CN103261914A - 直接转换x射线探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种辐射探测器（100），包括：转换器元件（102），用于将入射高能辐射（X）转换为电荷信号。阴极（101）和阳极（103）的阵列（104）布置在所述转换器元件（102）的不同侧上，用于在所述转换器元件（102）内生成电场（E₀，E_d）。所述电场（E₀，E_d）的强度相对于远离所述阳极阵列（104）的第二区域（R₀），在所述阳极阵列（104）附近的第一区域（R_d）中增大。该增大可以通过对第一区域（R_d）掺杂电子受主来实现。第一区域（R_d）中的增大的场强度有利地影响入射辐射生成的电荷脉冲的锐度。

Description

直接转换X射线探测器

技术领域

本发明涉及用于探测高能辐射的探测器、包括该辐射探测器的检查设备、以及用于制造该辐射探测器的方法。

背景技术

根据US5821539A1，已知一种辐射探测器包括直接转换材料，其中，辐射高能辐射转换为可移动电荷（电子和空穴）。为了去除已经捕获于转换器材料中的电荷，除常规阴极和阳极外，附加地设置“注入电极”。据说电极材料的金属可以扩散到相邻的转换器材料中，从而在其中生成负的掺杂。

发明内容

基于此背景，本发明的目的是提供容许以提高的可靠性来探测高能辐射的构件。

此目的通过根据权利要求1的辐射探测器、根据权利要求12的设备、以及根据权利要求13的制造方法实现。优选实施例公开于从属权利要求中。

根据其第一方面，本发明涉及一种用于高能辐射的探测的辐射探测器，即用于能量高于约100eV的（X射线或γ-）光子的探测的辐射探测器。辐射探测器包括以下部件：

a）“转换器元件”，用于将入射高能辐射转换为电荷信号，例如转换为所述转换器材料的导带和相应价带中的电子-空穴对。

b）布置在所述转换器元件的不同侧上，特别是在其相对侧上，的至少第一电极和具有第二电极的至少一个阵列。第一电极以下将称为“阴极”，且第二电极以下将称为“阳极”，参考它们用以操作的典型的相对电压。然而，这些术语将不排除其它操作模式，即“阳极”与“阴极”之间的任何任意电压/极性的施加将包括在本发明中。此外，“阳极的阵列”可以包括，作为极端情况，仅单个阳极，然而其典型地由多个分开的阳极构成。当电压施加于阴极和阳极时（优选地，在阴极与所述阵列的每一个阳极之间相同的电压），阴极和阳极能够在转换器元件中生成电场。

此外，转换器元件将设计有空间不均匀性，借助于所述空间不均匀性，前述电场的强度在所述阳极阵列附近的第一区域中增大和/或在远离所述阳极阵列的第二区域中减小。能够以另外的话如下解释此特征：如果转换器元件是均匀的，则施加于阴极与阳极阵列之间的电压将在由转换器元件填充的体积内导致“标准”电场。通过以根据本发明的具有不均匀设计的转换器元件替换此均匀转换器元件，“标准”电场在第一区域中增大和/或在第二区域中减小。

转换器元件的不均匀性可以特别关系到其（化学）组成，但是也关系到其形状；转换器元件可以例如包括影响电场分布的腔。最优选地，场强受到影响，使得其在第一区域中比在第二区域中高。

描述的辐射探测器涉及用于高能辐射的探测的方法，该方法包括以下步骤：

a）在阴极与阳极阵列的阳极之间施加电压，其中，所述阴极和所述阵列布置在转换器元件的不同侧上。

b）影响由前述电压导致的电场，以变得不均匀，特别是电场在阳极阵列附近的第一区域中增大和/或在远离阳极阵列的第二区域中减小。

c）将转换器元件内的入射高能辐射转换为电荷信号。

描述的辐射探测器和方法利用转换器元件中的电场强度，该电场强度在阳极阵列附近增大和/或在远离它的地方降低。检查示出了这对能够用以探测入射高能光子的精度具有正面影响。特别是，该光子生成的电荷脉冲是尖锐的（sharpened），从而当探测器用于脉冲计数时，容许对单脉冲的更可靠的探测和增大的最大计数率，如以下更详细地描述的。

在辐射探测器的典型实施例中，每一个单个阴极与包括多个阳极的（常规或非常规）阵列成对。于是能够分开地读出到达阵列的不同阳极的电荷信号，这容许对入射辐射的空间分辨的探测。

阴极和阳极的阵列将优选地覆盖基本相同大小的面积。从而，能够实现典型的设计，其中转换器元件夹置于单个（大）阴极与（小）阳极的阵列之间。通常，该设计将在转换器元件内导致完全均匀的电场。在本发明的上下文中，然而，通过增大阳极阵列附近的场强和/或减小远离阵列的地方的场强，此均匀性被打破。

在本发明的另一实施例中，由阴极与阳极阵列之间的电压在转换器元件中生成的电场基本垂直于阴极和/或阳极阵列。当阴极和具有相等大小的阳极阵列布置在立方形转换器元件的相对侧上时，该电场例如生成于前述夹置设置中。此外，此实施例示出了本发明主要不是关系到电场的方向的改变，而是关系到其幅度的更改。

优选地，由阴极与阳极阵列之间的电压在转换器元件中生成的电场垂直于分别由阴极和阳极限定的平面延伸。换句话说，电场在平行于阴极或阳极阵列的平面内将是一致的。

在优选实施例中，阳极阵列附近的第一区域基本覆盖阳极加权电位的“相关”区。考虑的阳极的“加权电位”是标准化的电位（由阳极的电位标准化），如果使所述阳极处于给定的高电位（例如1），而所有其它电极（阴极和阵列的其它电极，如果存在的话）保持在地电位（比较J.D.Eskin,H.H.Barrett和H.B.Barber:“Signals induced in semiconductor gamma-ray imagingdetectors”,Journal of Applied Physics85(2),647-659,1999）。根据定义，加权电位是无量纲的（dimensionless）并且从而在像素阳极处为1，并且在所有其它电极处为0。我们将考虑的阳极的“加权电位的相关区”定义为其中加权电位高于0.5，优选地高于0.1，的区域。如以下将更详细地解释的，增大加权电位的所述区中的电场强度能够对由辐射探测器生成的电脉冲产生正影响。

根据本发明，通过无源构件，即通过转换器元件的合适设计，来实现转换器元件的第一区域和/或第二区域中的电场强度的更改。此设计可以特别是包括转换器元件的化学组成。在本发明的优选实施例中，转换器元件包括例如（均匀）基底，该基底非均匀掺杂有至少一种掺杂剂。

前述掺杂剂的浓度可以特别是在阳极阵列附近的第一区域中比远离阳极阵列的第二区域中高。替代地，掺杂剂的浓度可以在远离阳极阵列的第二区域中比此阵列附近的第一区域中高。

掺杂剂的浓度可以优选地在第一区域和/或第二区域中是均匀的。此外，第一或第二区域中的掺杂剂的浓度可以特别是零，意指有效地仅对第一和第二区域之一进行掺杂。

在优选实施例中，提到的掺杂剂可以是电子-受主（即，p掺杂）。以该电子受主对阳极阵列附近的第一区域进行掺杂在辐射探测器的操作期间导致此第一区域中的负空间电荷的积累，这增大了电场的局部强度。然而，本发明也包括掺杂剂可以为施主（即n掺杂）的情况。如果像素电极意在收集空穴而不是电子，即像素电极的阵列是阴极的阵列且相对的电子是阳极，则这是例如有用的。借助于正空间电荷，电场的强度在阴极的阵列附近增大。

掺杂剂可以特别是选自周期表的I、II、III、IV、V、VI和VII族的化学元素，例如锂（Li）、铍（Be）、硼（B）、碳（C）、氮（N）、氧（O）和氟（F）。

掺杂有掺杂剂的转换器元件的基底可以优选地包括选自由纯IV族元素构成的组的半导体材料（如硅（Si）、硒（Se）、或锗（Ge））、来自如下类型的半导体化合物：I-VII（如碘化钠（NaI））、II-VI（如碲化镉（CdTe）或碲化镉锌（Cd_xZn_1-xTe或CZT））、III-V（如砷化镓（GaAs）或IV-VI（如氧化铅（PbO））。最优选地，基底包括具有高X射线或γ射线吸收能力和高电荷迁移率的半导体，例如CdTe和CZT。

辐射探测器将通常包括用于读出在转换器元件中生成的电荷信号的读出单元。读出单元将典型地耦合至阴极和（逐个地）至阳极阵列的阳极。此外，读出单元优选地适于进行谱分辨的脉冲计数，即其能够对（单个）入射光子生成的电荷脉冲进行计数并且其能够确定这些脉冲的电荷积分，该电荷积分与入射光子的能量相关。谱分辨率和脉冲计数将特别是从根据本发明的辐射探测器中生成的有利脉冲形状获益。

本发明还涉及用于对具有辐射的对象（例如患者）的检查的检查设备，所述设备包括上述种类的辐射探测器。检查设备可以特别适用于作为行李探查设备、材料测试设备、材料科学分析设备、天文设备、或医学应用设备。检查设备可以尤其选自以下构成的组：X射线设备（例如荧光装置）、计算机断层摄影（CT）成像系统（最优选地为光子计数光谱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化断层摄影（Computerized Tomography，SPECT）成像系统。

此外，本发明涉及用于制造辐射探测器的方法，所述方法包括以下步骤：

a）提供适合于将高能辐射转换为电荷信号的基底。

b）对所述基底进行非均匀掺杂。

c）将阳极的阵列和阴极施加到所述基底的不同侧上。

利用上述方法，能够制造上述种类的辐射探测器。因此参考以上描述以得到关于此方法的细节、优点和修改的更多信息。例如，掺杂剂可以是电子受主，和/或其可以施加于阳极阵列附近的第一区域中。

附图说明

根据以下描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得明显，并且将参照以下描述的实施例阐述本发明的这些和其它方面。将借助于附图通过范例方式描述这些实施例，其中：

图1示意性地示出穿过根据现有技术的辐射探测器的横截面；

图2示意性地示出穿过根据本发明的辐射探测器的可比较横截面；

图3是示例根据图1和2的辐射探测器中的电场的幅度的图示；

图4是示例在根据图1和2的辐射探测器中获得的脉冲形状的图示。

具体实施方式

基于例如CdTe或CZT的直接转换器材料的用于X射线和伽玛辐射的能量分辨探测器能够有效地测量光子能量。图1示意性地示例了该常规直接转换辐射探测器10的侧视图。直接转换器探测器10包括“转换器元件”2，即半导体材料块，位于阴极1与阳极3的阵列4之间。通过读出单元5将（高）电压施加于这些电极。入射光子X产生若干电子/空穴对。其后，电子漂移至“底部”侧的阳极像素的阵列4，而空穴漂移至阴极1。重要的是需要注意，在电荷载流子的漂移期间，归因于电容耦合，电流已经感生到了像素阳极中（并且不是，如人们第一眼可能想到的，在电荷到达收集阳极处时）。像素阳极中的电流由读出单元5读出并评估。

由具有电荷q和穿过直接转换器的轨迹

的电荷载流子在像素j中生成的电流脉冲I_j(t)解析上由以下公式计算：

其中，

表示电荷位置

处的第j像素的加权电位的梯度（也称为加权场），且

表示电荷的速度向量（比较Eskin，以上）。该公式示出了，电流（即脉冲高度）越大，则加权电位的梯度越强（即，电荷越靠近阳极）。并且电荷移动越快。实际上，已知，一旦电子紧密接近阳极，则主要地电子对电流脉冲做贡献（“小像素效应”，比较Eskin，以上）。

除加权电位外，第二显著的量是与电子接近阳极一样快的电子的速度。其按下式强烈耦合至电子位置处的电场E：

$\stackrel{\stackrel{\·}{\→}}{r}\left(t\right)={\mathrm{\μ}}_e\·E\left(\stackrel{\→}{r}\right),$

其中，μ_e表示电子迁移率。

如图1中所示，探测器典型地内建于板式电容器几何机构中。这意指电场E沿z方向垂直于电极平面。在此情况下，能够简化以上公式，并且感生到第j个像素阳极中的电流I_j(t)由下式给出：

其中，r_z(t)表示电子轨迹的z坐标（或深度），并且E_z(r_z(t))表示电荷位置处电场的z分量。

典型地，目标是最高可能的最大计数率。最大计数率技术上受到电子脉冲的宽度的限制，因为在最大计数率附近，脉冲愈加彼此重叠（称为“堆积效应”）。较小的脉冲宽度减小堆积的发生并从而提供改善的谱性能。此外，较尖的脉冲（即，具有较低宽度但是较大脉冲高度）能够更可靠地被探测到，并且因此提高了谱分辨率。

因此提出优化转换器元件内的电场，特别是通过受主（即，p掺杂）的专用掺杂分布来优化。如果施加于阳极附近，则离化的受主将产生负空间电荷，这导致阳极附近增大的电场。结果，电子正好在进入阳极之前加速，其缩短了有效测得的峰宽度并增大了峰高度。

图2示例了根据以上原理设计的辐射探测器100。与图1中相同的部件由增大100的参考数字指示，并且不必再次被解释。

相对于图1的辐射探测器的本质差异是转换器元件102被在与阳极103的阵列104相邻延伸的第一区域R_d中p掺杂有电子受主，而远离阳极阵列的第二区域R₀保持未掺杂。第一区域R_d大致覆盖像素加权电位

的相关区（例如，量化为的区），而第二区域R₀覆盖转换器元件102的其余体积。掺杂的第一区域R_d中的带负电的掺杂剂原子将局部电场的强度增大至值E_d，其比阴极101附近的第二区域R₀中的电场强度E₀高。

在更详细的研究中，能够假定直接转换器元件102具有受主掺杂浓度ρ(z)。虽然可以设想各种掺杂分布，然而这里的讨论限制于矩形掺杂分布，其意指阴极侧上的第二区域R₀的体积未掺杂，而第一区域Rd的体积被以非常接近价带水平的受主水平均匀p掺杂。在室温，大多数受主是负离化的，而在漂移到永久电场中后，释放的自由空穴被去除。能够作为函数ρ(z)的积分容易地将得到的电场计算为：

$E\left(z\right)=E_1-\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}\underset{0}{\overset{z_{\mathrm{anode}}}{\∫}}\mathrm{\ρ}\left(z\right)\mathrm{dz}$

其中，ε₀ε_r是介电材料常数，在z＝0处是阴极的位置，在z＝z_anode处是阳极阵列的位置，并且E₁是积分常数。满足由阴极与阳极之间的电压V_bias限定的另外的边界条件，

$V_{\mathrm{bias}}=\underset{0}{\overset{z_{\mathrm{anode}}}{\∫}}E\left(z\right)\mathrm{dz},$

能够容易地推得得到的电场在未掺杂的体积R₀中仍然是均匀的，但是比在完全未掺杂的层中具有更低的绝对强度E₀。这示例于图3的图示中，图3示出了未掺杂的材料中的电场强度E（线“S”）和阳极附近包含均匀p掺杂的体积Rd的材料中的电场强度E（线“D”）。然而，在掺杂的层中，电场E线性增大。如果掺杂的体积延伸到对每一个像素都具有相对强的加权电位梯度的体积中，则这首先导致未掺杂的体积中的电子的较慢的漂移（这不麻烦，因为无能如何，在阳极中仅感生出可忽略的电流），但是其次导致阳极附近的电子的加速，这导致比对均匀电场获得的电流脉冲更尖的电流脉冲。这示例于图4中，图4示出了对应于图3的电场的电流脉冲形状。

本发明的途径能够施加于所有种类的能量分辨伽玛或X射线辐射探测器，即用于医学成像应用（如光谱X射线或光谱CT）、用于质量保证的工业成像应用、行李扫描、天文的探测器和用于科学目的的其它探测器。

最后，需要指出，在本申请中，术语“包括”不排除其它元件或步骤，“一”不排除多个，并且单个处理器或其它单元可以履行数个构件的功能。本发明在于每一个新颖的特征和特征的每一个组合。此外，权利要求中的参考符号不应视为限制它们的范围。

Claims (13)

1.一种辐射探测器（100），包括：

a）转换器元件（102），用于将入射高能辐射（X）转换为电荷信号；

b）布置在所述转换器元件的不同侧上的阳极（103）的阵列（104）和阴极（101），用于在所述转换器元件（102）中生成电场（E₀，E_d）；

其中，所述转换器元件（102）具有空间不均匀性，借助于所述空间不均匀性，所述电场（E₀，E_d）的强度在所述阳极阵列附近的第一区域（R_d）中增大和/或在远离所述阳极阵列的第二区域（R₀）中减小。

2.根据权利要求1所述的辐射探测器（100），

其特征在于，所述阴极（101）和所述阳极阵列（104）覆盖基本相同大小的面积。

3.根据权利要求1所述的辐射探测器（100），

其特征在于，所述电场（E₀，E_d）基本垂直于由所述阴极（101）和/或所述阳极阵列（104）限定的平面指向。

4.根据权利要求1所述的辐射探测器（100），

其特征在于，所述电场（E₀，E_d）的绝对值具有非零梯度，所述非零梯度垂直于由所述阴极（101）和/或所述阳极阵列（104）限定的平面。

5.根据权利要求1所述的辐射探测器（100），

其特征在于，所述第一区域（R_d）基本覆盖通过电荷移动来感生电流脉冲的基本部分的每一个像素加权电位（

）的相关区。

6.根据权利要求1所述的辐射探测器（100），

其特征在于，所述转换器元件（102）包括非均匀掺杂有至少一种掺杂剂的基底。

7.根据权利要求6所述的辐射探测器（100），

其特征在于，所述阳极阵列（104）附近的所述第一区域（R_d）中的所述掺杂剂的浓度大于所述第二区域（R₀）中的所述掺杂剂的浓度。

8.根据权利要求6所述的辐射探测器（100），

其特征在于，所述掺杂剂的浓度在所述第一区域（R_d）中均匀和/或在所述第二区域（R₀）中为零。

9.根据权利要求6所述的辐射探测器（100），

其特征在于，所述掺杂剂是电子受主。

10.根据权利要求6所述的辐射探测器（100），

其特征在于，所述转换器元件（102）的所述基底包括选自Si、Ge、Se、GaAs、CdTe、CZT和PbO构成的组的材料。

11.根据权利要求1所述的辐射探测器（100），

其特征在于，所述辐射探测器包括读出单元（105），用于读出在所述转换器元件（102）中生成的电荷信号。

12.一种检查设备，特别是光子计数能量分辨的X射线设备或CT扫描仪，包括根据权利要求1所述的辐射探测器（100）。

13.一种用于制造辐射探测器（100）的方法，所述辐射探测器（100）特别是根据权利要求1所述的辐射探测器，所述方法包括以下步骤：

a）提供能够将高能辐射（X）转换为电荷信号的基底（102）；

b）对所述基底进行非均匀掺杂；

c）将阳极（103）的阵列（104）和阴极（101）施加到所述基底的不同侧上。

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