CN101918858A - 辐射监测设备 - Google Patents

Abstract

用于测量辐射的一个或多个特征的辐射检测器(1)包括一个或多个检测器像素(3)、时钟脉冲发生器，其中每个检测器像素(3)包括：传感器(20)，响应于所述辐射的撞击所述传感器(20)的光子或带电粒子的事件产生电信号；适用于接收及处理所述电信号的像素电子器件(24)，包括用于使所述电信号放大及成形并产生成形脉冲的模拟处理单元(62)，所述像素电子器件(24)包括用于对TOT数进行计数的时间确定单元(51)，其中TOT数是在所述成形脉冲处于阈值之上的时间区间内出现的时钟脉冲的数量。所述像素电子器件包括多个事件计数器(82)，其中每个事件计数器(82)对具有在预定范围内的TOT数的事件数量进行计数。

Description

辐射监测设备

技术领域

本发明涉及用于剂量确定的辐射监测设备的领域，并且更具体地涉及使用单光子计数像素检测器的设备及方法。

背景技术

像素化的半导体检测器被用于X射线成像中并且可以用于有源个人剂量确定中。辐射监测设备能够使用Medipix2芯片来构造。在“X.Llopart，M.Campbell，R.Dinapoli，D.San Segundo and E.Pernigotti，MediPix2，a 64k pixel read-out with 55μm square elementsworking in single photon counting mode，IEEE Trans.Nucl.Sci.49(2002)2279-2283”中描述了Medipix2芯片及其使用。在Medipix2中，当光子或带电粒子在检测器材料中相互作用时，它使向着收集电极漂移的电荷沉积(deposit)。然后，该电荷被放大并与形成能量窗的两个不同模拟阈值相比较。如果所检测的电荷落在该能量窗内，则数字计数器递增(increment)。Medipix2检测器包括以55μm的像素间距进行像素化的传感器层以及每个像素内的读出芯片。传感器的电极经由凸块(bump)接合而与读出芯片逐像素地(pixel-per-pixel)连接。每个像素电子器件中都存在一个计数器。例如，Medipix2检测器被用作X射线成像中的成像检测器像素阵列。在每个像素电子器件中对在测量阶段期间在像素敏感体积内已经引起了可调整阈值之上的能量沉积或者已经引起了上阈值与下阈值之间的能量沉积的事件数量进行计数。能够确定某个能量范围内的已经透射通过辐照对象的光子数量。X射线成像中的Medipix2检测器的缺点是只存在一个下阈值。因此，在一次采集中只有一个能量范围内的粒子能够被计数。如果要获得不同能量范围的粒子的透射图像，则必须对所有像素以不同的鉴别器阈值相继取得几个图像。这会引起测量时间增加并且引起对待成像对象曝光的剂量增加。这些对不同能量的粒子透射的测量能够被用来提高对象的组合透射图像中的对比度。它们还能够被用来找回关于对象的材料组成的信息。

用于剂量确定的检测器阵列及计数器电路的使用可从WO2005/008286中了解。每个检测器像素设置有单对的低能量阈值和高能量阈值。因此，为了测量高动态范围，则需要许多检测器像素。

Timepix芯片直接由Medipix发展而来。与Medipix2检测器一样，Timepix检测器是像素间距为55μm的混合的、计数的、像素化的半导体检测器。像素电子器件的输入信号在ASIC的像素电子器件中的模拟电路中进行处理并且然后与鉴别器中的可调整阈值进行比较。在Timepix的一种工作模式中，每个像素测量鉴别器的输入脉冲的强度高于鉴别器的阈值的时间长度。该时间区间通过计数器中的时钟脉冲的计数来测量。这种方法被称作过阈值时间(Time-Over-Threshold，TOT)法。每个像素只包含一个计数器。在计数器中测量的时间在测量阶段结束时被传输到Timepix的读出单元中。然后，该时间被传输到ASIC的外围。Timepix被设计为用于在不使用辐射敏感的传感器层的情况下的粒子物理实验中的气体追踪室中。Timepix在其过阈值时间模式用于X射线成像中的情况下具有一些缺点。在每个像素中只有一个阈值可用。在一个X射线成像期间，在每个像素的计数器中对传感器中的所有反应粒子的总的过阈值时间进行计数。在读出之后，没有关于粒子的个体能量的信息可用。因为在常见的X射线成像期间光子的通量是很高的，所以要具有如此高频率下的帧速率以便能够确定每个粒子的过阈值时间是不可能的。

文献WO2006/099003公开了一种辐射检测系统，其中一个或多个像素化的(pixilitated)检测器1分别与单信道鉴别器10关联。辐射事件由单信道鉴别器10变换成与所述辐射事件的能量相关的计数值24。与像素1及单信道鉴别器10分离的数字信号处理器DSP 5与所述鉴别器一起使用。DSP能够被编程为对从不同像素中接收到的计数值进行排序。但是，根据像素化检测器的像素数量、阈值数量(即辐射检测器的能量分辨率及范围)、以及入射辐射事件的速率，DSP 5可能不能处理输入数据。

本发明的一个目的是提供用于确定辐射的一个或多个特征的方法及装置，其中该方法及装置在宽的能量范围内、尤其是在放射诊断范围内具有高精度、高灵敏度以及关于粒子通量密度的大的测量范围，其中该测量是实时进行的。本发明的另一目的是提供用于确定入射辐射的例如能谱或能谱中的最高能量那样的能量信息的方法及装置，由此该测量能够以很高的粒子通量密度来进行。这种装置能够用于医疗辐射装置(如X射线管)的质量保证中或者用于确定管电压峰值(kVp测量)的装置中。

发明内容

本发明涉及用于测量辐射的一个或多个特征的辐射检测器，包括一个或多个检测器像素、时钟脉冲发生器，其中每个检测器像素包含(i)响应于所述辐射的撞击所述传感器的光子或带电粒子的事件而产生电信号的传感器；(ii)适用于接收并处理所述电信号的像素电子器件，包括用于使所述电信号放大及成形并产生成形脉冲的模拟处理单元，所述像素电子器件包括用于对TOT数进行计数的时间确定单元，该TOT数是在所述成形脉冲处于阈值之上时的时间区间内出现的时钟脉冲的数量。根据本发明，所述像素电子器件包括多个事件计数器，每个事件计数器对具有在预定范围内的TOT数的事件数量进行计数。

在本发明的一种实施例中，辐射检测器包括：切换单元，所述切换单元包括定义了一组TOT数范围的一组TOT数的极限值，其中每个TOT数范围与事件计数器关联，用于检测所测量的TOT数何时在范围之内或之下的装置，以及用于在所测量的TOT数处于关联范围之内或之下时使所述事件计数器递增的装置。

在本发明的另一种实施例中，辐射检测器包括：复制单元，所述复制单元包括用于接收TOT数值的装置，一组复制所述TOT数值的输出端口，一组比较单元，每个比较单元包括定义一组TOT数范围的并且与事件计数器关联的一组TOT数的极限值，以及包括用于检测所测量的TOT数何时处于范围之内或之下的装置，以及用于在所测量的TOT数处于关联范围之内或之下时使事件计数器递增的装置。

优选地，所述像素电子器件包括用于在所述模拟处理单元的输入处接收标准化的电信号以校准所述检测器像素的装置。

更优选地，所述像素电子器件包括用于在所述模拟处理单元的输出处接收标准化的成形脉冲以校准所述检测器像素的装置。

在本发明的一种变体中，辐射检测器包括检测器像素阵列，所述阵列包括多列检测器像素，读出单元，以及用于在只有一列中的计数被禁止时将在所述列中累积的计数值传输到所述读出单元的装置，每列被连续地传输。

在本发明的另一种变体中，辐射检测器包括检测器像素阵列，用于将所述阵列的所述检测器像素的所述TOT数传输至读出单元中的装置，用于对岛(island)中具有非零TOT数值的像素进行分组的装置；以及用于计算在岛的每个检测器像素中的所沉积的剂量的总和以获得产生所述岛的所述辐射的光子或带电粒子的能量的装置。

在最后一种变体的优选实施例中，辐射检测器包括适用于确定所述碰撞辐射的剂量和/或剂量率的微控制器。根据该实施例，获得了低通量的剂量计。

在该最后变体的另一种优选实施例中，辐射检测器包括适用于确定所述碰撞辐射的谱、和/或适用于确定产生所述辐射的一种或多种放射性同位素的微控制器。

在本发明的又一种实施例中，辐射检测器包括具有第一敏感面积的检测器像素的第一组以及具有第二敏感面积的检测器像素的第二组，第一敏感面积大于第二敏感面积，由此第一组测量低剂量率下的辐射，而第二组测量高剂量率下的辐射。

在最后那个实施例中，所述第一组可以包括具有用于收集所述电脉冲的像素电极、相邻于所述像素电极且连接到固定电势的保护电极的像素，由此所述传感器的敏感体积受到限制。

附图说明

图1是根据本发明的辐射检测器的示意性顶视图。

图2是图1的辐射检测器的截面的示意性侧视图。

图3是图1的辐射检测器的另一截面的示意性侧视图。

图4是检测器像素的截面的示意性侧视图。

图5是检测器像素的像素电子器件的示意性框图。

图6是检测器像素的像素电子器件的转换单元的示意性框图。

图7是检测器像素的像素电子器件的时间确定单元51的示意性框图。

图8是检测器像素的像素电子器件的事件计数单元的第一实施例的示意性框图。

图9是检测器像素的像素电子器件的事件计数单元的第二实施例的示意性框图。

图10是用于剂量确定中的辐射检测器的检测器像素阵列的事件计数单元的阈值设置的一个分布实例的示意图。

图11是用于剂量确定中的检测器像素阵列的事件计数单元的两个阈值设置的另一分布实例的示意图。

图12是检测器像素阵列上的两种类型的检测器像素的一个分布实例的示意图。

图13是检测器像素阵列上的两种类型的检测器像素的另一分布实例的示意图。

图14是在剂量计或kVp计中使用的检测器-吸收器组合的一个特定实施例的示意图，其中该剂量计或kVp计具有关于剂量率的高的测量范围上限并且能够对X射线管的加速电压进行无停滞时间(dead-time)的测量。

图15是在剂量计或kVp计中使用的检测器的一个特定实施例的示意图，其中该剂量计或kVp计具有关于剂量率的高的测量范围上限并且具有关于离子能量的高的测量范围上限并且能够对X射线管的加速电压进行无停滞时间的测量。

图16示出了使用根据本发明的辐射检测器的一种剂量计。

图17示出了使用根据本发明的两个辐射检测器的另一种剂量计，其中吸收器被布置于某一检测器之上。

图18示出了使用根据本发明的辐射检测器的另一种剂量计，其中吸收器被布置于辐射检测器的部分检测器像素之上。

具体实施方式

检测器的机械结构

图1是辐射检测器1的示意性顶视图，其中该辐射检测器1包括由多个单独的检测器像素3形成的检测器像素阵列2。读出单元4被布置于检测器像素阵列2的一侧上。参考图2、3和4，辐射检测器1包括下列组件：-传感器20。传感器可以由在被光子撞击时产生电荷载流子的半导体材料制成。硅、砷化镓、碲化镉、碲化镉锌或碘化汞可以用作传感器材料。传感器材料可以在多个检测器像素3之上延伸。-在传感器20之上延伸的顶电极22。顶电极是由碳或铜制成的导电材料薄层。-多个像素电极21。像素电极仅在单个检测器像素之上延伸。电压被施加于顶电极22与像素电极23之间以收集由光子撞击传感器20而产生的电荷。-与每个检测器像素3关联的并且与对应的像素电极21连接的像素电子器件24。像素电子器件24位于检测器像素的覆盖区(footprint)之内。-布置于检测器像素阵列2一侧上的读出单元4。像素电子器件24和读出单元4被实现为单个专用集成电路(ASIC)25。检测器像素3的敏感体积由像素电极21的周围区域与传感器20的上侧之间的传感器20体积构成。像素电子器件

参考图5和图6对像素电子器件进行描述。来自每个检测器像素3中的像素电极21的、由光子或粒子在传感器20中的反应而产生的模拟信号被传输给像素电子器件24中的转换单元50。转换单元50将模拟信号转换成数字信号，如下文所说明的。在转换单元50中，模拟处理单元62首先处理测量的信号。例如，信号由模拟处理单元62进行放大以及脉冲成形。模拟处理单元62的输出与在转换单元50的鉴别器63中的可调整阈值进行比较。鉴别器63的阈值被设置于模拟处理单元62的输出信号的噪声电平之上。阈值对应于检测器像素3的传感器20中的能量沉积E_thr。阈值被设置于预期的最大粒子能量之下。每个像素电子器件24包括校正单元64，其中该校正单元64能够修改阈值以便能够对不同的检测器像素3的鉴别器63的阈值进行调整。校正单元64与检测器像素阵列2的外围(periphery)进行信号连接。其被从检测器像素阵列2的外部传给每个检测器像素3并存储于校正单元64中的数字信号在校正单元64中产生了电信号，例如电压电平，其修改鉴别器63的阈值的位置。通过选择一组智能的数字信号而获得对不同检测器像素的不同鉴别器63的阈值的调整，其中该组数字信号被发送至校正单元64并存储于其中。阈值可以使用模拟处理单元62的输出的噪声电平或者使用经由信号连接61或67注入的标准信号来调整。鉴别器63的输出信号的持续时间与其间模拟处理单元62的输出信号的强度高于鉴别器63阈值的时间具有固定的关系。例如，鉴别器63的输出信号与鉴别器63的输入信号处于阈值之上的时间一样长。通过这样的方式来设计和实施转换单元50，使得模拟处理单元62的输出信号处于阈值之上的时间与转换单元50的输入信号的强度具有固定的关系。因此，鉴别器63输出信号的持续时间与检测器像素63中的能量沉积E_Event维持着固定的关系。标准信号

参考图6，形状与像素电极21中的粒子反应诱生的信号相似的标准信号能够经由信号连接61注入每个检测器像素3的模拟处理信号62的输入中或者能够经由信号连接67注入每个检测器像素3的鉴别器63的输入中。标准信号具有已知的强度。例如，强度可以是在粒子于检测器单元3的传感器20中反应之后经由信号连接23流入模拟处理单元62中的总电荷或者最大电流值(若使用信号连接61的话)或者在粒子反应后像素电极24中的信号于模拟处理单元62内进行模拟处理之后的对应值(若使用信号连接67的话)。理想地，所有检测器像素3的标准信号都是相同的。时间确定单元

每个检测器像素3都在其像素电子器件24中具有时间确定单元51。经由信号连接55给每个时间确定单元51提供时钟信号。例如，使用100MHz的时钟频率。例如，时钟脉冲在检测器像素阵列2的每一列的顶端被注入检测器像素阵列2中并且在列中将时钟脉冲从一个检测器像素3传输至下一检测器像素3。为了获得高的能量分辨率，可以使用高时钟频率或者鉴别器63输出信号的持续时间必须是长的。鉴别器63的长输出信号长度的缺点在于降低了可处理的最大计数率。如果使用高时钟频率，检测器优选具有数量少的行以便避免在时钟脉冲传输通过列的过程中使时钟脉冲边缘变模糊。时间确定单元51具有计数器，其中我们将该计数器称作时间计数器70。时间计数器70在鉴别器63的输出信号出现于时间计数器70的输入之后开始对时钟脉冲计数。时间计数器70在鉴别器63的输出信号于时间计数器70的输入消失之后停止对时钟脉冲的计数。因此，在粒子于传感器20中反应之后由时间计数器70计数的时钟脉冲数与像素电子器件24的输入信号的强度具有固定的关系并且因此与沉积于检测器像素3的敏感体积中的能量具有固定的关系。如果粒子的整个动能都被沉积于一个检测器像素3中，则在检测器像素3中所计数的时钟脉冲的数量与粒子的动能相对应。由时间计数器70计数的所计数的时钟脉冲的数量将表示为T_Event。时间计数器70的输出信号是数字的并且对应于T_Event。事件计数单元

一项创造性措施是在传感器20中的粒子的每个反应之后对在每个像素电子器件24中所测量的过阈值时间进行“数字鉴别”。为发明人所知的现有技术的所有检测器像素阵列都通过将模拟测量信号与不同鉴别器中的不同阈值进行比较而得出能量沉积谱。“数字鉴别”的目的是要将检测器像素3中的被测量为T_Event的能量沉积归属于能量区间并且要在测量阶段期间同时对具有处于该区间内的能量沉积的事件数量进行计数。将模拟处理单元62模拟处理之后的测量信号转换成由时间计数器70测量的数字时间信号、随后将时间计数器70的信号输出与数字阈值进行比较、随后在事件计数单元52中对事件进行计数的这些操作就剂量确定来说将具有几个优点。一个优点是能量区间设置的灵活性，因为阈值被发送至事件计数单元52并存储于其中。对阈值以数字方式进行编程是一种很灵活的阈值设置方式。这在检测器像素3数量大的检测器像素阵列2中以及在需要许多能量区间的情况下是重要的优点。另一个优点是检测器像素阵列2的功耗减少，因为在每个检测器像素3中只存在一个模拟处理单元62和一个鉴别器63。由时间计数器70所计数的时钟脉冲数(表示为T_Event)可以在像素电子器件24中用不同的方式来处理。例如像素电子器件24的一个单元(所谓的切换单元80)决定将事件归属于哪个能量区间。含有关于所有数字阈值的信息的数字信号在测量之前被以数字的方式发送到切换单元80。该信息被存储于切换单元80中。首先对这种使用切换单元80的工作原理进行描述。时间计数器70所计数的时钟脉冲数量在与时间计数器70的输出信号连接的切换单元80中与至少两个不同的全数字(full numbers)Ti(i＝1，2，3，...，i_max)进行比较。例如，与16个数字T^m _i在具有数字m的检测器像素3中进行比较。每个数字T^m _i与在检测器像素3的传感器20中的能量沉积E^m _i相对应。数字T^m _i在测量之前被传输至切换单元80并且存储于切换单元80中。我们假定对于所有1＜i＜(i_max-1)都有T^m _i＜T^m _i+1。另外，我们假定对于所有1＜i＜(i_max-1)都有E^m _i＜E^m _i+1。数字T^m _i是数字阈值。测量时间由检测器像素阵列2的读出阶段所隔开的测量阶段组成。在工作原理1下的切换单元80中，包含出现于时间计数器70的输出处的数字信号T_Event的区间[T^m _j，T^m _j+1]可以通过数字信号T_Event与全部T^m _j之间的比较来确定。一个j满足T^m _j＜＝T_Event＜T^m _j+1。因而切换单元80确定在哪个能量区间内找到了检测器像素3中所处理的事件的能量沉积E_Event：E^m _j＜＝E_Event＜E^m _j+1。切换单元80与每个检测器像素3中的计数器连接，其中该计数器将命名为事件计数器82。在工作原理1中，切换单元80将信号发送给事件计数器82j。然后，事件计数器82j加1。因此，事件计数器82j在检测器像素3中对符合E_j+1＞E_Event＞E_j＞E_thr的能量沉积E_Event进行计数。事件计数器82中的事件计数在测量阶段结束时被停止。在测量阶段结束时，在检测器像素3m的事件计数器82i中的计数数量N^m _i是如下粒子的数量，所述粒子在检测器像素82m中沉积在对于所有i的E^m _i与E^m _i+1之间的能量。然后，在检测器像素3m中的i系列的计数器值N^m _i是在检测器像素3m中的碰撞辐射的能量沉积谱(N_{pixeldeposition})^m _i的一个采样版本。检测器像素3的像素电子器件24还能够以工作原理2来工作，其中在工作原理2中对于出现于时间计数器70的输出处的每个数字信号T_Event确定使T^m _j＜T_Event为真的最大数字j。在工作原理2中，切换单元80将信号发送给i＜＝j的全部事件计数器82i。i＜＝j的全部事件计数器82i加1。因而，在几个事件计数器82中对事件进行计数。在工作原理2中，检测器像素3m的事件计数器i的计数数量N^m _i是在检测器像素3中沉积的能量大于E^m _i的粒子的数量。通过减去后续计数器的计数数量而得出检测器像素3m中作为i系列的能量沉积谱(N_{pixeldeposition})^m _i的采样：(N_{pixeldeposition})^m _i＝N^m _i-N^m _i+1。现在我们对使用事件计数单元52中的复制单元90及比较单元91的工作原理进行描述。对能量沉积E_Event处于哪个能量沉积区间中的判定分别于检测器像素3的事件计数单元52中的几个比较单元91内作出。为了如此做，时间计数器70的输出信号在复制单元90中被复制至复制单元90的几个输出。复制单元90将信号的副本同时发送至事件计数单元52中的几个比较单元91。含有关于数字阈值的信息的信号在测量阶段开始之前被发送到比较单元91并存储于其中。复制单元90具有与i_max比较单元91的信号连接。时间计数器70中所计数的时钟脉冲的数量在每个检测器像素3m的各个比较单元91i中与全数字T^m _i(i＝1，2，3，...，i_max)进行比较。例如，16个比较单元91存在于每个像素电子器件24中。数字T^m _i是数字能量阈值并定义能量沉积区间。数字T^m _i在测量阶段开始之前以数字的方式发送到比较单元91并存储于其中。我们假定对于所有1＜＝i＜＝(i_max-1)都有T^m _i＜T^m _i+1。而且对于所有1＜i＜(i_max-1)都有E^m _i＜E^m _i+1，其中E^m _i是对应于T^m _i的能量沉积。检测器像素3m的每个比较单元91i都执行比较并且判定就能量沉积大于E_thr的事件来说T^m _i＜T_Event是否为真。如果这为真，则与比较单元91i连接的事件计数器82i加1。存在与每个比较单元91信号连接的一个事件计数器82。因此，在其比较单元91判定T^m _i＜T_Event为真的所有事件计数器82中对碰撞粒子进行计数。事件计数器82中的事件计数在测量阶段结束时被停止。然后，检测器像素3m的事件计数器82i的计数数量N^m _i是其在检测器像素3m中的能量沉积大于E^m _i的粒子的数量。通过减去后继计数器的计数数量而得出在检测器像素3m中作为i系列的能量沉积谱(N_{pixeldeposition})^m _i的采样：(N_{Pixeldeposition})^m _i＝N^m _i-N^m _i+1。同样可能在比较单元91中执行T_Event与两个全数字T^m _i ^low(i＝1，2，3，...，i_max)及T^m _i ^high(i＝1，2，3，...，i_max)的比较。如果

为真，则与比较单元91j连接的事件计数器82加1。然后，有可能在能量区间内对事件进行计数。所描述的数字鉴别及计数的原理允许对能量沉积处于几个能量沉积区间中的粒子同时进行计数。对于所有原理，时间计数器70在执行了T_Event与数字阈值的比较并且最终对事件进行了计数之后被置为零。然后，时间计数器70准备确定传感器20中的下一反应粒子的T_Event。图10示意性地示出了数字能量阈值在检测器像素阵列2上的分布，其中该组数字能量阈值被表示为M₁(110)：M₁＝{T_i|i＝1，...，i_max}。M1对于所有检测器像素3都是相同的。例如，在X射线成像中，i_max＝8和M₁＝{10keV，30keV，50keV，70keV，90keV，110keV，130keV，150keV}是一种可能的选择。在剂量确定中，在不同的检测器像素3m中有可能使用不同的数字能量阈值T^m _i。创造性地认识到若在检测器像素阵列2中使用几组数字阈值则剂量测量更为精确。图11示意性地示出了数字阈值的两组M2(120)及M3(121)在检测器像素阵列2中的分布。选择某一组的阈值以使其处于另一组的阈值之间。对于给定宽度的整个能量沉积范围以及对于给定数量i_max的阈值，可以获得更高精度的确定剂量，因为通过整个检测器像素阵列2的阈值对能量沉积谱进行的采样更为精细。在放射诊断应用中用于剂量确定的阈值数量及阈值组的一个可能的实例是：i_max＝8以及M₂＝{10keV，30keV，50keV，70keV，90keV，110keV，130keV，150keV}以及M₃＝{20keV，40keV，60keV，80keV，100keV，120keV， 140keV，160keV}。通过使用本发明的像素设计，我们可用为每个像素定义的阈值组来获得能够在每个像素中单独地执行到多个能量仓(bin)中的数字鉴别的通用检测器阵列。读出单元

在时间计数器70或事件计数器82中测量的数据的传输可以通过几种操作原理来完成。所有操作原理的共同特征是如果计数器值被全部传输到了读出单元4中则时间计数器70或事件计数器82的计数器值被置为零。例如，整个检测器像素阵列2中的事件的计数在来自检测器像素阵列2的外围的信号出现时停止。在以下将计数器值传输到读出单元4的期间，检测器像素阵列2中的事件计数被抑制。然后，将计数器值从检测器像素3传输到读出单元4中。例如，时间计数器70或事件计数器82在该计数器值传输期间可以充当移位寄存器。一行中的所有计数器值可以同时逐位地移入读出单元4中。读出单元4逐行地接收计数器值。该工作原理的缺点是检测器像素阵列2在将计数器值移至读出单元4时不能够在事件计数器82或时间计数器70中对事件进行计数。存在检测器1的停滞时间。通过在每个检测器像素3的像素电子器件24中具备2＊i_max个事件计数器82或两个时间计数器70来避免停滞时间是可能的。两组计数器的阈值是相同的。某一组在另一组的计数器值被传输到读出单元4中时是活动的并且能够对粒子进行计数。该解决方案的缺点是增加了检测器1的设计复杂性并且增加了功耗。避免整个检测器的停滞时间的另一种可能是在其事件计数器82的计数器值被传输给读出单元4时抑制检测器像素(134)的某一组(112)中的粒子计数。在该传输期间，检测器像素3的另一组(113)的事件计数器82对事件进行计数。组(113)的事件计数器82在组(112)的事件计数器82的计数器值完成传输时停止对粒子的计数。然后，组(112)的事件计数器82开始成为活动的以对事件进行计数。然后，组(113)的事件计数器82中的计数器值被传输到读出单元4中。组(112)和(113)单独时不能在没有停滞时间的情况下工作，但是它们的组合是无停滞时间的。整个检测器像素阵列2总能够对事件进行计数。另一种读出原理是在每个时刻都只有检测器像素阵列2的一列(122)处于其计数器值的传输阶段。该列(122)的事件计数器82或时间计数器70在列(122)的传输阶段期间不对事件进行计数或记录。检测器像素阵列2的所有其他列都能够在列(122)的传输阶段期间对事件进行计数及记录。在列(122)的计数器值完成传输之后，列(122)的计数器是活动的并能够计数。然后，在另一列(123)的计数器中的事件的计数及记录被抑制并且列(123)的计数器值被传输到读出单元4中。通过这种方式，所有列都被连续地读出。这种读出方案优选用于剂量计中。原因是在每个时刻都有检测器像素阵列2的一部分能够记录事件。因此，测量即使很短暂的例如在X射线应用中出现的辐射曝光也是可能的。然后，剂量计是无停滞时间的。读出单元4还给检测器像素电子器件24提供必要的电流或电压、用于鉴别器63中的阈值的参考信号、用于时间计数器70的时钟信号以及用于传输计数器值的信号。读出单元4还将含有关于数字阈值的信息的信号发送到切换单元80或比较单元91。用于剂量确定的活动信号(图14、16、17、18)

检测器像素阵列2的读出频率对检测器1的功耗有影响。低读出频率引起低功耗，但是事件计数器82的计数范围在高剂量率的情况下可能不足以对两个读出阶段之间的所有事件进行计数。如果读出频率过低，则关于剂量率的测量范围因而将受到限制。一项创造性措施是使读出频率由实际事件率以及从而剂量率决定。为了完成该措施，检测器像素3的计数器以最小的频率读出。例如，可以每秒进行一次读出。如果检测器1被用于有源个人剂量计中，则预期大部分时间里每秒只有几个事件。在检测器像素阵列2中至少存在一个将被称为活动检测器像素(151)的检测器像素3，其中该活动检测器像素(151)产生被称作活动信号的信号，其中该活动信号取决于所计数的事件率以及因此取决于剂量率。从一个特定的检测器像素(151)中的一个事件计数器中取得这种活动信号是可能的，该事件计数器不同于其他事件计数器。该特定的事件计数器能够被实现为自清除计数器。如果剂量率超过预定值，则活动信号出现于检测器像素(151)的一个输出上。活动信号到达读出单元4。一旦出现活动信号，检测器像素阵列2的读出阶段就被触发并且读出频率在一定时间内增大。通过测量流过整个传感器20的电流来创建监测活动的信号同样是可能的。流过传感器20的电流取决于剂量率。流过传感器的电流可以在剂量计的特定电子单元中进行测量。如果电流超过了预定值，则检测器1的读出被触发并且读出频率在一定时间内增大。微控制器(186)负责控制剂量计的所有电部件、从读出单元4传输到其上的计数器值的分析及存储、剂量值的计算以及测量值在显示器(180)中的显示。微控制器(186)对剂量计中的电子器件的功耗也有较大的贡献。为了减少功耗，微控制器在检测器1的读出阶段之间处于节能模式。微处理器(186)在活动信号出现时或者在标准的低频率读出时切换至工作模式。微控制器(186)触发检测器1的计数器的读出，接收来自读出单元4的数据，进行数据分析，更新显示并且最终修改读出频率。时间计数器读出及同位素识别

要这样实现检测器像素阵列2使得事件计数器82或时间计数器70任选地被读出是可能的。时间计数器70的读出原理与上述的事件计数器82的读出原理类似。时间计数器70的读出可以在剂量计中或者在确定辐射的放射物质组成的装置中于低剂量率下使用。在已经将测量阶段期间所获得的所有检测器像素3的时间计数器值传输到微控制器186之后，微控制器186分析所谓的时间图像。时间图像是检测器像素3的列编号及行编号到它们在时间计数器70中的值的映射。我们假定低剂量率使得一个时间图像中显示非零计数器值的检测器像素3的数量较少。在低剂量率下，在时间图像中其时间计数器70显示为非零值的检测器像素3的数量较少。微控制器执行在时间图像中查找显示非零计数器值的相邻检测器像素3的组的算法。这些组将被命名为命中组。必须选择较短的测量阶段长度以使时间图像中的不同命中组没有共同的检测器像素3。从而将命中组分开。在像素化的检测器中，象传感器20中所产生的二次康普顿电子(secondary Compton electron)的延伸路径长度或者传感器20中的电荷载流子的扩散那样的过程会引起电荷载流子分布于相邻的检测器像素3之间。为了确定更准确的能量沉积值，在检测器1的读出之后必须在微控制器(86)中加上由一个碰撞粒子所沉积的相邻像素的能量沉积。因此，对于每个命中组都分别加上检测器像素3的时间计数器70的计数器值。微控制器可以使用每个检测器像素3的查找表或公式。该查找表或公式建立了在每个检测器像素3的时间计数器70中所计数的时钟脉冲数量与对应的能量沉积之间的关系。对于列m及行n处的检测器像素3，这种关系将表示为E^depos＝f_m，n(T_Event)。对于每个检测器像素3，f_m，n通过使用具有已知能量的辐射、使用仿真工具或者使用上述标准信号的校准程序来获知。使用f_m，n(T_Event)的能量沉积E^depos的计算可能是对鉴别器63阈值中的能量位置的变化或者在模拟处理单元62的放大或脉冲成形特征中的变化进行校正所必需的。然后，在由z检测器像素3构成的命中组(其中命中组的检测器像素3由它们的列m_i及行n_i(i＝1，...，z)来表征)的传感器体积中的总的能量沉积E是： $E=\underset{i=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{m_i,n_i}\left(T_{\mathrm{Ereignis},m_i,n_i}\right),$ 其中列m_i及行n_i处的检测器像素3的时间计数器70具有所计数的

个时钟脉冲。可以使用该查找表或公式f来改进检测器1的能量分辨特性和所确定的能量沉积谱的质量。通过检测器1的这种方法及实施例，可以确定每个所检测的粒子的能量沉积。然后，微控制器(186)获得关于在某些能量沉积区间内的事件数量的直方图。通过把在测量时间期间不同测量阶段的直方图条目加起来来改进该直方图的统计。这种能量沉积谱可以被用于使用DE102006006411.9中所描述的方法来确定剂量值。由于通过将命中组中的能量沉积加起来而使传感器20中的电荷载流子分布效应的影响最小化，因此所测量的剂量值的系统误差得以减小。在其中命中组中的求和起作用的低剂量率下该优点会是重要的。同位素识别的目标是要确定放射所测量的辐射的核素。所要确定的同位素放射特征辐射。该辐射可以由具有特征能量的荧光光子、具有特征能量的衰变光子、具有特征能量的α粒子或者来自核衰变的具有特征最大能量的电子构成。所测得的能量沉积谱的比较，可以在微控制器中或者在所连接的计算机中将该所测得的能量沉积谱与用模型仿真的或者在具有已知辐射场的测量中获得的能量沉积谱进行比较。用模型仿真的或者在具有已知辐射场的测量中获得的能量沉积谱将被称作校准谱。可以将所测得的能量沉积谱去卷积成校准谱的线性组合。这种去卷积方法可以使用伪逆矩阵或者最大似然法或迭代消减法。可能识别在所测得的能量沉积谱中的局部最大值并且将查找表中的局部最大值的能量位置与同位素的特征放射谱线进行比较，来代替进行去卷积。检测器像素的敏感面积(图12-13)

在高剂量率下，单个检测器像素3的计数率可以较高。例如，边长为220μm的且具有由厚度为1000μm的硅层构成的传感器20的方形检测器像素3的计数率对于1Sv/h的低光子能量是高于100kHz的。这样的高计数率可能超出计数器82的能力。为了扩大剂量率的测量范围，检测器像素阵列2可以由具有不同敏感面积的检测器像素3构建。在敏感面积大的检测器像素3内的事件计数器82中的计数数量可以被用来确定低剂量率下的剂量。在敏感面积小的检测器像素3内的事件计数器82中的计数数量可以被用来确定高剂量率下的剂量。要在剂量计中使用的检测器像素3的敏感面积的典型组合是：220μm×220μm和55μm×55μm。图12示出了在检测器像素阵列2中实现不同的检测器像素敏感面积的第一种可能方案。我们实现了具有不同敏感面积的不同类型的检测器像素3，其具有在检测器像素阵列2中的检测器像素3的第一组131以及在检测器像素阵列2中的检测器像素3的第二组132，该第一组的检测器像素3在其像素电极21之间具有某一距离并且其像素电极21具有某一面积，该第二组的检测器像素3在其像素电极21之间具有另一距离并且其像素电极21具有另一面积。图13示出了在检测器像素阵列2中实现不同的检测器像素敏感面积的另一种可能方案。这通过在这些收缩的(constricted)检测器像素140中的传感器20的底部上使用保护环而使检测器像素的第一组141中的几个检测器像素140的传感器敏感体积收缩来实现。该保护环由专用的电连接通过像素电子器件而与限定的电势连接，使得这些收缩的检测器像素140的传感器20中的漂移电场(electrical drift field)与标准的检测器像素3相比而言受到了限制。保护环的尺寸与检测器像素140的所需的敏感面积相适应。在检测器像素3的第二组142中，像素具有不收缩的传感器体积，并且适用于测量较低的剂量率。在剂量计和kVp计中的使用(图14-18)

在本发明的特定实施例中，检测器1可以被用于一个单一的装置中以测量作为时间函数的剂量以及X射线管的加速电压。为了测量作为时间函数的管电压，只需要从少数的检测器像素3中传来的数据，因为光子通量在X射线发射期间较高。小的敏感面积足以获得所需的在最大光子能量的确定中的统计显著性。为了取得约为1毫秒的所需时间分辨率，只读出检测器像素阵列3中的检测器像素3的子集的事件计数器82。例如，只读出少数的列。例如，以交替的方式读出列(155)和(156)以便获得能量沉积谱的连续测量。在能量沉积谱中所找到的最大能量沉积与X射线管的电压相对应。激活列(155)的检测器像素3以用于事件检测。如上所述，在列(155)中的检测器像素3的事件计数器82中使用数字鉴别方法来测量能量沉积谱。在列(155)的事件计数器82中的事件计数在测量阶段结束时被停止。将在列(155)的事件计数器82中的计数数量传输到读出单元4。然后，将该计数数量传输到微控制器(186)。微控制器(186)确定能量沉积谱中的最大能量：它确定显示非零的计数数量的最高能量区间。然后，修改与列(155)的事件计数器82关联的数字阈值以便获得所确定的最大能量的更精细采样及更高精度是可能的。在列(155)的事件计数器82的计数器值传输至读出单元4及微控制器(186)期间，列(156)的检测器像素3是活动的并且对在由其事件计数单元52的数字阈值所定义的能量沉积区间内的事件的数量进行计数。在列(156)的事件计数器82中的事件计数在列(156)的读出期间被抑制。同时，列(155)中的事件计数器82再次开始计数。象之前读出列(155)的数据那样地读出来自列(156)的数据并且由微处理器(186)对其进行分析。如果将具有较小敏感面积的检测器像素(140)用于列(155)和(156)中，则可以获得甚至更高通量下的能量沉积谱的采样。还有可能将吸收器布置于列(155)和(156)的前面以便减小通量。最大的能量沉积以及从而管电压的确定值都不受该布置的影响。还有可能使用四个列(160)(161)(162)(163)，其中在列(160)和(161)的前面布置有一个吸收器(165)并且其中在列(162)和(163)的前面布置有另一吸收器(166)。吸收器(165)和(166)的材料组成或厚度不同。每个吸收器以特征的方式修改透射谱。然后，有可能将在列(160)和(161)中的事件计数器82中所测量的能量沉积谱与在列(162)和(163)中的事件计数器82中所测量的能量沉积谱进行比较。所以关于最大粒子能量的测量范围可以被扩展至更高的粒子能量。列(160)和(161)以交替的方式对事件数量进行计数。列(162)和(163)以交替的方式对事件数量进行计数。当列(162)中的事件计数器82正在计数时，列(160)中的事件计数器82正在计数。当列(163)中的事件计数器82正在计数时，列(161)中的事件计数器82正在计数。在每个时刻中，两个列中的事件计数器82都在计数。在每个时刻中，将两个列中的事件计数器82都传输至读出单元4或微处理器(186)。因而，获得了无停滞时间的测量。温度监测器(图14)

检测器1中剧烈的电活动或环境温度的变化会更改检测器像素阵列2中的温度。这会引起鉴别器63阈值的改变、校正单元(64)中的校正电压改变或者模拟处理单元62特性的改变。为了校正微控制器(186)中所测量的剂量值的显示，测量温度相关的信号是比较好的。在检测器像素阵列2中使用温度传感器是比较好的，因为检测器像素阵列2中的温度是要校正的相关温度。用于温度监测的信号可以是从至少一个检测器像素(152)中的模拟处理单元62或鉴别器63中获得的特征电流或电压。在测量之前，未校正的所确定的剂量值与该温度信号的强度的相关性被测量并存储于微控制器(186)中。微控制器(186)根据该相关性修改所显示的剂量值。经由信号连接(61)或(67)给至少一个检测器像素(153)稳定地提供标准信号同样是可能的。在该检测器像素(153)中的计数器中的计数数量是温度信号。在测量之前，所确定的剂量值与该温度信号的强度的相关性被测量。微控制器(186)分析在检测器像素(153)的事件计数器82或时间计数器70中的数据并且确定对显示的剂量值的必要校正。如果使用事件计数器82，则将在用于标准脉冲的时间计数器值的预期值周围的数字阈值的精细间距提供给事件计数单元52。在测量之前，未校正的所确定的剂量值与检测器像素(153)的计数器值的相关性被测量并存储于微处理器(186)中。确定入射辐射的剂量或能谱的方法

通过对在所有m_max检测器像素3的上述能量区间中计数的事件数量求和来计算用整个检测器像素阵列2所测得的能量沉积谱N_i，其中所述所有m_max检测器像素3具有给到其事件计数单元52中的相同的能量区间： $N_i=\underset{m=1}{\overset{m_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}{\left(N_{\mathrm{Pixeldeposition}}\right)}_i^m$ 在此，我们假定对于所有i以及所有检测器像素3m都有E^m _i＝E^m+1 _i，其中检测器像素3m的(N_{Pixeldeposition})^m _i对这些总和有贡献。因此，我们对于所有i及所有m定义E_i：＝E^m _i。

作为i系列的N_i是离散形式的总的所测得的能量沉积谱。N_i是能量沉积处于区间[E_i；E_i+1]内的所计数的事件的数量。

能量E_j ^mono的单能辐照的能量沉积谱将被标记为M_ij。M_ij为i系列的。能量沉积谱M_ij通过除以在仿真或者在单能辐照下的测量中使用的粒子的数量来进行标准化。指数i描述了能量沉积谱中的位置。指数j是原始能量E_j ^mono的指数。M_ij是能量为E_j ^mono的入射粒子引起能量沉积区间[E_i；E_i+1]内的事件的计数的可能性。如果存在i_max个能量沉积的区间，则应当存在被测量或被仿真的最少相同数量的不同能量沉积谱，然而优选地对于每个区间都存在最少一个原始能量E_j ^mono位于该区间中。存在被测量或被仿真的j_max个沉积谱。若i_max＝j_max，则原始能量E_i ^mono对于所有i都可以被选择为(E_i+1+E_i)/2。E_i ^mono还可以被选择为在区间[E_i；E_i+1]内的入射辐射的预期能量分布与在该区间内的检测效率的加权平均值。将用装置来确定其性质的辐射的所测得的能量沉积谱N_i可以被写作： $N_i=\underset{j=1}{\overset{j_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}{M}_{\mathrm{ij}}\·{\tilde{N}}_j$ 该系列

是入射粒子能量的近似能谱。这意味着是以接近于E_j ^mono的能量撞击到传感器上的粒子的数量。通过M_ij的确定，检测效率已经被包含于M_ij中，并且因此已经针对最终不完全的(eventuallyincomplete)检测效率而校正了作为i系列的N_i和作为j系列的

可以分别被看作矢量和

的分量(component)并且M_ij被看作矩阵

的分量。它可以写成：

矢量

是离散形式的入射辐射的能谱并且可以通过矩阵求逆或者通过象最大似然法那样的估算方法来计算。因此确定了入射辐射的能谱。电荷共享效应对所确定的能谱的影响通过使用该重构算法来校正。重构入射能谱的另一种方法是首先以对应能量E_j ^mono的标准化响应函数乘上在沉积谱的最高仓j中的计数数量。仓j中的能量的响应函数对用仓i中的计数数量确定的能谱有贡献。然后从仓i中的计数数量中减去所乘的仓i中的E_j ^mono的的响应函数的值。对于所有i＜j都执行该减去操作。因而，在减去操作之后，来自更高仓的能量的粒子在仓(j-1)中的计数被除去。对仓(j-1)的能量上的响应函数然后贡献以在该仓(j-1)中减去的结果。仓(j-1)的能量的响应函数然后被乘以该减去操作的结果。在引起能量E_i-2 ^mono的贡献的已经校正的在所有i＜(j-1)的仓内的计数中减去该乘上的响应函数的值。该程序连续反复地执行。在该过程的每个步骤中，在仓中的计数的剩余数量减少。最后，确定所有响应函数对所测得的能量沉积谱的贡献并且因此确定该能谱。如果因子K_j由测量或仿真预先确定的话，则在例如空气或组织那样的材料中沉积的剂量D可以从入射粒子能量的所确定的谱

中算出。可以在仿真或测量中使用能量E_j ^mono来确定该因子。剂量是在所计算的能谱中的能量区间的剂量贡献的总和： $D=\underset{i=1}{\overset{i_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i\·{\tilde{N}}_i$ 可以通过除以必须由剂量计确定的测量时间来确定剂量率的值。在没有预先确定沉积谱的情况下直接确定剂量值同样是可能的。在这种方法中，在沉积谱N_i的每个仓中的计数数量乘以因子L_i。在测量之前通过仿真或校准测量来确定因子L_i。要显示的剂量由下式算出： $D=\underset{i=1}{\overset{i_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i\·N_i$ 该方法给出剂量值的估值。L_i由以下程序确定。在仿真模型中或者在测量中用已知的剂量D_j辐照剂量计得到几个谱(校准辐射)。针对每个谱j来测量检测器1在能量区间i中的计数数量N_ji。方程

的耦合集可以用矩阵符号写出： $\stackrel{\→}{D}=\hat{N}\·\stackrel{\→}{L}$ 通过将伪逆矩阵应用于校准辐射的测量或仿真剂量上来获得L_i的最佳估值： $\stackrel{\→}{L}=[{\left({\hat{N}}^T\hat{N}\right)}^{-1}\·{\hat{N}}^T]\·\stackrel{\→}{D}$ 沉积谱中例如最大粒子能量那样的信息能够被用来确定比L_j更精确的一些因子

。然后，剂量将会是 $D=\underset{j=1}{\overset{j_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{L}}_j\·N_j.$

Claims (11)

1.一种用于测量辐射的一个或更多个特征的辐射检测器(1)，包括一个或更多个检测器像素(3)、时钟脉冲发生器，每个检测器像素(3)包括

-传感器(20)，响应于所述辐射的撞击所述传感器(20)的光子或带电粒子的事件产生电信号；

-被配置为接收并处理所述电信号的像素电子器件(24)，包括用于使所述电信号放大及成形并产生成形脉冲的模拟处理单元(62)，所述像素电子器件(24)包括用于对TOT数进行计数的时间确定单元(51)，其中TOT数是在所述成形脉冲处于阈值之上的时间区间期间出现的时钟脉冲的数量；

其特征在于所述像素电子器件包括多个事件计数器(82)，每个事件计数器(82)对TOT数处于预定范围内的事件的数量进行计数。

2.根据权利要求1所述的辐射检测器(1)，其特征在于其包括：切换单元(80)，所述切换单元包括：定义一组TOT数范围的一组TOT数的极限值，每个TOT数范围与事件计数器(82)关联；用于检测所测量的TOT数何时处于范围之内或之下的装置；以及用于在所测量的TOT数处于关联范围之内或之下时使所述事件计数器(82)递增的装置。

3.根据权利要求1所述的辐射检测器(1)，其特征在于它包括：复制单元(90)，所述复制单元包括用于接收TOT数值的装置、一组复制所述TOT数值的输出端口、一组比较单元(91)，其中每个比较单元(91)包括定义一组TOT数的范围的并且与事件计数器(82)关联的一组TOT数的极限值，并且所述复制单元包括用于检测所测量的TOT数何时处于范围之内或之下的装置、以及用于在所测量的TOT数处于关联范围之内或之下时使事件计数器递增的装置。

4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的辐射检测器(1)，其特征在于所述像素电子器件包括用于在所述模拟处理单元(62)的输入处接收标准化的电信号以校准所述检测器像素(3)的装置。

5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的辐射检测器(1)，其特征在于所述像素电子器件包括用于在所述模拟处理单元(62)的输出处接收标准化的成形脉冲以校准所述检测器像素(3)的装置。

6.根据以上权利要求中任一权利要求所述的辐射检测器(1)，其特征在于它包括：检测器像素(3)的阵列(2)，所述阵列包括多列(122，123)的检测器像素(3)、读出单元(4)、以及用于当只有一列(122)中的计数被禁止时将在所述列(122)中累计的计数值传输到所述读出单元(4)的装置，每个列(122，123)被连续地传输。

7.根据权利要求1到6中任一权利要求所述的辐射检测器(1)，其特征在于它包括：检测器像素(3)的阵列(2)；用于将所述阵列(2)的所述检测器像素(3)的所述TOT数传输到读出单元(4)中的装置；用于对岛中具有非零TOT数值的像素(3)进行分组的装置；以及用于对岛的每个检测器像素(3)中所沉积的剂量求和以获得产生所述岛的所述辐射的光子或带电粒子的能量的装置。

8.根据权利要求7所述的辐射检测器(1)，包括被配置为确定所述碰撞辐射的剂量和/或剂量率的微控制器。

9.根据权利要求7所述的辐射检测器(1)，包括被配置为确定所述碰撞辐射的谱和/或被配置为确定产生所述辐射的一种或更多种放射性同位素的微控制器。

10.根据以上权利要求中任一权利要求所述的辐射检测器(1)，其特征在于它包括具有第一敏感面积的检测器像素(3)的第一组(131；141)以及具有第二敏感面积的检测器像素的第二组(132；142)，第一敏感面积大于第二敏感面积，由此第一组测量低剂量率下的辐射，而第二组测量高剂量率下的辐射。

11.根据权利要求10所述的辐射检测器(1)，其特征在于所述第一组(131；141)包括具有用于收集所述电脉冲的像素电极(21)、以及与所述像素电极(21)相邻并与固定电势连接的保护电极的像素，由此限制所述传感器的敏感体积。

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