CN101968546A - CsI(T1)晶体薄膜直接集成CCD的X射线阵列探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CsI(Tl)晶体薄膜直接耦合CCD的X射线阵列探测器，它利用CsI(Tl)晶体的荧光效应，将X射线转换成荧光后，直接耦合至CCD面元上进行感光，生成数字图象信号；CsI(Tl)晶体与CCD面元之间无需光纤或光锥导光，既减小了系统的耦合损耗，又使探测器厚度变薄(100μm量级)；采用Al层把CsI(Tl)晶体分隔为与CCD面元大小尺寸一致的晶体单元，减小了荧光串扰噪声，提高了空间分辨率。该探测器具有结构简单、集成度高、探测效率高等优点。本发明在医学成像、工业检测等领域具有极大的应用潜力。

Description

CsI(T1)晶体薄膜直接集成CCD的X射线阵列探测器

技术领域

该发明涉及X射线探测与成像领域。

背景技术

X射线的探测与成像使人类能够探知物体内部信息，已经广泛应用于医疗、工业检测等诸多方面。而数字X射线探测成像研究方兴未艾，结构精巧、体积小，高度集成的探测装置仍然着巨大的需求缺口。目前有关X射线的探测装置，其技术原理主要是将X射线转换成可见光信号或者电信号，见文献[1-5]。前者的转换材料主要是无机闪烁体[2][5]，如NaI；后者的传感材料如非晶硒[1]，可见光信号的读取器件主要有阵列光电二极管、CCD[3][4]、CMOS，通过优化的扫描与输出数字信号处理可以获得很高的图象质量与实时性能。但是X射线的辐射性使得对转换材料和传感元的屏蔽保护十分重要，在转换屏与荧光接收装置之间常用光纤锥连接，这样不仅附加了系统的插入与耦合损耗，且因此多数X射线探测装置结构复杂，体积庞大，不方便应用于移动检测与特殊环境场合。

[1]专利：X射线探测器，专利号03110679.X，中国

[2]专利：数字X射线图象探测器，专利号0220381.8，中国

[3]专利：数字化X射线机的多线阵探测器，申请号200310117321.1，中国

[4]专利：X射线探测器和具有X射线探测器的计算机断层造影设备，申请号200510087427.0，中国

[5]专利：X射线荧光全息层析成像装置，申请号02155046.8，中国

发明内容

本发明利用CsI(Tl)晶体作为能量转换材料，将X射线转换成可见荧光后直接耦合入抗辐射CCD进行探测，生成数字图象信号，实现对X射线强度剂量分布的实时成像，以完成被检测物体或直接X光源的结构、密度等信息的多维提取。本发明将转换材料CsI(Tl)晶体与CCD直接耦合，无须光纤或光锥导光，优化了探测器性能，在保证有较高信噪比、空间分辨率的前提下，使探测器具有厚度薄，结构简练，相对探测效率高，集成度高，方便灵活，机械强度较大的性能，具有极大应用潜力。

本发明探测器的组成结构见附图1和2。它包括CCD面元(1)、荧光增透膜(2)、CsI(Tl)晶体单元(3)、晶柱空气间隙(4)、顶层Al保护层(5)、侧面Al隔离层(6)、电荷转移通道(7)等部分。

附图说明：

附图1为探测器单元结构剖面图。1：CCD面元；2：荧光增透膜；3：CsI(Tl)晶体单元；4：晶柱空气间隙；5：顶层Al保护层；6：侧面Al隔离层；7：电荷转移通道

附图2为探测器接收面俯视图。本发明采用面阵CCD作荧光读出器件；CCD面元(1)、荧光增透膜(2)、CsI(Tl)晶体单元(3)，由于大小尺寸一致，故在俯视图中显示重叠；侧面Al隔离层(6)、电荷转移通道(7)的位置亦显示重叠；晶柱空气间隙(4)的位置随机，不便标识。

附图3为CsI(Tl)晶体单元剖面图。CCD面元为正方形，边长20～60μm；CsI(Tl)晶体单元形状尺寸与CCD面元一致，其厚度在50～100μm时，转换效率最高。

附图4为荧光增透膜剖面图。荧光增透膜为140nm左右厚度的SiON薄膜。

具体实施方式：

X射线源发出一定能量和剂量的X射线透过待测物体，形成被密度调制的载波X射线后，入射到探测器上，穿过起控制剂量与保护作用的Al层，与CsI(Tl)作用产生荧光，被下面的CCD接收，完成信号读取。

本发明将薄层CsI(Tl)晶体直接制作在经过增透处理的CCD单元面上，然后按照设计好的面阵CCD的版图光刻出沟道，使CsI(Tl)晶体只陈留在光敏面上，然后沉积Al膜于光刻的沟道内和CsI(Tl)晶体单元面的顶层上方，以达到控制辐射剂量、保护器件、隔离像元、防止荧光互窜产生交叉噪声。

本发明采用CsI(Tl)晶体作为转换材料因为：CsI(Tl)晶体的发光效率相对较高，对低能X射线的探测效果非常好，且它的荧光峰值波长为565nm，人眼最为敏感，与光接收CCD的光谱很匹配。CsI(Tl)独到的优点是：它可以生长成微晶柱结构，由此可以抑制荧光在转换屏中的横向扩展，有利于提高转换屏的调制传递函数MTF，因而使得探测器件有较高的极限分辨率。另外，CsI(Tl)晶体的潮解性较低，工作寿命比一般材料长；而且它容易加工，机械强度大，应用非常方便。

本发明中，Al作为CsI(Tl)分隔材料(包括衬底与壁)，因为Al的反射率比较高(理想值在0.9左右)，减小可见光的传输损耗。且在工艺上，对Al的各种处理技术非常纯熟，容易得到光滑的衬底与壁。

为了削弱出射面对荧光的背向反射，导致图象质量的劣化，于是在CsI(Tl)沉积之前先在Si-CCD上镀一层140nm左右氮氧硅SiON作为增透膜，便可获得不错的优化效果。

CsI(Tl)的荧光中心波长λ₀＝565nm处，荧光光子能量E_f为：

$E_f=\frac{h\·c}{e_0\·{\mathrm{\λ}}_0}=2.2\mathrm{eV}$

h，e₀分别为普朗克常量和电子元电荷。而Rowlands J A，Taylor K W等人的研究表明，每激发一个荧光所大约需要的X射线的能量W≈20eV，这主要由于X射线与闪烁体作用的复杂过程中能量沉积于荧光效应的比例较小。为了更为直接地描述CsI(Tl)的光转换效率，我们提出CsI(Tl)对X射线的转换因子K_T，它表示每一入射能量为E0的X射线光子所激发的可透过CsI(Tl)晶体层的荧光光子数。公式如下：

$K_T(L,\mathrm{\σ},R_s)=\frac{E_0}{E}{P}_T(L,\mathrm{\σ},R_s)$

$P_T(L,\mathrm{\σ},R_s)=\underset{0}{\overset{L}{\∫}}{f}_z\left(z\right)\mathrm{dz}\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}{f}_{\mathrm{\θ}}\left(\mathrm{\θ}\right)f_T(z,\mathrm{\θ})\mathrm{d\θ}$

$f_T(z,\mathrm{\&theta;})=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{(-\frac{L-z}{\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;\mathrm{\&sigma;})},& 0\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\\ e^{(\frac{L+z}{\cos }\&CenterDot;\mathrm{\&sigma;})},& \frac{\mathrm{\&pi;}}{2}<\mathrm{\&theta;}\&le;\mathrm{\&pi;}\end{array}\right.$

$f_{\mathrm{\&theta;}}\left(\mathrm{\&theta;}\right)\mathrm{d\&theta;}=\frac{1}{2}\sin \mathrm{\&theta;}{d}^{\mathrm{\&theta;}},0\&le;\mathrm{\&theta;}\&le;\mathrm{\&pi;}$

$f_z\left(z\right)\mathrm{dz}=\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{pe}}}{{\mathrm{\&mu;}}_T}\right|{\mathrm{dE}}_z\left|\right)/E_0={\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{pe}}{e}^{-{\mathrm{\&mu;}}_{T}z}\mathrm{dz}$

其中，μ_pe为X光子在CsI(Tl)晶体内的线性光电吸收系数，L是CsI(Tl)层厚度，荧光吸收系数σ，Al衬底反射系数R_s的函数。

通过计算与matlab仿真得到如下结论：入射X光子能量越低，CsI(Tl)晶体的最佳厚度越薄；低能低剂量情况下(5kev～50kev)，CsI(Tl)晶体厚度在50μm～100μm时，X射线的能量吸收转换效率最高；CsI(Tl)晶体越薄，MTF值越高，换能层的极限空间分辨率越高；CsI(Tl)晶体的晶柱结构有利于提高系统空间分辨率；故在生长时应让晶柱生长均匀，结构有序；CCD光敏元最佳尺寸在20μm～60μm之间，既保证荧光透过率，又不牺牲空间采样频率。

本发明的的特色是，利用20μm左右的薄层CsI(Tl)材料作为荧光屏直接生成在经抗辐射处理的CCD上，在满足既定成像质量的要求下最大限度的简化了探测器的结构，减小了器件厚度，使器件高度集成化。

本发明的创新点：(1)采用CCD实现与CsI(Tl)转换材料的直接耦合，无须光纤锥导光，减小插入损耗；(2)选用薄层CsI(Tl)材料便获得不错的荧光产额；(3)使用增透介质，减小反射噪声；(4)使用Al隔离CsI(Tl)单元，减小串扰，提高空间分辨率。

该发明使X射线探测器小型灵活，在医疗、工业检测、安全检查等领域里有重要的应用前景。

Claims (7)

1.基于薄层CsI(Tl)晶体直接耦合CCD的X射线阵列探测器，其特征是它包括CCD面元(1)、荧光增透膜(2)、CsI(Tl)晶体单元(3)、晶柱空气间隙(4)、顶层Al保护层(5)、侧面Al隔离层(6)、电荷转移通道(7)；X射线从顶层Al保护层(5)入射，进入CsI(Tl)晶体单元(3)，转换成为荧光；荧光在顶层Al保护层(5)、晶柱空气间隙(4)、侧面Al隔离层(6)的反射作用下，传输到荧光增透膜(2)上；荧光透过荧光增透膜(2)，被CCD面元(1)感光，产生光生电荷包；光生电荷包通过电荷转移通道(7)转移输出。

2.按权利要求1所述基于薄层CsI(Tl)晶体直接耦合CCD的X射线阵列探测器，其特征是CsI(Tl)晶体单元(3)与CCD面元(1)大小、尺寸一致，通过荧光反射直接耦合。无需光纤锥以及附加保护器件，简化结构，提高集成度。

3.按权利要求1所述基于薄层CsI(Tl)晶体直接耦合CCD的X射线阵列探测器，其特征是在CCD面元(1)与CsI(Tl)晶体单元(3)之间加入荧光增透膜(2)，提高转换效率。

4.按权利要求1所述基于薄层CsI(Tl)晶体直接耦合CCD的X射线阵列探测器，其特征是顶层Al保护层(5)控制X-ray辐射剂量，保护下部器件，同时反射顶部的回射荧光。

5.按权利要求1所述基于薄层CsI(Tl)晶体直接耦合CCD的X射线阵列探测器，其特征是晶柱空气间隙(4)与侧面Al隔离层(6)对荧光进行反射与隔离，减小窜扰噪声，增大空间分辨率。

6.按权利要求1所述基于薄层CsI(Tl)晶体直接耦合CCD的X射线阵列探测器，其特征是荧光增透膜(2)、CsI(Tl)晶体单元(3)、顶层Al保护层(5)、侧面Al隔离层(6)通过都通过蒸发沉积、光刻腐蚀、溅射工艺做在CCD面元(1)上。

7.按权利要求1所述基于薄层CsI(Tl)晶体直接耦合CCD的X射线阵列探测器，其特征是CsI(Tl)晶体单元(3)的厚度为70μm～100μm。

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