CN107533144B

CN107533144B - 多能量检测器

Info

Publication number: CN107533144B
Application number: CN201680026062.7A
Authority: CN
Inventors: 爱德华·詹姆斯·莫顿
Original assignee: Lapiskan Systems Co Ltd
Current assignee: Lapiskan Systems Co Ltd
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2019-11-01
Anticipated expiration: 2036-03-02
Also published as: EP3265851A4; KR102477399B1; JP6738823B2; EP3265851B1; KR20170131461A; US20160259067A1; EP3265851A1; GB201715864D0; US20190353803A1; US10578752B2; CN107533144A; JP2018512578A; HK1246860A1; MX2017011342A; GB2553942A; US10156642B2; WO2016141043A1; PL3265851T3

Abstract

本说明书描述了改进的多能量辐射检测器。在一种实施方式中，由检测介质生成的信号在信号收集点直接转换为数字形式。这避免了对功率密集型高带宽放大器以及模数转换器的需求，因为它将传感装置和信号处理集成到同一硅基板上以减少系统中的部件数量。在一种实施方式中，单光子雪崩二极管(SPAD)被直接耦接到阈值检测器上以获得本质上低耗电、低噪声的检测器。

Description

多能量检测器

交叉引用

本说明书依赖于2015年3月4日提交的题为“多能量检测器”的美国专利临时申请号62/128293要求优先权。上面所述申请在此以全部引用的方式合并于此。

技术领域

本说明书通常涉及辐射能成像系统，更具体地涉及使用多种能量检测隐藏物和识别感兴趣的材料的系统。

背景技术

X射线成像广泛应用在各个领域，包括医学成像、安全检查和工业无损检测。尽管相同的方法适用于所有其他X射线检查领域，但以下讨论集中在安全检查上。

通过检测由被检查物体传输或从被检查物体散射的辐射来产生射线图像。存在的材料的密度、原子数以及总量决定了辐射的衰减程度，且因此决定了产生的射线图像的性质和类型。除了确定当X射线或伽马射线光子沿各种X射线路径行进时X射线或伽马射线光子的平均吸收之外，可以得到关于材料特征的信息。散射X射线的强度与散射X射线的材料的原子数(Z)有关。一般来说，对于小于25的原子序数，X射线背散射强度或X射线反射率随着原子序数的增加而减小。另一方面，具有高原子序数(Z>70)的材料的表征是X射线光谱的低端和高端的高衰减。因此，X射线图像主要根据物体内(比如，货物内)的各种材料的物品(items)的原子序数的变化来调制。

作为根据各种材料的原子序数的图像调制的结果，X射线成像系统生成带有暗区的图像很常见。虽然这些暗区可能表示存在危险材料，但这些暗区几乎没有关于危险的确切性质的信息。此外，由于物体叠加且可能混淆图像，所以现有的X射线系统产生的射线照片通常难以解释。因此，受过培训的操作人员必须学习和解释每幅图像，以给出是否存在感兴趣的目标(比如危险)的意见。当大量这种射线照片需要被解释时，例如在高流量运输点或港口，操作人员疲倦和注意力分散都会危及检测性能。即使使用自动化系统，当系统高吞吐量运行时，也很难遵守隐含要求以保持较低数量的虚假报警。

一种从X射线成像获得更多有用信息以及清晰度的方法是使用双能量系统来测量容器或行李中材料的有效原子序数。这里，X射线束分为两大类：低能量和高能量。通常这是通过使X射线束穿过优先响应于低能量X射线的第一薄(thin)X射线检测器来实现。然后，将过滤的光束传送到第二检测器，该第二检测器响应于向光谱的较高能量部分加权的过滤光束。然后，通过高能量信号和低能量信号之间的差异来确定有效原子序数。这对于在60kV至450kV范围内的X射线能量束尤其有效，在60至450kV范围内，被检查物体的线性衰减系数快速变化在低能量和高能量光谱区产生良好的对比。

一种替代技术每个成像像素使用一个X射线检测器，然而，随着时间变化，从源投射的光束质量发生变化。通常，这种技术在高能量检查系统(例如，4MV和6MV光束)中使用。由于有效原子序数现在是从光谱的高能量部分产生的，它能够比双能量、堆叠式检测器方法提供更多的物体的厚的区域的信息。

进一步的方法识别出，X射线束包括在不同的任意分散时刻与检测器材料相互作用的多个单个X射线光子。通过单独检测和处理各个相互作用的X射线光子，可以建立所有相互作用的X射线的能量谱，其中该谱包含许多离散的能量仓(energy bins)，通常在2到至少4个仓的范围内。然后，可以分析这种光谱的形状以确定被检查物体的有效原子序数。通常已知的检测系统使用闪烁体和半导体材料来产生这种辐射光谱。

由于这些光谱感测系统组合了几种单个部件，包括但不限于检测器材料、模拟信号处理电路、模数转换器、数字信号处理电路以及数字数据采集电路，所以这些光谱感测系统通常是非常昂贵的。这些电路通常是高带宽以实现设计的计数速率，通常高达每平方米每秒1亿计数，因此，非常耗电和空间。这些系统往往具有差的制造产量且经常对环境温度的变化敏感，尤其是，由于泄漏电流随着检测材料的温度变化。

因此，需要多种改进的较低能耗且节省空间的能量检测器。进一步地，需要不仅能降低成本，提高制造率，而且能减缓温度变化的检测器。

发明内容

本说明书描述了一种改进的多能量辐射检测器，其充当直接到数字传感器。在一种实施方式中，描述了低成本传感器，在低成本传感器中，由检测介质生成的信号在信号收集点直接转换为数字形式。这避免了对功率密集型、高带宽放大器以及模数转换器的需求，因为它将传感装置和信号处理集成到同一硅基板上，以减少系统内的部件的数量。这降低了成本且提高了制造成品率，而且还通过作为本征(intrinsically)数字检测方法来提供对温度变化的缓解。

在一种实施方式中，当直接到数字传感器检测到光学光子时，它生成相应的数字脉冲。在一种实施方式中，单光子雪崩二极管(SPAD)直接耦接到阈值检测器上以实现直接到数字传感器，直接到数字传感器提供了本质上低能耗低噪声的检测器。

在一些实施方式中，本说明书公开了检测入射辐射的多能量检测器，其包括：闪烁体材料，其适于将入射辐射转换成多个光学光子；像素电路阵列，其中每个像素电路包括：耦接到阈值检测器上的单光子雪崩二极管(SPAD)，其中，每个SPAD被光耦接到闪烁体材料并适于响应于检测到一个或多个光学光子而生产电流；以及与SPAD电通信的阈值检测器，其中，所述阈值检测器被配置为响应于所述电流以生成数字脉冲；以及处理电子器件，用于处理来自在所述像素电路阵列中的每个像素电路的数字脉冲且将所述数字脉冲转换为入射辐射的能线图。

优选地，所述像素电路的每一个进一步包括有源猝熄电路，其中有源猝熄电路被配置为重置所述SPAD。

优选地，闪烁体材料为LYSO晶体。

优选地，所述像素电路阵列和所述处理电子器件被装配在单个CMOS基板上。

优选地，所述处理电子器件包括累加器，累加器被配置为生成像素计数，其中所述像素计数被传输给锁存寄存器。优选地，所述锁存寄存器被配置为从所述累加器接收所述像素计数，存储所述像素计数且将所述像素计数发送到数字缓冲器。优选地，所述数字缓冲器被配置为从所述锁存寄存器接收所述像素计数，缓存所述像素计数，并将所述缓存的像素计数发送到数字脉冲处理器。优选地，所述数字脉冲处理器被配置为从所述数字缓冲器接收所述缓存的像素计数，找到具体能量值，并将所述能量值发送到范围移位器。优选地，所述范围移位器被配置为从所述数字脉冲处理器接收所述能量值，缩放所述能量值，并将所述缩放的能量值发送到直方图仪。优选地，所述直方图仪被配置为从所述范围移位器接收所述缩放的能量值，生成所述缩放的能量值的直方图以建立能量谱数据，并发送所述能量谱数据到串行器。优选地，所述串行器被配置为从所述直方图仪接收所述能量谱数据，并将所述能量谱数据传到外部设备用于信号分析和图像显示。优选地，所述数字脉冲处理器被配置为通过查找时序数据来找到具体能量值以找到X射线脉冲及其相关的脉冲高度，其中，所述脉冲高度表示相应的能量水平。

在一些实施方式中，多能量检测器可进一步包括时钟，时钟用于驱动所述像素电路阵列和所述处理电子器件。优选地，时钟的频率被改变以改变所述多能量检测器的增益。优选地，时钟的频率在100MHz至500MHz的范围内。

在一些实施方式中，本说明书公开了检测入射光子的传感器，入射光子传感器包括与阈值检测器耦接的单光子雪崩二极管(SPAD)，所述阈值检测器用于在所述SPAD检测到光学光子时生成信号，SPAD被配置为固态光电检测器，在固态光电检测器中，单个光子能引起充分电离以触发能测量的雪崩电流。

优选地，SPAD与闪烁体材料耦接以通过产生相应的电流检测光子。优选地，闪烁体材料为Lu_1.8Y_0.2SiO₅(Ce)(LYSO)、氧正硅酸镥(LSO)、氧正硅酸钆(GSO)和溴化镧(LaBr)中的一个。

优选地，传感器进一步包括一对触发器锁存器，其中所述阈值检测器生成的信号反馈给这对触发器锁存器，用于获得相应的数字脉冲。

优选地，阈值检测器为场效晶体管(FET)，场效晶体管被配置为由于来自SPAD的电荷注入而改变状态。

优选地，传感器进一步包括与SPAD耦接的有源猝熄电路，其中所述有源猝熄电路适于在检测到光子后重置SPAD。

优选地，SPAD、闪烁体材料、阈值检测器以及有源猝熄电路都装配在单个CMOS基板上。

本说明前面提及的实施方式以及其他实施方式应参照附图和下面的说明更深入地描述。

附图说明

本说明书的这些特征和其他特征以及优点将很好领会，因为这些特征和优点是联系附图考虑得到的，参考下面详细描述将更好理解这些特征和优点，其中：

图1为多能量扫描系统的示意图；

图2为示出根据本说明书的一个实施方式的单个光学光子感测元件的示例性部件的框图；

图3描述了根据本说明书的一个实施方式的包含16个像素的子像素，16个像素一起提供4位二进制输出；

图4示出根据本说明书的一个实施方式的包括16子像素的主像素阵列系统；

图5示出根据本说明书的一个实施方式的光传感器的数字读出链；

图6a描述了每个时间段激活的SPAD的数量的时域图；

图6b描述了简单DPP分析后能量谱的示例性直方图；

图7a示出根据本说明书的一个实施方式的传感器芯片的示例性实施方式；

图7b示出传感器芯片的另一示例性实施方式；以及

图8为示出根据本说明书的一个实施方式的每个相互作用的X射线检测到的光学光子的总数量与入射X射线的能量之间关系的图表。

具体实施方式

本说明书描述了一种改进的多能量辐射检测器，其作为直接到数字传感器(direct to digital sensor)。在一个实施方式中，描述了低成本传感器，其中，由检测介质生成的信号在信号收集点直接转换为数字形式。这避免了对功率密集型高带宽放大器以及模数转换器的需求，因为它将传感装置和信号处理集成到同一硅基板上，以减少系统中的部件数量。这降低了成本且提高了制造成品率，并且还通过本质上的数字检测方法减缓温度变化。

在一个实施方式中，当直接到数字传感器检测到光学光子时，生成相应的数字脉冲。在一个实施方式中，单光子雪崩二极管(SPAD)直接耦接到阈值检测器上以实现直接到数字传感器。

本说明书针对多个实施方式。提供下面的公开以使具有本领域普通技术的人员实践本说明书。本说明书中使用的语言不应被解读为任何具体实施方式的一般否定形式或用于限定超出在此使用的术语的含义范围的权利要求。在不偏离本说明书的精神和范畴的情况下，在此定义的一般原则可适用于其他实施方式和应用。还有，使用的术语和词组是为了描述典型性实施方式，而不应该被认定为限定。因此，本说明书应符合包含许多替代、修订和与公开的原则和特征一致的同等物在内的最宽范畴。为了清楚起见，关于本说明书中已知的技术领域的技术材料的细节尚未详细描述，以便不会不必要地模糊本说明书。

图1描述了多能量扫描系统的概述。参考图1，检查中的货物101移动穿过由X射线源102生成的X射线的扇形束。在一个实施方式中，在10keV至450keV范围的能量处生成X射线。在本实例中，运输器105用于移动货物101穿过扇形束。然而，可理解为，多能量扫描系统也可用于基于非运输器的系统。已经被货物衰减的X射线继续朝向一组X射线检测器元件，X射线检测器元件被内置到可被称为检测器阵列103的像素化的线性检测器阵列段中。在一个实施方式中，设置几个这种段以在段间以最小重叠覆盖扇形束的整个长度。在一个实施方式中，每个段的长度在50mm-200mm之间。检测器阵列固定在一个或多个检测器外壳104内，一个或多个检测器外壳104提供了一个不透光的结构，而且还保护检测器免受湿气。

检测器元件设计成能够在检测器材料中相互作用时检测每个X射线光子的能量。在这种情况下，可设想出几种检测器材料供使用，实例包括比如由Lu_1.8Y_0.2SiO₅(Ce)(LYSO)、氧正硅酸镥(LSO)、氧正硅酸钆(GSO)、溴化镧(LaBr)和其他快速衰变时间、高光输出材料，或比如CdTe或CdZnTe的室温半导体。检测到的X射线的能量决定了X射线相互作用期间在检测器材料内产生的信号载体(signal carriers)的数量。本领域的普通技术人员将理解，在闪烁体的情况下信号载体是光学光子，在半导体的情况下信号载体是电子。也要理解，沉积的X射线能量越高，生成的信号载体越多。通过计算每次X射线相互作用时产生的信号载体的数量以及然后将在具体时间段(通常在1-100ms范围内)内到来的每条X射线的计数值做成直方图，获得X射线能量谱。能量谱具有源发射谱和X射线衰减系数的特征。由于X射线谱不会在一次扫描和另一次扫描之间发生实质变化，所以检测到的信号只具有材料的特征。

通过分析能量谱的每个区域内存在的吸收的X射线能量的分量(fraction)，生成被检查材料的特征是可能的。这种分析可采用光谱的高能量部分的计数和光谱的低能量部分的计数之间的比例，该比例越大，被检查的材料的原子数越高。更复杂的算法将这种类型的分析扩展到多个能量区域且达到区域平均以增加该分析中考虑的检测到的光子的数量，从而提高信噪比。

一旦从图像数据中已确定材料的原子数，可通过分类器通过该结果以确定比如炸药、麻醉剂或货币的危险材料的存在。以这种方式，自动检测能力可开发用于危险材料。随着确定原子数准确性的提高，危险检测系统的性能也变得越来越好。

本领域的技术人员将理解，这种自动化检测系统有利地与其他安全检查技术相结合，比如，筛查人们是否带有炸药、武器以及其他危险材料的技术和装置。然后可组合这些独立检查系统的结果以生成总体危险检测结果，综合危险检测结果提供关于引起总体危险(例如但不限于保内的炸药材料以及口袋内的引爆装置)的进一步信息。

光谱检测器先前使用一种常规方法，借助该方法，将检测到的信号(或者由半导电材料直接检测到，或者由耦接到诸如光电二极管或硅光电倍增器的光检测装置的闪烁体间接检测到)反馈给电荷灵敏放大器、整形放大器、模数转换器、数字制直方图单元和数据采集系统。这些都是很昂贵的部件，通常要求高带宽、高功率放大器和快速模数转换器。此外，半导体装置(检测器材料本身、偏压光电二极管或硅光电倍增器)会受到暗电流和/或增益的大幅变化且这些变化会根本上影响模拟前端电路的性能。因此，通常需要根据温度来监测温度监测传感器电路的温度以及调整检测器偏压以保持恒定增益和检测器作业点。尤其是在接近不稳定点操作的硅光电倍增器情况下，有必要向每个单个装置提供偏压，这是既昂贵且又占面积的处理。

为了解决已知检测器系统的局限性，本说明书提供了低成本、“直接到数字”传感器，其中，由检测介质生成的信号在信号收集点直接转换为数字形式。图2描述了根据本说明书的一个实施方式的单个光学光子感测元件需要的部件。参考图2，传感器芯片200包括直接耦接到阈值检测器202的单光子雪崩二极管(SPAD)201。单光子雪崩二极管为固态光电检测器，在其中，单个光子能引起充分电离以触发可测量的雪崩电流。SPAD201检测在光耦接到所述感测元件200的诸如LYSO(未示出)的闪烁体材料中通过X射线相互作用产生的光学光子。当SPAD201检测到光子，激活阈值检测器202。阈值检测器的输出被馈送到一对触发器或锁存器204和205，触发器或锁存器204和205为具有两种稳定状态且能用于存储状态信息的电路。生成相应的数字脉冲210。由于每个相互作用的光学光子都生成一个数字脉冲，所以该装置可称为直接到数字传感器。在一个实施方式中，所述阈值检测器202为单个场效晶体管(FET)，其由于从SPAD201进行电荷注入而改变状态。这是对温度变化明显不敏感的非常低功耗的模拟前端，因为它只响应于SPAD激活或不激活的二进制事件。二进制事件是由光学光子引起的且只要SPAD达到大于阈值的增益，就不依赖于SPAD产生多少增益。

可以理解，相互作用的X射线会根据沉积在闪烁体材料内的能量产生10到1000的光学光子且这些光子的一部分将到达检测器的活动区。因此，如果检测器内存在SPAD阵列，则被激活的SPAD的数量越多，检测器内沉积的能量越高。

进一步地，可理解为，重置SPAD且返回到可操作状态越快，检测器系统的线性越好。检测器较好的线性意味着沉积的X射线能量可更准确分辨。为实现SPAD快速重置和更好的线性，在一个实施方式中，本系统使用有源猝熄电路(active quench circuit)203。一旦SPAD被激活，使用有源猝熄电路仅在几微秒内主动重置SPAD是可能的。没有增益元件的重置对于基于硅光电倍增器的已知检测器来说是根本问题且导致这些检测器在光谱成像时严重非线性。

在一个实施方式中，所有信号处理电子器件直接集成在一个传感器芯片。在一个实施方式中，SPAD和数字电子器件都装配在同一CMOS基板上。应注意到，其他常规检测器需要使用一工艺(例如，p-i-n层)制造的敏感检测容体(比如，光电二极管)以及使用第二工艺(例如，CMOS)制造的电子器件。这使得封装检测器变得困难、有噪声而又昂贵。

图2传感器的直接到数字机制具有好几种优势。传感器本质上是低功耗装置且不使用耗费大量功率的有噪声的前端模拟放大器。这使传感器成为其中功耗管理和像素到像素的均匀性成为严重局限性的多像素装置的理想选择。传感器本质是无噪声的，因为传感器除了与光子检测相关外的噪声(这是可预测的且具有确定性效应)外，不会产生噪声。没有电子器件噪声意味着较低能量阈值是可能的，这有助于分辨(resolving)多能量图像的低对比度特征。

在一个实施方式中，使用也称为“像素电路”或“像素”的16个单个光学光子感测元件的阵列来形成子像素。多个子像素一起形成光传感器阵列。图3描述了包含16个像素的子像素，16个像素一起提供4位二进制输出。参考图3，光传感器子像素300包含16个像素301，16个像素一起提供4位二进制输出。4位二进制输出由编码器302提供，16个像素A到F 301中的每一个的输出被馈送到编码器302以获得4位输出信号303。由于子像素传感器300包括16个像素301，传感器300在任何时间能检测多达16个光学光子。

在一个实施方式中，使用图3示出的16个子像素阵列300形成更大的阵列。图4示出主像素阵列系统400，进一步地，其由16个子像素401构成。每个子像素401包括16个像素电路(如图3所示)。因此，阵列400中有256个像素/传感器元件。在一个实施方式中，8位累加器402耦接到子像素401且由相同的时钟403驱动，时钟403也用于计时所有子像素401的单个像素元件。系统400还包括时钟403驱动的锁存寄存器404。累加器402将每个时钟周期的所有子像素401的输出406求和一次。累加器408的输出存储在提供像素计数410的锁存寄存器404，像素计数410为每个时钟周期在该像素检测到的光学光子的数量。在一个实施方式中，典型的时钟频率的范围在100MHz到500MHz之间。可以注意到，像素时钟频率被有效用于改变检测系统的增益，像素时钟越快，系统的总增益越低且能准确检测到的X射线光子的最大能量越高。因此，系统400用作高速模数转换器，在其中，输出为每个时钟周期每个像素检测到的光学光子的数量。像素阵列、累加器和锁存器一起构成了非常低功耗低噪声的装置，该装置生成对于准确光谱成像很重要的定量结果。

在一个实施方式中，图4的电路进一步馈入数字脉冲处理器(DPP)，形成数字读出链。图5示出根据一个实施方式的数字读出链500。参考图5，传感器阵列501的输出被馈送到8位累加器502，8位累加器502将每个时钟周期在阵列中的所有像素的输出求和一次。累加器502的像素计数存储在锁存寄存器503中，之后缓存在数字缓冲器504中，提供累加器/锁存器和数字脉冲处理器(DPP)505之间的精确同步。DPP 505搜索时间序列数据以找到X射线脉冲和其关联的脉冲高度，所述脉冲高度表示对应的能量水平。在一个实施方式中，DPP通常首先搜索高于最小能量阈值(较低能量鉴别器阈值)的过渡，然后搜索每个时钟周期数字缓冲器504的输出从正梯度向负梯度的过渡。在梯度从正梯度向负梯度改变的这个时间，数字缓冲器内的值与通过相互作用的X射线沉积在检测器内的能量成正比，且该数字缓冲器内的值是传递给随后的范围移位器506的值。

可以注意到，相较于闪烁体材料发出的光脉冲的持续时间，选择快速的时钟频率。例如，对于光衰减时间通常为40ns的快速闪烁体，比如LYSO，200MHz(5ns周期)的时钟速率提供每脉冲8-10个采样，以确定相互作用的x射线能量。

一旦DPP 505确定了脉冲高度(能量)，使用范围移位器506适当缩放能量。这使得根据成像系统的具体要求、检测算法以及数据采集系统处理相关数据流的能力以任意分辨率产生能量光谱。此后，直方图仪507生成缩放的脉冲高度(能量)的直方图，以生成因许多相互作用的X射线而产生的能量谱，X射线的数量由被检查物体的X射线衰减以及整个采样时间确定。在一个实施方式中，采样时间的范围从0.1ms到100ms。范围移位器506允许用户将系统的能量分辨率从单个集成信号调整到可能数百个微小间隔的能量“仓”(bins)。本领域的普通技术人员应理解，使用更多的能量仓会导致系统的更好的能量分辨率，但是恶化了每个仓内存在的数据的统计准确性。因此，为了实现实际成像系统，在一个实施方式中，在0-200keV的范围内选择8个或16个能量仓作为能量分辨率和统计噪声之间的折衷。最后，来自直方图仪的数据通过串行器508传递给诸如计算机的外部设备，用于后续的信号分析和图像显示。

图6a和6b示出了来自LSYO闪烁体相互作用的100keV源的X射线的示例性定量数据。图6a描述了每个时间段被激活的SPAD的数量的时域图。参考图6a，图表605的竖轴601示出横轴602示出的每个时间段的激活的SPAD(参考图2)的数量。脉冲604表示与200MHz时钟对应的5微秒(ns)的时间采样周期内激活的SPAD的数量。

图6b描述了DPP分析后获得的示例性直方图能量谱。图形620是通过使用脉冲高度分析算法获得的，该算法包括在转换到正梯度时开始脉冲高度的底部，且在转换到负梯度时测量脉冲高度的顶部。横轴610表示从0到250KeV的能量仓，而竖轴表示频谱频率。如图形620所见，脉冲高度分析示出合理的能量分辨率。本领域的普通技术人员将理解，可以使用先进的DPP分析方法和能量光谱，以进一步改进其分辨率。在一个实施方式中，计算上高效的DPP方法是基于缩放到峰值高度的已知检测器脉冲形状的模板匹配。该缩放模板在每个时间点与实际光谱相关，而且强相关点对应于相互作用的脉冲。

如上所述，在一个实施方式中，SPAD和所有信号处理电子器件直接集成在单个传感器芯片上且可装配在同一CMOS基板上。图7a示出包括SPAD和对应信号处理电子器件的传感器芯片的示例性实施方式。参考图7a，传感器700包括像素电路检测器阵列(参考图2,3和4)，像素电路检测器阵列连同图5所示的对应信号处理电子器件部件形成为专用集成电路(ASIC)702。在一个实施方式中，ASIC 702通过引线键合粘结到FR4基板704。在另一实施方式中，可使用氧化铝陶瓷基板。如本领域众知的那样，在本领域另一实施方式中，ASIC 702通过硅过孔(TSV)或通过板上芯片(CoB)703连接到板704。此外，闪烁体晶体701贴在像素检测器阵列702的前敏感面。一些实施方式中，各种闪烁体材料，比如Lu_1.8Y_0.2SiO₅(Ce)(LYSO)、氧正硅酸镥(LSO)、氧正硅酸钆(GSO)和溴化镧(LaBr)可与像素检测器阵列702耦接。

图7b示出具有两个连接器711和712的传感器芯片710，两个连接器711和712用于传输板上或板外的串行数据，且可用于为实际阵列长度提供菊链式的解决方案。图7b也示出两排并列的检测器元件731和741。在该实施方式中，以等于每次投影一个像素的速率采样待检查物体，且来自前沿像素的数据与来自下一投影的后沿像素的数据相加。这将被检测图像的空间分辨率保持在单个像素水平，但导致信噪比的根2改进以及最终穿透性能的改进。对于本领域的技术人员来说，可以选择交替像素配置，比如但不限于矩形像素、偏移线性阵列14以及晶体高度变化的阵列。在一个实施方式中，横向阵列长度大约是650mm，而竖向长度大约是450mm，而且像素量为1375。在一个实施方式中，像素大小大约是0.8mm*0.8mm*2.0mm，并且检测器阵列示出高达5MHz/mm²的X射线计数率。

图8为通过使用图4、5和7描述的检测器描述每个相互作用的X射线检测到的光学光子的总数量与入射X射线的能量之间关系的图表。Y轴801表示每个相互作用性X射线检测到的光学光子的总数量而X轴802表示入射的X射线的能量KeV。在本实例中，入射的X射线光谱为范围在0到最大能量250KeV之间的宽带轫致辐射光谱。获得的图804描述了检测到的光子的数量和入射X射线能量之间的近线性关系。

上面的实例仅仅描述了本说明书的系统的多个应用。虽然在此只描述了本说明书的几个实施方式，但要明白本说明书在不偏离本说明书的精神或范围的情况下可体现为许多其他具体形式。因此，实例和实施方式应认为是描述性的而非限制性的，而且本说明书可在附属的实施方式的范围内修订。

Claims

1.一种用于检测入射辐射的多能量检测器，包括：

闪烁体材料，适于将所述入射辐射转换为多个光学光子；

像素电路阵列，其中，每个像素电路包括：耦接到阈值检测器的单光子雪崩二极管(SPAD)，其中，每个SPAD被光耦接到所述闪烁体材料并适于响应于检测到一个或多个光学光子而产生电流；以及与所述SPAD电通信的所述阈值检测器，其中，所述阈值检测器被配置为响应于所述电流而生成数字脉冲；以及

处理电子器件，用于处理来自在所述像素电路阵列中的每个像素电路的所述数字脉冲并将所述数字脉冲转换为所述入射辐射的能线图；

其中，所述处理电子器件包括被配置为生成像素计数的累加器，其中，所述像素计数被发送给锁存寄存器。

2.根据权利要求1所述的多能量检测器，其中，所述像素电路的每一个还包括有源猝熄电路，其中，所述有源猝熄电路被配置为重置所述SPAD。

3.根据权利要求1所述的多能量检测器，其中，所述闪烁体材料为LYSO晶体。

4.根据权利要求1所述的多能量检测器，其中，所述像素电路阵列和所述处理电子器件被装配在单个CMOS基板上。

5.根据权利要求1所述的多能量检测器，其中，所述锁存寄存器被配置为从所述累加器接收所述像素计数，存储所述像素计数，并将所述像素计数发送给数字缓冲器。

6.根据权利要求5所述的多能量检测器，其中，所述数字缓冲器被配置为从所述锁存寄存器接收所述像素计数，缓存所述像素计数，并将所缓存的像素计数发送给数字脉冲处理器。

7.根据权利要求6所述的多能量检测器，其中，所述数字脉冲处理器被配置为从所述数字缓冲器接收所述缓存的像素计数，找到具体能量值，并将所述能量值发送给范围移位器。

8.根据权利要求7所述的多能量检测器，其中，所述范围移位器被配置为从所述数字脉冲处理器接收所述能量值，缩放所述能量值，并将缩放的所述能量值发送给直方图仪。

9.根据权利要求8所述的多能量检测器，其中，所述直方图仪被配置为从所述范围移位器接收缩放的所述能量值，生成缩放的所述能量值的直方图以建立能量谱数据，并将所述能量谱数据发送给串行器。

10.根据权利要求9所述的多能量检测器，其中，所述串行器被配置为从所述直方图仪接收所述能量谱数据，并将所述能量谱数据传送到外部设备用于信号分析和图像显示。

11.根据权利要求7所述的多能量检测器，其中，所述数字脉冲处理器被配置为通过查找时序数据来找到具体能量值以找到X射线脉冲及其相关的脉冲高度，其中，所述脉冲高度表示相应的能量水平。

12.根据权利要求1所述的多能量检测器，还包括时钟，所述时钟用于驱动所述像素电路阵列和所述处理电子器件。

13.根据权利要求12所述的多能量检测器，其中，改变所述时钟的频率以改变所述多能量检测器的增益。

14.根据权利要求13所述的多能量检测器，其中，所述时钟的所述频率在100MHz至500MHz的范围内。

15.根据权利要求1所述的多能量检测器，其中，所述闪烁体材料为Lu_1.8Y_0.2SiO₅(Ce)(LYSO)、氧正硅酸镥(LSO)、氧正硅酸钆(GSO)和溴化镧(LaBr)中的一种。

16.根据权利要求1所述的多能量检测器，还包括一对触发器锁存器，其中,所述阈值检测器被配置为将所述阈值检测器生成的信号馈送到这对触发器锁存器，以获得所述数字脉冲。

17.根据权利要求1所述的多能量检测器，其中，所述阈值检测器为被配置为由于来自所述SPAD的电荷注入而改变状态的场效晶体管(FET)。

18.根据权利要求1所述的多能量检测器，还包括与所述SPAD耦接的有源猝熄电路，其中，所述有源猝熄电路适于在检测到光子后重置所述SPAD。

19.根据权利要求1所述的多能量检测器，其中，所述SPAD、所述闪烁体材料、所述阈值检测器以及有源猝熄电路都被装配在单个CMOS基板上。