CN101577284A - 用于测量辐射的半导体探测器及成像装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于测量辐射的半导体探测器和成像装置，其中半导体探测器包括：半导体介质，该半导体介质可以吸收待测量的至少一个能量段的辐射；阳极电极，该阳极电极设置在半导体介质的一个表面上；阴极电极，该阴极电极设置在与所述一个表面相对的半导体介质的另一个表面上；以及信号处理电路，该信号处理电路与所述阳极电极和阴极电极连接，并将检测到的信号处理为表示辐射的能量沉积量的数值，其中，所述半导体介质接收沿着平行于电极平面的方向入射的辐射，并且，所述阳极电极和所述阴极电极沿着辐射的入射方向分成多个间隔开的子电极对，分别用于检测相应能量段的辐射的能量沉积量。
Description
技术领域
本发明涉及用于测量辐射的半导体探测器及成像装置，更具体地涉及用于测量辐射的多能半导体探测器的传感器。
背景技术
在室温下工作的γ和X射线探测器中通常使用碲锌镉(即CdZnTe，以下简称为“CZT”)半导体传感器，相关的研究始于上个世纪60年代，并于1995年前后开始飞速发展。CZT半导体具有较高的原子序数(分别是48、30、52)和密度(6g/cm3)，从而对高能量的X和γ射线具有高的探测效率。CZT半导体的禁带宽是在1.5eV到2.2eV左右，使得CZT半导体探测器不需冷却系统在室温操作成为可能。并且，高质量的CZT晶体在大范围内温度变化的环境中晶体性能不会有明显变化，使得CZT半导体探测器可以工作在较宽的工作温度范围。在CZT半导体中产生一对电荷载体所需的能量约为4.6eV，因此，射线在CZT中产生的电荷载体数的统计涨落小，可以获得良好的能量分辨率；CZT半导体的电阻率高达1010Ωcm以上，保证了低的漏电流噪声，对能量分辨率的影响小。
今天，CZT半导体探测器的研究已经成熟，并开始商品化。小型的CZT传感器和包含CZT传感器的辐射成像装置已经面市，由于CZT在室温下的高能量分辨率，辐射成像装置的成像质量有大的提高。CZT半导体探测器的探测效率最适宜的能量段在200keV内，这是利用X光机进行医学成像和安全检测所使用的X射线能量段。低于200keV的X射线与半导体介质发生反应的主要类型是光电吸收。
为了提高图像对比度，以及为了通过计算物质的原子序数Z值区分有机物、金属、毒品及爆炸物等危险物品，需要多能(即对两个或更多个能量段敏感)的成像装置。
常规的双能辐射探测器采用三明治的结构，即前面是低能探测器，后面是高能探测器，中间夹有用于完全阻止低能射线的滤片，使得高能探测器只接受高能量的射线。这种结构的难点是低能射线的探测所需的探测厚度很小，而这样薄的低能探测器很难制备，成品率低。并且，位于低能探测器之后的相应读出电路对射线也有一定的吸收作用。
对于CZT传感器，通常选择阴极作为射线的入射窗。这是因为容易被陷落俘获的空穴的产生位置距阴极近，可以很快到达阴极，将阴极作为射线的入射窗可以减少被俘获的空穴的比例，从而减小信号的统计涨落。
当射线从阴极面入射时(即射线沿CZT晶体的厚度方向入射)，由于射线沿着厚度方向行进，因此为了提高对X射线的吸收比例，以便提高对X射线的探测效率以及降低X射线线的辐射剂量，需要增加探测器的厚度。然而，现在可获得的CZT晶体的最大厚度大约是10mm。如果CZT晶体的厚度达到15mm-20mm，则由于晶体内部的均匀性低，电荷陷落比例增加，结果信号发生大幅涨落。另一方面，如果增强CZT晶体的厚度，则不仅需要提高CZT传感器的工作电压，而且不得不增加电荷的收集时间，以便保证电荷的全部收集。
在已知的X射线成像装置中，主要使用电流积分型CZT探测器。
利用CZT传感器在室温下的良好能量分辨率，NOVA和eV公司分别推出了按照不同的能量段对单光子计数的多能探测成像装置。然而，由于电子学系统的运行速度方面的限制，计数型多能探测成像装置能够获得的计数率有限。当要求高的检测通过率和图像质量时，就需要采用大电流的X光机。对于沿同一方向入射的所有能量的射线，如果采用同一个信号处理电路处理并按照不同的能量段进行计数，则要求高数据处理速度。因此，计数型多能探测成像装置并不能完全满足强X光机辐射的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用同一块介质对至少一个能量段的辐射量进行测量的半导体探测器及成像装置。
根据本发明的一方面，提供一种用于测量辐射的半导体探测器，包括：半导体介质，该半导体介质吸收待测量的至少一个能量段的辐射；阳极电极，该阳极电极设置在半导体介质的一个表面上；阴极电极，该阴极电极设置在与所述一个表面相对的半导体介质的另一个表面上；以及信号处理电路，该信号处理电路与所述阳极电极和阴极电极连接，并将从所述阳极电极和阴极电极检测到的信号处理为表示辐射的能量沉积量的数值，其中，所述半导体介质接收沿着平行于电极平面的方向入射的辐射，并且，所述阳极电极和所述阴极电极沿着辐射的入射方向分成间隔开的多个子电极对，分别用于检测相应能量段的辐射的能量沉积量。
根据本发明的另一方面，提供一种包括上述半导体探测器的成像装置。
可以通过蒙卡模拟计算确定每个子电极对的长度，使得相应能量段的射线的能量沉积量达到预定值。在半导体介质的厚度一定的情况下，可以根据应用中的不同能量要求和被检测物质的特点，灵活地划分能量段并确定各个能量段对应的子电极对的长度。
进一步地，对于特定长度的子电极对，可以根据蒙卡模拟计算的结果来修正各个能量段的能量沉积量，即从低能量段的光电吸收份额中减去高能射线的贡献，以及从高能量段的光电吸收份额中减去低能射线的贡献。
本发明的用于测量辐射的半导体探测器可以应用于具有连续能谱的X光机，并通过同一个传感器元件实现多能探测功能，其中，不需要变换X光机的工作电压，也不需要采用不同材料或厚度的射线滤片。
在本发明中，在进行多个能量段测量时仅使用一个传感器。与常规的双能探测器相比，不需要形成独立的低能传感器和高能传感器，因此克服了常规的双能探测器中低能传感器太薄而不宜制备的困难。
在制作传感器的子电极对时，可以使用传统的半导体工艺，如光刻和蚀刻，因此可以将传感器中测试低能射线的电极长度制作得很小，例如几百微米，这等效于常规的双能探测器中的厚度很薄的低能探测器部分。结果，高能射线在几百微米长度的低能量段中的光电吸收很少，在低能量段主要吸收低能射线。
由于在同一个半导体介质上实现了多个能量段的射线的辐射量测量，因此各能量段信号的一致性大大提高。
由于射线入射的方向垂直于阴极电极和阳极电极形成的电场方向，即射线入射的方向平行于电极平面的方向，因此如果希望提高传感器对于高能射线的探测效率，则只需要沿着射线入射的方向增加传感器的长度就能实现，而不需要增加半导体介质的厚度。结果，不会由于电荷被陷落俘获的几率提高而导致信号幅度的涨落。并且，电荷移动的方向仍然沿着半导体介质的厚度方向，从而电荷移动的路径不变，也就不需要提高传感器的工作电压。
该半导体探测器既可以按照电流积分模式工作，也可以按照计数模式工作。如果按照电流积分模式工作，则可广泛用于不同电流强度要求的成像系统。
本发明的用于测量辐射的半导体探测器还具有结构简单、探测效率高、能量段的划分方式灵活的优点。
附图说明
图1表示根据本发明的用于测量辐射的半导体探测器。
图2表示根据本发明的一种实施方式的用于测量辐射的半导体探测器的传感器。
图3表示根据本发明的另一种实施方式的用于测量辐射的半导体探测器的传感器，其中形成了按照线阵列排列的阳极电极线条。
图4a-4d分别表示10keV-40keV、50keV-70keV、80keV-110keV、120keV-160keV的X射线在CZT传感器中的光电吸收分布。
图5a-5c分别表示10keV-60keV、70keV-100keV、110keV-160keV的X射线在HgI2传感器中的光电吸收分布。
图6a-6d分别表示10keV-40keV、50keV-80keV、90keV-120keV、130keV-160keV的X射线在Ge传感器中的光电吸收分布。
图7a-7b分别表示10keV-30keV、40keV-70keV的X射线在Si传感器中的光电吸收分布。
具体实施方式
本发明的用于测量辐射的半导体探测器实现多能量段探测的原理是不同能量的射线在半导体介质内穿透距离不同。在半导体介质内，随着射线穿透距离增加，低能射线先被吸收，然后高能射线才被吸入。因此，可以按照射线在半导体介质的穿透距离分成若干个区段，在各个区段中检测相应能量段的能量沉积量。
图1示意性地表示根据本发明的用于测量辐射的半导体探测器的结构。传感器11检测到的测量信号被传送到信号处理电路。该信号处理电路按照电流积分模式工作，包括前置放大器11、主放大器12、信号数字化系统13、数据获取系统14和CPU 15。在对测量到的信号进行放大、数字化和计算之后，将测量到的信号处理为能量沉积量的数值。
传感器10用于检测至少一个能量段的射线。图2示出了传感器10的结构，图中标记数字1表示CZT介质，2表示X射线的入射方向，3表示平面阴极电极，4表示平面阳极电极。典型地，将CZT晶体的(111)晶面作为电极平面，将阴极电极3形成在CZT介质1的一个表面上，将阳极电极4形成在CZT介质1的相对表面上并作为信号收集电极。射线的入射方向2与电极平面平行，从而垂直于电荷的移动方向。
沿着射线的入射方向2，阴极电极3和阳极电极4被分成多个间隔开的区段，从而对应于待测量的能量段的数量、按照从低能量段至高能量段的顺序形成多个子电极对。每个子电极对沿着射线的入射方向2具有预定长度。实际上，每个子电极对和其间的半导体介质构成一个子传感器，用于检测相应能量段的射线的能量沉积量。
半导体介质1可以由选自CdZnTe、Ge、Si、HgI2中的一种材料构成。
阴极电极3和阳极电极4例如可以是金或铂或铟。
可以采用传统的半导体工艺形成电极图案，例如通过溅射或蒸镀步骤沉积金属层，随后通过光刻和蚀刻步骤图案化金属层以形成子电极对之间的间隙。此外，子电极对的信号引出可采用成熟的半导体倒置封装工艺。
该CZT传感器利用简单的结构实现了按照能量段测量射线的辐射量。
图3表示根据本发明的另一种实施方式的用于测量辐射的半导体探测器的传感器。图3不同于图2之处在于每个子电极对中的阳极电极区段形成线阵列图案，即阳极电极区段包括沿着射线的入射方向2彼此平行排列的多个阳极电极线条。
按照线阵列排列的阳极电极线条可以用于测量射线在一维方向(即与射线的入射方向垂直的方向)上的分布，从而为用于测量辐射的半导体探测器提供了一维方向上的空间分辨能力。利用上面描述的半导体工艺，阳极电极线条的宽度可以达微米量级。
将上述CZT传感器与信号处理电路连接，形成用于测量辐射的多能半导体探测器。多个子电极对各自连接到一个独立的信号处理电路，以便并行地处理测量信号，从而实现快速探测。即，各个子传感器及相连的信号处理电路都构成了图1所示的半导体探测器。另一方面，如果希望降低探测器的成本，也可以在探测器中包括选择装置，用于选择性将所述多个子电极对中的一对连接到信号处理电路，从而只需要一个信号处理电路执行针对多个能量段的信号处理。
CZT介质的原子序数决定了能量低于200keV的X射线与CZT作用的主要机制是光电反应(其中可以忽略康普顿散射的影响)。不同能量的射线在晶体中能够的穿透距离不相同。本发明人采用蒙卡模拟方法计算了10keV到160keV范围的X射线在CZT晶体中由于光电吸收引起的光电吸收分布。在计算中采用了辐射探测系统领域通用的模拟软件Geant4，该软件是由以CERN为主的合作群体开发的免费软件，并可从以下网址下载：http://geant4.web.cern.ch/geant4/。
在图4a-d中，横坐标表示CZT的厚度，纵坐标表示光电吸收比例，射线在CZT晶体中的穿透距离对应于厚度。光电吸收比例是指在探测介质厚度方向上感兴趣的厚度上特定位置处能量沉积量与总的入射能量的比值，而能量沉积量是在探测介质厚度方向上的一段距离中吸收的能量。在附图中给出的光电吸收比例，根据探测器检测到的能量沉积量推导出的射线到达探测器表面前的能量分布。
应当注意，在图2和3所示的传感器结构中，射线的入射方向2实质上沿着CZT晶体的长度方向，因此，在本发明的半导体探测器中，射线在CZT晶体中的穿透距离对应于长度，可以将模拟计算的结果用于确定沿着射线的入射方向2的各个子电极对的长度。
图4a表示CZT晶体对于10keV-40keV范围(低能量段)的射线的光电吸收分布。模拟计算结果表明CZT晶体在0.1mm厚度上完全吸收了10keV的X射线，在0.2mm厚度上吸收了94％的20keV X射线，在0.2mm厚度上吸收了大约80％的40keV以下的X射线。因此，低能探测区可选为0mm-0.2mm的穿透距离。
图4b表示CZT晶体对于50keV-70keV范围(中能量段)的射线的光电吸收分布。模拟计算结果表明CZT晶体在1.0mm厚度上吸收了80％以上的X射线。因此，中能探测区可选为0.2mm-1.0mm的穿透距离。该中能量段是通常使用的X光机射线谱中出现高计数值的X射线特征峰。
图4c表示CZT晶体对于80keV-110keV范围的射线的光电吸收分布。模拟计算结果表明随着射线能量的提高，在CZT中的光电吸收分布有所改变，在0mm-0.5mm的穿透距离上的能量沉积量降到50％以下，即射线穿透的晶体长度增加。对于该能量段，可选择1.0mm-2mm的穿透距离，在该穿透距离上，对该能量段的X射线的吸收比例约为50％。
图4d表示CZT晶体对于120keV-160keV范围(高能量段)的射线的光电吸收分布。模拟计算结果表明当X射线能量进一步增高时，在射线穿过的整个路径上较均匀地吸收少量的能量，射线穿透的厚度大大增加因此，对于高能量段，可选择2mm-10mm的穿透距离，在该穿透距离上，对高能量段的X射线的吸收比例约为70％。
根据以上蒙卡模拟计算的结果，制作可以同时检测四个能量段的射线的CZT传感器，即从低能量段至高能量段依次为10keV-40keV、50keV-70keV、80keV-110keV、120keV-160keV。该CZT传感器包括四个子电极对，从低能量段至高能量段电极对的长度依次为大约0.2mm、0.8mm、1mm、8mm，分别用于检测在约0mm-0.2mm，0.2mm-1.0mm、1.0mm-2mm、2mm-10mm的穿透距离上吸收的能量。由于在间隔开的子电极对之间的间隙很小，因此，在估计子电极对的长度时忽略了该间隙。
上述CZT传感器还可扩展到其他半导体传感器，如Ge，Si，HgI2等。
图5a-d表示不同能量的X射线在HgI2介质中的光电吸收分布。可以按照与CZT传感器相同的方式划分能量段和形成子电极对。HgI2的原子序数高于CZT，具有更高的探测效率，低能射线的能量沉积量更高。
图6a-d表示不同能量的X射线在Ge介质中的光电吸收分布。可以按照与CZT传感器相同的方式划分能量段和形成子电极对。Ge半导体传感器在伽玛和X射线探测领域已应用多年，在液氮冷却的条件下，可获得最高的能量分辨率。由于Ge的原子序数和密度均低于CZT，因此探测效率比CZT传感器低。然而，按照本发明的传感器结构，将射线的入射方向设置为平行于电极平面的方向，因此可以方便地增加X射线在Ge中的穿透距离，从而提高探测效率。
图7a-c表示不同能量的X射线在Si介质中的光电吸收分布。可以按照与CZT传感器相同的方式划分能量段和形成子电极对。Si硅半导体传感器的原子序数最小，探测效率也最低，通常Si传感器厚度为几百微米，用来测量的能量是10kev以下的X射线。
按照本发明的传感器结构，将射线的入射方向设置为平行于电极平面的方向，因此可以方便地通过增加X射线在Si中的穿透距离来提高探测效率。计算结果表明，长度为13mm的Si对50keV的X射线能量沉积量就可以高达61％。现在可获得的硅晶片的尺寸可达到70mm左右，足以获得信号处理电路所需的能量沉积量。因此本发明的传感器结构扩展了Si传感器的应用范围和领域。
如上所述，根据蒙卡模拟计算的结果确定了各个子电极对的长度。尽管在各个子电极对之间的半导体介质中，主要吸收了相应能量段的射线的能量，但仍然会吸收其他能量段的射线的能量。因此为了获得相应能量段的能量沉积量，需要减去其他能量段的射线在该半导体介质中的贡献。
在对各能量段测得的数据进行修正时，考虑X光机发出的是连续能谱，首先将各能量段的能量取平均值。从最高能量段开始处理数据，按照蒙卡模拟计算的不同能量的X射线在不同长度的CZT传感器内的能量沉积量分布，获得高能射线在低能量段的能量沉积量，修正得出高能射线产生的信号。接下来计算相邻的低能量段的光电吸收，减去高能射线在低能量段产生的能量沉积量。由此，计算所有能量段的光电吸收情况。
经过修正后获得待测量的能量段的精确的能量沉积量，从而可以将该CZT传感器用于辐射剂量计。
进一步地，如果希望获得更精确的光电吸收信息，可以将阳极电极和阴极电极分成更多的区段。在形成更多数量的子电极对时，数据修正的结果更精确。由于通过半导体工艺形成区段，因此可以容易地增加子电极对的数量。
尽管在图1中示出了按照电流积分模式工作的CZT探测器，然而，该探测器也可以按照计数模式工作，其中仅仅需要改变信号处理电路。为此，可以使用与现有技术中的计数型辐射探测器相同的信号处理电路，其中包括计数器。对于每个能量段，计数器设置有高低两个阈值。为了更精确地从对应于低能量段的半导体介质中的光电吸收中减去高能射线的贡献，可以适当地减小每个能量段的高阈值。另一方面，为了进一步从对应于高能量段的半导体介质中的光电吸收中减去低能射线的贡献，可以适当地提高每个能量段的低阈值。这使得图像的对比度进一步提高，由此获得的被检测物质的Z值更准确。
并且，在计数模式中，优选地将从各个子电极对检测到的信号传送到各自的信号处理电路，实现数据的并行处理，以减轻高计数率对电路处理速度的压力。由于并非所有能量的X射线产生的信号进入同一信号处理电路，而是代替地，各个能量段的射线产生的信号分别进入各自的信号处理电路，因此整个探测器可承受的计数率成倍提高。通过增加划分的区段的数量，可以将半导体探测器应用于高计数率的成像系统。
在用于成像装置时，采用准直器将X光机的射线束准直为多个扇形面，射线束穿过被检测物体，然后由如图3所示的多个CZT传感器接收，其中每一个CZT传感器包括按照线阵列排列的多个阳极电极线条，可以获得一维位置灵敏的信息。CZT传感器的数量与射线束的扇形面数量相同，并且沿着各扇形面的方向排列，CZT半导体介质的厚度与各扇形面X射线束的厚度相一致或略宽。当X光机与多个多能CZT传感器同步运动以便扫描被检测物体时，或者当X光机与多个CZT传感器静止而被检测物体移动时，X射线扫描被检测物体，从而获得被检测物体多个角度的扫描图像。经图像算法重建之后，获得被检测物体内部的三维图像，从而提供被检测物体的三维Z值分布。
已经描述了本发明的示范性实施方式及其优点，但是应该注意，在不背离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下，可进行各种改变、替换和代替。
Claims (18)
1、一种用于测量辐射的半导体探测器，包括：
半导体介质，该半导体介质吸收待测量的至少一个能量段的辐射；
阳极电极，该阳极电极设置在半导体介质的一个表面上；
阴极电极，该阴极电极设置在与所述一个表面相对的半导体介质的另一个表面上；以及
信号处理电路，该信号处理电路与所述阳极电极和阴极电极连接，并将从所述阳极电极和阴极电极检测到的信号处理为表示辐射的能量沉积量的数值，
其中，所述半导体介质接收沿着平行于电极平面的方向入射的辐射。
2、根据权利要求1所述的用于测量辐射的半导体探测器，其中所述至少一个能量级的数量是两个或更多个，并且所述阳极电极和所述阴极电极沿着辐射的入射方向分成间隔开的多个子电极对，分别用于检测相应能量段的辐射的能量沉积量。
3、根据权利要求2所述的用于测量辐射的半导体探测器，其中按照从低能量段至高能量段的顺序形成所述多个子电极对。
4、根据权利要求2或3所述的用于测量辐射的半导体探测器，其中所述多个子电极对中的每一对沿所述辐射的入射方向具有预定长度，通过蒙卡模拟计算确定该预定长度，使得相应能量段的辐射的能量沉积量达到预定值。
5、根据权利要求2所述的用于测量辐射的半导体探测器，其中所述信号处理电路对从每个子电极对获得的信号进行修正，根据蒙卡模拟计算的结果，从所述检测到的信号中减去除所述相应能量段之外的其他能量段在该子电极对之间的半导体介质中产生的信号，从而获得所述相应能量段的辐射的能量沉积量。
6、根据权利要求2所述的用于测量辐射的半导体探测器，其中所述信号处理电路对从所述阳极电极和阴极电极检测到的信号进行积分，从而将检测到的信号处理为能量沉积量的数值。
7、根据权利要求2所述的用于测量辐射的半导体探测器，其中所述信号处理电路包括计数器，在所述计数器中设置高阈值和低阈值，并且按照计数模式将检测到的信号处理为能量沉积量的数值。
8、根据权利要求2所述的用于测量辐射的半导体探测器，其中所述信号处理电路包括分别与所述多个子电极对连接的多个信号处理电路。
9、根据权利要求2所述的用于测量辐射的半导体探测器，其中所述半导体探测器包括选择装置，所述选择装置用于选择性将所述多个子电极对中的一对连接到同一个所述信号处理电路。
10、根据权利要求2所述的用于测量辐射的半导体探测器，其中所述辐射为X射线或γ射线。
11、根据权利要求10所述的用于测量辐射的半导体探测器，其中所述半导体介质由选自CdZnTe、Ge、Si、HgI2的一种材料构成。
12、根据权利要求11所述的用于测量辐射的半导体探测器，其中所述半导体介质为单晶材料，并且所述阳极电极和所述阴极电极形成在所述单晶材料的(111)晶面上。
13、根据权利要求1所述的用于测量辐射的半导体探测器，其中所述阳极电极和所述阴极电极由选自铂、金、铟的一种材料构成。
14、根据权利要求13所述的用于测量辐射的半导体探测器，其中通过用于沉积金属层的溅射或蒸镀步骤以及用于图案化金属层的光刻和蚀刻步骤形成间隔开的所述多个子电极。
15、根据权利要求2所述的用于测量辐射的半导体探测器，其中所述多个子电极对中的每一个电极对中的阳极电极区段形成线阵列图案，所述线阵列图案包括沿着辐射的入射方向彼此平行排列的多个阳极电极线条。
16、根据权利要求15所述的用于测量辐射的半导体探测器，其中所述多个阳极电极线条的宽度根据所需的空间分辨率来确定。
17、根据权利要求15所述的用于测量辐射的半导体探测器，其中通过光刻和蚀刻步骤形成所述多个阳极电极线条。
18、一种辐射成像装置，包括根据权利要求1或2所述的半导体探测器。
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