CN103261913A

CN103261913A - 带有光探测器的辐射探测器

Info

Publication number: CN103261913A
Application number: CN2011800596014A
Authority: CN
Inventors: G·福格特米尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2031-12-12
Also published as: BR112013014570A2; RU2013132539A; EP2652525A2; EP2652525B1; WO2012080927A3; US9354328B2; US20130256538A1; WO2012080927A2; RU2581721C2; CN103261913B

Abstract

本发明涉及辐射探测器（100），包括闪烁体组，所述闪烁体组具有例如两个闪烁体元件（120a、120b）用于根据特征发射光谱将入射初级光子（X，X’）转换成次级光子（λ，λ'）。此外，所述探测器包括至少两个光探测器（120a、120b）用于将所述次级光子转换成电信号，其中所述光探测器具有不同的吸收光谱并且能被分别读出。根据本发明的优选实施例，所述光探测器为有机光探测器（120a、120b）。所述闪烁体元件（120a、120b）和所述光探测器优选为一个接一个地堆叠布置。由于所述至少两个光探测器（120a、120b），可以收集有关入射初级辐射（X，X’）的额外的信息。

Description

带有光探测器的辐射探测器

技术领域

本发明涉及一种用于探测高能光子的辐射探测器，所述辐射探测器包括闪烁体和光探测器。此外，本发明还涉及带有这种辐射探测器的检查装置。

背景技术

用于入射γ射线或X射线的探测的辐射探测器尤其被用在医学成像应用中，例如X射线CT扫描器中。根据US2008/142721Al，已知一种特别的辐射探测器，其包括闪烁体材料，在所述闪烁体材料中，入射的X射线被转换成（可见）光，其中所述光然后被有机光探测器探测到。所述有机光探测器被用作对常规的非有机半导体光探测器的成本效益型替代品。

发明内容

鉴于该背景，本发明的目的是提供用于探测辐射的替代手段，所述手段优选具有对辐射特性的改进的辨别力。

通过根据权利要求1的辐射探测器以及根据权利要求13的装置实现该目的。在从属权利要求中公开优选实施例。

根据其第一方面，本发明涉及一种用于入射高能辐射的探测的辐射探测器，所述入射高能辐射例如为能量高于约100eV的（X射线或γ射线）光子。所述探测器包括以下部件：

a）包括至少一个闪烁体元件的闪烁体组，其中所述组（以及所述元件）用于根据特征发射光谱将入射辐射的初级光子转换成次级光子。关于所用的术语，“闪烁体元件”应指代空间上和/或物理上唯一的、一件部件，而“闪烁体组”可以包括可以位于不同位置的多个这样的部件。如本领域技术人员已知的，闪烁体元件中生成的次级光子的波长主要取决于所述闪烁体材料，而所生成的次级光子的数目（即，强度）与入射的初级光子所沉积的能量有关。对于许多已知的闪烁体材料，所述次级光子将来自可见光谱或相邻的UV或IR区域。

b）至少两个光探测器，用于将前文提及的次级光子转换成电信号的，其中所述光探测器具有不同的吸收光谱并且能被分别读出。光探测器的“吸收光谱”描述（次级）光子取决于该光子的波长而被吸收的概率。此外，读出所述光探测器包括，例如在电压所施加到的电极的帮助下，对在其中生成的所述电信号的探测。

通过使用具有不同的吸收光谱的至少两个光探测器，所描述的辐射探测器允许收集有关入射的初级光子的更多信息。这将在下文中参考本发明的优选实施例更详细地进行解释。

根据本发明的一个优选实施例，所述闪烁体组的总体发射光谱包括至少两个峰。次级光子在峰值波长处的相对强度则可以提供有关所述入射辐射的额外的信息，例如有关所述初级光子的能量（波长）。

在对前文提及的实施例的进一步发展中，相对于发射光谱的所述峰中不同的那些，对不同光探测器的吸收光谱进行优化。一个光探测器的转换效率和/或吸收系数可以，例如针对具有第一闪烁体发射峰的波长的次级光子为最大，而另一光探测器的转换效率针对来自第二发射峰的次级光子为最大。然后，来自这种光探测器的电信号将允许推断对应的次级光子的（可能的）波长，其继而提供有关对应的初级光子的信息。

所述光探测器可以优选地被实现为有机光探测器。如本领域技术人员已知的，有机光探测器包括具有有机材料的至少一个区域或层，所述有机材料能够通过吸收入射光子生成可移动的电荷（典型为电子-空穴对）。然后可以由被施加适当电压的电极探测所生成的电荷。有机光探测器的优点在于，它们能够成本效率地进行生产。此外，它们的吸收特性可以，例如通过使用不同有机材料的适当混合物，在很大程度上进行调整。这允许例如前文提及的在所述闪烁体组的发射峰方面的优化。

前文提及的有机光探测器一般可以包括适于吸收入射（次级）光子并将它们转换成电信号，和/或能够作为空穴或电子运输材料或者作为掺杂物支持该过程的任何有机材料。作为范例，有机光探测器可以包括至少一种从包含以下的组中选择的有机材料：

-PEDOT（聚(3,4-乙烯二氧噻吩)），

-PSS（聚苯乙烯磺酸酯），

-P3HT（聚3-己基噻吩），

-PCBM（6,6-苯基C61-丁酸甲酯），

-C60，

-ZnPc（酞菁锌），

-MeO-TPD（N,N,N',N'-四(4-甲氧基苯基)-联苯胺），

-p-NPB（N,N'-二(萘基)-N,N'-二苯基-1,1'-联苯-4,4'-二胺），

-TTN，

-F₄TCNQ（2,3,5,6-四氟-7,7,8,8-四氰基苯醌二甲烷），

-DCV5T（二(2,2-二氰乙烯基)-五噻吩），

-上述物质的衍生物或变型。

另外的合适的有机材料可以在文献中找到（例如，Ch.J.Brabec等人，“塑料太阳电池（Plastic Solar Cells）”，Adv.Funct.Matter，2001，11，No.l，15-26页）。

所述闪烁体组和所述（一个或多个）闪烁体元件一般可以包括能够以期望效率将在感兴趣的能量范围的入射初级光子转换成次级光子的任何材料。例如，所述闪烁体组或（一个或多个）元件包括至少一种从包含CsI、GOS（Gd₂O₂S）、CWO（CdWO₄）和SrI₂的组中选择的材料。

根据本发明的另一实施例，所述闪烁体组包括具有不同发射光谱的至少两种材料。这样的两种或更多种闪烁体材料的组合能够，例如被用于提供上文提及的具有至少两个峰的发射特性。通过使用合适相对量的闪烁体材料，可以在宽的范围内调节得到的发射光谱。

前文提及的实施例中，所述两种不同的闪烁体材料可以均匀分布在一个闪烁体元件中，只要在技术上是可行的（所述材料必须例如化学相容以允许混合）。然而在本发明的优选实施例中，所述不同的闪烁体材料还可以不均匀地分布在所述闪烁体组内和/或闪烁体元件内。所述闪烁体组（或单个闪烁体元件）的不同区域则将包括不同相对量的两种闪烁体材料，并且将因此具有不同的发射光谱。这可以被用于推断所述探测器内入射的初级光子被转换的位置，因为一个并且是同一个初级光子在所述不同的区域中将产生不同发射的次级光子。以此方式，有可能例如提高所述探测器的空间分辨率。

在前文提及的具有不均匀分布的不同闪烁体材料的实施例中，可能有（至少）一个给定方向，一种闪烁体材料的相对量沿所述方向单调增加。这样的闪烁体元件的局部发射光谱将因此沿该方向改变。闪烁体材料的相对量的增加将典型地为不连续的，对应于两块不同闪烁体材料之间的过度。如果可以混合两种闪烁体材料，则也可能会有一种闪烁体材料的浓度的连续增加（即，梯度）。

在优选的实施例中，前文提及的一种闪烁体材料的相对量沿其单调增加的方向可以基本上平行或垂直于初级光子的入射标称方向。所述“入射标称方向”由所述辐射探测器（连同其屏蔽元件、外壳，等）的设计来定义。其典型地对应于所述辐射探测器的最高敏感度的轴和/或所述辐射探测器的对称的轴。当使用具有相关联光探测器的闪烁体组的一维或二维阵列时，该阵列典型地垂直于所述“入射标称方向”布置。

如果一种闪烁体材料的相对量沿其单调增加的方向基本上平行于所述入射标称方向时，将有可能推断入射初级光子被转换成次级光子处的深度。由于相比较低能量初级光子，高能量初级光子通常将在探测器内更深处被转换，因此转换的深度可以提供有关所述初级光子的能量的额外的信息。如果所述方向基本上垂直于所述入射标称方向，得到的次级光子的发射将包括可以被用于提高所述辐射探测器的空间分辨率的信息。

所述闪烁体组可以优选包括至少两个具有不同发射光谱的闪烁体元件。如上文所解释的，这种闪烁体元件可以例如通过由不同的闪烁体材料构成它们来实现。

前文提及的具有不同发射光谱的闪烁体元件优选地在所述初级光子的入射标称方向中一个接一个地布置。由此形成闪烁体元件的堆叠，其中高能量的初级光子将典型地相比低能量光子在所述堆叠的更深处被转换。

根据另一实施例，所述光探测器在所述初级光子的入射标称方向中一个接一个地布置。在该堆叠布置中，每个所述光探测器生成针对得到的图像的同一空间位置的信号，即针对同一像素。所述光探测器的堆叠布置尤其可以与上文提及的堆叠布置的闪烁体元件组合。最优选地，每个光探测器被设置为最接近“其”闪烁体元件，即具有匹配发射光谱的闪烁体元件。

所述辐射探测器可以还任选地包括至少一个反射次级光子的反射层。最优选地，该反射层对于入射初级光子为透明的。所述反射层帮助避免次级光子的损失，并因此提高所述辐射探测器的敏感度。

根据另一实施例，所述辐射探测器包括带有电线的基底，用于接触所述光探测器。所述基底可以例如包括半导体材料，并且充当其他部件的机械载体。此外，所述基底可以任选地包括一些（简单）电路用于信号（预）处理。

本发明还涉及用于利用辐射对目标（例如，患者）进行检查的检查装置，所述装置包括上文描述的那种辐射探测器。所述检查装置尤其可以被用作行李检验装置、材料测试装置、材料科学分析装置，或者医学应用装置。所述检查装置特别可以从包括以下的组中选择：X射线装置（例如，荧光检查设备、光谱X射线装置）、计算机断层摄影（CT）成像系统（例如，光子技术和/或光谱CT成像系统）、相干散射计算机断层摄影（CSCT）成像系统、正电子发射断层摄影（PET）成像系统，以及单光子发射计算机断层摄影（SPECT）成像系统。应注意到，这些应用中的一些要求所述光探测器具有特定的特性（例如，它们在光子计数应用中足够快）。

附图说明

参考后文描述的（一个或多个）实施例，本发明的这些以及其他方面将变得明显，并得以阐明。将在附图的帮助下，以举例的方式描述这些实施例，附图中：

图1示意性示出根据本发明的第一实施例的辐射探测器的侧视图，其中层相对于基底对称布置；

图2示意性示出根据本发明的第二实施例的辐射探测器的侧视图，其中层被堆叠在基底之上。

相同的附图标记或以100的整数倍区别的标记在附图中指相同或相似的部件。

具体实施方式

图1示出根据本发明的第一实施例的辐射探测器100的示意性横截面。所述辐射探测器100用于入射X辐射的探测，所述入射X辐射在图中由较低能量的初级光子X和较高能量的初级光子X’表示。所述X辐射基本上平行于入射标称方向，所述入射标称方向对应于所述辐射探测器的观察方向（z方向）。

所述辐射探测器100包括由两个闪烁体元件120a和120b组成的闪烁体组，所述两个闪烁体元件120a和120b分别被布置在所述辐射探测器的顶部和底部。在所述闪烁体元件120a、120b中，所述入射初级光子X、X'与所述闪烁体材料相互作用，由此将它们的能量转换成（许多）次级光子λ、λ'的光亮。

在每个闪烁体元件120a、120b的右边，示意性地勾画出对应的发射光谱。其代表所生成的次级光子λ、λ'的强度I_a、I_b，所述强度不依赖于它们的波长λ。每个单个闪烁体元件120a和120b的发射光谱典型地分别在特征波长λ_a和λ_b具有一个较尖锐或较不尖锐的峰。这些峰的高度典型地取决于由所转换的初级光子所沉积的能量。

所述两个闪烁体元件120a、120b由不同的闪烁体材料构成。对应的发射光谱因此是不同的，具有在不同波长λ_a≠λ_b的发射峰。在上部闪烁体元件120a中被转换的初级光子X因此将生成分布在第一波长λ_a周围的次级光子λ，而在底部闪烁体元件120b中被转换的初级光子X'将生成分布在第二波长λ_b周围的二次光子λ’。

在上部闪烁体元件120a之下（参见入射标称方向）和下部闪烁体元件120b之上，所述辐射探测器100分别包括两个有机光探测器130a和130b。如本领域技术人员已知的，所述有机光探测器130a（130b）包括有机层131a（131b），入射次级光子λ（λ'）在所述有机层131a（131b）中被转换成电信号，尤其被转换成可移动电荷。所述有机材料例如可以包括PEDOT:PSS、P3HT:PCBM、ZnPc和/或C60，并且它们可以通过旋涂、刮刀，或喷涂来施用。两个电极132a和133a（132b、133b）被设置在所述有机层131a（131b）的相对侧上。当对它们施加电压时，所生成的电荷得以收集，并由此在将所述电极连接到读出单元140的线路中产生电（电荷）信号。可以评价该电信号，例如计数和/或积分，其中所述积分提供关于由所述入射初级光子X（Χ'）沉积的总能量的信息。

在每个光探测器130a、130b的右侧，示意性示出该有机光探测器的吸收光谱，其由取决于入射次级光子的波长λ的吸收系数μ_a、μ_b来表示（通常将所述吸收系数μ定义为常数，其根据公式I（z）=I₀exp(-μz)表征光强I（z）在通过所考虑材料行进距离z之后的指数递减）。所述两个光探测器130a、130b的所述吸收光谱是不同的，示出分别在不同波长λ_a和λ_b处的峰。因此，上部光探测器130a的吸收光谱匹配上部闪烁体元件120a的发射光谱，而下部光探测器130b的吸收光谱匹配下部闪烁体元件120b的发射光谱。连同闪烁体元件和光探测器的空间相邻，发射峰与吸收峰的这种匹配是上部光探测器130a主要探测源于上部闪烁体元件120a的次级光子λ，而下部光探测器130b主要探测源于下部闪烁体元件120b的次级光子λ’的原因。如果所述光探测器120a、120b的两个吸收光谱几乎没有或完全没有交叠和/或所述闪烁体元件120a、120b的发射光谱几乎没有或完全没有交叠，则该关联尤其紧密。

所述光探测器130a、130b被设置在基底110的相对侧上，所述基底110例如为像是硅的半导体材料。所述基底110充当机械载体，并且提供接触光探测器130a、130b的电极132a、133a、132b、133b的电线。光探测器与闪烁体元件的堆叠内的电线优选为透明的，以避免对次级光子λ、λ'的吸收。它们例如可以由ITO（氧化铟锡）制成。而且，所述基底110应当对于初级光子X、X'为透明的。

此外，可以优选地将反射层121a和121b分别设置在所述闪烁体元件130a和130b的外侧上，以将次级光子λ、λ'反射回所述探测器中。当然至少所述上部反射层121a应当对于初级光子X、X'为透明的。

图2示意性图示根据本发明第二实施例的辐射探测器200。相对于第一辐射探测器100的区别在于所有的部件都设置在基底210的一侧上。更具体地，所述辐射探测器200自上而下包括：

-第一反射层221a。

-具有第一发射光谱的第一闪烁体元件220a。

-具有不同于所述第一发射光谱的第二发射光谱的第二闪烁体元件220b。

-具有与所述第一发射光谱匹配的第一吸收光谱的第一光探测器230a。

-具有与所述第二发射光谱匹配的第二吸收光谱的第二光探测器230b。

-所述基底210。

-第二反射层221b（任选的）。

所提及的部件的功能基本上与图1中所述的第一辐射探测器的相同，并且因此将不再解释。

用于有机太阳电池和/或用于OLED的已知生产技术也可以在本发明的语境中应用。然而，应注意，图1和图2仅示出在x方向和y方向延伸的大阵列像素中的一个单元或像素。这样的阵列结构例如可以在印刷技术的帮助下，以及以使用掩膜和连接线阵列的（激光）结构形成技术来生产，其将根据材料堆叠以所要求的材料得到沉积。应当对不同材料的辐射硬化保持特别关注。

所述光探测器中使用的有机材料的重要优点是，在闪烁体组中使用在特定波长具有不同转换效率的不同转换材料的选项。因此有可能在X射线转换探测器系统中，以闪烁体材料的发射光谱优化光探测器材料的吸收光谱。通过使用为双层或者甚至三层结构的不同有机转换材料提高响应度，在所述双层或三层结构中，可以使用闪烁体的若干发射峰（针对多能量X射线）。利用所述探测器设计的测量针对专用波长显示出与硅稳压二极管相比更高的效率。

还应注意，所描述的实施例可以以多种方式修改。所述光探测器的所述电极232a、233a、233b（或132a、133a、132b、133b）例如可以布置在所述有机层的另一侧上，尤其是在它们的侧面上。此外，可以使用两种不同的闪烁体材料在一个闪烁体元件中的连续分布，来代替所述闪烁体材料在两个闪烁体元件220a、220b（120a、120b）中的完全独立。这样的连续分布尤其可以是非均匀的，并且例如具有一种材料在给定方向中的浓度梯度。

此外，可以有任意其他数目的闪烁体元件和/或光探测器。两个或更多个不同闪烁体元件和/或光探测器的布置可以额外地或可替换地在与入射标称方向垂直的方向（即，在x方向或y方向）进行。该情况中，不同的发射和/或吸收特性将提供有关入射初级光子X、X’的空间位置的额外信息。

综上，本发明涉及辐射探测器，包括具有例如两个闪烁体元件的闪烁体组，其用于根据特征发射光谱将入射初级光子转换成次级光子。此外，所述探测器包括用于将所述次级光子转换成电信号的至少两个光探测器，其中所述光探测器具有不同的吸收光谱并且能够被分别读出。根据本发明的优选实施例，所述光探测器为有机光探测器。所述闪烁体元件和所述光探测器优选一个接一个地堆叠布置。由于所述至少两个光探测器，可以收集有关入射初级辐射的额外信息。本发明的本质特征为不同光谱的匹配以及正确有机材料的选择，以形成具有高效率和低成本的优化的系统。这允许用于多重能量探测的堆叠设计。

最后指出，在本申请中，术语“包括”不排除其他元素或步骤，“一”不排除复数，并且单一处理器或其他单元可以实现几个器件的功能。本发明存在于每个新颖特性特征以及特性特征的每种组合中。此外，权利要求书中的附图标记不应被解读为限制它们的范围。

Claims

1.一种用于探测高能辐射（X、X’）的辐射探测器（100、200），包括：

-具有至少一个闪烁体元件（120a、120b、220a、220b）的闪烁体组，其用于根据特征发射光谱将入射辐射的初级光子（X、X'）转换成次级光子（λ、λ'）；

-至少两个光探测器（130a、130b、230a、230b），其用于将所述次级光子转换成电信号，其中，所述光探测器具有不同的吸收光谱并且能被分别读出。

2.根据权利要求1所述的辐射探测器（100、200），其特征在于，所述闪烁体组的所述发射光谱包括至少两个峰。

3.根据权利要求2所述的辐射探测器（100、200），其特征在于，针对所述发射光谱的不同的峰对不同的光探测器（130a、130b、230a、230b）的所述吸收光谱进行优化。

4.根据权利要求1所述的辐射探测器（100、200），其特征在于，所述光探测器为有机光探测器（130a、130b、230a、230b）。

5.根据权利要求4所述的辐射探测器（100、200），其特征在于，所述有机光探测器（130a、130b、230a、230b）中的至少一种包括从包含PEDOT、PSS、P3HT、PCBM、C60、ZnPc、MeO-TPD、p-NPB、TTN、F4TCNQ、DCV5T以及它们的衍生物或变型的组中选择的有机材料。

6.根据权利要求1所述的辐射探测器（100、200），其特征在于，所述闪烁体组包括至少一种从包含CsI、GOS、CWO和SrI₂的组中选择的材料。

7.根据权利要求1所述的辐射探测器（100、200），其特征在于，所述闪烁体组包括具有不同的发射光谱的至少两种材料。

8.根据权利要求1所述的辐射探测器（100、200），其特征在于，所述闪烁体组包括具有不同的发射光谱的至少两个闪烁体元件（120a、120b、220a、220b）。

9.根据权利要求8所述的辐射探测器（100、200），其特征在于，所述闪烁体元件（120a、120b、220a、220b）在所述初级光子（X、X’）的标称入射方向（z）中一个接一个地布置。

10.根据权利要求1所述的辐射探测器（100、200），其特征在于，所述光探测器（130a、130b、230a、230b）在所述初级光子（X、X’）的标称入射方向（z）中一个接一个地布置。

11.根据权利要求1所述的辐射探测器（100、200），其特征在于，其包括反射次级光子（λ、λ’）的至少一个反射层（121a、121b、221a、221b）。

12.根据权利要求1所述的辐射探测器（100、200），其特征在于，其包括带电线的基底（110、210），用于接触所述光探测器（130a、130b、230a、230b）。

13.一种检查装置，尤其是能量分辨CT扫描器或X-射线装置，包括根据权利要求1所述的辐射探测器（100、200）。