CN1047002C - 辐射探测系统、图形接收器及制作连续膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种辐射探测系统，包括探测辐射的多晶材料宽带隙半导体连续膜，所述多晶材料由许多结晶颗粒形成，其特征在于，所述颗粒被烧结在一起，形成一个单一的互相密合的连续膜。

Description

辐射探测系统、图形接收器及制作连续膜的方法
本发明涉及一种辐射探测系统，它包含一个探测辐射的多晶材料宽带隙半导体连续膜，还涉及制备其中用的所述连续膜的方法，以及成像系统所用的图形接收器，它包括薄的、由探测辐射的宽带隙半导体材料成的连续膜。
碘化汞(HgI2)、碲化镉(CdTe)、碲化镉锌(CdZnTe)、和碘化铅(PbI2)单晶都是公知的在室温条件下工作的宽带隙半导体X射线和γ辐射探测器。问题在于生产高质量单晶是非常昂贵的；在任何需要以较小面积的晶体覆盖较大面积的场合，就需要将它们排列成镶嵌结构形式，这反过来就加大了此种探测系统的成本。高熔点晶体，如CdTe和CdZnTe(下见表1)以及低熔点晶体，如PbI2的晶体生长成本是高的。因此，已经制出的只是尺寸非常小(≈10mm2)且非常薄(≈100μm)的晶体，这就降低了它们用于很大面积探测系统所用镶嵌结构的可能性。
直至今日，PbI2单晶技术尚处于1995年的情况，这些非常小的晶体仅用来制作低能探测器。
熔点最低的半导体材料HgI2另外的问题是：HgI2单晶从汽相制作，能切片出5×5cm2的探测器板的大晶体，其生长过程可能需要持续接近3个月的时间。另外，切片以及抛光加工操作要有60％材料的损耗。
上述各因素都会导致这些晶体以及由其制成之探测器的成本提高。
正如下面将进一步描述和示例的那样，本发明提出一种大的、可构造成任何所需尺寸及厚度的板的制品。
本发明还使辐射探测系统所用的多晶连续膜的制作成为可能。这里所用的术语“连续膜”用来表示上下电极间不可能短路。
具体地说，本发明提出一种辐射探测系统，它包括由许多晶体颗粒形成的探测辐射之多晶材料宽带隙半导体连续膜，其中所述各颗粒被烧结在一起，形成一个单一的互相密合的连续膜。
在本发明的优选实施例中，所述连续膜选自碘化汞(HgI2)、碲化镉(CdTe)、碲化镉锌(CdZnTe)、和碘化铅(PbI2)的膜。
因此，按照本发明，给出一种大面积的互相密合的连续半导体膜，其优选的而积在102cm2至104cm2之间，厚度在大约1-500μm之间，可部分或全部(50-100％)由1μm至5mm的结晶粒度尺寸构成。
本发明还提出一种制作这些膜的方法。具体地说，本发明提供一种制作探测辐射之多晶材料宽带隙半导体连续膜的方法，包括：(a)制备纯度至少为99.9999(6N)％的多晶粉末材料颗粒；(b)将所述颗粒材料沉积在导电基板上；(c)将所述多晶材料颗粒烧结在一起，形成一个单一的互相密合的连续膜。
在所述方法的优选实施例中，通过在大约100-300℃温度下在真空媒体中多次连续重复地蒸发，制备所述纯净的多晶粉末材料颗粒。
在本发明方法的第一种实施例中，将导电金属上板置于所述粉末的上面，再于温度大约100-220℃、压强大约100-5000Kg/cm2条件下对所得的组件加压。
在本发明方法的第二种实施例中，使步骤(a)的晶状粒料与有机粘合剂在溶剂中混合，然后沉积在所述基板上，继而在约为60-120℃条件下进行热处理。这种沉积的具体实施可通过在所述基板上喷涂、喷雾或印制而实现；在优选实施例中，沉积是通过掩膜印刷完成的。
在本发明方法的第三种实施例中，将所述步骤(a)的晶状粒料放在温度约为90-220℃真空室的热区内，而将所述导电基板放在所述真空室的LN2冷区内，从而使所述纯净的晶状粒料升华并沉积在所述基片上，并在大约50-100℃、有N2气存在的情况下，通过加热及热处理实现所述的熔融。
由本发明方法制成的膜可被用于各种辐射探测系统，如以半导体膜探测器为基础的能量分散X射线和γ射线成像系统。
虽然以下将要具体举例说明上述方法，但相信目前所称方法各种变形步骤(以下将把变形称为“热压”、“浆状沉积”和“汽相沉积”)的优选实施例之简要的一般性描述将更好地用于阐明本发明。1．热加压
这种方法包括以下步骤：
a)通过在100-200℃条件下，于玻璃管内并在由真空泵连续抽空情况下升华四次，纯化原始材料；在250-300℃条件下，熔融1小时至3天，并在密闭的玻璃管内升华。
b)选择基板，将其放入模具底部。所述基板可为玻璃、多晶氧化铝、或聚四氟乙烯，并需使其预先与金属电极连接，最好呈光刻沉积的细条带形状。作为选择，如果基板是诸如金、钯、硅或锗等金属的，则可将基板用为底部电极。
c)将已纯净的粉末放入步骤b)的基板顶部。
d)为防止受到钢制模具的上部压力冲击作用，将一钯或金的上板置于粉末上面。
e)对组件加压，使温度升高到大约100-200℃，并且在100-5000Kg/cm2压强条件下最少保持4小时。
f)完成之后，从模具取出HgI2板。上面的钯或金可用为电极；不过最好将它取去，而沉积其它的成细条状或连续膜的钯、金、碳、锗等电极。2．浆状沉积
这种方法包括以下步骤：
a)如热压方法的步骤(a)。
b)如热压方法的步骤(b)。
c)使已纯化的粉末与有机粘合剂在溶剂中混合，并通过喷涂、喷雾或印制沉积在带有底部电极的基板上。
d)使所述的板加热到60-120℃，并取出。
e)如热压方法的步骤(f)。3．汽相沉积
这种方法包括以下步骤：
a)如热压方法的步骤(a)。
b)将已纯化的HgI2置于真空室较热的区，处于90-220℃温度下。
c)如热压方法的步骤(b)那样，将所述基板和下电极置于真空室的LN2冷却的一端。
d)HgI2被升华并沉积在所述基板上。
e)在为避免HgI2相的再蒸发而对过程加N2气之后，进行加热并退火至50-100℃，历时30-60分钟。
f)除去所述的板。如热加压方法的步骤(f)那样，沉积上电极。
给所得到的可具有任何所需尺寸和厚度的探测器板覆盖上金属电极，可用作能量范围在6-660KeV的X射线和核辐射计数器。这种大尺寸的板尤其适于将其结合到大型X射线照相系统中，其中可将模拟光电辐射信号计数为数字信号，并在计算机化控制成像系统中使用，所述系统可存储所需的图形信息，还可被用于比如医疗方面的X射线胶片或其它成像系统应用中的替代品。因而，本发明提供一种廉价的大面积探测器，这样的探测器使得直至现在仍属过于昂贵的应用成为可能。
众所周知，室温工作的X射线或γ射线辐射半导体探测器需有宽的带隙。下面的表1列出当前最为公知的用于此目的的半导体探测器[M.Schiebe等人的“室温半导体辐射探测器应用”R.B.James,T.E.Schlesinger,P.Siffert,&E.Franks,Eds.,Materials Research Soc.Sympos.Proc.,Vol.302,p.189(1993)]。为了能在室温下工作，所述材料需要有宽的带隙，比如大于≈1.5eV，旨在克服热电子噪声。为了对热辐射能有良好的阻止本领和吸收，以及为了能够有效地迁移辐射所生的电荷载流子，需要大于2的原子序数。要求所述探测器具有大的漂移长度λ，这个长度是电荷载流子迁移率μ、寿命τ以及电场ε的积，即λ=μτε。所述电场与电阻有关：电阻越大，可运送电荷的场越强。
通过研究下表1中所列的半导体材料可以看出，最为公知的窄带隙半导体Si(Li)和HPGe探测器需要低温冷却，禁止室温工作，尽管具有良好的漂移长度。另外，我们可以看出，由于Z值小，与除GaAs以外的所有其它探测器材料相比，为了阻止辐射通量，就要求Si(Li)和HPGe的厚度很大。
                                   表1
                        固体半导体X射线和γ射线探测器
材料   带隙Eg(eV)  原子序数 Z   漂移长度λ(mm)  阻止90％60KeV辐射所需厚度   电阻率(Ω-cm)   熔点(℃)
  Si(Li)     1.1    14    102     130  103-104  11410
   HPGe     0.8    32    102     2.6  103-104   947
   CdTe     1.5    50     10     0.5   109   1041
   HgI2     2.1    62     10     0.4   1013   259
 CdZnTe     1.7    48     10     0.5   1011   1080
   GaAs     1.5    32      1     2.6   107   1238
   PbI2     2.4    63      1     0.4   1014   402
如表1中所能看到的，各种宽带隙材料中间，HgI2和PbI2具有最大的原子序数，因此，吸收能力最好[J.Zhang等人，“核仪器和核方法”Vol.A322,P.499(1992)].其它的技术考虑在于制成材料时的温度。相对于表1中所列其它半导体，较低的熔点简化了HgI2和PbI2探测器的生产，并降低了成本。但是，如上所述，HgI2单晶制品的成本是非常高的，因为这些晶体只能从汽相生长，对于较大的晶体，要花几乎三个月[M.Schieber等人，“晶体生长杂志”，Vol.65,P.353(1983)]。PbI2晶体只能被用为非常小的探测器晶体，其面积为几个平方毫米，而且厚度非常小，不会吸收很多辐射[V.M.Gerrish，“室温半导体辐射探测器应用”，R.B.James,T.E.Schlesinger,F.Siffert和E.Franks,Eds.,Materials ResearchSoc.Sympos,Proc.,Vol.302,p.189(1993)]。
本发明建立在由多晶膜制成的低成本探测器取代成本高的单晶辐射探测器的基础上，所说的多晶膜具有与同样材料的单晶一样的宽带隙，所说的这种探测器相当于能谱仪的作用，能够确定入射的辐射能量。这种取代适合用在必须测量辐射通量而不对能量进行识别的应用中，这是因为或者能量是已知的，或者对能量的了解并不重要。这样的探测器被称为辐射计数器，因为它们计数辐射事件。计数器用质量较低的单晶制作，这种单晶是按照如高质量的能谱仪一样的极为昂贵的制作过程来制造的。在需要大面积的探测系统时，比如为了成像用，需要例如尺寸约为50×50mm的HgI2的大单晶，并且还需切片和抛光加工，这就造成晶体总量至少60％的损失。然后，再将这些切片并排放置成一个大的镶嵌结构，直至达到所要的探测器系统尺寸。由于为了制作晶体、晶体切片，然后再将它们镶嵌成大尺寸的探测系统，这样的成像系统是非常昂贵的。
在本发明的优选实施例中，提出一种以半导体薄膜探测器为基础的能量分散X射线和γ射线成像系统。
X射线成像应用于医疗诊断系统，如X射线照相术、计算机化X射线断层照相术(CT)、单光子发射计算机断层照相术(SPECT)以及正电子发射断层摄影术(PET)中所用的那些系统。另外，X射线成像系统还应用于有关X射线地貌测场、太阳耀斑成像、X射线巡天观测，以及来自卫星运载设备的各种星系范围观测的天文学和天体物理学。
很多种图象接收器用于现代X射线成像系统。它们包括直接曝光的X射线膜、成像板、图象增强器、充气电离室、闪烁探测器系统、高纯锗和Si(Li)探测器系统。下面的表2中表示出吸收能力、能量分辨率和冷却条件，所有图象接收器都具有好的空间分辨率。
表2中表示的图象接收器是二维探测器(2D)，如X射线膜、成像板和图形增强器，以及整体探测器，如充气电离计数器、闪烁探测器和半导体或者辐射探测器[Si(Li)]、HgI2、CdTe和CdZnTe等。
                                     表2
              射线成像装置的吸收能力、能量分辨率和冷却条件
X射线膜  成像板  图形增强器 充气电离计数器 闪烁探测器    HPGeSi(Li)   HgI2CdTeCdZnTe
吸收能力    差   一般     好     差    好   好到差     好
能量分辨率    无    无     无     差    差     差     好
低温冷却    否    否     否     否    否     是     是
吸收能力很大程度上取决于原子序数Z，HgI2的原子序数高于表2中列出的所有其它固体探测器。对半导体探测器来说，其能量分辨率是最好的，它直接将X射线光子转换成电荷，这与闪烁探测器相反，后者是将X射线光子转换成可见光，其后再用电子学方法由二极管或光电倍增管将可见光转换成电荷。对半导体探测器来说，它具有较小的能量带隙Eg，需要低温冷却，比如高纯锗探测器(HPGe)，具有Eg≈0.8eV，而硅锂[Si(Li)]探测器，具有Eg≈1.1eV。HgI2、CdTe和CdZnTe分别具有Eg≈2.2、1.45和1.50eV，对于室温下工作，这是足够大的，而无需低温冷却。
从表2所表示的各种图象接收器，很明显，高Z和高Eg的半导体辐射探测器结合了X射线成像应用所需的优良特性。对于成像应用来说，迄今所报告的文献只有采用8×8像素HgI2整体探测器的γ射线摄像机的情况[C.Ortale等人，“核仪器和方法”，Vol.213,p.95(1983)]，以及改进成采用像素尺寸0.8×0.8mm2、厚度2mm、单元间间隔≈2mm的32×32像素阵列[如见B.E.Patt等人，“核仪器和方法”Vol.283,p.215(1989)]。后者的摄像机具有5×5cm2的前端区。由于在制作高质量和同一标准的单晶过程中一直存在的制作问题，所以尚无采用关有CdTe或CdZnTe的这种摄像机的报道。
制作HgI2大块成像阵列时所遇到的困难在于：(a)能够切割出大尺寸切片的非常大的单晶的生长是非常难的，而且耗费时间。对于一块大晶体来说，需要2-3个月的生长时间。(b)必须用KI水溶液对该晶体切片，这给出很不均匀的需要磨光的表面，造成超过60％的材料损失，并带来由于切片和磨光操作所引起的结构上的缺陷。
与迄今所采用和提出的现有技术系统完全不同，本发明不用三维晶体生长，然后再切片和磨光该切片，它是基于将薄的探测辐射的材料之半导体连续膜沉积在导电基板上。
具体地说，本发明提供一种成像系统用的图象接收器，所述成像系统包括一个沉积在形成底部电极的基板上的宽带隙半导体辐射探测材料连续膜，所述膜被一个形成上电极的上导电层覆盖；其中所述层中的至少一个设有由多个非导电区彼此分离的多个导电区，并且其中所述多个导电区经电荷灵敏前置放大器分别被单独连接至成像电子系统。
正如本发明第一优选实施例所表明的，将所说的底部电极或所说的上电极划分成由多个非导电区彼此分离的多个导电区，例如，可用宽≈20-200μm、长≈20-200μm的上图形电极像素栅格连续覆盖所述基板，每个探测器与这样的电子线路单独相连。
在本发明的再一优选实施例中，所述成像系统包括一个沉积在基板层上的薄的、宽带隙半导体辐射探测材料连续膜，所述基极层具有由多个非导电区彼此分离的多个导电区，形成底部电极，所述膜被一个具有由多个非导电区彼此分离的多个导电区的上层覆盖。
在所述实施例中，最好将所述基板层的各导电区布置成第一组以定距离间隔的细条，而将所述上层的各导电区布置成第二组以定距离间隔的细条，所述第一组和第二组以定距离间隔的细条互相对应布置，形成栅格形阵列。
特别优选的一种结构是，其中所述上层和基板层分别用竖向和横向导电细条构图，得到一个代表约20-200μm宽、20-200μm长的像素的交叉栅格。
于是，本发明给出一种新的以半导体薄膜代替大块晶体的X射线和低能γ射线系统。该系统保持在能量分散方式工作，但也可用在电流方式下工作。它是以室温工作的，厚度为1-100μm的均匀晶体结构膜或者被沉积在构图的、更为导电的半导体基板，如Si、Ge或GaAs上(所述基板可直接用为底部电极)，或者被沉积在绝缘基板，如MgO或蓝宝石(Al2O3)上的宽带隙半导体辐射探测器，如HgI2、CdTe、CdZnTe或PbI2为基础的，所述绝缘基板预先被涂敷构图的导电细条(金或钯)，它也被用为底部电极。所述细条的宽度为10-100μm。
由于构成HgI2晶体结构膜的制备从无报道，所以本发明还涉及一种新型的薄膜沉积系统。如上所述，随后将所述半导体膜用代表上电极的导电构图细条(金或钯)涂敷。然后通过涂敷非常薄的蜡层(paralene)或防湿(humiseal)层，或其它惰性涂层，使探测器系统被钝化，并经一电子线路连到一个低噪声的高压电源，用以给探测器系统加置偏压，或者连到电子测量系统。
半导体大块晶体探测器的应用最近在美国专利第5,245,919号中已有描述。所选的半导体材料为CdZnTe。该系统被设计用于γ射线断层成像系统。其原理是由半导体而不是由闪烁晶体摄像机(通常是碘化钠)探测被准直的γ射线。所述半导体将散射的γ射线直接转换为电荷，而不是先将其转换成可见光，然后再通过光电倍增管或二极管将可见光转换成电荷。
与所述专利技术完全不同，本发明的方法的新颍性是采用薄膜代替大的晶体块，并以宽范围代替受到准直的辐射。
其它并未提到过本发明新特点的成像方法包括：
a)由第4,331,813号美国专利所描述的光能图象转换器。该专利是以金属绝缘体-半导体为基础的，其中半导体是Si、Ge或GaAs。从而使辐射被转换成电信号。这种方法的缺点在于，它并不区分核辐射，而设计上可用于各种辐射；
b)由第5,079,426号美国专利所描述的实时成像多元非晶硅阵列。该法是基于薄膜场效应晶体管，采用将辐射转换成信号的、不导电的、大的非晶硅。正如在光电导法的情况那样，本法并非对核辐射而特别设计，而是测量包括红外辐射的一切宽范围的辐射。
本发明的说明将被限于能量分散模式，而非电流模式。
电子计数系统由脉冲计数系统组成，利用这种系统，将每个底部电极条(行)和每个上电极条(列)与第一级电荷灵敏低噪声混合前置放大器相连，再由成形放大器进一步放大。使所收集到的电荷受到比较、区分，并将它们从模拟信号转换成数字信号，存储在计算机内，而且显示计算的图形。在100KeV情况下，根据膜厚，半导体膜探测器可阻止辐射的约0.1-10％。所有的问题，特别是大块探测器转换成薄膜探测器都被提出并得到解决。
摄像机前端为5×5cm2，它由300竖向细条和300横向细条组成，每条为100μm×5cm，被66μm的未涂敷细条所分开。这样，在一个摄像机模块中就有90000个横纵细条的交点，每5×5cm2的探测器前端板总共有90000个像素。为了大面积成像，比如对于采用20×15cm2板X射线成像的乳房X射线照相术，可以组装12个互相连接的5×5cm2单元。
现在将参照以下所示附图和实例与一些优选实施例一起描述本发明，以便更充分地理解它。
以下特别详细地参照各附图和实例，要强调的是，所示的细节采用的是举例方法，目的仅在于以图示讨论本发明的优选实施例，用于理解本发明的原理和概念。就此而言，并不给出为了理解本发明以外的结构细节，由附图给出的叙述以及所给出的实例，使那些熟悉本领域的人看到本发明有几种形式可在实践中被具体实施。
图1是用于制作半导体多晶板的热压系统示意图；
图2是表示热压加热处理碘化汞或碘化铅的时间分布曲线；
图3表示按本发明方法制取的多晶HgI2探测器对60KeVγ辐射的响应的实例；
图4是表示50×50mm2像素的光刻法多层金属/HgI2/金属薄膜结构；
图5是表示50×50mm2像素的光刻法多层Si/HgI2/金属薄膜结构；
图6是HgI2薄膜沉积系统示意图；
图7是适于薄膜探测器摄像机的大块HgI2探测器摄像机的电子系统方框图。
如上所述，本发明是基于采用表1所列任何半导体材料为多晶探测器材料。这意味着代替有如单晶那样在非常长的持续时间周期内的晶体生长，如在HgI2的情况下可为几个月，本发明提供制作任意所需厚度和尺寸的HgI2或其它半导体材料作为多晶陶瓷材料的方法，其最大的时间长度约为24小时。
所述方法基于诸如HgI2或PbI2等半导体粉末的热压或浆状沉积，所述粉末与有机溶剂，如乙醇、CCl4，或用为粘合剂的具有长分子链的特种聚合物混合，通过喷涂或喷雾而被沉积，然后进行制图或丝网印刷并在低于相变温度或熔点的温度范围内进行热处理。在这两种情况下，都优先采用已纯化的HgI2多晶粉末材料。如图1所示，在热压方法中，使粉末在受压时经受大约1吨/cm2的压强，然后使之在加压的情况下按图2所示热周期内被加热。这种高压避免蒸汽压较高(其沸点为354℃)的HgI2的蒸发，并且接近220℃的热处理温度使得已变形的颗粒能够重结晶。这种烧结产生非常高密度的过程，使所制得的HgI2板可被上下电极接触，并能耐受为收集辐射产生的电荷所需的适当的偏压(≈104V/cm)。如图2所示，由于HgI2在125℃下进行有害的相变，所以在这个温度下，它需要一段额外的退火时间。
热压方法的其它优点在于，如此所得的探测器板是非常致密的；它们具有非常高的密度，而且它们的尺寸及厚度只受模具尺寸和由受压所产生的总压强的限制。HgI2板的上电极由金、钯、锗或硅制成，并且可为任何所需的形状。
另一种可供选择的得到大面积多晶探测器片的方法是通过浆状沉积。使已纯化的多晶粉末与有机粘合剂，如溶解在65％的乙醇/水溶液中的等量聚乙烯丙烯酸盐和三甲基脱水山梨糖醇混合，然后通过喷雾、喷涂、旋压或丝网印刷沉积在可为多晶铝、聚四氟乙烯的绝缘基板上，或者如铂或金的金属电极上，或者如硅或锗的半导体上，它们都已经由附加的电触点，如条形或其它形状的钯或金电极所绘图。此后使所述基板或半导体粉末的浆状沉积悬浮液在50-95℃条件下加热，以便在大气压下蒸发乙醇，之后，在HgI2情况下，再加热至大约110℃，热处理4-24小时。然后将接触HgI2板的惰性气体引入里面衬有聚四氟乙烯绝缘物的暗金属盒内，再以碳或非常薄的铝箔窗覆盖接收辐射端。然后将探测器盒连到电子读出系统。图3表示一个这种多晶HgI2探测器板对60KeVγ辐射的响应的实例。如果与相同尺寸及厚度的HgI2单晶相比，按照本发明制得的HgI2多晶探测器板探测相对于单晶谱仪所探测的辐射量的大约15％。
                            例1
将30mg已被减小到尺寸≈5-10微米的高纯HgI2粉粒置于钢模具内的6mm直径的金箔上。用另一个同样尺寸的金箔覆盖所述粉末，然后使之受压。在受压情况下，历10小时将温度升到110℃，然后历10小时再使之缓降至室温。这样，将所得到的HgI2板烧结到金板上。金箔可用为电极，或者如果去除，可用石墨悬浮物(“石墨悬胶”)涂敷HgI2板的两侧用作电极，干燥，再将直径为0.1mm的极细Pd丝或Pt丝用“石墨悬胶”附着于两个电极上并进行干燥。在例1中，留下金箔用作电极。
在引入试验容器(图2)之后，所制成的板对X射线表现出如图3所示的响应。
所有的其它实例对X射线响应也类似于图3所示。
                             例2
重复例1的过程，但使HgI2板与金箔分开，并如图1所示，蒸发Pd触点。
                             例3
重复例1的过程，但在热压期间，200℃条件下的加热周期为10小时，随之经10小时冷却到127℃，然后慢慢冷却到室温。
                             例4
重复例1的过程，但以2mm厚的烧结的涂以成图样的金细条的氧化铝替代金基板，如图1所示。
                            例5
重复例1的过程，采用涂有聚四氟乙烯的金属箔，它比较易于与HgI2板分开。如例2那样电极被涂敷。
                            例6
重复例5的过程，在钢模具的顶部和底部使用涂有电极的玻璃板。
                            例7
重复例1的过程，采用较大颗粒(≈1mm)的HgI2，可在真空蒸发不纯的HgI2粉末之后，通过提纯得到。
                            例8
继例7的过程之后，用已纯化的碘化铅代替HgI2，制成PbI2板。
                            例9
使100mg的HgI2粉末与聚乙烯丙烯酸盐和三甲基脱水山梨糖醇混合。将混合物涂在所述基板上，干燥2小时，再于120℃条件下热处理1小时。然后淀积Pd的上电极，再将样品放入试验容器(图2)。结果就与图3情况相类似。
                            例10
重复例9的过程，采用如图1所示已绘图的、1mm厚的玻璃基板。
                     例11
按照例10的过程，采用0.5mm厚的金基板。
                     例12
按照例9、10和11的过程，将Pd或Au电极蒸发到如图1所示图样的HgI2板上。
                     例13
按照例9的过程，利用旋压方法涂覆与有机粘合剂混合的HgI2厚层，这类似于光刻过程时采用光刻胶乳化液的方法。使覆盖有底部电极的铝基板以5000rpm旋转。将足够用于大约100μm厚层的少量浆状混合物附着在所述基板上。所用转速可使该浆状层非常平整且均匀。像其它实例那样施加上电极，这种板用于X射线响应的试验。
                      例14
根据例13的过程，利用大气压和一喷嘴，采用可购买到的喷涂设备沉积HgI2，这样就使浆状层被喷涂在预定的玻璃板上。
                      例15
将HgI2粉末放在玻璃真空室的底部，加热至大约100℃，再通过蒸发一层HgI2而沉积在预接有底部电极并由液氮冷却的玻璃基板上，得到厚1-50μm的HgI2层。然后使温度慢慢升高，同时解除真空，并代之以1atm的氮气，慢慢加热至50℃，然后再冷却至室温。之后，再用上电极覆盖该HgI2多晶板，用于响应X射线辐射的试验。
                      例16
按照例15的过程，但采用其它基板，如锗或烧结铝，用钯或金的细条预先绘制底部电极。
                      例17
将HgI2与粘合剂的混合物置于容器中，容器底部有滤网，面积≈20×30cm2，孔隙尺寸≈250×250μm2，所述混合物能通过它。然后利用手工加压或机器加压，通过所述滤网使该混合物被压实，并被印制到玻璃或氧化铝基板上，所述基板沿横行方向预先被蒸发上100μm宽的Au、Pd或Pt金属电极。这样，就得到接近40μm厚的HgI2；通过反复印制，可使厚度达到100μm。然后使该膜在60℃条件下退火5小时。利用掩膜对位，将通过蒸发而被加到薄玻璃或塑料箔上的也为100μm宽的上部纵列电极叠置在HgI2薄膜上。于是，就在横向电极与竖向电极交叉点形成100×100μm2的有效像素。
现在参照图4和5，一HgI2薄膜沉积在敷金或钯的绝缘单晶基板，如MgO或蓝宝石上(图4)，或者沉积在如Si或Ge等半导体基板上(图5)，二者大小均为50×50mm2。HgI2薄膜的底部和顶部分别绘制长度为100μm×50mm的纵向细条和横向细条，并以66μm的不导电细条分离它们，得到带保护环或不带保护环的300×300个像素。
本发明系统的优点在于，制品的造成本极低，能够得到符合现代薄膜技术的大面积成像探测器。所述成本低，是基于为了在基板上得到HgI2薄膜所需的时间比为生长、切片及磨光大晶体所需要的时间(图4和5)短，即2-3小时与2-3个月相比。
薄膜探测器系统的缺点在于，吸收能力较小，相对于大块晶体为100％，只有总辐射量的0.1-1.0％(对100KeV的辐射而言)。但是，即使薄膜的辐射吸收能力如此低，也能达到可与X射线膜相比的能谱分辨率(表2)，后者的吸收也小于总辐射的0.1％，虽然并不需要能谱分辨率表示每个像素的单个脉冲的特征。
HgI2以及其它半导体探测器，如CdTe和CdZnTe，都不仅能像X射线膜那样用于直接成像，还能按电流方式使用和用于能量分散成像系统。后者允许在探测器中测量非常小数目的相互作用，而且减少了对于高剂量方式的总的暴露。能量分散成像还能利用模拟电子线路和模拟-数字转换，信息数字化，以及放射性事件计数的储存进行计算机图形显示。
图6描述一个薄膜沉积设备，它可以通过(a)直接蒸发HgI2；(b)分别蒸发Hg和I2，在基板上凝结；或者(c)化学气相沉积，如Hg(tdh)2母体(precursor)与I2化合物而被使用。该设备由两部分组成，与真空系统相连的竖直硼硅酸耐热玻璃(pyrexR)，或石英管。管子底部是母体源部分，装有高纯HgI2，或者在不同的分离分支容器中装有Hg金属、无机或有机Hg化合物，及游离碘。由T母体控制所述底部的温度，这个温度被分开监视。管子的上部装有基板支架，半导体材料或已涂敷金属并绘图的基板被附在该支架上。用电阻加热器(未示出)或辐射加热使所述基板支架被局部加热，确定基板的温度T基板。为提供热壁环境，硼硅酸耐热玻璃(pyrexR)或石英管接入分开控制的半透明的电阻加热炉，其温度为T加热炉。
如果T加热炉＞T母体＞T基板，则沉积条件被满足。所使用的具有代表性的温度是T加热炉=130℃,T母体=125℃和T基板=115℃。
对于大于50×50cm2的基板，必须使系统按比例扩大，并且必须用一个机械的X-Y驱动系统移动所述基板，以保证均匀沉积。其它宽带隙半导体材料，如CdTe和CdZnTe，适于作为比如带有GaAs层的Si基板上的薄膜，所述的层上面被沉积CdTe层或者具有x≈0.05或0.20的Cd1-xZnxTe层。这些CdTe/GaAs/Si的多层结构被用为CdHgTe远红外探测器的基板，不过，如果将它们绘制成所需数目的底部电极细条，提供适当数目的成像像素，也可以被用于薄膜X射线探测器。可在一个类似于图6所示的设备中，沉积PbI2薄膜。
上述半导体薄膜对钯、金或铂制成的上部金属电极细条的气相沉积采用光刻法绘图。光刻之后，使最终的探测器结构(见图4和5)在高纯的、去离子和三次蒸馏的水中被彻底漂洗，以除去光刻过程中的化学残留物。然后通过覆盖以蜡薄层，使上述结构钝化，这之后它们被准备包封，用以电子读出。
然后将尺寸为5×5×0.2cm3的、已被绘图、安装电极和钝化的探测器板放置于电极铝或聚四氟乙烯(TeflonR)板上，这种板的底部上面具有印刷电路板的电极触点。这种板用作第一级放大，由一个低噪声2N4416FET和一个低噪声反馈电阻器组成，被安装在一个0.5×0.5×0.1cm3的陶瓷片的前置放大器上。这种组件包括多个100μm×5cm细条，各条都由66μm的不导电细条分离。横向的细条被称作行，竖向细条被称作列。有300行和300列。一个组件所需前置放大器的总数为600，即每一行和每一列都其自己的前置放大器相连。为了安置600个混合前置放大器片，并允许采用几个组件，将具有100个前置放大器片的镜头板前端置于呈立方体形盒子的上面，盒子的每个面容纳100片(四个侧壁和一个底面一起容纳500片，再加上上面的100片)。盒子的各个壁都由一个预先印制的电路板连接，该电路板的一侧连到探测器输入端和偏压，另一侧连到与其他电子线路相连的各前置放大器输出端，这类似于下面关于HgI2整体探测器摄像机所述的情况(见图7)。
以下参照图7，为了给出更为完整的叙述，将简单描述HgI2整体探测器晶体摄像机所用的电子系统。
整个电子线路适用于本发明的薄膜探测器。来自所述前置放大器的探测器输出进一步被放大并整形，同时将所收集到的电荷从前置放大器输送到整形放大器，这是一种混合设计，以便足以适用于其它脉冲辐射探测系统。采用单独一级微分和四级有源的积分，以达到接近高斯形状。设置一个高阻抗模拟输入缓冲器，它可以被使用或者被旁路。包括一个6μs的极点-零点抵销电路，但通过附加一个外置可变电阻器，能很容易地改变该值。
按下述方法处理整形放大器的输出：使用一快速比较器将信号与设置得刚好超出噪声的电平鉴别器比较，以产生表示一事件已发生的数字信号。然后使该信号通过一个模拟-数字数据通路-逻辑电路，利用符合时间确定事件的有效性。如果确定事件是有效的，则编码该事件的特定位置，并产生适当的多路调制器的控制信号，以便能由模拟-数字转换器处理所述模拟信号，以确定脉冲高度(能量信息)。利用可编程逻辑阵列电路(AlteraEP1800J)获得所有被编码的逻辑信号。与全尺寸离散门逻辑电路相比有效地减小了最终电路的尺寸。将所有编码逻辑信号和ADC功能装到一个单独的AT尺寸的卡上。
全部数据的获取由IBM PC-AT计算机管理。这种计算机是一个单独的AT尺寸主板(TI80486)，带有用于I/O控制的第二卡(SCSI等)。所述主板装有10MB的RAM。在最终的系统内还包括一个200MB的IDE硬盘和一个1.4MB、3.5英寸的软盘驱动器。
设置一个包括标准的AT底板和多条用于摄像机信号的附加总线的定制系统板，以便安装组成摄像机系统的卡。所述卡可装入摄机的副底座中。用于给探测器加置偏压的高压电源，用于电子线路、硬盘驱动器及软盘驱动器的低压电源被装在一个分开的在摄像机的后端的辅助底盘上。本系统能够输入大于每秒104的计数率。
最后，本摄像机系统包括用于控制数据获取和显示图形的软件。该软件以OS/2“C”语言被写入，同时采用OS/2图形管理器为接口。写入一个特定的驱动程序，以便允许软件与所述电子线路通信。
在图形获取过程中，计算机显示可采用以下项的选择：
1)文件I/O(保存，调出等)
2)搜索参数，如时间/计数限制
3)操作方式，如选择已获图形显示、与再现图形相比、再现类型等
4)可选项
5)应用
6)帮助功能，规定与OS/2 PM兼容并允许有如实际一样多的OS/2 PM转换
所述显示包括以下特定区域：
a)菜单区
b)灰度图形显示
c)能谱(子窗)
d)图形特征(总计数；所有计数求和；最大计数；最亮像素的值；由于电荷分裂，两相邻行或列中同时出现信号的计数数目；Δ计数，及计数的数目。)
所述系统包括鼠标操纵，以致用户可选择一个特定的像素并显示该像素的能谱。所述能谱被显示在子窗上，该窗还示出能谱对应的像素位置[r,c]、能谱中光标的位置，以及在该位置计数的相应数目[光标；计数]。
正如将能得到的那样，本发明有很多应用。
本发明提供一种单一组件的X射线和γ射线微型半导体薄膜辐射探测器摄像机，它包含HgI2、CdTe、CdZnTe或PbI2薄膜，具有5×5cm2的观视窗，按电流方式或按能量分散方式工作。
本发明的成像系统还可用于多组件的X射线和γ射线摄像机，也即由12个5×5cm2的微型摄像机的组件组成，替代约为20×15cm2的大面积X射线膜。或者用于多个微型单一组件的27.5×42.5cm2的X射线和γ射线摄像机，也即≈47个5×5cm2的组件，或用于其它放射性成像。
本发明的成像系统可用于核医学，并能用作外科作业中所用的内操作工具，如轻症的肿块切除、移植灌注识别、血管移植活力的确定、良性骨损伤的切除等。适于外科医生的技术现状被限于单探测器的γ和β探针。相对于不成像的内操作探针，本成像系统的优点包括伴随光谱分析成像、散射减少，改善定位及灵敏度。
类似地，本发明可还可应用于有关X射线的天体物理学测量，如太阳耀斑望远镜、γ爆炸；用于伪钞识别；用于美术馆内绘画的识别和比较；用于古物的识别和比较；用于罐装内的成像，以识别不希望有骨头；用于识别核废料；用于识别走私核材料，以及用于民航机场安检成像系统。
那些熟悉本领域的人将会理解，本发明并不限于上述各实施例的细节说明，本发明可按其它特定形式得以实施，而不会脱离其精髓或特性。因此，目前各实施例应被理解为说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附各权利要求指明，而不是上述说明书，而且在各权利要求的含义和等效范围内的各种变化都被规定为包括在其内。

Claims (28)

1．一种辐射探测系统，包括探测辐射的多晶材料宽带隙半导体连续膜，所述多晶材料由许多结晶颗粒形成，其特征在于，所述颗粒被烧结在一起，形成一个单一的互相密合的连续膜，其中所述多晶颗粒和由其制成的所述膜的纯度至少为99.9999(6N)％，所述系统探测能量范围在6-660keV的辐射。
2．一种如权利要求1所述的辐射探测系统，其特征在于，所述单一的互相密合的连续膜是碘化汞膜。
3．一种如权利要求1所述的辐射探测系统，其特征在于，所述单一的互相密合的连续膜是碲化镉膜。
4．一种如权利要求1所述的辐射探测系统，其特征在于，所述单一的互相密合的连续膜是碲化镉锌膜。
5．一种如权利要求1所述的辐射探测系统，其特征在于，所述单一的互相密合的连续膜是碘化铅膜。
6．一种如权利要求1所述的辐射探测系统，其特征在于，所述薄膜面积在102cm2至104cm2之间。
7．一种如权利要求1所述的辐射探测系统，其特征在于，所述薄膜厚度在大约1-500μm之间。
8．一种用于成像系统的图形接收器，它包括：
一个薄的、探测辐射的多晶材料宽带隙半导体连续膜，所述多晶材料由许多结晶颗粒形成，其中，所述颗粒被烧结在一起，形成一个单一的互相密合的连续膜；该膜被沉积在形成底部电极的导电基板层上，而且该膜被一个形成上电极的上导电层覆盖；其特征在于，所述层中的至少一个设有由多个非导电区彼此分离的多个导电区，并且其中所述多个导电区经电荷灵敏前置放大器分别被单独连接至一个成像电子系统。
9．一种如权利要求8所述的用于成像系统的图形接收器，其特征在于，所述基板的层具有由多个非导电区彼此分离的多个导电区，形成底部电极，并且所述上导电层具有由多个非导电区彼此分离的多个导电区。
10．一种如权利要求9所述的用于成像系统的图形接收器，其特征在于，所述基板的层的各导电区布置成第一组以一定距离间隔的细条，而将所述上层的各导电区布置成第二组以一定距离间隔的细条，所述第一组和第二组互相对应布置，形成栅格形阵列。
11．一种如权利要求10所述的用于成像系统的图形接收器，其特征在于，所述上层和基板的层分别用竖向和横向导电细条构图，得到一个表示约20-200μm宽、约20-200μm长的像素的交叉栅格。
12．一种如权利要求8所述的用于成像系统的图形接收器，其特征在于，所述各导电区被选自SiO2、MgO或Al2O3的介质材料互相分离。
13．一种如权利要求8所述的用于成像系统的图形接收器，其特征在于，所述电极材料选自钯、金、铂或锗。
14．一种如权利要求8所述的用于成像系统的图形接收器，其特征在于，所述淀积在导电基板层上的密合连续膜是厚度为1-100μm的半导体薄膜。
15．一种如权利要求8所述的用于成像系统的图形接收器，其特征在于，所述电极包括宽约20-200μm、长约20-200μm的顶部绘图电极像素网格，每一像素分别连至一成像电子系统。
16．一种如权利要求8所述的用于成像系统的图形接收器，其特征在于，用于X射线和γ射线成像系统。
17．一种如权利要求8所述的用于成像系统的图形接收器，其特征在于，所述薄膜为CdTe薄膜。
18．一种如权利要求8所述的用于成像系统的图形接收器，其特征在于，所述薄膜为HgI2薄膜。
19．一种如权利要求8所述的用于成像系统的图形接收器，其特征在于，所述薄膜为CdZnTe薄膜。
20．一种如权利要求8所述的用于成像系统的图形接收器，其特征在于，所述薄膜为PbI2薄膜。
21．一种制作探测辐射之多晶材料宽带隙半导体连续膜的方法，包括：
(a)制备纯度至少为99.9999(6N)％的多晶粉末材料颗粒；
(b)将所述晶状粒料沉积在导电基板上；
(c)将所述多晶材料颗粒烧结在一起，形成一个单一的互相密合的连续膜。
22．一种如权利要求21所述的方法，其特征在于，通过在真空媒体中蒸发制备所述被纯化的多晶粉末材料颗粒。
23．一种如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述蒸发在大约100-300℃温度条件下实现。
24．一种如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述纯化是通过连续重复蒸发实现的。
25．一种如权利要求21所述的方法，其特征在于，将导电的不易起化学反应的金属上板放在所述粉末的上面，并在大约100-200℃温度条件下，和大约100-5000Kg/cm2的压强条件下对所得组件加压。
26．一种如权利要求21所述的方法，其特征在于，使步骤(a)的所述已纯化的多晶粉末材料颗粒与有机粘合剂在溶剂中混合，然后沉积在所述基板上，继而在约为60-120℃条件下热处理。
27．一种如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述沉积是通过掩膜印刷完成的。
28．一种如权利要求21所述的方法，其特征在于，将步骤(a)的所述已纯化的多晶粉末材料颗粒置于真空室的热区，处于大约90-220℃条件下；并将所述导电基板置于所述真空室的LN2冷区，从而使所述已纯化的晶状粒料被升华并沉积在所述基板上，而且通过在有N2气存在，约50-100℃的温度条件下加热和退火，实现所述烧结。
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