CN102209912B - 用于辐射探测器的转换器元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于辐射探测器、具体用于谱CT扫描器的转换器元件(100)。所述转换器元件(100)包括至少两个转换元(131)，其至少部分由中间的分隔壁(135)彼此分隔，所述分隔壁影响入射辐射(X)生成的电信号的扩展。所述转换元(131)具体可以包括CdTe和/或CdZnTe晶体。优选通过例如在预先形成的分隔壁之间进行气相沉积来生长所述晶体。

Description

用于辐射探测器的转换器元件
技术领域
本发明涉及一种用于辐射探测器的转换器元件、包括这种转换器元件的辐射探测器、包括这种辐射探测器的成像系统以及用于制造这种转换器元件的方法。
背景技术
US 2007/03006 A1公开了一种用于谱CT(计算机断层摄影)扫描器的X射线探测器，其中，对入射的X射线光子进行计数并针对它们的能量进行分类。该探测器包括吸收入射的X射线光子的转换材料以及用于探测所得到的电信号的电极。为了应对高计数速率，在转换材料的晶块上提供单阳极的阵列以减小像素的有效尺寸。然而，这种探测器的问题在于入射的X射线光子生成的电荷云会扩展到不同像素上，从而使空间和/或谱分辨率下降。
发明内容
基于这种情况，本发明的目的在于提供一种改善辐射探测的精确度、尤其是与用于谱CT的辐射探测器相关的精确度的手段。
这一目的是通过根据权利要求1的转换器元件、根据权利要求11的辐射探测器、根据权利要求12的成像系统和根据权利要求13的方法实现的。在从属权利要求中公开了优选实施例。
根据其第一方面，本发明涉及一种用于辐射探测器的转换器元件，其包括以下部件：
a)至少两个在下文被称为“转换元(cell)”的单元，并且其包括用于将入射的电磁辐射转换成电信号的转换材料。在辐射探测器中通常操作“转换元”，使得它们的信号对应于利用所述探测器根据入射辐射生成的图像的一个图像要素(“像素”)。探测到的电磁辐射具体可以包括X射线或γ射线，并且辐射的光子生成的电信号通常将对应于可以在转换材料中移动的电荷云(例如，电子空穴对)。
b)置于上述转换元之间并通过材料结合到所述转换元的至少一个“分隔壁”。通常，术语“通过材料结合”与“相互通过材料接合”、“熔接”或“材料配合”同意，应当表示两种材料在分子水平上的接合。这种材料结合例如可以通过一种材料在另一种材料上或在所述另一种材料附近胶粘、焊接、熔接或晶体生长来实现。优选地，分隔壁的材料直接(即无需任何像胶那样的媒介材料)通过材料结合到转换元。
应当指出，分隔壁原则上可以具有任何形状和尺度，尽管通常将使其形成像片或平板那样。按照惯例，然后将把若干这样的板统计为不同的“分隔壁”，尽管在概念上也可以将它们视为一个(形状更复杂的)分隔壁。
在现有技术中已知的用于谱CT的转换器元件中(例如US 2007/03006A1)，提供了转换材料的唯一的块，通过置于它们上面的电极阵列按功能将其细分成多个元。然而，入射的光子所生成的电荷云能够在这种块中自由地扩展，并由此到达生成所述电荷云的那些元之外的其他元的像素电极。与之不同的是，可以通过本发明的转换器元件中两个转换元之间的分隔壁控制电信号的扩展。利用对分隔壁的适当设计，尤其能够将电荷云限制到生成所述电荷云的转换元中，即使所述元仅有很小的体积。因此，可以实现转换器元件精确度和空间/谱分辨率的实质性改善。
用于转换元的转换材料具体可以包括CdTe和/或CdZnTe(“CZT”)，这些材料具有优异的转换特性，使得它们适于应用于例如基于谱CT的光子计数中。另一方面，这些转换材料非常脆，使得它们的机械处理很困难，并妨碍例如将其切割成小块。由于转换元和分隔壁之间的材料结合，本发明的转换器元件即使对于这种脆性转换材料也实现了稳定结构。用于转换元的其他可能的直接转换材料例如是Si和GaAs。
一般而言，转换元可以具有任何形状和尺寸。然而，在优选实施例中，转换元将具有大致为圆柱形或长方体形式，面积(垂直于纵轴测量的)为大约0.01×0.01mm2到1×1mm2，优选为大约0.05×0.05mm2到大约0.3×0.3mm2。在另一优选实施例中，转换元可以具有大致平坦的几何结构，厚度小于大约1mm，优选小于大约0.05mm。
例如，具有这些尺度的转换元适用于谱CT中的辐射探测器。如果包括上述脆性转换材料，就几乎不能通过切割或锯割来制造这样小的转换元。
可以通过一个或多个分隔壁将转换器元件中的至少一个转换元与相邻转换元完全分隔。在这种情况下，使分隔壁对所述转换元中生成的电信号的影响最大化并在整个像素体积上延伸。
在转换器元件的另一实施例中，通过材料结合到分隔壁的两个转换元此外可以彼此直接接触。转换元中的这种直接接触可以有利地经由例如转换元的材料熔合提供附加的机械稳定性。
以上描述包括仅有由一个分隔壁分隔的两个转换元的转换器元件。然而，在优选实施例中，转换器元件将包括多个(超过两个)转换元，它们之间有多个分隔壁，从而建立一维或二维布置。
分隔壁可以是导电的，并且例如，包括金属材料。然而，在优选实施例中，分隔壁是电绝缘的。这具有以下优点，即所述壁能够阻止电荷转移到相邻转换元中，而同时保留所述电荷，用于在它们最初的转换元中进行探测。具体适用于分隔壁的材料包括陶瓷材料和像硅(Si)的半导体，特别是在涂有电绝缘材料(例如材料的氧化物)时。
为了能够探测和评估转换元中生成的电信号，转换器元件可以包括第一电极，第一电极单独连接到所述元的第一侧上的转换元。具体可以将第一电极作为阳极操作，在所述阳极处可以收集并探测已经在转换元中提升到导电带中的电子。
为了在转换元中生成明确界定的电场，可以有利地为转换器元件提供第二电极，在所述元的第二侧上所有转换元共同连接到第二电极。通常将这一第二电极用作阴极。
本发明还涉及一种辐射探测器，其包括上述种类的转换器元件和附加部件，例如用于探测、处理和评估在转换器元件中生成的电信号的读出电路。
此外，本发明涉及一种成像系统，例如谱CT扫描器，其包括上述种类的辐射探测器和附加部件，例如数据处理单元和辐射源。
最后，本发明涉及一种制造用于辐射探测器的转换器元件、特别是上述种类的转换器元件的方法。该方法包括以下步骤：
a)提供种子材料，选择种子材料，使得下文提到的转换材料的晶体能够在所述种子材料上面生长。
b)在所述种子材料上提供第一材料的至少一个预先形成的分隔壁。
c)在所述种子材料上生长转换材料的晶体，使得分隔壁至少部分嵌入转换材料中，其中，转换材料适于将电磁辐射转换成电信号。晶体生长例如可以在分隔壁内从转换材料的熔融、或通过物理气相沉积(PVD)完成。
该方法允许生产上述种类的转换器元件。因此，关于该方法的细节、优点和改进之处的更多信息，参考前面的描述。
有不同的方法在种子材料上生长转换材料的晶体。根据优选实施例，通过在种子材料上气相沉积转换材料实现晶体生长。
任选地，根据其构造出预先形成的分隔壁的第一材料可以仅仅是临时的占位材料。在这种情况下，优选在转换材料晶体已经生长之后，至少部分去除预先形成分隔壁的第一材料。那么所得到的空隙可以留下缺口，或者由变成最终分隔壁(的一部分)的第二材料至少部分替换被去除的第一材料。例如，分隔壁的第二材料可以是不会维持晶体生长的先前过程的材料。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将显而易见并得以阐述。将借助于附图以举例方式描述这些实施例，在附图中：
图1示意性图示了CT系统作为根据本发明的成像系统的范例；
图2示出了根据本发明的转换器元件的第一实施例，其中，分隔壁完全包围转换元；
图3示出了根据本发明的转换器元件的第二实施例，其中，分隔壁仅部分延伸到转换材料中；
图4示意性图示了用于制造根据本发明的转换器元件的设备；
图5示出了种子材料上预先形成的分隔壁。
具体实施方式
在附图中，采用类似的附图标记或者相差100的整数倍的附图标记表示相同或类似的部件。
下文描述将提到图1中示意性示出的谱CT(计算机断层摄影)扫描器1000的范例，但本发明不限于这种应用。谱CT扫描器1000包括机架G，其中，彼此相对地安装X射线源1200和X射线探测器1100，使得它们能够绕着躺在机架中央台上的患者P旋转。探测器1100和辐射源1200连接到控制单元1300，控制单元例如是具有输入模块(键盘)和输出模块(监视器)的工作站。
谱CT具有较高的诊断潜力，因为X射线源生成的并通过被扫描对象的多色X射线束中包含的谱信息被用于提供新的并且对诊断而言至关重要的信息。实现谱CT成像系统的技术是一种探测器，其能够提供对击中被扫描对象后方探测器的光子的通量和能谱的充分精确估计。由于出于图像重建的原因，探测器还暴露于直接射束，所以被直接射束照射的探测器像素中的光子计数速率非常大(大约每mm2每秒109个光子，即1000Mcps)。在常规硬件中，探测器像素将在大约10Mcps的计数速率下饱和。
应对这些高计数速率的一种方法是对探测器的传感器部分进行子结构化，在所述传感器中，X射线光子交互作用并生成电荷脉冲，进一步由读出电子线路评估电荷脉冲。可以考虑在垂直于射束方向的平面中进行二维子结构化，形成彼此相邻的小转换元(例如，面积为300μm×300μm)，也可以考虑三维子结构化，形成在射束方向上堆叠的若干不同传感器层。在这种方式中，传感器层中的每个子像素都具有其自身的能量解析读出电子通道，该通道具有针对每种能量的子通道。
由于所谓的“小像素效应”，针对给定探测器厚度(在射束方向上测量的)的更小像素通常还提供更好的谱响应。然而，电荷共享变成相邻像素间占优势的串扰现象，并设置了像素化的下限，因为它降低了谱性能。这是因为如下事实：X射线在转换材料的体块中交互作用生成电子云(为简单起见，这里不考虑空穴)，电子云沿着公共阴极和阳极之间电势建立的电场的通量线漂移(与所述场的方向相反)。电子云具有有限的尺度，并且在其向阳极漂移的过程中会(经由扩散过程和库仑斥力)扩展开。最终，一些电荷将漂移到相邻像素上，从而使总电荷分布到若干像素，这使得难以推断原始光子能量。
为了解决这些问题，本文提出在像素之间包括分隔材料(例如绝缘体)，由此使电荷共享效应显著最小化。然而，由于CdTe和CdZnTe属于用于谱CT的最有前景的直接转换材料，并且这些材料是非常脆的材料，所以像素结构化不是一项简单的任务。
一项可能的工作是生长已经限于像素结构(一维或二维)中的晶体。可以针对在预定义结构中生长晶体的设置调整文献中描述的晶体生长方法(参见，Pelliciari，B等人，“A new growth method for CdTe-a breakthroughtowards large areas”，Journal of Crystal growth 275(2005)第99-105页；Mullins J.T.等人，“Crystal growth of large-diameter bulk CdTe on GaAs waferseed plates”，Journal of Crystal growth 310(2008)第2058-2061页，MullinsJ.T.等人，“Vapor-Phase Growth of bulk Crystals of Cadmium Telluride andCadmium Zinc Telluride on Gallium Arsenide Seeds”，Journal of ElectronicMaterial 37(2008)，第1460-1464页)。
图2图示了具有转换器块130的转换器元件100的第一实施例，将转换器块130结构化成由分隔壁135彼此分隔的长方体形状的转换元131的二维阵列。所示出的转换器元件100的尺寸通常为1.5×1.5×3mm3，并且辐射探测器包括在xy平面中二维布置的大量这种元件(这种更大的探测器通常会是作为晶片制造的连续装置)。转换元131在其前侧承载可逐一寻址的阳极120，其中，为简单起见未示出接触所述阳极、用于读出和处理所探测到的信号的电子线路。在转换器块130的背侧，设置公共阴极110，其覆盖所有转换元131的背侧。
当X射线光子在转换材料的导电带中、例如在图2的左上方转换元131中生成电荷云(电子-空穴对)时，这种云的扩展被分隔壁135限制到生成所述云的那一转换元中。通过这种方式，可以显著改善转换器元件100的空间和谱分辨率，同时减小有效像素尺寸，从而能够应对发生的最大计数速率。
应当指出，尽管附图示出X射线光子沿x方向入射，但可以将探测器用于任何其他方向入射的光子，尤其是沿着正或负x、y或z方向的垂直入射。
图3示出了转换器元件200的备选实施例，其具有转换块230、公共阴极210和个体阳极220。与先前的实施例不同的是，分隔壁235仅部分(沿x方向)延伸到转换器块230中。因此转换元231在靠近公共阴极的背侧彼此接触(即熔合)。
本发明还包括在预定义像素结构中生长例如Cd(Zn)Te晶体的方法。
图4示出了利用多管物理气相输送(MTPVT，参见Mullins等人的上述文献)的方法从GaAs种子晶片8生长晶体(在这种情况下为CdTe或CdZnTe)制造根据本发明的转换器元件300的对应设备1。
设备1置于真空环境中，并且包括两个分别填充ZnTe和CdTe的管5、7。在中心管9(上述管5、7经由交叉构件3连接到所述中心管上)中，在放置在基座6上的种子材料8上生长转换器元件300。可以由加热器2、4对交叉构件和管加热。
如图5更详细所示，在制造过程的开始在种子晶片8顶部沉积预先像素化的分隔壁结构335。预定义的结构可以包括一维或二维壁，其中，图5示出了二维网格的范例，其具有用于转换元的孔331。然后在气相沉积工艺期间在这些孔中生长转换材料。
在晶体生长之后，可能需要后期处理步骤从而将所得到的坯料切成预期的探测器几何形状。可以使用研磨和抛光对根据图2或3的转换器元件进行抛光。
预定义的分隔壁结构基本可以由经得起晶体生长工艺温度循环的任何材料制成。适当材料的范例为Si(优选具有氧化壁)或陶瓷。
在备选实施例中，图5的预先形成的分隔壁335可以包括用作晶体生长期间最终分隔壁的占位材料的前体材料。在生长转换材料之后，可以通过例如蚀刻去除这种前体材料。在所得到的空隙中可以沉积与晶体机械/化学技术指标兼容的任何其他材料以构成最终的分隔壁。
对所述辐射探测器进行单像素结构化能够实现小像素的好处，同时避免电荷共享导致性能下降。在用于谱CT的直接转换器中时，包括上述种类的转换器元件的辐射探测器特别有益。然而，从预定义像素结构受益的任何其他应用或材料也可以使用本发明。
最后应当指出的是，在本申请中，“包括”一词不排除其他元件或步骤的存在，“一”或“一个”并不排除多个，并且单个处理器或其他单元可以实现若干装置的功能。本发明体现在每个新颖的特征要素和特征要素的每种组合中。此外，权利要求中的附图标记不应被视为对其范围构成限制。

Claims (13)

1.一种用于辐射探测器（1100）的转换器元件（100、200、300），包括
a）包含转换材料的至少两个转换元（131、231、331），其用于将入射电磁辐射（X）转换成电信号；
b）置于所述转换元之间并通过材料结合到所述转换元的至少一个分隔壁（135、235、335），
其特征在于所述至少两个转换元（231）彼此部分直接接触。
2.根据权利要求1所述的转换器元件（100、200、300），
其特征在于所述转换材料包括CdTe、CdZnTe、Si和/或GaAs。
3.根据权利要求1所述的转换器元件（100、200、300），
其特征在于所述转换元（131、231、331）具有大致为圆柱形或长方体形式，基底面积为大约0.01mm2到1mm2和/或厚度小于1mm。
4.根据权利要求1所述的转换器元件（100、200、300），
其特征在于其包括多个转换元（131、231、331）的一维结构或二维结构，在所述转换元之间具有分隔壁（135、235、335）。
5.根据权利要求1所述的转换器元件（100、200、300），
其特征在于所述分隔壁（135、235、335）是电绝缘的。
6.根据权利要求1所述的转换器元件（100、200、300），
其特征在于所述分隔壁（135、235、335）的材料包括半导体或陶瓷材料。
7.根据权利要求6所述的转换器元件（100、200、300），
其特征在于所述半导体具有氧化表面。
8.根据权利要求6或7所述的转换器元件（100、200、300），
其特征在于所述半导体为Si。
9.根据权利要求1所述的转换器元件（100、200、300），
其特征在于所述转换元（131、231、331）单独连接到第一侧上的第一电极（120、220）。
10.根据权利要求1所述的转换器元件（100、200、300），
其特征在于所述转换元（131、231、331）连接到第二侧上的公共第二电极（110、210）。
11.一种辐射探测器（1100），包括根据权利要求1所述的转换器元件（100、200、300）。
12.一种成像系统（1000），包括根据权利要求11所述的辐射探测器（1100）。
13.根据权利要求12所述的成像系统（1000），其中，所述成像系统是谱CT扫描器。
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