qū)域。
b) 用于將光子轉(zhuǎn)換成電信號的敏感層，這些光子通過前述輻射孔徑而 來，其中所述敏感層具有正面和與其相對的背面，它們平行于前述輻射方 向。此外，所述正面和背面優(yōu)選為彼此平行。該敏感層通常是單件、單晶 或多晶結(jié)構(gòu)，其中該材料可以例如選自包括CZT、硒或PbO的組。由入射 光子產(chǎn)生的電信號通常是電荷，特別是電子空穴對。
c) 位于該敏感層的正面的獨(dú)立可尋址的電極的二維陣列，其中這些電極中的至少兩個(gè)具有不同的形狀。作為定義，"二維陣列"中的電極在兩個(gè) 垂直方向上一個(gè)位于另一個(gè)后面。因此該陣列包括至少四個(gè)布置在(任意) 四邊形的角處的電極。此外，術(shù)語"形狀"的定義應(yīng)包括形式和尺寸這兩 者；因此具有不同尺寸的兩個(gè)正方形電極也被認(rèn)為具有不同的形狀。通常， 這些電極具有規(guī)則形式，如矩形、多邊形或圓形，并且以規(guī)則模式(如矩 陣模式)布置。電極是"獨(dú)立可尋址的"的特征是指每個(gè)電極可以獨(dú)立于 其他電極地鉗至一電位并且可以從每個(gè)電極獨(dú)立地采樣電信號(例如，到 達(dá)該電極的電荷)。最后，應(yīng)當(dāng)注意的是，術(shù)語"正面"和"背面"是任意 與該敏感層的兩個(gè)相對面相關(guān)聯(lián)的，并且因此不存在一般性的限制來要求 該電極陣列位于正面上。
d)至少一個(gè)位于該敏感層的背面上的對電極。正如其命名所指示的， 該對電極通常連接到與敏感層正面上的電極相比的電功率源的相對端。在 許多應(yīng)用中，對電極用作收集例如由入射輻射產(chǎn)生的空穴的陰極，而該陣 列的電極用作收集相關(guān)聯(lián)的電子的陽極。對電極通?；旧细采w該敏感層 的整個(gè)背面，盡管在背面上存在對電極的一維或二維陣列也是可能的。
所述輻射探測器具有非常適用于光子計(jì)數(shù)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槊舾袑拥?全部體積被功能性地劃分成(至少)與正面上的電極陣列中的電極一樣多 的敏感子區(qū)域。因此，可以通過使這些電極的尺度相對很小而將這些電極 中每個(gè)所必須應(yīng)付的計(jì)數(shù)率限制為非常易管理的值。進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)在于可 以將該陣列的電極和對電極之間的距離保持很小，因?yàn)楣庾哟怪庇谒鼍?離傳播并且通過使該距離變得非常小因而可以不損失光子。電極之間的小 距離的可能性具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即可以實(shí)現(xiàn)在很小的光子損失和較少的偽 影下的快速響應(yīng)，這顯著改進(jìn)了測量結(jié)果。
根據(jù)該輻射探測器的進(jìn)一步發(fā)展，在敏感層的正面上的至少兩個(gè)電極 具有不同的高度，其中所述高度在定義上是在輻射方向上測量的。特別地， 該高度在輻射方向上可在電極間變化。以此方式，以相關(guān)聯(lián)的電極的尺寸 來定義的敏感層中的敏感子區(qū)域的尺寸可以最優(yōu)地適于沿輻射方向的光子 轉(zhuǎn)換條件。
在前述方法的具體實(shí)施例中，敏感層正面上的電極的高度在輻射方向 上增加。這種增加歸因于入射射束中的光子數(shù)量由于吸收和轉(zhuǎn)換而在輻射
5方向上不斷降低的事實(shí)；光子路徑起始處的電極將因此必須比在輻射方向 上更靠后的電極管理更高的計(jì)數(shù)率，前者電極可以相應(yīng)地更大。
在本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例中，敏感層正面和/或背面上的至少一個(gè)電極 連接至信號處理電路，該信號處理電路包括至少一個(gè)用于放大由該電極感 測的信號的放大器、至少一個(gè)用于抑制低于相關(guān)聯(lián)的預(yù)定閾值的電脈沖的 鑒別器，和/或至少一個(gè)用于對由該電極感測的電脈沖的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)的脈 沖計(jì)數(shù)器。用脈沖計(jì)數(shù)器可以確定在相關(guān)聯(lián)的電極的敏感子區(qū)域中轉(zhuǎn)換的 光子的數(shù)量。有利地，可以使用具有不同閾值的一組鑒別器以確定經(jīng)轉(zhuǎn)換 的光子的能量是否在一定的能量窗之內(nèi)并因此允許光譜分辨的測量。優(yōu)選 地，正面上的所有電極都連接至至少一個(gè)相應(yīng)的放大器、鑒別器和/或計(jì)數(shù)
班 益o
敏感層正面或背面上的至少一個(gè)電極可任選地連接至評估模塊，該模 塊適于將該電極的位置與所探測到的光子的能量相關(guān)聯(lián)。這一方法利用了 以下事實(shí)敏感層中的光子轉(zhuǎn)換的局部可能性取決于所述光子的能量；因
此高能量光子在它們被轉(zhuǎn)換之前通常將比低能量光子更遠(yuǎn)地傳播到敏感層 中。優(yōu)選地，正面上的所有電極都連接至該評估模塊。然而應(yīng)當(dāng)注意的是， 由相互作用深度所提供的能量信息優(yōu)選地只用于驗(yàn)證或輔助由評估模塊所 執(zhí)行的一些其他(更精確且主要的)能量確定方法。因此，通常將通過一 組具有不同閾值的若干鑒別器來鑒別所產(chǎn)生的電信號的脈沖高度，所述鑒 別器與電極陣列中的每個(gè)電極相關(guān)聯(lián)以提供關(guān)于所吸收的光子的能量的主 要信息。
存在各種可能性來接觸敏感層正面上的電極以將它們連接至適當(dāng)?shù)男?號處理電子設(shè)備。在優(yōu)選實(shí)施例中，接觸線位于敏感層的正面上，其中這 些接觸線中的每條從該敏感層的一個(gè)特定邊緣(下文中稱作"連接邊緣") 通向電極中的一個(gè)。在這一情況下，在兩個(gè)敏感層之間不需要消耗空間的 額外的層以用于布線目的。該連接邊緣優(yōu)選與該敏感層緊鄰輻射孔徑的邊 緣相對地定位，因?yàn)樵谶@一情況下將接觸線和相關(guān)聯(lián)的處理電子設(shè)備保持 在入射輻射之外。
在前述方法的進(jìn)一步發(fā)展中，正面上的電極具有在定義上平行于連接 邊緣而測量的寬度，該寬度隨著它們距連接邊緣的距離而增加。這些電極因而占據(jù)了正面上的空間，該空間由于接觸線在接觸邊緣開始且在它們到 達(dá)其相關(guān)聯(lián)的電極時(shí)結(jié)束而連續(xù)地可用。
雖然輻射探測器及其優(yōu)選實(shí)施例的上述說明關(guān)于敏感層的數(shù)量沒有進(jìn) 行假設(shè)(即，對于只有一個(gè)敏感層的設(shè)計(jì)是有效的)，但是優(yōu)選該輻射探測 器包括多個(gè)敏感層，這些敏感層具有包含所需特征的相關(guān)聯(lián)的電極，其中 所述多個(gè)層在從它們的正面到它們的背面看去的方向上， 一層疊在另一層 后面。利用這樣的一疊敏感層和相關(guān)聯(lián)的電極，可以構(gòu)成任意大的敏感體 積，該體積滿足潛在應(yīng)用的需要。
具有一疊敏感層的前述設(shè)計(jì)優(yōu)選地包括至少兩個(gè)具有相向的正面或背 面的相鄰敏感層。優(yōu)選地，整疊的所有敏感層以具有相向的正面或背面的 兩個(gè)相鄰層成對布置。這一設(shè)計(jì)具有的優(yōu)點(diǎn)在于可以在相鄰敏感層之間共 享電極(例如，對電極可以設(shè)置在兩個(gè)相鄰的相對取向的敏感層的背面之間)。
根據(jù)具有成疊的敏感層的設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，可以在兩個(gè)相鄰敏感層 之間定位絕緣層(用于電隔離與不同敏感層相關(guān)聯(lián)的電極)、半導(dǎo)體層、光 子吸收層和/或具有與電極接觸的線的層。如果存在防散射格柵或類似裝置， 所提及的層優(yōu)選與其對準(zhǔn)以使敏感區(qū)域的損失最小化?？墒褂冒雽?dǎo)體層(例
如CMOS層)來接觸電極并提供信號處理電路，例如基于多個(gè)閾值用于脈 沖高度測量的放大器、鑒別器和/或計(jì)數(shù)器?？梢允褂镁哂薪佑|線的層以提 供至該電極的獨(dú)立通路而不需要用于在敏感層的正面或背面的平面中進(jìn)行 布線的空間。
在前述實(shí)施例中，特別地可使用光子吸收層來吸收本來會導(dǎo)致鄰近的 像素之間的串?dāng)_的熒光光子。因此優(yōu)選地，該光子吸收層對于這種熒光光 子是高度吸收的，所述熒光光子由通過輻射孔徑撞擊到該層上的初級光子 在相鄰敏感層中所產(chǎn)生。這例如在吸收材料的K邊緣稍低于熒光光子能量 時(shí)實(shí)現(xiàn)。用于吸收層的適當(dāng)材料的示例包括Ag、 Pd、 Mo和Zr。
本發(fā)明還涉及一種X射線探測器，其包括上述那種對X射線敏感的輻 射探測器。此外，本發(fā)明涉及包括上述那種輻射探測器的成像系統(tǒng)，其中 所述成像裝置具體而言可以是X射線、CT (計(jì)算機(jī)斷層攝影)、PET (正電 子發(fā)射斷層攝影)、SPECT (單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層攝影)或核成像裝置。
7通過參考下文所述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些及其他方面將顯而易見并 得以闡明。將借助附圖以示例的方式描述這些實(shí)施例，在附圖中


圖1示出具有在y方向上具有各種尺寸的電極的根據(jù)本發(fā)明的單層X
射線探測器的示意性透視圖2示出根據(jù)本發(fā)明的多層X射線探測器的示意性側(cè)視圖3示意性地示出具有中間基板的根據(jù)本發(fā)明的多層X射線探測器的
圖4示意性地示出具有用于吸收熒光光子的中間層的根據(jù)本發(fā)明的多
層X射線探測器的側(cè)視圖5示出根據(jù)本發(fā)明的X射線探測器正面上的電極的優(yōu)選布線。 附圖中同樣的參考數(shù)字或相差100的整數(shù)倍的參考數(shù)字表示相同或相 似的部件。
在下面，將關(guān)于X射線探測器的示例描述本發(fā)明，具體而言是可以被 用于醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)如CT掃描儀的X射線探測器。然而應(yīng)注意本發(fā)明不限 于這一應(yīng)用，而是可以有利地用于任何需要輻射探測的領(lǐng)域。
X射線的探測仍然是密切研究的領(lǐng)域。許多努力集中于這一方面以開 發(fā)出具有更快響應(yīng)時(shí)間、更高空間分辨率并且尤其是具有探測能量分辨的 單光子轉(zhuǎn)換事件的可能性的探測器。
目前在計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)和具有平板探測器的X射線成像中應(yīng)用 的觀念是膠粘到光電二極管上的閃爍體材料(如Csl、 CWO或GOS)。該 閃爍體將X射線轉(zhuǎn)換成光學(xué)光子(間接轉(zhuǎn)換)，其穿過膠層，并在光電二極 管中被轉(zhuǎn)換成電信號。在多數(shù)應(yīng)用(如CT或平板探測器)中，這一觀念具 有緩慢的響應(yīng)時(shí)間、余輝問題以及弱的空間分辨率的缺點(diǎn)。
與此相反，直接轉(zhuǎn)換材料(如CZT、硒或PbO)提供將X射線直接轉(zhuǎn) 換成電子空穴對的觀念。所得到的載流子云隨后在KV/cm量級的電場中漂 移至該轉(zhuǎn)換材料的表面上的電極。可以對在那里產(chǎn)生的電脈沖進(jìn)行探測和 計(jì)數(shù)，其中脈沖高度允許對光子能量的探測。 一般而言，直接轉(zhuǎn)換的觀念 提供了更好的響應(yīng)時(shí)間、更高的空間分辨率，并且原則上可以允許具有能
8量分辨率的單光子探測。
在直接轉(zhuǎn)換探測器的可能的設(shè)置中， 一個(gè)電極覆蓋轉(zhuǎn)換材料的表面(通
常是x射線光子入射的那個(gè)表面)，而相對的表面由"像素"電極陣列所覆 蓋。理論上，根據(jù)所意在的應(yīng)用的需要來選擇像素間距并且考慮由入射的x
射線光子的后續(xù)電離簇射所產(chǎn)生的電荷云尺寸。
直接轉(zhuǎn)換探測器的最大計(jì)數(shù)率取決于諸如電子平均漂移長度的若干效 應(yīng)。在這一方面，電極的距離是重要的參數(shù)并且應(yīng)盡可能的小。然而轉(zhuǎn)換 材料在輻射方向上需要一定高度以得到用于光子的足夠的停止功率并實(shí)現(xiàn)
高探測量子效率。例如，期望醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的CZT探測器具有至少2mm的 高度，這遠(yuǎn)大于由X射線光子產(chǎn)生的電荷云。所產(chǎn)生的載流子必須漂移很 長路途到電極，這顯著損害探測器的響應(yīng)時(shí)間以及探測量子效率(由于載 流子俘獲以及重組導(dǎo)致信號損失)。
此外，根據(jù)轉(zhuǎn)換材料，存在載流子滿足該材料內(nèi)部的局部陷阱態(tài)的一 定可能性。陷阱態(tài)在材料的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)是局部紊亂的，這可能"結(jié)合"載 流子一定時(shí)間，然后釋放它們，從而造成所謂的"余輝"效應(yīng)。余輝在較 長的時(shí)間尺度上(通常在ms至秒時(shí)間域)產(chǎn)生歷史依賴型信號，這在大多 數(shù)應(yīng)用(尤其是在CT)中是強(qiáng)烈不想要的，其處理高動態(tài)信號范圍并采集 具有高楨率的投影圖像。
如已經(jīng)提及的，在計(jì)算機(jī)斷層攝影中期望轉(zhuǎn)為能量分辨成像?？梢酝?過使用計(jì)數(shù)探測器并結(jié)合直接轉(zhuǎn)換器材料來實(shí)現(xiàn)這種能量分辨率。通過設(shè) 定一定數(shù)量的閾值，有可能用這種探測器來對有多少光子處于一定能量窗 內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)。然而，基于計(jì)數(shù)探測器的光譜CT讀出電子設(shè)備的限制因素是 該電子設(shè)備必須處理的非常高的計(jì)數(shù)率。通常，處理這一非常高的計(jì)數(shù)率 的一種方式是減小像素尺寸。
在直接轉(zhuǎn)換材料中觀察到的另一重要效應(yīng)被稱作K熒光會發(fā)生的是， 進(jìn)入的X射線光子與例如CZT材料相互作用以致產(chǎn)生具有較低能量的另一 光子。這一熒光光子將前進(jìn)通過CZT并在某處產(chǎn)生另一事件。如果該熒光 光子到達(dá)CZT中接近不同陽極的位置，通常探測器響應(yīng)將會被錯(cuò)誤地解釋。 代替一個(gè)光子，具有較小能量的兩個(gè)光子被記錄?？梢杂纱蟮奶綔y器單元 解決這一問題，因?yàn)樗鼈兘档土藷晒夤庾涌梢蕴右莸目赡苄?。然而?jì)數(shù)率問題需要與此相反，因?yàn)檩^小單元具有較少光子要進(jìn)行計(jì)數(shù)并且可以將計(jì) 數(shù)的總工作量分成更多較小的單元。
本發(fā)明提供解決了上面提及的問題的直接轉(zhuǎn)換探測器的設(shè)計(jì)。這一設(shè) 計(jì)包括將電極放置在直接轉(zhuǎn)換器上以致最佳地利用了計(jì)數(shù)能力并且可通過 考慮光子在材料中的吸收深度而更好地分辨能量的新方式。
圖1示出根據(jù)前述方法的第一實(shí)現(xiàn)方式的X射線探測器100。為簡單 起見，只示出該探測器100的單個(gè)層，盡管它通常包括多個(gè)這種層(參見 圖2)。 X射線探測器100包括下列部件
1、 如CZT的轉(zhuǎn)換器材料的敏感層112， X射線光子X在該層中被轉(zhuǎn)換 成可被探測為電信號的電子空穴對。敏感層112通常被定形為具有正面F 和背面B的薄立方體片。
2、 位于敏感層112的正面F上的獨(dú)立可尋址的電極113 (通常用作陽 極)的二維陣列。在所示出的示例中，電極113被布置在具有四行(x方向) 和四列(y方向)的矩陣中，其中各行中的電極具有相等的尺寸而電極的高 度dy在每列中從頂部到底部(即在輻射方向y上)增加。 一般而言，可任 意設(shè)定電極113的尺度dx和dy以適應(yīng)合理的計(jì)數(shù)率和能量分離。如測量 結(jié)果所示，越接近輻射孔徑的表面，可以觀察到越高的計(jì)數(shù)率。這一事實(shí) 是由敏感層112的頂部處的較小電極尺寸dy而考慮的?？筛鶕?jù)期望的最大 計(jì)數(shù)率和所需的空間分辨率來設(shè)計(jì)電極113的實(shí)際尺寸。
由于電極113確定該裝置的空間分辨率，它們在下面有時(shí)將被稱作"像素"。
3、 位于敏感層112的背面B上的對電極111，其中所述對電極通常用 作陰極。
4、 輻射孔徑101，其在此簡單地由矩形開口指示，X輻射X可以在平 均輻射方向y上通過該輻射孔徑進(jìn)入該裝置并傳播到敏感層112中。與大 多數(shù)通常的探測器設(shè)計(jì)相反，輻射X因而垂直于在正面F上的電極113和 在背面B上的對電極111之間產(chǎn)生的電場而傳播。
所描述的幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于載流子的短得多的漂移長度，這些載流 子在層表面F、 B之間水平地(z方向)而非垂直地(y方向)通過整塊轉(zhuǎn) 換器材料而傳播。因此可以使漂移長度減小為10和20之間的因子G分之一，從而隱含了下列優(yōu)點(diǎn)
-更好的響應(yīng)時(shí)間(因子G分之一，由于載流子在電極處更快)；
-減小的余輝(因子G分之一，由于俘獲更不經(jīng)常，)；
-提高的探測量子效率(由于較少的電子空穴重組和因俘獲引起的信號
損失)；
-增加的空間分辨率(由于傳播方向的限制以及較小的電荷擴(kuò)散)；
-電極間的電壓可以被降低為因子G分之一，同時(shí)保持相同的電場強(qiáng)度。
圖1所示的設(shè)計(jì)的另一優(yōu)點(diǎn)涉及輻射方向y上的電極113的構(gòu)建。如 測量結(jié)果所示，對入射光子X的吸收顯著取決于光子能量以及光子在該敏 感材料中前進(jìn)的深度y。具體而言，具有較高能量的光子在該材料中很深處 被吸收而較低能量光子接近于材料的表面進(jìn)行相互作用。光子X在敏感層 112中被轉(zhuǎn)換/探測的y位置因此包括關(guān)于該光子能量的隱含信息。
圖1所示出的輻射探測器100的典型尺度如下
-敏感層112的高度Dy約為3mm，需要此以在X射線束方向上具有 足夠的停止功率。
-敏感層112的厚度Dz約為0.1mm至0.5mm，這是三種效應(yīng)的折衷 (i)其應(yīng)盡可能小以降低探測器單元的計(jì)數(shù)率負(fù)荷；(ii)其應(yīng)盡可能大以 降低熒光問題；以及(m)其應(yīng)盡可能大以減小總生產(chǎn)努力和成本。
-敏感層112的長度Dx必須平衡該探測器在x方向上所需的尺寸以及 轉(zhuǎn)換器材料的子模塊的生產(chǎn)問題。探測器可以在這一方向上被細(xì)分成更小 的子模塊。
-正面電極113的長度dx約為0.1mm至0.3mm，這是計(jì)數(shù)率劃分(尋 求小電極)和熒光問題(尋求大電極)之間的折衷。
-正面電極113的高度dy從頂部至底部變化，其中為了高計(jì)數(shù)率，最 頂部的電極應(yīng)盡可能小但不能太小以避免遭受太多熒光效應(yīng)。由于y方向 上的吸收可能性迅速降低并且也由于計(jì)數(shù)率的需要，可以將較低的電極做 得較大。優(yōu)選在y方向上有三至四個(gè)電極。
圖2示出多層輻射探測器200，其包括一個(gè)疊在另一個(gè)后面的多個(gè)圖1 所示出的那種單層輻射探測器。獨(dú)立敏感層212的正面上的所有電極213
ii通過線221連接至放大器222 (通常是具有整形器的前級放大器)和鑒別器 單元223。所有的通道(即所有電極213)通常具有相同的閾值水平設(shè)定， 以在噪聲水平(對于CT近似為20keV至30keV)處或充分高于該噪聲水平 的閾值設(shè)定開始。通過評估相關(guān)聯(lián)的電極脈沖獲得關(guān)于探測到的光子的光 譜信息，即在鑒別器單元223中相對于多個(gè)給定閾值確定/判別脈沖高度(這 一粗略的確定只評估該脈沖高度落入若干范圍中的哪個(gè))。此外，通過提供 特定計(jì)數(shù)的電極213的y位置而固有地給出關(guān)于光子能量的附加信息。通 過評估模塊224來評估整個(gè)光譜信息。盡管在這一方法中只將相互作用深 度用作附加輸入，應(yīng)注意，作為替代也可以將其用作唯一的能量相關(guān)信息 以簡化該探測器設(shè)計(jì)(其使用例如每個(gè)電極只一個(gè)閾值來抑制噪聲)。
在如圖2的多層布置中，由于電極層所需的空間將損失敏感區(qū)域(xz 平面)的某一小部分。然而，由于電極層的厚度(通常約5^im)相比于轉(zhuǎn) 換材料的厚度Dz (通常大于50^xm)很小，該損失的區(qū)域相對很小并且被 上面列出的有利效應(yīng)過補(bǔ)償。
探測器200由若干薄層構(gòu)成的事實(shí)相對于多晶直接轉(zhuǎn)換材料的使用可 能是有利的，這些薄層可以比單晶層更簡單且便宜地生產(chǎn)(例如通過蒸發(fā))。 這些薄層可以補(bǔ)償載流子在多晶材料中的較低遷移率，以致探測裝置實(shí)現(xiàn) 了足夠短的響應(yīng)時(shí)間，這在多晶材料中本來可能是不可能的。
直接轉(zhuǎn)換材料的薄片212的背面完全被陰極211覆蓋。該陰極收集空 穴，這些空穴對于標(biāo)準(zhǔn)直接轉(zhuǎn)換材料(如CZT)通常具有比電子更低的遷 移率和更短的壽命。在這些片的正面上，矩陣模式的陽極213空間分辨地 收集較快移動的電子。轉(zhuǎn)換材料的厚度對應(yīng)于陽極213的間距并且通常為 例如100nm的量級。此外，為了利用小像素效應(yīng)(參見例如Barrett等人， Phys. Rev. Lett. 75， 156-159,(1995); Eskin等人，J. Appl. Phys" 85, 647-659 (1999))，在保持陽極的間距較小的同時(shí)，較厚的片(例如為陽極間距的4 至10倍)可能是有利的。
在圖2的多層探測器200中，將兩個(gè)片對背對背地放在一起。然后通 過薄絕緣體箔214將每個(gè)這種雙層從相鄰的雙層分離。在這一成對的片的 幾何結(jié)構(gòu)中，在防止電容效應(yīng)下將具有相同電位的電極緊密地放在一起。 用于相鄰雙層的陰極211的絕緣體箔不是必需的。
12可以關(guān)于具有相同的0.3mm陽極尺度的折衷(計(jì)數(shù)率相對于熒光)和 轉(zhuǎn)換材料的相同高度(3mm)的探測器來討論所提出的探測器設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。 常規(guī)設(shè)計(jì)具有1/(0.3mm)的單元密度以及約2.5mm的電子平均漂移長度。大 的漂移長度來自于以下事實(shí)在探測器上部的吸收的可能性高得多，以及 到陽極的平均剩余路途很長。如果可以在y方向上放置四個(gè)陽極，那么這 里提出的設(shè)計(jì)具有4/(0.5mm)的單元密度。平均漂移長度僅為0.25mm (轉(zhuǎn) 換材料的厚度的一半)。所提出的設(shè)計(jì)通過較小的單元以及短一個(gè)數(shù)量級的 電子漂移長度而提供2.4倍的更高的計(jì)數(shù)率劃分。
圖3示出如圖2的多層探測器的多層探測器300的側(cè)視圖。該多層探 測器300包括多個(gè)敏感層312，該多個(gè)敏感層312在它們的正面具有(不同 尺寸的)電極313的陣列以及覆蓋它們背面的單電極311，其中相鄰敏感層 的正面/背面彼此相向。與圖2相反，在兩個(gè)相鄰敏感層的正面之間沒有絕 緣層，而是有基板314 (通常是半導(dǎo)體如硅、玻璃、陶瓷、印刷電路板或一 些等效裝置)?；?14攜帶CZT-模塊312并且將正面電極313與讀出和評 估電子設(shè)備(未示出)相連接。
圖4示出多層X射線探測器400的另一實(shí)施例的示意性側(cè)視圖，其可 以有利地與前面描述的實(shí)施例相組合并且其如前所述地包括的一疊敏感層 412，在這些敏感層的背面上覆蓋有公共陰極411而在它們的正面上覆蓋有 陽極413的陣列。探測器400提供對于鄰近的片之間的串?dāng)_問題的解決方 案。由熒光光子介導(dǎo)的串?dāng)_限制了像素寬度低于約100-300Mm的傳感器的 光譜性能。對于敏感層的高Z材料(其對于硬X射線的探測是不可缺少的)， 熒光是用于遭受初級相互作用過程的原子的最可能的去激發(fā)過程。因此， 與鄰近像素的串?dāng)_對于CTX射線探測器來說是固有的。由于對光譜-CT探 測器的設(shè)計(jì)以將像素細(xì)分(約lxlmn^的尺寸)為子像素為特征，在此更加 關(guān)心鄰近像素之間的串?dāng)_。由于在X射線CT探測器中必須將子像素尺度 選擇為盡可能小，必須采取措施來使最小像素尺寸進(jìn)一步下降，即來應(yīng)對 串?dāng)_問題。
探測器400通過插入平行于電極平面的附加的吸收層414來解決前述 問題。優(yōu)化這一吸收層414的材料以抑制來自敏感層412的材料的熒光光 子，例如在Cd(Zn)Te基探測器的情況下來自Cd或Te。對于具體實(shí)現(xiàn)方式存在若干選擇
-吸收層414可以被固定為與公共電極411直接接觸。在極端情況下，
吸收層可以是增厚的電極層，盡管在這一情況下，應(yīng)采取進(jìn)一步措施來防 止厚電極的剝離。
-將絕緣層(圖4中未示出)放置在吸收層414和公共電極411之間。 這一絕緣層可以是例如吸收金屬層的經(jīng)氧化的表面。
-可以通過將吸收層接近像素化電極層來執(zhí)行最后的選擇。
對于熒光光子的有效抑制，吸收材料的K邊緣必須稍低于熒光光子能 量。對于CdTe型探測器(其中Z-48和Z-50)的情況，用于吸收層414的 適當(dāng)材料可為例如Ag、 Pd、 Mo、 Zr。例如，100nm厚的鉬層吸收93%的 24keV光子(Ka Cd)和85%的28keV光子(KaTe)。
為了保持高的幾何探測量子效率，優(yōu)選將吸收層414放置在特定位置。 例如將吸收層414定位在與由設(shè)置在探測器400前的防散射格柵(ASG) 的薄層415所限定的那些平面相似的平面中是有利的。ASG薄層415投射 陰影，其限定出不敏感的探測器區(qū)域。因此提出將吸收層414的邊緣放置 在這些不敏感的區(qū)域，因?yàn)樾碌膶右蚨粫档推鹱饔玫奶綔y器體積。當(dāng) 然，對于其他不敏感部件如電極411、 413或任選的絕緣層，可以有利地進(jìn) 行相對于ASG薄層415的相同的對準(zhǔn)。應(yīng)進(jìn)一步注意，ASG薄層415限定 了孔徑401， X輻射可以通過孔徑401進(jìn)入。
對于敏感層正面上的獨(dú)立電極的連接，用于有效電子連接和通過放大 器、鑒別器和進(jìn)一步的(計(jì)數(shù))電子設(shè)備的信號讀出的不同布線方案是可 能的，例如
-例如基于CMOS的電子設(shè)備或其他前端電子設(shè)備與每個(gè)電極的直接 耦接。由于CMOS電子設(shè)備相對龐大，這對于CT應(yīng)用是較不利的，因?yàn)?它需要具有導(dǎo)致幾何探測量子效率高損失的某一厚度的層。在此主要限制 在于互連方面，因?yàn)榻Y(jié)合凸起(bondbumping)占據(jù)了相當(dāng)大量的空間。然 而其他連接技術(shù)可能是更適當(dāng)?shù)?。直接耦接因此將主要是具有大像素尺?的應(yīng)用中的解決方案，例如行李檢查。
-代替使用CMOS基板作為插入機(jī)構(gòu)，可以使用在像素之間產(chǎn)生薄的 多的間隙的布線層。該布線層也可以被制成雙面的，從而使得將兩個(gè)像素與相同的插入機(jī)構(gòu)互連。特別地，如行李檢査的應(yīng)用可獲益于這一方法。
根據(jù)圖5的設(shè)計(jì)，對于連接問題的極好解決方案是沒有插入機(jī)構(gòu)層的 布線方案。基本理念是從最上的像素行a中的頂電極513a的最大寬度dx一a 開始在x方向上降低正面電極的尺寸。這允許在垂直的y方向上至像素底 行d中的底電極513d下方的進(jìn)一步信號處理電子設(shè)備的布線結(jié)構(gòu)。當(dāng)然， 電極513a、 513b、 513c、 513d的具體位置和分布可與圖5所示出的示例性 位置和分布不同。應(yīng)注意通常需要絕緣層(未示出)，尤其是在陽極或陰極 并不面向彼此時(shí)。
如圖1-4所示，進(jìn)一步的實(shí)施例可以另外考慮電極513的不對稱的y 尺度。這一方法由于直接轉(zhuǎn)換依賴于電場的事實(shí)而在不損失探測器的電荷 收集效率的情況下是可能的。在此，相對于高達(dá)約100pm的間隙尺寸的性 會巨，可以忽視鄰近的像素之間的間隙(如在A.E. Bolotnikov等人的Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A432 (1999) 326-331中所討論)假定CZT陣列的表 面幾乎是理想的電介質(zhì)(即只稍微導(dǎo)電)，那么對于較小像素和較大間隙， 電場線仍舊在像素處終止而不是更加彎曲。因此也在來自像素尺寸之外區(qū) 域的像素處有效地收集電荷。
本發(fā)明可以應(yīng)用于每種這樣的X射線探測器，即對其來說，更快的響 應(yīng)時(shí)間和低的余輝(同時(shí)保持空間分辨率)是很重要的，特別是在計(jì)算機(jī) 斷層攝影(CT)探測器中。這利用其所有益處開啟了高強(qiáng)度應(yīng)用(如CT) 中的單光子計(jì)數(shù)探測并且另外提供光譜信息的可能性。除了 X射線探測和 CT，許多其他應(yīng)用也可獲益于所提出的具有能量分辨率的計(jì)數(shù)電子設(shè)備。
最后應(yīng)指出，在本發(fā)明中術(shù)語"包括"不排除其他元件或步驟，且"一" 或"一個(gè)"不排除多個(gè)，并且單個(gè)處理器或其他單元可以實(shí)現(xiàn)若干裝置的 功能。本發(fā)明存在于每個(gè)新穎特性特征以及特性特征的每個(gè)組合。此外， 權(quán)利要求中的參考標(biāo)記不應(yīng)被解釋為限制其范圍。
1權(quán)利要求
1、一種輻射探測器(100，200，300，400，500)，包括a)輻射孔徑(101，401)，沿平均輻射方向(y)傳播的光子(X)可以通過所述輻射孔徑而進(jìn)入；b)敏感層(112，212，312，412，512)，其用于將通過所述輻射孔徑而來的光子(X)轉(zhuǎn)換成電信號，所述敏感層具有平行于所述輻射方向(y)的正面(F)和背面(B)；c)二維陣列的獨(dú)立可尋址的電極(113，213，313，413，513)，其位于所述敏感層的所述正面(F)上，其中，所述正面(F)上的至少兩個(gè)電極(113，313)具有不同的形狀；d)至少一個(gè)對電極(111，211，311，411)，其位于所述敏感層的所述背面(B)上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器(100,300)，其特征在于，所述 正面(F)上的至少兩個(gè)電極(113,213,313,413)具有在所述輻射方向(y) 上測量的不同高度(dy)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的輻射探測器(100,300)，其特征在于，所述 高度(dy)在所述輻射方向(y)上增加。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器(100， 200, 300, 400， 500)，其特 征在于，至少一個(gè)電極(213)連接至包括至少一個(gè)放大器(222)、鑒別器(223)和/或脈沖計(jì)數(shù)器的信號處理電路。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器(100， 200， 300， 400, 500)，其特 征在于，至少一個(gè)電極(213)連接至用于將所述電極的位置與所探測到的 光子(X)的能量相關(guān)聯(lián)的評估模塊(224)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器(500)，其特征在于，連接線(521)位于所述正面(F)上，其中，所述線中的每條都從所述敏感層(512)的 一個(gè)連接邊緣通向一個(gè)電極(513a-d)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的輻射探測器(500)，其特征在于，所述電極 (513)具有平行于所述連接邊緣測量的寬度(dx_a)，所述寬度隨著距所述連接邊緣的距離而增加。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器(100, 200， 300, 400, 500)，其特 征在于，其包括多個(gè)這種敏感層(212， 312)，所述敏感層在從它們的正面(F)到它們的背面(B)的方向上一個(gè)疊在另一個(gè)后面。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的輻射探測器(100, 200， 300, 400, 500)，其特 征在于，其包括至少兩個(gè)具有相向的正面(F)或背面(B)的相鄰敏感層(212,312)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的輻射探測器(100， 200， 300， 400, 500)，其 特征在于，絕緣層(214)、半導(dǎo)體層(314)、光子吸收層(414)和/或具有 連接所述電極的線的層位于所述相鄰敏感層(212,312,412)之間。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的輻射探測器(100， 200, 300， 400， 500)，其 特征在于，所述光子吸收層(414)高度吸收敏感層(412)中產(chǎn)生的熒光 光子。
12、 一種X射線探測器，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器(100， 200,300， 400， 500)。
13、 一種成像系統(tǒng)，具體而言是一種X射線、CT、 PET、 SPECT或核 成像裝置，所述成像系統(tǒng)包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種輻射探測器(200)，具體而言是一種X射線探測器，其包括至少一個(gè)用于將入射光子(X)轉(zhuǎn)換成電信號的敏感層(212)。電極(213)的二維陣列位于該敏感層(212)的正面，而其背面攜帶對電極(211)。電極(213)的尺寸可在輻射方向(y)上變化以適應(yīng)電極的計(jì)數(shù)工作量。此外，電極(213)相對于輻射方向(y)的位置提供關(guān)于所探測到的光子(X)的能量的信息。
文檔編號G01T1/29GK101542315SQ200780042651
公開日2009年9月23日 申請日期2007年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月17日
發(fā)明者C·博伊默, C·赫爾曼, E·勒斯?fàn)? G·蔡特勒, J·維格特, K·J·恩格爾, R·斯特德曼布克, R·普羅克紹 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司