CN103917897A - 具有电荷排斥段间隙的辐射敏感探测器设备 - Google Patents

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Abstract

在诸如直接转换探测器的辐射敏感探测器设备中，电荷在外加电场内向收集电极(4)漂移，所述收集电极(4)是分段的(例如表示像素阵列)。在段之间的间隙处，电场线可能离开所述探测器，并且沿那些场线漂移的电荷可能被捕获在所述间隙内。这可以通过将电场线推回到所述直接转换材料外部电极(8)来避免。

Description

具有电荷排斥段间隙的辐射敏感探测器设备
技术领域
本申请大体涉及成像系统，用于探测辐射的方法，以及具有用于空间分辨的分段电极图样的辐射敏感探测器设备。
背景技术
医学或其他成像系统可以包括间接转换(闪烁体/光传感器)探测器的阵列，例如硫氧化钆(GOS)探测器；或直接转换探测器，例如碲锌镉(CZT)探测器或碲化镉(CdTe)探测器。在具有单层的直接转换探测器中，偏压在大的负电压的公共阴极电极定位于探测器层的一侧上。偏压在接地或接近接地的像素化阳极定位于所述层的另一侧上。来自阳极像素的信号被路由通过衬底和/或电路板到达读出电子器件。碲化镉(CdTe)和碲锌镉(CZT)包括具有高阻止能力(例如X射线衰减)但低迁移率和长电荷传输时间的半导体材料。例如，具有1.0到5.0mm厚度的CZT或CdTe单层直接转换探测器典型地在约一百万到一千万计数每秒每平方毫米饱和。硅(Si)和砷化镓(GaAs)包括具有高迁移率和短电荷传输时间但是低X射线阻止能力(例如X射线衰减)的半导体材料。
作为范例，辐射敏感半导体衬底可以被划分成多个行的探测器元件和多个列的探测器元件，以形成探测器元件的二维阵列。每个探测器元件均与相应的电触头相关联，用于将相应的电信号转移到读出衬底，所述读出衬底继而包括用于将所述电信号从所述探测器转移的电触头。在基于CZT的探测器中，所述CZT辐射敏感半导体衬底上的电触头可以为(Au)、铂(Pt)或铟(In)，取决于所述探测器的制造者和/或其他因素。
以上提及的基于直接转换材料的针对X射线和伽马辐射的能量分辨探测器已被证明是测量光子能量的有效方式。入射光子创建大量的电子/空穴对。此后，电子与空穴典型地在由电极供应的电场内沿不同方向漂移。在所述漂移过程期间，根据Shockley-Ramo定理，在被附接到探测器系统的每个电极上电容性地感生电流。
典型地，所述电极被分段成条带或像素的图样，以提供对创建所述电子/空穴云的交互事件的空间分辨。如在例如US5677539中所描述的，电极分段的另一原因为对仅一种电荷载体的改进的探测，由于较小的电极段具有相对低的面积，从而仅在所述电荷漂移在接近所述电极段附近时，才感生相关电流脉冲。然而，电场线可能在电极段之间的间隙处离开所述探测器晶体。沿循所述电场线的电荷(例如，电子)可能因此被捕获在所述表面相对长的时间，因此，它们不再贡献于要被测量的所述脉冲信号。该问题的一种解决方案是如在上面的US5677539中建议的转向电极的实现方式，其中，所述转向电极被置于所述探测器段之间的所述间隙内并且荷电，使得所述电场线总被向着所述收集(即，信号生成)电极引导。然而，该技术的所述实现方式在一些情况中是不可能的(因为需要额外的小型化或结构化)，或者要驱动所述转向电极所要求的电压感生偏置电流，其不利地影响噪声性质。
发明内容
本发明的目标是提供一种探测器设备和一种探测辐射的方法，借助于其，可以实现改进的成像性能。
该目标通过如在权利要求1中要求保护的探测器发射设备、如在权利要求9中要求保护的制作方法，以及如在权利要求11中要求保护的成像系统，而得以实现。
因此，远端引导电极被提供并荷电，使得将在间隙部分处通常会离开所述探测器晶体的电场线被推回到所述探测器晶体，使得它们结束于收集电极的内侧上。由此可以防止对电荷的捕获，使得更多的电荷贡献于所述输出信号。
根据第一个方面，所述多个引导电极可以被置于连接层，所述连接层被提供用于连接所述电荷收集电极。这提供以下优点：所述引导电极可以被置于已有层上，使得可以通过简单地修改所述掩模过程增加它们。然而，注意到，所述引导电极可以被置于任意其他远端位置，例如在另一中间层处或不同于所述转换层的层内或在电路中，它们可以在其中履行它们将电场线推回到所述转换层的功能。
根据可以与所述第一个方面组合的第二个方面，所述电荷收集电极为用于电子收集的阳极或用于空穴收集的阴极。因此，可以针对具有两种电荷载体类型的转换层，实施所提出的解决方法。
根据可以与所述第一个方面和第二方面中的任意一个组合的第三个方面，所述电荷收集电极的所述图样限定用于将所述辐射转换成图像的像素阵列。所述改进的探测器因此可以被用作用于基于辐射的成像系统的探测器。
根据可以与所述第一至第三个方面中的任意一个组合的第四个方面，可以提供至少一个对电极，其被布置在所述转换层的第二表面处，所述第二表面与所述第一表面相对。在该情况中，对电极也可以形成具有中间间隙的预定图样，其中，所述外部引导电极中另外的一些可以被布置为防止电场线通过所述对电极的所述预定图样的所述间隙离开所述转换层。由此，可以针对在相对侧的间隙结构或所述转换层的表面达到相同的优点。
根据可以与所述第一至第四个方面中的任意一个组合的第五个方面，被提供在所述转换层与所述连接层之间的空间可以至少部分地被填充以胶粘物。这改善了所述设备的机械稳定性。在更具体的范例中，所述胶粘物可以仅被局部地置于所述间隙与所述引导电极之间，例如，使得所述胶粘物不接触所述电荷收集电极。由此，所述引导功能得以改进并且偏置电流得以改进。
根据可以与所述第一至第五个方面中的任意一个组合的第六个方面，向所述引导电极施加接近Ug＝U偏压·(d间隙/2+dg·εc/εg)/(dg/2+dc)的电压，其中U偏压指代被施加在所述电荷收集电极与通过其接收所述辐射的对电极之间的电压，d间隙指代所述电荷收集电极之间的间隙的宽度，dg指代所述引导电极被布置于其上的连接层与所述转换层之间的距离，εc指代所述转换层的相对介电常数，εg指代所述收集电极与所述引导电极之间的体积的相对介电常数，并且dc指代所述转换层的厚度。这提供以下优点：可以针对给定的探测器几何结构来优化被施加到引导电极的电压。
下文限定进一步有利的实施例。
附图说明
根据后文描述的实施例，本发明的这些以及其他方面将是显而易见的，并且本发明的这些以及其他方面将参考后文描述的实施例得以阐明。
在附图中：
图1示出了可以在其中实施本发明的医学成像系统的示意性框图；
图2示出了可以在其中实施本发明的辐射敏感探测器阵列的示意性透视图；
图3示出了受捕获问题影响的常规探测器设计的横截面视图；并且
图4示出了根据实施例的改进探测设计的横截面视图。
具体实施方式
现在基于辐射敏感直接转换探测器描述各个实施例。然而，注意到，本发明可以被应用于成像系统的任意类型的探测器，在其中电子/空穴对被生成并通过电场被收集。
示范性诊断设备包括X射线系统、单光子发射计算机断层摄影系统(SPCT)、超声系统、计算机断层摄影(CT)系统、正电子发射断层摄影(PET)系统，以及其他类型的成像系统。X射线源的示范性应用包括成像、医学、安检，以及工业检测应用。然而，本领域技术人员将认识到，示范性实现方式适用于与单片或其他多片配置一起使用。此外，示范性实施例可被用于对X射线的探测和转换。然而，本领域技术人员将进一步认识到，示范性实现方式可被用于对其他高频电磁能量和/或高频多色电磁能量，和/或其他种类的电离辐射(例如α或β粒子)的探测和转换。
图1示出了示意性成像系统，例如单光子发射计算机断层摄影(SPECT)系统100，包括至少一个辐射敏感探测器阵列110。如所描绘的，所图示的系统100包括两个辐射敏感探测器阵列1101和1102。所述辐射敏感探测器阵列1101和1102被设置为相对于彼此处于大致90至102度范围的角。预期其他数目的探测器阵列110以及它们之间的角度。所述辐射敏感探测器阵列1101和1102关于检查区域112旋转并且针对多个投影角度或视图采集投影。
在所图示的范例中，所述辐射敏感探测器阵列1101和1102为包括各种层的二维直接转换探测器阵列。这样的层可以包括辐射敏感层114、读出层116，以及中间层118。所述中间层118电气且物理地耦合辐射敏感层114和读出层116。辐射敏感层114可以包括具有至少一个电触点的CZT衬底，所述至少一个电触点由将孔粘附到CZT的材料形成的。此外，中间层118可以包括非常适合形成与所述CZT衬底上的所述电触点电互连的材料。
大体上，辐射敏感层114接收来自发生在检查区域112中的放射性核素衰变108的伽马辐射，并生成指示其的信号。所述信号通过中间层118被传送到读出层116。所述信号经由读出层116从探测器110输出。重建器120重建所述投影，以生成指示所探测的伽马辐射的体积图像数据。所述体积图像数据指示检查区域112。此外，计算机充当操作者控制台122。控制台122包括诸如监视器或显示器的人可读输出设备，以及诸如键盘和鼠标的输入设备。驻留于所述控制台上的软件允许操作者控制成像系统100并例如通过图形用户界面(GUI)与之交互。
诸如卧榻的对象支撑体124支撑检查区域112中的患者或其他对象。对象支撑体可以移动，从而在执行扫描程序时，相对于检查区域112引导对象。这可以包括与所述伽马辐射敏感探测器110的操作协调地，纵向移动对象支撑体124，使得对象可以根据期望的扫描轨迹，在多个纵向位置被扫描。
根据本实施例，提供直接转换器，转向电极的实现方式对于该直接转换器由于某些原因而不可能或不被期望，并且该直接转换器经受收集电极之间的间隙问题。建议设置额外的电极，不是在所述直接转换器晶体上，而是外连接件(例如，所述直接转换器被结合到其的插入器或电路)外部。所述电极荷电，使得将通常离开所述探测器晶体的电场线被推回到所述探测器晶体，从而它们结束于收集电极的内侧上。
图2示出了在图1中所示的探测器110的非限制性探测器的子部分。所述子部分包括CZT辐射敏感探测或转换衬底或层2、电荷收集电极4、焊料互连或焊球5、读出衬底或连接层7、第一电触头或电极6，以及导通8。导通8从第一电极6中的每个延伸，通过连接层7，到多个第二电触头或电极8中相应的一个，由此提供第一电触头6与第二电触头9之间的电气通路。由辐射转换层2的电荷收集电极4产生的所述电信号可以被从探测器110的所述探测器阵列转移通过所述第一电极6和第二电极9。在该范例中，所述探测器阵列包括多个行和多个列的探测器元件或段，以形成探测器110的二维探测器阵列，例如其对应于所探测的图像的像素阵列。要认识到，探测器110可以与一个或多个其他探测器阵列拼贴，以增大探测器110的探测表面。
图3示出了探测器阵列的常用或常规设计的横截面视图，其经受电场线通过收集电极段之间的间隙离开所述探测器的问题。注意到，在图3中，图2的探测器堆叠被倒装，使得转换层2被示于上侧，额外的连续对电极1被置于转换层2的上方，来自图1的检查区域112的所述辐射通过其而入射。转换层2可以由直接转换晶体制成，例如CZT。焊球5被提供为将电荷收集电极4中的每个与第一电极6中相应的一个连接，其中第一电极6充当连接层7上针对焊球5的接触垫，其例如可以为插入器或电路。出于简洁和简要的目的，在图3中未示出图2的其余部件。
电压被施加在对电极1与电荷收集电极4之间，从而——如在图3中所示——上部连续电极1与电荷收集电极4之间的电场线3a中的大部分都结束于电荷收集电极4中的一个上的转换层2的“内侧”。然而，在电荷收集电极4之间的间隙的区域中，一些电场线3b离开转换层2，并结束于电荷收集电极4中的一个上的转换层2的“外侧”或某些其他地方。
图4示出了根据一实施例的改进的探测器设计的横截面视图。所提出的探测器的设计适于防止电场线离开所述探测器，因为它们被“推回”到转换层2。为了实现该目的，提供额外的引导电极8，其推动图3的电场线，以表现得向图4中所示的电场线3c，并且不再离开转换层2。
根据第一个实施例，额外的引导电极8不是被置于所述探测器晶体上，而是在通常被用于连接电荷收集电极4的连接层7上。引导电极8通过具有与意图被电荷收集电极4收集的电荷符号相同的电势而荷电。在其中测量电子的信号的典型探测器中，引导电极8将荷负电，以排斥电子。取决于引导电极8的电压，引导电极8中缺乏的电场线3b将离开转换层2，被所述电势“排斥”，使得理想地没有电场线通过电荷收集电极4之间的所述间隙离开转换层2。结果，在图3的情况中将沿循场线3b并被捕获在所述间隙处的电子或空穴，现在将沿循图4中的任意场线，使得它们被电荷收集电极4收集，与它们是在转换层2的体积内侧的哪里生成的无关。
取决于被施加在对电极1与电荷收集电极4之间的所述电压，电荷收集电极4可以充当阳极(用于电子收集)或充当阴极(用于空穴收集)。
此外，电荷收集电极4的分段不需要为像素阵列。任意形状和图样都是可能的，例如条带。
在第二个实施例中，连续电极1也可以向电荷收集电极4那样是分段的。那么，可以在转换层2的相对侧提供类似的引导电极8，以使所述电场线保持在转换层2中。
作为另一种选择，转换层2与连接层7之间的空间可以被填充以空气，但更优选地被填充以任意种类的胶粘物，以得到更加机械稳定的设备。所述胶粘物应被选择为具有相对低的电导率，并且应被仅局部地置于所述间隙与引导电极8之间。在一个范利中，所述胶粘物应被置为使得不接触收集电极4，并因此提供对电场线的最佳“引导”，并使电荷收集电极4与引导电极之间可能的偏置电流最小化。
额外地，连接层7可以被配置为提供足够的电阻，以避免第一电极6与引导电极8之间的显著偏置电流。
此外，可以取决于几何结构，选择被施加到引导电极8的推动或排斥电压，所述几何结构即以下中的至少一个：电荷收集电极4之间的间隙大小(例如像素间隙大小)、转换层2与连接层7之间的距离、转换层2的厚度、所用的材料的相对介电常数，以及对电极1的电压。
根据第三个实施例，其中，转换层2的探测器材料以及转换层2与连接层7之间的填充胶粘物具有可比的相对介电常数，并且间隙宽度以及转换层2与连接层7之间的距离与转换层2的厚度相比是小的，可以大致上根据以下等式设置被施加到引导电极8的电压Ug：
Ug＝U偏压·(d间隙2+dg·εcεg)(d间隙2+dc)
其中U偏压指代被施加在(一个或多个)对电极1与电荷收集电极4之间的电压，d间隙指代所述相邻收集电极4之间的间隙的宽度，dg指代转换层2与连接层7之间的距离，εc指代转换层材料的相对介电常数，εg指代转换层2与连接层7之间的体积的相对介电常数，并且dc指代转换层2的厚度。在实际范例中，典型的值可以为U偏压＝900V、d间隙＝100μm、dg＝30μm、εc＝10、εg＝4并且dc＝3mm，这将得到引导电极电压Ug＝37V。
总结，已描述了诸如直接转换探测器的辐射敏感探测器设备，以及探测辐射的方法，其中，电荷在外加电场内向着收集电极漂移，所述收集电极是分段的(例如，代表像素阵列)。在段之间的间隙处，电场线可以离开所述探测器，并且沿那些场线漂移的电荷可以被捕获在所述间隙内。通过增加外部或远端引导电极避免了该现象，所述引导电极将电场线推回到所述直接转换材料中。
尽管已在附图和前文的描述中详细图示并描述了本发明，但是要将这种图示和描述视为示例性或示范性的而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例，并且适用于在其中电子/空穴对被生成并通过电场被收集的所有种类的探测器。所述引导电极可以为任何形状，并且可以提供在远离所述转换层的各种位置处，以提供对抗否则将离开所述转换层的电场线的推动功能。它们可以被提供在中间层中，或所述连接层内或其他侧上，或所述探测器的电路上。
此外，本领域技术人员根据对附图、公开内容以及所附权利要求书的研究，在实践要求保护的本发明时，可以理解并实现对所公开实施例的其他变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且定语“一”或“一个”不排除复数。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但这并不指示不能有利地组合这些措施。权利要求书中的任意附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (12)

1.一种用于探测辐射的探测器设备，包括：
a.转换层(2)，其用于将入射辐射转换成电荷；
b.多个电荷收集电极(4)，其被布置在所述转换层(2)的第一表面，并且适于收集在所述转换层(2)中生成的电荷，所述电荷收集电极形成具有中间间隙的预定图样；以及
c.多个外部引导电极(8)，其被置于远离所述转换层(2)处并且被连接到与要由所述电荷收集电极(4)收集的所述电荷具有相同符号的电势，所述外部引导电极(8)被布置为防止电场线通过所述间隙离开所述转换层(2)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个引导电极(8)被置于连接层(7)上，所述连接层被提供用于连接所述电荷收集电极(4)。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电荷收集电极(4)为用于电子收集的阳极或用于空穴收集的阴极。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电荷收集电极(4)的所述图样限定用于将所述辐射转换成图像的像素阵列。
5.根据权利要求1所述的设备，还包括被布置在所述转换层(2)的第二表面的至少一个对电极(1)，所述第二表面与所述第一表面相对。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述对电极(1)形成具有中间间隙的预定图样，并且其中，所述外部引导电极(8)中的另外的电极被布置为防止电场线通过所述对电极(1)的所述预定图样的所述间隙离开所述转换层(2)。
7.根据权利要求2所述的设备，其中，被提供在所述转换层(2)与所述连接层(7)之间的空间至少部分地被以胶粘物填充。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述胶粘物仅局部地被置为处于所述间隙与所述引导电极(8)之间。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述胶粘物被布置为使得其不接触所述电荷收集电极(4)。
10.一种探测辐射的方法，所述方法包括：
a.通过使用转换层(2)将入射辐射转换成电荷；
b.通过使用具有中间间隙的电极(4)的图样，收集在所述转换层(2)中生成的电荷；并且
c.将多个外部引导电极(8)连接到与要由所述电荷收集电极(4)收集的所述电荷具有相同符号的电势，所述外部引导电极(8)以防止电场线通过所述间隙离开所述转换层(2)的方式，被置于远离所述转换层(2)处。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括向所述引导电极(8)施加电压Ug＝U偏压·(d间隙/2+dg·εc/εg)/(dg/2+dc)，其中，U偏压指代被施加在所述电荷收集电极(4)与通过其接收所述辐射的对电极(1)之间的电压，d间隙指代所述电荷收集电极(4)之间的所述间隙的宽度，dg指代所述引导电极(8)被布置于其上的连接层(7)与所述转换层(2)之间的距离，εc指代所述转换层(2)的相对介电常数，εg指代所述收集电极(4)与所述引导电极(8)之间的层中的相对介电常数，并且dc指代所述转换层(2)的厚度。
12.一种包括根据权利要求1所述的用于探测辐射的探测器设备的成像系统。
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