CN110603464A - 用于x射线成像的辐射硬硅探测器 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于x射线成像的探测器系统。该探测器系统包括具有多个侧立探测器模块的探测器。每个侧立探测器模块包括适于朝向x射线源定向的第一边缘和基本上平行于入射x射线的方向延伸的正面。该正面包括至少一个电荷收集电极。多个侧立探测器模块中的至少一个子集从正面到正面成对布置，由此在所述成对布置的侧立探测器模块的正面之间限定正面到正面的间隙。成对布置的侧立探测器模块与布置在x射线源与侧立探测器模块之间的x射线路径中并且与正面到正面的间隙重叠的防散射准直器相关联。

Description

用于x射线成像的辐射硬硅探测器

技术领域

本发明大体上涉及用于x射线成像的探测器系统，并且更具体地，涉及一种具有侧立探测器模块的探测器系统。

背景技术

在可以使用的半导体材料中，探测器材料硅具有许多益处，例如产生电荷载流子所需的高纯度和低能量以及电荷载流子的高迁移率，所有这些都使得硅在主要用于辐射探测器的可用半导体材料中占主导地位。通过在低掺杂硅的顶部注入重掺杂层作为电触点，并且通过对结施加反向偏压以使探测器完全耗尽，辐射产生的电荷载流子电子-空穴对可以由相应的电荷收集电极收集。

作为用于光子计数探测器的材料，尤其是用于医学成像的材料的硅已经引起了相当大的兴趣。到目前为止，大多数探测器在积分模式下工作，在这个意义上它们对来自多个x射线的信号进行积分，并且该信号仅在稍后被数字化以检索对像素中的入射x射线的数目的最佳猜测。过去几年所谓的光子计数探测器在一些应用中已经成为一种可行的替代方案，并且主要在乳房x射线照相术中可商购到。光子计数探测器具有益处，因为原则上可以测量每个相互作用的x射线的能量，这产生有关对象成分的附加信息，从而提高图像质量和/或减少辐射剂量。

硅已经成功地用于具有较低能量的应用中，例如M.Danielsson等人的“Dose-Efficient System for Digital Mammography”，Physics of Medical Imaging,vol.3977,pp.239-249San Diego,2000中所述。硅的主要挑战是它的低原子序数和低密度，这意味着必须将其制造得非常厚，以获得更高的能量，才能成为一个有效的吸收器。低原子序数还意味着探测器中康普顿散射x射线光子的比例将超过光吸收光子，这将产生散射光子的问题，因为它们可能在探测器中的其他像素中感应出等效于那些像素中的噪声的信号。

如Mats Danielsson等人的美国专利第8,183,535B2号“Silicon detectorassembly for x-ray imaging”，Cheng Xu等人的：“Energy resolution of a segmentedsilicon strip detector for photon-counting spectral CT”，Nuclear Instrumentsand Methods in Physics Research 715201311-17以及Xuejin Liu等人的：“Spectralresponse model for a multibin photon-counting spectral computed tomographydetector and its applications”Journal of Medical Imaging 23 2015 033502中所描述的，一直在持续的努力评估将硅用于诸如计算机断层扫描的高能量应用的可行性。描述了硅探测器的侧立配置，利用该侧立配置显著提高了硅的检测效率。高Z元素的防散射薄箔附接到衬底上，以阻止由于康普顿散射而导致的散射光子到达其他硅衬底。

具有设置有准直器的探测器模块的探测器在Nelson等人的US2004/0251419 A1中示出。在这里示出了如何为条探测器中的每个探测器提供准直器。相邻的条探测器由气隙隔开。

对于任何半导体探测器来说，辐射引起的损伤导致性能下降是个问题。关于硅的相关研究已经进行了数十年。穿过硅探测器的粒子可以与材料相互作用，导致电离或非电离能量沉积。在这两种情况下，都可能损坏硅探测器。硅探测器有两种类型的辐射损伤，体损伤和表面损伤。对于小于约300keV的能量，由于入射粒子的非电离能量损失引起的体损伤是很难发生的，而对于在从40keV到250keV的x射线成像的能量范围内使用的硅探测器，表面损伤导致的问题最多。表面损伤主要通过带电粒子或x射线光子的电离能损失引入，这导致二氧化硅中以及硅与二氧化硅之间的界面处的正电荷和陷阱的积聚。

使用平面工艺的硅探测器的成功在很大程度上依赖于用氧化物层钝化正面表面的可能性。通常来说，二氧化硅层是通过在高温下将硅暴露于氧化环境中而在硅衬底上热生长的。当x射线与硅探测器相互作用时，电荷载流子云被释放。在硅内产生的电荷载流子可以在施加的电场下通过电荷收集电极收集，但是在二氧化硅层内产生的电荷载流子在硅和二氧化硅之间的界面处被捕获。在距离硅与二氧化硅之间的界面几纳米的范围内，区域是高度无序的，深层缺陷位于该区域中。二氧化硅中的深层缺陷会捕获空穴并形成固定的并且正的氧化物电荷，这会导致探测器的一些问题。Jiaguo Zhang的：X-Ray radiationdamage dtudies and design of a silicon pixel sensor for science at the XFEL以及Schwandt的：Design of a radiation hard silicon pixel sensor for x-rayscience讨论了二氧化硅以及硅与二氧化硅之间的界面处存在的一些其他种类的缺陷。

辐射引起的缺陷影响电性能，并且主要导致硅探测器的以下性能下降：漏电流的增加、耗尽电压的增加、电容的增加、电子累积层的形成、击穿电压的降低以及硅与二氧化硅之间的界面附近的电荷损失。电子累积层与硅探测器的电性能的变化有关，并且防止探测器在表面处的完全耗尽。电荷收集效率还会受到探测器正面表面附近的体积中的电子累积层的影响。因此，本领域需要半导体探测器，尤其是硅探测器，其在暴露于x射线辐射时不太敏感。

发明内容

本公开的目的是提供一种探测器系统，该探测器系统具有关于x射线灵敏度的改进的鲁棒性的探测器。更具体的目的是提供一种具有侧立探测器模块的探测器系统，该侧立探测器模块在关于x射线灵敏度方面具有改进的鲁棒性。

根据所提出的技术的一个方面，提供了一种用于x射线成像的探测器系统。该探测器系统包括具有多个侧立探测器模块的探测器。每个侧立探测器模块包括适于朝向x射线源定向的第一边缘和基本上平行于入射x射线的方向延伸的正面。该正面包括至少一个电荷收集电极。多个侧立探测器模块中的至少一个子集从正面到正面成对布置，由此在成对布置的侧立探测器模块的正面之间限定正面到正面的间隙。成对布置的侧立探测器模块与布置在x射线源与侧立探测器模块之间的x射线路径中并且与正面到正面的间隙重叠的防散射准直器相关联。

所提出的技术的实施方式提供了一种探测器系统，其中，保护设置在探测器模块正面上的敏感绝缘层免受来自x射线辐射的直接冲击造成的损坏和劣化。所提出的技术的具体实施方式还提供了一种探测器系统，其对探测器模块的未对准不敏感并且因此保持稳定的几何效率。所提出的技术的具体实施方式还提供了防止伪影在背面上直接照射或产生遮蔽效应的机制。所提出的技术还提供了能够改进电荷收集的各种探测器系统设计。

附图说明

图1是硅衬底的示例性横截面的示意图。

图2是一对探测器模块以及如何通过防散射准直器保护探测器的正面的透视图。

图3是一对其间具有防散射箔的探测器模块以及如何通过防散射准直器保护探测器的正面的透视图。

图4是示出根据所提出的技术的具体实施方式的布置在正面到正面并且设置有防散射准直器和防散射箔的三对侧立探测器模块的示意图。

图5是示出当将探测器模块与防散射准直器对准时应避免的不同示例的示意图。

图6是示出防散射准直器的遮蔽效应以及在几何未对准的情况下这如何有助于保持稳定的几何效率的示意图。

图7是示出侧立探测器的示意图。

图8是根据示例性实施方式的x射线探测器系统的示意图。

具体实施方式

图8是根据示例性实施方式的x射线探测器系统的示意图。在该示例中，示出了具有发射x射线C的x射线源B的X射线探测器的示意图。探测器包括并排堆叠的多个探测器模块。探测器模块包括指向源的边缘D，并且它们优选地布置成略微弯曲的整体配置。指示了探测器的两种可能的扫描运动(E，F)。在每个扫描运动中，源可以是静止的或移动的，在由E指示的扫描运动中，x射线源和探测器可以围绕位于两者之间的对象旋转。在用F指示的扫描运动中，探测器和源可以相对于物体平移，或者对象可能正在移动。同样在扫描运动E中，对象可以在旋转期间平移，所谓的螺旋扫描。举例来说，对于CT实现，x射线源和探测器可以安装在围绕要成像的对象或主体旋转的机架中。图7更详细地提供了具体侧立探测器的图示。示出了探测器的正面如何包括多个探测器条，其中，每个条包括多个深度段，该深度段由在入射x射线的方向(在该具体的几何形状中，在负y方向)延伸的电荷收集电极形成。

图1是示出半导体衬底，例如，具有表面辐射损伤的硅衬底101的示例性横截面的示意图。电荷收集电极的金属触点102沉积在相应电极的P⁺注入103的顶部。硅探测器正面上的氧化物层104对x射线辐射最敏感，在长期x射线辐射之后，在硅与二氧化硅之间的界面上形成固定的正电荷。理想地，由每个相互作用的光子释放的电荷载流子将沿着场线移动，并且然后在通过将反向偏压馈送到探测器的背面金属触点105而施加电场的作用下被相应的电荷收集电极收集。然而，在硅与二氧化硅之间的界面下方形成的电子累积层106防止传感器在正面表面处的完全耗尽，这导致该区域中的弱电场，并且因此导致电荷载流子的损失。高电场也是由107指示的电荷收集电极的边缘附近的结果，导致击穿电压的降低。

图8所示的探测器模块包括半导体材料，例如硅，其具有正面和背面。图1提供图示的正面带有探测器的电子特征。在具体实施方式中，布线迹线连接电荷收集电极与前端电子器件，并且还存在还可以包括可选特征的实施方式，例如掺杂和未掺杂区域以及绝缘区域。绝缘区域对x射线辐射高度敏感，并且如果x射线直接冲击在正面上，则绝缘区域将受到负面影响。

所提出的技术的目的是提供一种具有改进的鲁棒性的探测器，使得保护构成探测器的探测器模块的正面免受冲击x射线的可能恶化的影响。即，所提出的技术旨在提供一种机制，通过该机制来保护探测器模块的x射线敏感的正面免受x射线的损坏。所提出的技术的保护特征还提供了能够改进电荷收集的探测器系统。

基本机制是通过使用防散射准直器来保护诸如硅侧立探测器的侧立探测器的正面，防止高强度直接x射线束到达探测器的正面体积，从而相应地降低辐射损伤的风险。大多数x射线医学成像应用都需要防散射准直器，以减少物体散射的量，以便例如提高图像质量。此外，本发明可以有助于在探测器模块未对准的情况下保持稳定的几何效率，这是另一个益处。在下文中，将通过使用硅形式的具体探测器材料来描述探测器系统。然而，这不是必要的特征，因为要描述的各种实施方式与任何半导体材料同样良好地工作。即，根据所提出的技术的探测器系统可以包括任何合适的半导体材料的探测器模块。

为此，提供了一种用于x射线成像的探测器系统。参考图2，其示意性地示出了探测器系统，该探测器系统包括具有多个侧立探测器模块201的探测器。每个侧立探测器模块201包括适于朝向x射线源定向的第一边缘和基本平行于入射x射线的方向延伸的正面202。探测器模块的正面202包括至少一个电荷收集电极。构成探测器的多个侧立探测器模块201中的至少一个子集从正面到正面成对布置，由此在成对布置的侧立探测器模块201的正面之间限定正面到正面的间隙。成对布置的侧立探测器模块201与布置在x射线源与侧立探测器模块201之间的x射线路径中并且与正面到正面的间隙重叠的防散射准直器203相关联。

图2提供了示出准直器203如何布置在由两个相邻的探测器模块201限定的正面到正面的间隙的简化图。该具体布置为探测器的正面202提供保护。准直器与间隙重叠的事实还防止x射线以一定角度冲击到探测器上。更详细地，示出了一对探测器模块201，其正面表面202彼此面对，以及防散射准直器203，定位或布置在两个探测器模块的正面表面的顶部。该防散射准直器由高Z材料制成，其可以有效地吸收被物体散射的直接x射线束和x射线光子。通过将探测器模块的边缘朝向入射x射线定向，探测器模块被布置在侧立配置中。在本实施方式中，探测器模块的正面彼此面对，因此防散射准直器覆盖两个探测器模块的正面表面，这防止直接x射线束到达探测器模块的正面表面，因此减少了表面损伤。

如在例如图8中可以看到的，根据所提出的技术的探测器可以包括并排堆叠的多个探测器模块。根据所提出的技术，模块的堆叠应该包括探测器模块的至少一个子集，该探测器模块成对布置成使得具体探测器模块的正面面对另一探测器模块的正面。

优选的是，防散射准直器203包括高Z材料的准直器。因为准直器旨在吸收冲击辐射，所以存在高Z材料的事实将确保有效吸收，并且因此降低高能量辐射冲击探测器模块的敏感部件的风险。即，敏感部件布置在探测器模块的正面上。

所提出的技术的具体实施方式提供了一种探测器系统，其中，相邻的探测器模块之间的正面到正面的间隙包括防散射箔。因为防散射箔将提供对来自例如防散射准直器203的可能残留辐射的对抗措施，所以该可选特征将对正面提供进一步的保护。在具体实施方式中，防散射箔可以包括高Z材料，例如钨。

图3是示出一对探测器模块201如何设置有附接在探测器模块的正面之间的防散射箔201的示意图。还示出了设置在防散射箔的顶部的防散射准直器203。两个探测器模块的正面表面附接在防散射箔上，因此防散射准直器覆盖防散射箔和探测器模块的正面表面，这保护了探测器模块的正面表面。图4又是示出如图3所示的硅探测器对如何彼此相邻放置以形成探测器模块阵列的示意图。

为了使探测器模块遭受较少的辐射损伤，正面表面应该被防散射准直器覆盖，以防止直接的x射线束到达x射线敏感体积。应该避免图5中所示的情况，硅探测器模块的正面边缘202或者与防散射准直器203的边缘对准，或者在防散射准直器的覆盖范围之外。在这两种情况下，直接的x射线束可能冲击探测器模块的正面表面，从而导致辐射损伤。因此，为了避免上述两种情况，正面表面的覆盖体积应该超过总探测器体积的1％。

图6是示出在探测器模块的几何未对准的情况下，防散射准直器的上述布置如何能够帮助保持稳定的几何效率的示意图。该示例示出了探测器模块201的侧立配置，其中防散射准直器203覆盖探测器模块的正面和防散射箔204。正面上的探测器模块的体积变为阴影206。机械对准对于长探测器来说可能是一个挑战，并且几何未对准可能导致图像中的伪影。如本实施方式的图6所示，几乎不存在由探测器模块的几何未对准导致的几何效率的损失。

现在参考图4，其提供了探测器模块阵列的示意图，其中，多个探测器模块成对布置，使得它们的正面彼此面对。每对设置有防散射准直器，该防散射准直器布置成与相邻的探测器模块的正面之间的间隙重叠。在附图中，还示出了布置在探测器模块之间的空间中的可选的防散射箔。以所示的成对配置布置的探测器模块的背面将面对另一相邻的探测器模块的背面。这将导致相邻的探测器模块之间的背面到背面的间隙205。因此，根据所提出的技术的具体实施方式，提供了一种探测器系统，其中，成对布置的侧立探测器模块201的至少一个侧立探测器模块201的背面布置成面对相应的侧立探测器模块201的背面，使得在侧立探测器模块201与相应的侧立探测器模块201之间形成背面到背面的间隙。根据具体实施方式，由相邻的探测器模块限定的背面到背面的间隙可以设置有衰减材料，该衰减材料被布置成防止在侧立探测器模块201的背面上的直接x射线照射或遮蔽效应。

在间隙中设置衰减材料的具体目的是使检测到的x射线计数的数目对几何未对准不太敏感。为此，窄间隙可以填充诸如硅树脂的衰减器，其保持与硅相似的衰减特性。在未对准的情况下，设置在探测器模块之间的衰减器将禁止在探测器侧上的直接照明，并且使检测到的光谱接近已经穿过硅体的光谱。

实现的另一有益特征是衰减材料可以减少穿透侧立探测器模块201的背面的x射线辐射量。为此，可以使用诸如钨的高Z材料，然而这些材料可能导致遮蔽，这将对探测器的效率产生负面影响，仅充气填充的间隙反过来会导致在背面上的直接照明，这也将导致对探测器系统的负面影响。为此，发明人已经认识到，优选材料应该具有与探测器中使用的半导体材料(例如硅)相似的衰减特性。可以在探测器模块包括硅的情况下使用的具体示例是硅树脂，其包含硅。硅树脂具有与硅相似的衰减特征，并且该组合形成具体的合适的实施方式。然而，许多其他组合或探测器材料以及衰减材料也是可能的。主要目的是使衰减材料具有与用作探测器材料的材料相似的衰减特性。

上述的实施方式仅作为示例给出，并且应该理解，所提出的技术不限于此。本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求限定的本范围的情况下，可以对实施方式进行各种修改、组合以及改变。具体地，在技术上可行的情况下，可以将不同实施方式中的不同部件解决方案组合在其他配置中。

参考文献

·M.Danielsson,et al.,“Dose-efficient system for digitalmammography”,Proc.SPIE,Physics of Medical Imaging,vol.3977,pp.239-249SanDiego,2000

·U.S.Pat.No.8,183,535B2 Mats Danielsson et al.“Silicon detectorassembly for x-ray imaging”

·Cheng Xu et al.:“Energy resolution of a segmented silicon stripdetector for photon-counting spectral CT”Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research 715201311-17

·Xuejin Liu et al.:“Spectral response model for a multibin photon-counting spectral computed tomography detector and its applications”Journalof Medical Imaging 23 2015 033502

·US2004/0251419 A1 Nelson et al.“Device and system for enhancedSPECT,PET,and Compton scatter imaging in nuclear medicine”

·J.Zhang,“X-Ray Radiation Damage Studies and Design of a SiliconPixel Sensor for Science at the XFEL”,Doctoral Thesis,University of Hamburg,DESY-THESIS-2013-018 2013.

·J.Schwandt,“Design of a Radiation Hard Silicon Pixel Sensor for X-ray Science”,Doctoral Thesis,Hamburg University,DESY-THESIS-2014-029 2014.

Claims (11)

1.一种用于x射线成像的探测器系统，所述探测器系统包括具有多个侧立探测器模块的探测器，其中：

-每个所述侧立探测器模块包括适于朝向x射线源定向的第一边缘和基本上平行于入射x射线的方向延伸的正面，所述正面包括至少一个电荷收集电极和连接电荷收集电极与前端电子器件的布线迹线；以及

-所述多个侧立探测器模块的至少一个子集，从正面到正面成对布置，由此在所述成对布置的侧立探测器模块的正面之间限定正面到正面的间隙；并且其中

-所述成对布置的侧立探测器模块与布置在所述x射线源与所述侧立探测器模块之间的x射线路径中并且与所述正面到正面的间隙重叠的防散射准直器相关联，所述防散射准直器被布置成使得所述探测器的正面体积被保护以防止直接入射x射线。

2.根据权利要求1所述的探测器系统，其中，所述防散射准直器包括高Z材料的准直器。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的探测器系统，其中，所述正面到正面的间隙包括防散射箔。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的探测器系统，其中，所述防散射箔包括高Z防散射箔。

5.根据权利要求4所述的探测器系统，其中，由所述防散射准直器保护的所述正面体积超过总探测器体积的1％。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的探测器系统，其中，所述成对布置的侧立探测器模块的至少一个侧立探测器模块的背面被布置成面对相应的侧立探测器模块的背面，使得在所述侧立探测器模块与所述相应的侧立探测器模块之间形成背面到背面的间隙。

7.根据权利要求6所述的探测器系统，其中，所述背面到背面的间隙包括衰减材料。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的探测器系统，其中，所述侧立探测器模块包括半导体材料的侧立探测器模块。

9.根据权利要求8所述的探测器系统，其中，所述半导体材料包括硅。

10.根据权利要求8至9中任一项所述的探测器系统，其中，所述衰减材料包括具有与用于探测器模块的半导体材料相似的衰减特性的材料。

11.根据权利要求10所述的探测器系统，其中，所述衰减材料包括硅树脂。