CN110047860B - 射线影像传感器 - Google Patents
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Abstract
一种射线影像传感器，包括：晶体层，所述晶体层接收射线并将所述射线转化为可转化光子；位于真空腔内的光电转化层，所述光电转化层接收所述可转化光子并对所述可转化光子进行光电转化产生光电子；位于真空腔内的图像传感器，所述图像传感器与所述光电转化层间隔预设距离相对设置，所述图像传感器和所述光电转化层之间具有直流电场，所述直流电场对所述光电子进行加速，所述图像传感器采集经加速的光电子以获得影像。本发明技术方案能够有效提高射线影像传感器的灵敏度，在获取相同影像质量的前提下，可有效降低射线辐射强度，降低射线辐射危害。
Description
技术领域
本发明涉及光电领域，特别涉及一种射线影像传感器。
背景技术
随着技术进步，各种射线的影像的应用越来越广泛，例如广泛用于医学检测、安全检测、物质分析等各领域。在各种射线影像采集过程中，射线辐射必不可少，鉴于射线所固有的危险性及危害性，希望尽量降低射线辐射强度。有效降低射线辐射强度的方法之一就是尽可能提高射线影像传感器的灵敏度。
但是现有技术中的射线影像传感器的灵敏度有限，因此无法有效降低辐射强度、控制辐射危害。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种射线影像传感器，以提高射线影像传感器的灵敏度，从而达到降低射线辐射强度、控制射线辐射危害的目的。
为解决上述问题，本发明提供一种射线影像传感器，包括：
晶体层，所述晶体层接收射线并将所述射线转化为可转化光子；位于真空腔内的光电转化层，所述光电转化层接收所述可转化光子并对所述可转化光子进行光电转化产生光电子；位于真空腔内的图像传感器，所述图像传感器与所述光电转化层间隔预设距离相对设置，所述图像传感器和所述光电转化层之间具有直流电场，所述直流电场对所述光电子进行加速，所述图像传感器采集经加速的光电子以获得影像。
可选的，还包括：具有开口的壳体；所述晶体层位于所述壳体的开口位置；所述晶体层和所述壳体围成所述真空腔。
可选的，所述光电转化层位于所述晶体层朝向所述真空腔腔内的表面上。
可选的，还包括：具有开口的壳体和位于所述壳体的开口位置的窗口层；所述窗口层和所述壳体围成所述真空腔；所述晶体层位于所述窗口层背向所述真空腔腔内的一侧。
可选的，所述光电转化层位于所述窗口层朝向所述真空腔腔内的表面上。
可选的，所述晶体层位于所述窗口层背向所述真空腔腔内的表面上。
可选的，所述窗口层的材料为透明材料。
可选的，还包括：位于所述开口位置的密封圈。
可选的，所述图像传感器为背照式图像传感器。
可选的，所述光电转化层的厚度在50nm到500nm范围内。
可选的，所述光电转化层的材料包括：光电阴极材料。
可选的，所述图像传感器和所述光电转化层之间的电压大于等于500V。
可选的，所述图像传感器和所述光电转化层之间的预设距离小于等于5mm。
可选的，所述图像传感器和所述光电转化层之间直流电场的强度大于等于103V/cm。
可选的，所述真空腔的气压小于或等于10-3Pa。
可选的，所述射线包括：X射线、γ射线、α射线或β射线中的至少一种。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明技术方案中，先利用晶体层将射线转换为可转化光子；之后，可转化光子投射至真空腔内的光电转化层并被光电转化层接收以产生光电子；在真空腔中经直流电场加速后，光电子入射至同样位于真空腔中的图像传感器上以获得影像。由于所述图像传感器所采集的是经直流电场加速后的光电子，因此所采集的光电子能够在图像传感器中激发数量更多的二次电子，从而实现电子增益，使与所述射线相对应的信号得以放大，所以本发明技术方案能够有效提高射线影像传感器的灵敏度，在获取相同影像质量的前提下，可有效降低射线辐射强度，降低射线辐射危害。
本发明可选方案中，所述晶体层和所述壳体直接围成所述真空腔，所述光电转化层位于所述晶体层朝向所述真空腔腔内的表面上。所述晶体层和所述光电转化层之间直接接触，没有其他材料膜层，能够有效减少可转化光子受到的散射，提高所述可转化光子的准直度，能够有效抑制串扰。
本发明可选方案中，所述窗口层和所述壳体围成所述真空腔，所述光电转化层和所述晶体层分别位于所述窗口层相背的两个表面上。这种设置方式一方面能够有效降低所述真空腔的形成工艺难度，能够有效提高制造良率、降低制造成本；另一方面，还能够有效提高与现有工艺相结合的程度，无需对现有产线进行较大改动即可完成生产制作，能够有效控制额外增加的工艺和成本。
本发明可选方案中，所述光电转化层的厚度在50nm到500nm范围内。所述光电转化层厚度如果太大，则不利于光电子的产生；所述光电转化层厚度过小，则不利于对所述可转化光子充分接收以产生足够的光电子；所述光电转化层厚度合适既能够保证光电子顺利从所述光电转化层出射从而进入直流电场以被加速，又能够保证可转化光子的充分接收以产生足够的光电子。
附图说明
图1是本发明射线影像传感器第一实施例的剖面结构示意图；
图2是本发明射线影像传感器第二实施例的剖面结构示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有技术中的射线影像传感器往往存在灵敏度较低问题。
为解决所述技术问题，本发明提供一种射线影像传感器，包括：
晶体层，所述晶体层接收射线并将所述射线转化为可转化光子；位于真空腔内的光电转化层，所述光电转化层接收所述可转化光子并对所述可转化光子进行光电转化产生光电子；位于真空腔内的图像传感器，所述图像传感器与所述光电转化层间隔预设距离设置，所述图像传感器和所述光电转化层之间具有直流电场，所述直流电场对所述光电子进行加速，所述图像传感器采集经加速的光电子以获得影像。
本发明技术方案能够有效提高射线影像传感器的灵敏度，在获取相同影像质量的前提下，可有效降低射线辐射强度，降低射线辐射危害。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
参考图1，示出了本发明射线影像传感器第一实施例的剖面结构示意图。
所述射线影响传感器包括：晶体层110，所述晶体层110接收射线101并将所述射线101转化为可转化光子(图中未示出)；位于真空腔102内的光电转化层120，所述光电转化层120接收所述可转化光子并对所述可转化光子进行光电转化产生光电子103；位于真空腔102内的图像传感器130，所述图像传感器130与所述光电转化层120间隔预设距离设置，所述图像传感器130和所述光电转化层120之间具有直流电场，所述直流电场对所述光电子103进行加速，所述图像传感器130采集经加速的光电子103以获得影像。
在晶体层110将射线101转化为可转化光子后，所述光电转化层120接收所述可转化光子并对所述可转化光子进行光电转化以产生光电子103；所述光电子103在真空腔内被直流电场加速后，入射至图像传感器130上以获得影像。由于所述图像传感器130所采集的是经直流电场加速后的光电子103，因此所采集的光电子103能够在图像传感器130中激发数量更多的二次电子，从而实现电子增益，使得与所述射线101所对应的信号得以放大。所以，本发明的射线影像传感器的灵敏度更高，在获取相同影像质量的前提下，可有效降低射线辐射强度，控制射线辐射危害。
下面结合附图对本发明技术方案实施例进行详细说明。
所述晶体层110用于将所接收射线并转化为可转化光子。
具体的，所述射线101可以包括：X射线、α射线、γ射线或β射线中的至少一种；因此，所述晶体层110的材料可以包括：闪烁晶体或荧光晶体中的至少一种。
本实施例中，所述射线101为X射线；所述晶体层110的材料为：闪烁晶体，例如：碘化铯闪烁晶体或陶瓷晶体等；所述晶体层110采集X射线光子并将X射线光子转化为可见光光子，即所述可转化光子为可见光光子。但是本发明对所述射线101的具体种类和所述晶体层110的材料并不限定。
如图1所示，所述射线影像传感器还包括：具有开口(图中未标示)的壳体140；所述晶体层110位于所述壳体140的开口位置；所述晶体层110和所述壳体140围成所述真空腔102。
此外，所述晶体层110和所述壳体140之间设置有密封环141，所述晶体层110和所述壳体140之间通过密封环实现真空密封。具体的，所述壳体140的材料可以为陶瓷或玻璃中的至少一种，所述密封环141的材料可以为金属或高分子聚合物材料中的至少一种。
本实施例中，所述壳体140的材料为陶瓷，所述密封环141的材料为铟；通过铟封工艺实现所述晶体层110和所述壳体141之间的连接。
所述光电转化层120接收所述晶体层110所产生的可转化光子，并对所述可转化光子进行光电转化以产生相应的光电子。
具体的，所述光电转化层120的材料包括光电阴极材料，即例如：K3Sb(Cs)、Na2KSb(Cs)、K、Na、Cs与Sb的化合物、Ag-O-Cs或Au等具有外光电效应的单质或化合物中的至少一种。
也就是说，所述光电转化层120的材料是根据外光电效应制成的光电发射材料。
此外，所述光电转化层120的材料还需要与所述可转化光子相适应。本实施例中，所述可转化光子为可见光光子，因此所述光电转化层120为工作在可见光波段的光电阴极材料。
本实施例中，所述晶体层110和所述壳体140围成所述真空腔102；所述光电转化层120位于所述晶体层110朝向所述真空腔102腔内的表面上，也就是说，所述光电转化层120直接覆盖于所述晶体层110朝向所述真空腔102腔内的表面上。所述光电转化层120直接与所述晶体层110接触，不仅有利于射线影像传感器集成度的提高；更重要的是，所述光电转化层120与所述晶体层110之间没有其他材料膜层，所述晶体层110所产生的可转化光子直接进入所述光电转化层120以激发光电子，无需透射其他材料，能够有效降低所述可转化光子受到散射的可能，有利于保证所述可转化光子传播的准直度，有利于抑制串扰以提高影像质量。
具体的，所述光电转化层120可以通过沉积、外延或蒸镀等方式形成于所述晶体层110的表面。
需要说明的是，所述光电转化层120的厚度在50nm到500nm范围内。所述光电转化层120厚度如果太大，则不利于光电子的产生；所述光电转化层120厚度过小，则不利于对所述可转化光子充分接收以产生足够的光电子。所述光电转化层120厚度合适既能够保证光电子顺利从所述光电转化层120出射从而进入直流电场以被加速，又能够保证可转化光子的充分接收以产生足够的光电子。
继续参考图1，所述射线影像传感器还包括：同样位于所述真空腔102内的图像传感器130。所述图像传感器130用于采集光电子103并根据所采集的光电子103获得影像。
所述图像传感器130和所述光电转化层120之间间隔预设距离，且相对设置；所述图像传感器130和所述光电转化层120之间设置有直流电场，所述光电转化层120所产生的光电子103在发射后，进入所述直流电场；所述直流电场对进入其中的光电子103进行加速；加速后的光电子103投射至所述图像传感器130上，在所述图像传感器130上激发出更多的二次电子；所述图像传感器130基于二次电子获得影像。
需要说明的是，本实施例中，所述光电转化层120的材料为光电阴极材料，因此所述光电转化层120不仅能够产生光电子103，还能够作为所述直流电场的阴极，所述光电子103产生后直接进入所述直流电场实现加速。
由于所述图像传感器130是基于二次电子获得影像的，而经加速的光电子103在所述图像传感器130上所激发的二次电子数量多于所述光电子103的数量；因此这种获得影像的方式，能够实现电子增益，放大与射线101所对应的信号，从而能够有效提高射线影像传感器的灵敏度，在获取相同影像质量的前提下，可有效降低射线辐射强度，降低射线辐射危害。
具体的，所述图像传感器130包括CMOS图像传感器或CCD图像传感器中的至少一种。但是由于所述图像传感器130是采集二次电子以获得影像的，因此与传统CMOS图像传感器或CCD图像传感器相比而言，所述图像传感器130并不具有光电转换层，所述光电子103直接投射至所述图像传感器130中元器件的半导体材料内以激发二次电子以达到信号倍增放大的效果。
本实施例中，所述图像传感器130为背照式图像传感器。具体的，所述图像传感器包括：采集所述光电子103的器件层(图中未标示)和实现所述器件层与外部电路连接的金属互连层(图中未标示)；所述器件层位于所述金属互连层和所述光电转化层120之间；所述光电子无需透射所述金属互连层，直接投射至所述器件层的半导体材料内以激发二次电子。
所述背照式图像传感器中，位于所述器件层背向所述金属互连层的表面具有保护层，所述光电子103透射所述保护层之后方能到达所述器件层内中的半导体材料内，光电子103透射所述保护层的过程中会出现能量损失：所述保护层厚度的增大，会使光电子103透射过程中损失的能量随之增大；光电子103损失能量越大，到达半导体材料层内后所能激发的二次电子数量越少，所产生的电子增益越小，信号放大越小；因此所述保护层的厚度不宜太大，否则会影响所述射线影像传感器的电子增益，影响其灵敏度的提高。但是所述保护层的厚度过小则无法保证其保护能力，不仅可能会影响所述图像传感器130的稳定性，还可能增大工艺难度。因此所述保护层的厚度在10μm以下。
所述图像传感器130和所述光电转化层120之间的直流电场适宜于对所述光电子103进行加速以实现电子增益。所述直流电场强度越大，能耗越大，工艺难度越大，但是能够实现的电子增益也越大；因此所述直流电场的强度大于等于103V/cm。
所述图像传感器130和所述光电转化层120之间的预设距离在5mm以下；所述图像传感器130和所述光电转化层120之间的电压大于等于500V：所述图像传感器130和所述光电转化层120之间预设距离越大，形成足够强度的直流电场，所述图像传感器130和所述光电转化层120之间电压也随之增大，所述射线影像传感器的能耗和集成度及图像质量则随之下降；所述图像传感器130和所述光电转化层120之间预设距离越小，形成足够强度的直流电场，所述图像传感器130和所述光电转化层120之间电压也随之减小，但是所述射线影像传感器的形成工艺难度和制造成本会随之增大。
需要说明的是，为了使所述光电子103能够在所述直流电场内得以加速，尽量减少所述光电子103的能量损耗，所述真空腔的气压小于或等于10-3Pa，即所述真空腔内的气压小于或等于10-3Pa。所述真空腔的气压过大，则会影响所述光电子103的加速，会影响电子增益倍数和所述射线影像传感器的灵敏度；所述真空腔的气压过小，则会增加形成工艺难度、提高制造成本。
继续参考图1，本实施例中，所述射线影像传感器还包括：多个引脚150。所述引脚实现所述射线影像传感器与外部电路的电连接，以实现信号输出、控制等功能。
所述射线影像传感器利用所述图像传感器120采集所述光电子103以实现电子增益、信号放大，从而达到提高射线影像传感器的灵敏度，在获取相同影像质量的前提下，可有效降低射线辐射强度，降低射线辐射危害的目的。
而且，所述晶体层和所述光电转化层之间直接接触，没有其他材料膜层，能够有效减少可转化光子受到的散射，提高所述可转化光子的准直度，能够有效抑制串扰。但是这种方式仅为一示例，本发明其他实施例中，所述晶体层和所述光电转化层之间也可以通过其他方式实现连接。
参考图2，示出了本发明射线影像传感器第二实施例的剖面结构示意图。
本实施例与第一实施例不同之处在于，本实施例中，所述晶体层210和所述光电转化层220之间还设置有窗口层260。
如图2所示，所述射线影像传感器还包括位于所述壳体240开口位置的窗口层260；所述窗口层260和所述壳体240围成所述真空腔202；所述晶体层210位于所述窗口层260背向所述真空腔220腔内的一侧。
利用所述窗口层260围成所述真空腔202的至少部分腔壁，不仅能够有效降低所述真空腔202的形成工艺难度，还能够有效提高与现有工艺相结合的程度，无需对现有产线进行较大改动即可完成生产制作，能够有效控制额外增加的工艺和成本。
具体的，所述窗口层260的材料为透明材料，例如玻璃等，以提高所述可转化光子的透射率，从而保证所述射线影像传感器的高灵敏度。
本实施例中，所述光电转化层220位于所述窗口层260朝向所述真空腔220腔内的表面上。具体的，所述光电转化层220可以通过沉积、外延或蒸镀等方式形成于所述窗口层260的表面，从而能够有效控制所述光电转化层220的形成工艺难度，控制所述射线影像传感器的形成良率和制造成本。
此外，本实施例中，所述晶体层210位于所述窗口层260背向所述真空腔202腔内的表面上，也就是说，所述晶体层210和所述光电转化层220分别位于所述窗口层260相背的两个表面上。具体的，所述晶体层210可以通过粘结剂(例如光学胶)直接贴合在所述窗口层260的表面上。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (16)
1.一种射线影像传感器，其特征在于，包括：
晶体层，所述晶体层接收射线并将所述射线转化为可转化光子；
位于真空腔内的光电转化层，所述光电转化层接收所述可转化光子并对所述可转化光子进行光电转化产生光电子；
位于真空腔内的图像传感器，所述图像传感器与所述光电转化层间隔预设距离相对设置，所述图像传感器和所述光电转化层之间具有直流电场，所述直流电场对所述光电子进行加速，所述图像传感器采集经加速的光电子以获得影像。
2.如权利要求1所述的射线影像传感器，其特征在于，还包括：具有开口的壳体；
所述晶体层位于所述壳体的开口位置；
所述晶体层和所述壳体围成所述真空腔。
3.如权利要求2所述的射线影像传感器，其特征在于，所述光电转化层位于所述晶体层朝向所述真空腔腔内的表面上。
4.如权利要求1所述的射线影像传感器，其特征在于，还包括：具有开口的壳体和位于所述壳体的开口位置的窗口层；
所述窗口层和所述壳体围成所述真空腔；
所述晶体层位于所述窗口层背向所述真空腔腔内的一侧。
5.如权利要求4所述的射线影像传感器，其特征在于，所述光电转化层位于所述窗口层朝向所述真空腔腔内的表面上。
6.如权利要求4所述的射线影像传感器，其特征在于，所述晶体层位于所述窗口层背向所述真空腔腔内的表面上。
7.如权利要求4所述的射线影像传感器，其特征在于，所述窗口层的材料为透明材料。
8.如权利要求2或4所述的射线影像传感器，其特征在于，还包括：位于所述开口位置的密封圈。
9.如权利要求1所述的射线影像传感器，其特征在于，所述图像传感器为背照式图像传感器。
10.如权利要求1所述的射线影像传感器，其特征在于，所述光电转化层的厚度在50nm到500nm范围内。
11.如权利要求1所述的射线影像传感器，其特征在于，所述光电转化层的材料包括：光电阴极材料。
12.如权利要求1所述的射线影像传感器，其特征在于，所述图像传感器和所述光电转化层之间的电压大于等于500V。
13.如权利要求1所述的射线影像传感器，其特征在于，所述图像传感器和所述光电转化层之间的预设距离小于等于5mm。
14.如权利要求1所述的射线影像传感器，其特征在于，所述图像传感器和所述光电转化层之间直流电场的强度大于等于103V/cm。
15.如权利要求1所述的射线影像传感器，其特征在于，所述真空腔的气压小于或等于10-3Pa。
16.如权利要求1所述的射线影像传感器，其特征在于，所述射线包括：X射线、γ射线、α射线或β射线中的至少一种。
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