CN106461796B - 具有可具有高纵横比的光敏元件的辐射探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种辐射探测器(100)和用于制造这样的探测器的方法。在优选的实施例中，辐射探测器(100)包括嵌入在转换材料(120)中的光敏柱(110)的阵列。该光敏柱可特别地为二极管，在其端部连接至外部电路(130，140)。转换材料(120)可特别地包括嵌入在粘结剂基体内的闪烁体颗粒(121)的粉末。

Description

具有可具有高纵横比的光敏元件的辐射探测器
技术领域
本发明涉及一种用于探测入射辐射的初级光子的辐射探测器以及一种用于制造这样的辐射探测器的方法。
背景技术
US2010/0200760 A1公开了一种用于CT(计算机断层摄影)扫描器的辐射探测器。探测器包括闪烁体元件和光电二极管阵列的堆叠，其中，后者被布置在闪烁体元件的侧向体积内。
US2007/272872公开了包括嵌入在闪烁体材料内的一个或多个光电探测器的X-射线探测器。光电探测器可以具有针状、柱状或者脊状结构。
DE10 2012 206180 A涉及一种包括闪烁体的X-射线探测器，闪烁体嵌入光导内并将次级光子转换为电信号。
发明内容
提供一种允许简化的制造过程的用于探测入射辐射，特别是电离辐射的探测器将是有利的。
该目的通过根据权利要求1所述的辐射探测器和根据权利要求2所述的制备方法来解决。在从属权利要求中公开了优选的实施例。
根据第一方面，本发明的实施例涉及一种用于探测入射辐射(特别是电离辐射，如X射线或者伽马射线)的初级光子的辐射探测器。所述辐射探测器包括下述部件：
-转换材料，其能够将入射辐射的初级光子转换成次级光子。
-至少两个光敏柱，其在第一方向上延伸通过上述转换材料并且能够将所述次级光子转换为电信号，其中，所述光敏柱中的至少两个在平行于第一方向的轴上具有不同的高度和/或不同的位置。
“转换材料”可以是或者可以包括一些闪烁体材料，所述闪烁体材料能够将高能量的初级光子转换成一个或者(通常是)更多的较低能量的次级光子，特别是在可见光谱范围内的次级光子。
术语“光敏柱”是指对转换材料中产生的刺激光子敏感的结构或部件，并且其通常具有柱状的形状，例如具有圆形的、椭圆形的、多边形的或任意形的横截面的柱形或者圆筒的形状。“光敏柱”的形状具有限定上述“第一方向”的一些几何的延伸轴线。
此外，柱“延伸”通过转换材料的意味着柱至少部分地嵌入在转换材料中，特别是嵌入在垂直于第一方向的平面中。通常仅柱的端面将不被转换材料覆盖(以保持对外部电路是可访问的)。
在使用期间中，辐射探测器通常被定向为使得入射辐射的(主要的或者平均的)入射方向平行于第一方向，即平行于光敏柱的延伸方向。
根据第二方面，本发明的实施例涉及一种用于制造用于探测入射辐射的初级光子的辐射探测器的方法，特别是上述类型的辐射探测器。该方法包括如下步骤，其可以以列出的或者任何其它适当的顺序执行：
a)生产在第一方向延伸并且能够将次级光子换换为电信号的至少两个光敏柱，其中，所述光敏柱中的至少两个在平行于第一方向的轴上具有不同的高度和/或不同的位置。
b)将所述光敏柱嵌入能够将入射辐射的初级光子转换为所述次级光子的转换材料中。
c)将所述光敏柱连接至电路。
由于上述类型的辐射探测器可以通过所描述的方法制备，因而针对所述辐射探测器提供的解释对于该方法也是有效的，反之亦然。
在所描述的辐射探测器和方法中，在平行于第一方向的轴上具有不同高度和/或不同位置的光敏柱被连接到不同的电路，使得它们的信号可以被独立地读出(可能与其它信号结合)。
辐射探测器和制造方法具有的优点是，它们允许提供具有高灵敏度的成本有效的辐射探测器。这是因为探测器的光敏柱可以平行于辐射入射的方向取向，使得转换材料可以具有足够的厚度(在辐射方向上)，用于完全转换入射的初级光子，同时产生的次级光子可以在短路径(垂直于辐射方向)上到达光敏柱，因而使信号损失最小化。
在下文中，将解释本发明的各种优选实施例，其可以利用辐射探测器和制造方法(即使仅针对这些实施例中的一个详细描述它们)来实现。
转换材料可以例如被提供为单件部件，例如作为大的固体晶体。在优选实施例中，转换材料包括多个转换颗粒，即能够将初级光子转换成次级光子的材料的颗粒。这具有的优点是，转换材料可以作为粉末提供和加工，其通常比大晶体便宜得多并且更容易处理。所述转换颗粒的(平均)直径优选小于约10μm，小于约1μm，小于约100nm，或最优选小于约10nm。
转换材料和/或上述转换颗粒通常可以包括能够以期望效率将感兴趣能量范围内的入射初级光子转换成次级光子的任何材料。例如，转换材料和/或颗粒可以包括从包括以下项的组中选择的至少一种材料：碱金属卤化物(例如CsI)、GOS(Gd2O2S)、石榴石、YGdOx，CWO(CdWO4)、镧系元素卤化物(例如LaBr3)和SrI2。其它合适的材料可以在文献中找到(例如v.Eijk，“Inorganic Scintillators in Medical Imaging”，Nuclear Instruments andMethods A v.509，17-25，2003，通过引用并入本文)。
在上述包含转换颗粒的转换材料中，所述颗粒可优选地嵌入在一些基体材料中。基体材料可以例如是一些粘合剂，例如环氧树脂。基体材料优选地是对于初级光子和次级光子基本上透明的材料。合适的透明材料可以是聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚氨酯、硅树脂或其它聚合物。
至少一个光敏柱优选地由半导体材料制成，例如由硅制成。这允许应用公知的和通用的制造技术。
在另一个实施例中，光敏柱中的至少一个包括至少一个光电二极管，特别是包括通过适当掺杂而构建的半导体材料的光电二极管。光电二极管是众所周知的部件，其可以将次级光子转换成电信号，特别是可以由连接到光电二极管的外部电路感测的电荷信号。
在另一个实施例中，光敏柱中的至少一个包括至少两个光敏元件的堆叠，例如以上描述的类型的光电二极管。所述光敏元件优选地在柱的延伸方向(“第一方向”)上一个在另一个之后堆叠。如果这些光敏元件单独地连接到外部电路，并且如果入射辐射平行于柱的第一方向，则可以探测初级光子到次级光子的转换发生的相互作用的深度。因为这种相互作用的深度通常随着入射的初级光子的能量增加而增加，这可实现入射光子的能量辨别。
通常，光敏柱的几何形状和尺寸可以是相当任意的。在优选实施例中，至少一个光敏柱的高度(在第一方向上测量)大于约0.5mm，大于约1mm，大于约2mm，大于约3mm或大于约5mm。额外地或者备选地，光敏柱中的至少一个可以具有(垂直于第一方向测量，对于非圆形横截面，定义为横截面的最大延伸)小于大约500μm，小于约400μm，或小于约200μm的直径。
光敏柱的上述高度和直径之间的比率被称为其“纵横比”。独立于上述数字，该纵横比可优选大于约2，大于约3，大于约5，或最优选大于约10。由于两个原因而期望高纵横比：首先，其提供高厚度的转换材料，因而保证入射初级光子的最完全转换。其次，由于光敏柱覆盖的区域保持较小，从而由于对初级光子不敏感的区域造成的损失最小化。
在本发明的另一个优选实施例中，存在嵌入在相同转换材料中的两个或(许多)更多光敏柱的阵列。任选地，辐射探测器可以包括多个转换材料块，每个块包含光敏柱的阵列。因为每个光敏柱通常实现辐射探测器的一个像素或一个像素的一部分，因而柱的总数通常将大于或等于探测器的像素的数量。
上述光敏柱阵列可以具有任何适当的结构，例如具有柱的规则布置，例如，在六边形，矩形或正方形网格中，或者柱可以以不规则图案布置。柱的空间密度在探测器的整个敏感区域内可以是均匀的。备选地，它可以变化，产生较高空间分辨率的区域和较低空间分辨率的区域。
在具有多个光敏柱的辐射探测器的优选实施例中，所述柱可以以大于约5个柱/mm2，大于约10个柱/mm2，或最优选地大于约20个柱/mm2的空间密度布置(相对于垂直于第一方向的平面测量)。额外地或备选地，相邻光敏柱之间的平均相互距离可以小于约1000μm，小于约500μm，小于约300μm，或最优选地小于约100μm。
光敏柱和/或光敏柱的阵列可选地可以通过剥离技术从光敏材料的主体层开始制备，该剥离技术例如是反应离子蚀刻(RIE)、深反应离子蚀刻(DRIE)[例如波希法]、电化学蚀刻(EE)、湿蚀刻和/或激光构建。
备选地，光敏柱和/或光敏柱阵列中的至少一个可以通过从转换材料的主体层(例如，包含转换材料颗粒的基体材料)开始来制造。在该层中产生孔之后，例如通过前述剥离技术之一，例如激光构建，它们可以在第二步骤中用光敏材料填充以产生光敏柱。
由光敏柱产生的电信号指示在相邻转换材料中的转换事件的发生，并且因此揭示相关联的初级光子。任选地，该信号的强度可以提供由所述初级光子沉积的能量的指示。如果辐射探测器包括光敏柱的阵列，则如果可以单独地读出光敏柱的子组的信号，就可以实现探测到的入射辐射的空间分辨率(即，成像功能)。如果每个这样的子组仅包括一个光敏柱(即，如果每个柱对应于探测器的一个像素)，则实现最大空间分辨率。
在优选实施例中，提供了与光敏柱相连接的切换结构，通过该切换结构可以选择性地读出阵列的光敏柱的不同子组。这意味着可以选择性地改变辐射探测器的空间分辨率，从而允许例如牺牲空间分辨率(通过将若干相邻光敏柱组合成单个子组或“超级像素”)，以利于读出速度，数据减少和/或灵敏度。
如果辐射探测器包括几个光敏柱的阵列，则这些柱可以都具有相同的几何形状。备选地，至少两个柱可以在至少一个几何参数方面不同，例如它们的直径，它们的高度和/或它们在平行于第一方向的轴上的位置。在后两个示例(不同的高度或轴向位置)中，对相互作用的深度的一些指示可以由柱的信号传达，因此另外提供关于入射光子的能量的信息。
根据第三方面，本发明的实施例涉及一种成像装置，特别是X射线装置，CT(计算机断层摄影)扫描器，PET扫描器或SPECT扫描器，所述装置包括根据任何上述实施例的辐射探测器。例如在CT扫描器中使用这种辐射探测器是有利的，因为这样的扫描器通常需要这样的探测器，其覆盖大的二维区域，但是仍然是成本有效的。
根据第四方面，本发明的实施例涉及一种用于从上述类型的辐射探测器读出数据的方法，该探测器包括嵌入在相同的转换材料中的若干光敏柱的阵列。根据该方法，取决于灵敏度和空间分辨率的给定要求，阵列的光敏柱被(动态地)细分成不同的子组，其中，每个子组的柱被共同读出(即产生一个公共信号)。通常，柱的子组的灵敏度将随着它包含的柱的数量而增加，而空间分辨率将减小，反之亦然。对于给定的应用，例如成像任务，因此可以发现将所有可用的光敏柱划分到不相交子组，在所需灵敏度和所需空间分辨率之间可实现令人满意的折衷。
如以上己指示，辐射探测器可以包括装置(和/或方法可以包括步骤)，利用其，通过利用至少两个柱沿着第一方向具有不同的高度和/或不同的位置的事实，转换的光子的相互作用的平均深度可被感测。从柱接收的信号隐含地包括在所述柱体附近发生的相互作用(光子的转换)的信息，并且如果所述柱体的高度和/或位置已知，因此包括关于相互作用的深度的信息。
此外，如上所述，辐射探测器可以包括装置(和/或方法可以包括步骤)，利用其，通过利用至少两个柱沿着第一方向具有不同的高度和/或不同的位置的事实来区分入射光子的能量。该方法基于这样的事实，即较高能量的光子通常在较高深度被转换，这允许从相互作用深度来推断光子的能量。
沿着第一方向具有相同高度和/或位置的两个或更多个柱可以可选地组合成共同读出的柱的子组(它们可以例如全部连接到相同的信号线)。
根据本发明的另一实施例，转换材料可以由在第一方向上一个接一个地布置的两种或更多种不同类型的材料组成。因此，入射光子将顺序地通过这些不同的转换材料，在次级光子方面产生不同的反应。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见并得以阐明。
在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的实施例的辐射探测器的透视图；
图2示出了穿过图1的辐射探测器的横截面。
在附图中，相似的附图标记表示相同或相似的部件。
具体实施方式
计算机断层摄影(CT)探测器通常被提供有相当昂贵的晶体和像素化的闪烁体，其是难以制造的。因此，期望具有用于辐射探测器，例如在CT扫描器中使用的探测器的更具成本效益的制造技术。
鉴于该目的，提出构建用于电离辐射的探测器，其包括在柱状结构中的垂直光电二极管的阵列(假设辐射的入射方向假定为“垂直的”)，其中，闪烁材料填充在柱子之间的空间中。光电二极管可优选地由硅制成并且具有顶部和底部电接触。通常几个光电二极管形成像素，这将导致最终图像的一个元素。闪烁体复合材料可以优选地包括嵌入在透明基体(粘合剂)中的微米或纳米尺寸的闪烁体颗粒。通常使用针对液体或浆料的已知技术来填充这种基体材料是容易的。
图1和图2示出了根据上述原理设计的辐射探测器100的示例性实施例。作为主要部件，该辐射探测器100包括嵌入在转换材料120中的光敏柱110的阵列。在所示实施例中，转换材料包括嵌入在透明基体材料122中的转换颗粒121的粉末。
光敏柱110沿其轴线在“第一方向”上延伸，该“第一方向”是图中的垂直z方向，并且被假定为平行于要探测的辐射的初级光子X的(平均)入射方向。如图2中示意性地示出的，入射初级光子X在转换材料120中的某处(入射光子X的能量越高，转换深度越大)被转换成一个或通常几个次级光子hυ(通常为可见光谱的光子)。至少一些次级光子到达邻近的光敏柱110，在那里它们被转换成电信号。
在光敏柱110中产生的上述电信号(例如电荷信号)是附近的转换事件(并且因此是相关联的入射光子X)的指示。它们可以通过连接到柱110的顶部和底部的线或电路130，140读出。在所示示例中，柱110的顶端都连接到公共线130(例如地面)。与此相反，柱110的底端分别地连接到包括例如放大器141的电路140，所述放大器141将信号转发到随后的电子器件用于进一步处理和评估(未示出)。
光电二极管柱110具有高的纵横比H∶D(通常大于约5至10)，因为它们的高度H应跨越闪烁层的整个厚度。这必须是厚的，优选约1-2mm，以提供高的X射线吸收。然而，也可以是两个或更多个层的堆叠。
柱110的直径D应当小以保持闪烁体层的高的体积填充因子。光电二极管柱之间的优选距离A由闪烁体层中的平均光传输长度给出，并且在大约100μm至300μm的数量级。柱可以位于规则图案(矩形，六边形或其他)上，但是也可以分布在任意位置，其中单位面积的平均数应当优选地或多或少恒定。
因此，本发明解决了光传输仅在短距离(通常约10μm至约100μm)上工作，而电荷必须在闪烁体层的整个厚度(通常大于1mm)上传输的问题。
底部和顶部电触点可以针对每个柱110单独地连接。而且，光电二极管的组，例如那些形成像素或子像素元件的组可以一起连接到公共读出线。底部触点140可以简单地由金属线制成；顶部触点130可以是针对全部或几个二极管的公共端子。
制造具有高纵横比(例如大于10)的Si柱110例如可以通过(深)反应离子蚀刻(DRIE，参见US 7525170 B2)或通过电化学蚀刻(EE)和/或激光构建或湿蚀刻来实现。
闪烁体可以是包括GdOx-硫化物的粉末复合层。这些层中的光传输长度通常受到限制，因此最大厚度为约300μm的数量级，以保持高的光输出。对X射线来说，该厚度不足以提供例如CT探测器所需的停止功率。在所提出的结构中，该层可以比1毫米厚得多，因为在与X射线光子相互作用之后，用于可见光光子hυ的最可能最近的探测点在柱光电二极管之间的距离A的最大值的一半处的水平方向。串扰简单地受限于复合闪烁体中的光传输长度，尽管像素不需要任何反射限制。
在所述探测器的可选实施例中，可以在底部和/或顶部触点中引入切换结构，以实现不同数量的光电二极管至一个像素读取的连接。这将允许灵活的像素尺寸，即由防散射栅格限定的较大像素的子像素化。这种技术例如可以用于有效的高分辨率CT。
额外地或备选地，柱可以制成不同的高度，例如在规则的交替的图样上。这将允许感测X射线量子的相互作用的不同平均深度，即，碰撞X射线量子的能量区分。
总之，已经描述了用于电离辐射的探测器的实施例，其包括跨越转换层的整个厚度的柱形式的垂直光电二极管布置。在柱之间，复合闪烁体将X射线辐射转换成可见光子。该探测器使得使用廉价的闪烁体复合物用于CT，而没有低的光输出和高串扰的缺点成为可能。所提出的垂直光电二极管和闪烁体层的组合可优选地用于计算机断层摄影(CT)探测器中，但也可用于其它类型的用于电离辐射(例如X射线，PET，SPECT)的探测器。
尽管已经在附图和前面的描述中详细地示出和描述了本发明，但是这样的图示和描述被认为是说明性的或示例性的，而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容和所附权利要求，在实践要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以存储/分布在合适的介质上，例如与其它硬件一起提供或作为其它硬件的一部分提供的光学存储介质或固态介质，但也可以以其他形式分布，例如经由因特网或其他有线或无线电信系统。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (20)

1.一种用于探测入射辐射的初级光子(X)的辐射探测器(100)，包括：
转换材料(120)，其用于将入射辐射的初级光子(X)转换成次级光子(hυ)；
至少两个光敏柱(110)，其在第一方向(z)上延伸通过所述转换材料(120)，用于将所述次级光子转换成电信号，
其中，所述至少两个光敏柱中的至少两个在平行于所述第一方向(z)的轴上具有不同的高度(H)和/或不同的位置，
其中，所述辐射探测器(100)包括嵌入在相同转换材料(120)中的若干个光敏柱(110)的阵列，
其特征在于，所述阵列的所述光敏柱(110)具有：
-大于约5个柱每mm2的密度，和/或
-小于约500μm的相互距离(a)。
2.一种用于制造用于探测入射辐射的初级光子(X)的辐射探测器(100)的方法，所述方法包括以下步骤：
a)产生在第一方向(z)上延伸并且能够将次级光子(hυ)转换成电信号的至少两个光敏柱(110)，其中，所述光敏柱(110)中的至少两个在平行于所述第一方向的轴上具有不同的高度(H)和/或不同位置，
其中，所述辐射探测器(100)包括嵌入在相同转换材料(120)中的若干个光敏柱(110)的阵列，
其特征在于，所述阵列的所述光敏柱(110)具有：
-大于约5个柱每mm2的密度，和/或
-小于约500μm的相互距离(a)；
b)将所述光敏柱(110)嵌入能够将入射辐射的初级光子(X)转换成次级光子(hυ)的转换材料(120)中；
c)将所述光敏柱(110)连接到电路(130、140)。
3.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，所述转换材料(120)包括多个转换颗粒(121)。
4.根据权利要求3所述的辐射探测器(100)或方法，
其特征在于，所述转换颗粒(121)嵌入在基体材料(122)中。
5.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，所述光敏柱(110)中的至少一个包括半导体材料。
6.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，所述光敏柱(110)中的至少一个包括硅。
7.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，所述光敏柱(110)中的至少一个包括至少一个光电二极管。
8.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，所述光敏柱的至少一个包括至少两个光敏元件的堆叠。
9.根据权利要求8所述的辐射探测器(100)或方法，
其特征在于，所述光敏元件在所述第一方向(z)上一个在另一个后面堆叠。
10.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，所述光敏柱(110)中的至少一个具有以下至少一项：
-大于约0.5mm的高度(H)；
-小于约500μm的直径(D)；
-大于约2的纵横比。
11.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，所述光敏柱(110)是从光敏材料的主体层或从转换材料的主体层开始通过反应离子蚀刻、深反应离子蚀刻、电化学蚀刻、湿蚀刻和/或激光构建来产生的。
12.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，所述阵列的光敏柱(10)的不同子组能够选择性地被读出。
13.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，切换结构与所述光敏柱相连接而被提供，通过所述切换结构，所述阵列的光敏柱的不同子组能够被选择性地读出。
14.根据权利要求1所述的辐射探测器(100)或根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，所述阵列中的柱中的至少两个在至少一个几何参数上不同。
15.一种成像装置，所述成像装置包括根据权利要求1所述的辐射探测器(100)。
16.一种X射线装置，其包括根据权利要求1所述的辐射探测器(100)。
17.一种CT扫描器，其包括根据权利要求1所述的辐射探测器(100)。
18.一种PET扫描器，其包括根据权利要求1所述的辐射探测器(100)。
19.一种SPECT扫描器，其包括根据权利要求1所述的辐射探测器(100)。
20.一种用于从根据权利要求12所述的辐射探测器(100)中读出数据的方法，
其特征在于，所述阵列的所述光敏柱(110)根据灵敏度和空间分辨率的给定要求被细分为不同的子组，其中，每个子组的柱被共同地读出。
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