CN101044415A

CN101044415A - 电离辐射探测器

Info

Publication number: CN101044415A
Application number: CN 200580032300
Authority: CN
Inventors: 贝尔特·云诺; 扬·斯托勒马克
Original assignee: NM Spintronics AB
Current assignee: NM Spintronics AB
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2007-09-26
Also published as: SE0402074D0

Abstract

一种用于探测电离辐射的探测器，包括布置成连接到读出装置的至少一个探测器，该读出装置用于读取和评价来自探测器的信号，所述探测器包括载体材料以及包含有施加到载体材料的活性探测器材料的层(4)，所述活性探测器材料布置成，在其接收入射到所述层(4)上的电离辐射(3)的情况下，在所述层(4)中的所述活性探测材料中引起电离，其中施加有穿越所述层(4)的电场，从而所述电离产生电流，所述读出装置布置成可进行探测，使得其可以通过这种方式探测所述入射电离辐射(3)。本发明的特征在于，所述层中的所述活性探测器材料包含ZnO的程度使得电离辐射产生可探测的电流。

Description

电离辐射探测器

技术领域

本发明涉及一种电离辐射探测器。

这种辐射的实例是研究中所用的X射线，其中X射线探测器可以用于以电子方式记录物体或生物的图像。另一实例是用于探测伽马(gamma)辐射的探测器，该伽马辐射用于例如医疗材料科学或安全用途。但是，本探测器可用于探测所有类型的电离辐射。此外，本探测器可以用于医疗用途和工业用途。在医疗领域内，可以在例如与用于治疗疾病的伽马辐射的应用或X射线的应用有关的方面进行探测。在工业领域内，可以在例如与微电子学、毫微技术等范围内物体的研究有关的方面进行辐射的探测。

因此，本发明不应被认为局限于任一特定应用领域。

背景技术

可获得电离辐射的数字探测器的不同设计。这些设计中的一些是基于曝光时在表面层产生电荷的非晶半导体。在读出(read-out)装置中读取具有非晶半导体层的探测器板，从而获得物体的图像。

近来，数字探测器也得到了发展。这些探测器基于不同的技术解决方案。一种类型的探测器在探测器中具有硅。这样，可以使X射线或伽马光子直接聚集到硅基探测器中。硅基探测器可以是平板类型的，即，具有图像像素的硅平面区域，或者它们可以由包括从硅基板突出的硅棒的像素组合(build up)而成。

另一种类型的探测器是基于一种包括气体雪崩探测器的探测器，其中惰性气体用作放大器。电子云以这种方式产生，即，其可以由具有例如施加于载体的金属电极的探测器板探测出。

可获得用于探测电离辐射的不同类型的半导体探测器，诸如包含锗、硅、CdTe和HgI₂的探测器。闪烁型探测器可以包括包含NaI、CsI、BGO、BaF2、塑料或纤维的活性(active)材料。

已知探测器的主要缺点是它们较昂贵。另一缺点是它们对输入辐射的记录相对较慢。

发明内容

本发明消除了这些缺点。

通过本发明减少了数字探测器的成本，而且同时提高了探测器的性能。

因此，本发明涉及一种用于探测电离辐射的探测器，包括布置成连接到读出装置的至少一个探测器，该读出装置用于读取和评价来自探测器的信号，所述探测器包括载体材料以及包含有施加到该载体材料的活性探测器材料的层，所述活性探测器材料布置成，在接收入射到所述层上的电离辐射的情况下，则其在所述层中的所述活性探测材料中引起电离，其中施加有穿越所述层的电场，从而所述电离产生电流，所述读出装置布置成可进行探测，使得其可以通过这种方式探测所述入射电离辐射，并且其特征在于，所述层中的所述活性探测器材料包含ZnO的程度使得电离辐射产生可探测的电流。

附图说明

下面，部分地结合附图中所示的本发明实施例，对本发明进行更详细的描述，附图中：

图1a示意性地示出了根据本发明第一实施例的探测器的横截面；

图1b和图1c示出了本发明操作所依据的原理；

图2示出了根据本发明第二实施例的探测器；

图3示出了根据本发明第三实施例的探测器；以及

图4示出了具有两级探测器的本发明实施例。

具体实施方式

活性材料氧化锌使得较少量的辐射成为可能并给出快速记录，这意味着还可产生由X射线形成的所谓运动图像。本发明包括探测器或CCD(电荷耦合装置)，其中探测器材料包含非晶态、晶态、或纳米晶形态的氧化锌，氧化锌为纯净形态或掺有杂质。氧化锌可以以p型掺杂、n型掺杂或本征形态存在。氧化锌顺次沉积到载体材料上。这可以是各种特性的，诸如玻璃、石英晶体、陶瓷、聚合物、蓝宝石、硅等。载体材料具有集成到表面层内的或载体材料中的读出电极。但是，重点指出的是，用于探测光子的活性材料是纯净的或掺杂的氧化锌。用于放大、阈值探测、信号处理和数字化的电子电路与载体材料结合或安装到载体材料上。氧化锌可以施加到形成完整探测器的一个大区域，或者其可以施加到子区域，这些子区域随后被装配在一起以形成探测器单元。活性材料氧化锌可以适用于不同的波长。此外，活性材料氧化锌在相关波长范围内给出恒定响应，这有助于用于读出和用于探测的电子电路的设计。

附图的简要描述：

下面，将结合示意图对本发明进行描述，图1a示出了电离辐射探测器，其中活性材料氧化锌通过它的导体层而施加到读出芯片。图1b和图1c示出了本发明操作所依据的原理。

图2示出了氧化锌是如何施加到电路板的，因而该电路板具有与用于读出和用于探测的电子电路的连接。图3示出了活性材料是如何施加到载体基板的，该载体基板具有电连接，使得其可以借助于倒装芯片技术连接到用于读出和用于探测的电子电路。该连接还可以连接到其它接触元件，例如导电橡胶元件。图4示出了将探测器材料(ZnO)施加到基板的技术解决方案，该基板包括聚合材料、陶瓷、硅等的电路板。此外，还施加了第二层活性材料。这使得能够测量电离辐射的入射角度。

另外，可以测量入射光子的能级。

详细描述：

本发明包括探测器或CCD(电荷耦合装置)，其中探测器材料包含非晶态、晶态、或纳米晶形态的氧化锌，或者是纯净形态的或者是掺有杂质的。氧化锌可以是p型掺杂、n型掺杂的，或者其可以具有其本征形态。

图1a示出了用于诸如X射线或伽马射线3的电离辐射的探测器，其中活性材料氧化锌4施加到装备有导电层6的读出芯片7。介电材料5位于导电层6中的导体之间。顶部电极1施加于活性材料4的上方。

图1b示出了探测器，当从顶部向下观察时，该探测器具有顶部电极、介电层、活性探测器材料、具有被介电材料包围的电导体的导电层、以及载体层。肖特基(Schottky)接触可以形成于顶部电极中，取代顶部电极下方的介电层。以类似的方式，下部介电材料可以由肖特基接触取代。入射到ZnO探测器体积(detectorvolume)上并被其阻挡的光子转变成电子-空穴对，电子-空穴对进而以形成更多电子-空穴对的方式来释放多余能量。自由电荷载体随后在所施加的电场中被加速，并且电子聚集在有限的且隔离的金属读出岛中，所述读出岛连接到读出接触。电场施加于顶部电极与读出岛之间，因此，该电场主要横跨标记为电容Cd的探测器体积，参照图1c。该电容Cd明显小于读出接触与接地之间的电容Cs。通过导体将信号从电容Cs与接地之间提取到读出电子装置。

根据一个优选实施例，所述活性材料包含具有可达5％的氮(N)、砷(As)或磷(P)的p型掺杂ZnO。

根据另一优选实施例，所述活性材料包含具有可达5％的铝(Al)、铟(In)或镓(Ga)的n型掺杂ZnO。

根据一个优选实施例，位于活性探测器材料层4下方的导电层6包括这样的导电层，即，该导电层包含钛(Ti)、铝(Al)、铂(Pt)、金(Au)和银(Ag)中的一种或多种金属。

呈顶部电极1形式的导电层1位于活性探测器材料层的上方，该导电层包含钛(Ti)、铝(Al)、铂(Pt)、金(Au)或银(Ag)中的一种或多种金属。

所述活性探测器材料布置成向入射电磁辐射提供所述可探测电流，该入射电磁辐射具有1KeV到20MeV范围内的能级。

图2示出了根据第二实施例的用于电离辐射3的探测器。根据该实施例，活性材料氧化锌4施加到导电层11上，该导电层位于电路板9(例如印刷电路板)上。该导电层包括电导体，而电介质8位于导体之间。导体具有与用于读出和用于探测的本类型探测器的适当已知电子电路(图中未示出)相连接的电连接10。顶部电极1施加于活性材料4的上方。探测器的这种设计保证了能够分散开连接10，使得便于安装到读出和探测芯片上。然后可以应用例如引线结合的有效安装方法。

图3示出了根据第三实施例的用于电离辐射3的探测器。活性材料氧化锌4施加到载体基板12上，该载体基板具有电连接16，从而借助于具有BGA(球栅阵列)技术的倒装芯片技术，该电连接可以连接到用于读出和探测的电子电路14上的读出岛17。该连接还可以利用例如导电橡胶元件的其它接触元件而进行。如上所述，具有导电层的电路板或基板12施加于活性材料4的顶部上。顶部电极1被施加于电路板或基板12的顶部上。

图4示出了根据第四实施例的用于电离辐射的探测器。

根据该实施例，第二等效探测器装置布置在包括顶部电极、活性层和导电层的第一探测器装置的下方，从而入射辐射首先入射到上部活性材料上，之后入射到下部活性材料上，其中设置有用于每层活性材料的读出电路。

活性材料氧化锌4施加到具有读出岛的载体基板23上。具有读出岛的载体基板23包括聚合物材料、陶瓷、硅或类似材料的电路板。

此外，包括顶部电极18的第二层活性材料22施加于载体基板23的下方。载体基板19设置于具有读出岛的第二活性层的下方，该载体基板19也包括聚合物材料、陶瓷、硅或类似材料的电路板。

下部活性层22被分割成像素。

根据一个优选实施例，在多个探测器放置于同一基板上的情况下，将介电材料放置于活性材料层下方的所述导电材料的不同部分之间，以便在导电层中形成分离的电导体。

图4示出了电连接(被称为“通道”)20和24，其穿过相应的基板而画出，以便对读出和探测芯片提供连接。

这种设计使得测量入射辐射3的入射角度成为可能。光子的入射角度借助于读出电子电路来确定，该电子电路与进行探测的探测器平面中的读出岛以及与其它平面中的岛相互作用。在直至微秒精度的确定事件的准确时间内或在更短的时间间隔内，通过不同平面中相互作用的至少两个不同的读出岛，可以在多个层中探测由一个光子产生的电子云。从单光子事件(single-photon events)引发的这些信息中可以计算出入射角度。

此外，可以测量入射光子的能级。通过在具有不同能量的辐射之间区别两层或多层探测器电极来确定能级。在探测器材料的上层中探测到能够以最大能量E1穿透第一探测器体积的光子。在下层中探测到具有大于E1的能量的光子。如果应用多于两个的探测器层，则来自多个能量范围的辐射可以区别开来，从而可以用于提供具有仿(artificial)“色彩深度”的X射线图像。

这样，可以实现三维和真色彩的X射线图像。

根据所有实施例，优选地，所谓的“TFT”(薄膜晶体管)形成于所述导电层中或所述导电层上，以便读取活性探测器材料。

根据可替换的优选实施例，所谓的“CCD元件”(电荷耦合装置元件)形成于所述导电层中或所述导电层上，以便读取活性探测器材料。

根据另一可替换的优选实施例，所谓的“ROIC”(读出集成电路)形成于所述导电层中或所述导电层上，以便读取活性探测器材料。

根据上述的所有实施例，活性层的厚度在10至10,000微米之间。

根据一个优选实施例，探测器在其自身平面中的尺寸达到1米×1米。

上面已描述了多个实施例。但是很显然，相对于在其自身平面中的探测器层的设计以及相对于导电层的设计，本领域技术人员可以对根据本发明的探测器进行修改。

由于这个原因，所以不应认为本发明局限于上述的实施例，而是可以在所附权利要求的范围内进行变化。

Claims

1.一种探测器，用于探测电离辐射，包括布置成连接到读出装置的至少一个探测器，所述读出装置用于读取和评价来自所述探测器的信号，所述探测器包括载体材料以及包含有施加到所述载体材料的活性探测器材料的层(4)，所述活性探测器材料布置成，在其接收入射到所述层(4)上的电离辐射(3)的情况下，在所述层(4)中的所述活性探测器材料中引起电离，其中施加有穿越所述层(4)的电场，从而所述电离产生电流，所述读出装置布置成可进行探测，使得其可以通过这种方式探测所述入射电离辐射(3)，其特征在于，所述层中的所述活性探测器材料包含ZnO的程度使得电离辐射产生可探测的电流。

2.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述活性探测器材料包含非晶态、晶态、或纳米晶形态的ZnO。

3.根据权利要求1或2所述的探测器，其特征在于，所述活性材料包含具有可达5％的氮(N)、砷(As)或磷(P)的p型掺杂ZnO。

4.根据权利要求1或2所述的探测器，其特征在于，所述活性材料包含具有可达5％的铝(Al)、铟(In)或镓(Ga)的n型掺杂ZnO。

5.根据权利要求1或2所述的探测器，其特征在于，所述活性材料包含处于其本征形态的ZnO。

6.根据权利要求1、2、3、4、或5所述的探测器，其特征在于，所述活性探测器材料布置成向入射电磁辐射提供所述可探测电流，所述入射电磁辐射具有1KeV至20MeV范围内的能级。

7.根据前述权利要求中任一项所述的探测器，其特征在于，包含钛(Ti)、铝(Al)、铂(Pt)、金(Au)和银(Ag)中的一种或多种金属的导电层位于所述活性探测器材料层的下方。

8.根据前述权利要求中任一项所述的探测器，其特征在于，包含钛(Ti)、铝(Al)、铂(Pt)、金(Au)和银(Ag)中的一种或多种金属的呈顶部电极形式的导电层位于所述活性探测器材料层的上方。

9.根据前述权利要求中任一项所述的探测器，其特征在于，具有所述三个层的所述探测器设置于聚合物材料、陶瓷材料或硅材料的基板上，所述三个层为所述活性层以及所述活性层上方和下方的层。

10.根据前述权利要求9所述的探测器，其特征在于，在多个探测器位于同一基板上的情况下，将介电材料设置于所述活性材料层下方的所述导电材料的不同部分之间，以便在所述导电层中形成分离的电导体。

11.根据前述权利要求中任一项所述的探测器，其特征在于，所谓的“TFT”(薄膜晶体管)形成于所述导电层中或所述导电层上，以便读取所述活性探测器材料。

12.根据权利要求1-10中任一项所述的探测器，其特征在于，所谓的“CCD元件”(电荷耦合装置元件)形成于所述导电层中或所述导电层上，以便读取所述活性探测器材料。

13.根据权利要求1-10中任一项所述的探测器，其特征在于，所谓的“ROIC”(读出集成电路)形成于所述导电层中或所述导电层上，以便读取来自所述活性探测器材料的信号。

14.根据前述权利要求中任一项所述的探测器，其特征在于，所述活性层的厚度在10至10,000微米之间。

15.根据前述权利要求中任一项所述的探测器，其特征在于，所述探测器在其自身平面中的尺寸达到1米×1米。

16.根据前述权利要求中任一项所述的探测器，其特征在于，第二相应探测器装置布置在包括顶部电极、活性层和导电层的第一探测器装置的下方，从而入射辐射首先入射到上部活性材料上，随后入射到下部活性材料上，特征还在于设置有用于每层活性材料的读出电路。