CN110914713A - 能够管理周边电荷共享的x射线检测器 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种检测器，包括：多个像素、保护环的多个区段、以及控制器，该控制器被配置成对一段时间内入射在所述多个像素中的每个像素上并且能量落入多个仓内的X射线光子进行计数。所述控制器被配置成检测在像素和保护环区段之间的电荷共享。在检测到电荷共享的情况下，所述控制器还被配置成忽略一个单个光子。在没有检测到电荷共享的情况下，所述控制器被配置成对于相同能量范围的仓将入射到所有像素上的X射线光子数相加。所述检测器可以将所有相加的数来编纂成其上入射的X射线光子能谱。

Description

能够管理周边电荷共享的X射线检测器

【技术领域】

本发明涉及适用于X射线(例如，X射线荧光)的检测器，特别是涉及能够检测和处理周边电荷共享的检测器。

【背景技术】

X射线萤光(XRF)是被诸如暴露于高能X射线或伽马射线激发的材料发出的特征萤光X射线。由于每个元素具有特征能量的轨道，通过分析样品的萤光X射线，就可以识别样品中的元素。对于给定的原子，可能弛豫的数量受到限制。如在图1A中示出的，当L轨道上的电子弛豫填充K轨道上的空位(L→K)时，萤光X射线叫作Kα。来自M→K弛豫的萤光X射线叫作Kβ。如在图1B中示出的，来自M→L弛豫的萤光X射线叫作Lα，等等。

萤光X射线可以通过对光子能量分类(能量色散分析)或者通过分离萤光X射线的波长(波长色散分析)来加以分析。每个特征能量峰的强度直接与样品中每个元素的含量有关。

可在能量色散分析中使用比例计数器或者各种类型的固态检测器(PIN二极管、Si(Li)、Ge(Li)、硅漂移检测器SDD)。这些检测器基于相同原理：入射X射线光子使大量检测器原子电离，其中产生的载流子的数量与入射X射线光子的能量成比例。收集载流子并对其计数以确定入射X射线光子的能量，并且对下一个入射X射线光子重复该过程。在检测到许多X射线光子后，可通过对这些X射线光子的数目(作为它们能量的函数)计数，从而编制成光谱。

半导体X射线检测器将X射线直接转换成电信号。半导体X射线检测器可包括半导体层，该半导体层在其感兴趣波长吸收X射线。当在半导体层中吸收X射线光子时，产生出多个载流子(例如，电子和空穴)。在本文中，术语“载荷子”、“电荷”和“载流子”可以互换使用。半导体X射线检测器可具有多个能独立确定当场X射线强度和X射线光子能量的像素。由X射线光子产生的载流子可以在电场下被扫入像素中。如果由单个X射线光子产生的载流子被多于一个的像素收集，或者被像素附近的保护环收集(“电荷共享”)，半导体X射线检测器的性能会受到负面的影响。在确定X射线光子能量的应用中(例如元素分析)，电荷共享对精确光子能量测量而言问题尤为突出，因为X射线光子的能量根据其产生的载流子总量来确定。

【发明内容】

本文公开了一种包括下述各项的检测器：多个像素，其中所述检测器被配置成在一时间段内对入射在所述多个像素中的每个像素上并且其能量落在多个仓内的X射线光子数量进行计数；保护环，其包括多个区段，其中所述检测器被配置成检测由所述区段收集的载流子；控制器，其被配置为检测在所述多个像素中的至少一个像素与所述保护环的至少一个区段之间的电荷共享。

根据实施例，所述检测器的多个像素被布置在阵列中。

根据实施例，所述检测器被配置成基于由X射线光子产生并且被每个像素收集的载流子，对X射线光子计数。

根据实施例，检测器的保护环环绕所述多个像素。

根据实施例，所述控制器被配置成通过确定从至少一个像素检测的电压与从区段检测的电压在同一时间段开始变化，来检测电荷共享。

根据实施例，控制器被配置成当控制器检测在至少一个像素和至少一个区段之间的电荷共享时，忽略X射线光子的一个光子。

本文公开了一种包括下述各项的方法：通过检测器的像素接收X射线光子，所述检测器包括多个像素以及包括多个区段的保护环；检测像素与保护环区段之间的电荷共享；在检测到电荷共享的情况下，忽略X射线光子；在没有检测到电荷共享并且X射线光子能量落入多个仓中的一个仓内时，将所述X射线光子计入到入射在所述像素上、其能量在所述仓内的X射线光子数量。

根据实施例，所述方法还包括：对每个像素，确定入射到所述像素上并且其能量在所述仓中的X射线光子数量；以及对所述多个像素确定所述数量的总和。

本文公开了一种包括任何上述检测器以及X射线源的系统。该系统被配置为对人的胸部、腹部或人的牙齿进行X射线辐射照相。

本文公开了一种包括任何上述检测器的系统。所述系统为X射线望远镜或X射线显微镜，或者被配置成进行乳房摄影、工业缺陷检测、微成像、铸造检查、焊接检查或数字减影血管摄影的系统。

本文公开了一种包括任何上述检测器以及X射线源的货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其中，所述货物扫描或非侵入式检查(NII)系统被配置为基于对X射线的背散射来形成图像。

本文公开了一种包括任何上述检测器以及X射线源的货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其中，所述货物扫描或非侵入式检查(NII)系统被配置成使用穿过被检查物体的X射线来形成图像。

本文公开了一种包括任何上述检测器以及X射线源的全身扫描系统。

本文公开了一种包括任何上述检测器以及辐射源的计算机断层扫描(X射线CT)系统。

本文公开了一种包括任何上述检测器、电子源和电子光学系统的电子显微镜。

【附图说明】

图1A和图1B示意性地示出了XRF的机制。

图2A示意性地示出了根据实施例的适于X射线的检测器的横截面图。

图2B示意性地示出了根据实施例的检测器的详细横截面视图。

图2C示意性地示出了根据实施例的检测器的备选详细横截面视图。

图3A示意性地示出了根据实施例的检测器的一部分的俯视图。

图3B示意性地示出了根据实施例的检测器中的像素阵列。

图4示意性地示出了根据实施例的检测器的像素以及保护环区段的电子系统部件图。

图5A示意性地示出了根据实施例的不发生电荷共享时流过暴露于X射线的X射线吸收层二极管电极或电阻器电触点的电流的时间变化(上曲线)(该电流由入射在X射线吸收层上的X射线光子产生的载流子所引起)，以及相应的电极电压随时间的变化(下曲线)。

图5B示意性地示出了根据实施例的在像素与保护环区段之间发生电荷共享时流过像素的电极和保护环区段的电流的时间变化(上曲线)(该电流由入射在X射线吸收层上的X射线光子产生的载流子所引起)，以及对应的所述电极和所述区段的电压时间变化(下曲线)。

图6示意性地示出了根据实施例的基于能检测图4中像素与保护环区段之间电荷共享的系统的、适于检测X射线的方法的流程图。

图7示意性地示出了根据实施例的包括本文所述检测器的系统，该系统适用于诸如胸部X射线照相术、腹部X射线照相术等的医学成像。

图8示意性地示出了根据实施例的元素分析仪。

图9示意性地示出了根据实施例的包括本文所述检测器的货物扫描或非侵入式检查(NII)系统。

图10示意性地示出了根据实施例的包括本文所述检测器的另一货物扫描或非侵入式检查(NII)系统。

图11示意性地示出了根据实施例的包括本文所述检测器的全身扫描系统。

图12示意性地示出了根据实施例的包括本文所述检测器的X射线计算机断层扫描(X射线CT)系统。

图13示意性地示出了根据实施例的包括本文所述检测器的电子显微镜。

【具体实施方式】

当X射线光子被具有像素阵列的X射线检测器的半导体层吸收时，产生出多个载流子(例如电子和空穴)，这些载流子可在电场下扫向用于测量这些载流子的电路。载流子沿电场方向漂移，并在所有的方向上扩散。载流子轨道的包络可以大致为圆锥形。如果包络位于阵列的至少一个像素与保护环的区段之间的边界上，那么会出现电荷共享，在本文中“电荷共享”意味着由单个X射线光子产生的载流子被至少一个像素以及另外一个结构(例如另外一个像素或保护环的区段)收集。电荷共享会使得X射线光子能量的测量不准确，因为X射线光子能量由其产生的电荷总量确定。

在一个实施例中，当在像素和保护环的区段之间发生电荷共享时，所述像素的信号可被忽略。

图2A示意性地示出了根据实施例的半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100可包括X射线吸收层110和电子层120(例如，ASIC)，用于处理和分析入射X射线在X射线吸收层110中产生的电信号。X射线吸收层110可包括半导体材料，例如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合。半导体对于感兴趣的X射线能量可具有高质量衰减系数。

如图2B中检测器100的详细横截面图所示中根据实施例的X射线吸收层110可包括由第一掺杂区111、第二掺杂区113的一个或多个离散区114形成的一个或多个二极管(例如，p-i-n或p-n)。第二掺杂区113可通过本征区112(可选)而与第一掺杂区111分离。离散区114通过第一掺杂区111或本征区112而彼此分离。第一掺杂区111和第二掺杂区113具有相反类型的掺杂(例如，区111是p型并且区113是n型，或区111是n型并且区113是p型)。在图2B中的例子中，第二掺杂区113的数个离散区114中的每个离散区与第一掺杂区111和本征区112(可选)一起形成二极管。即，在图2B中的例子中，X射线吸收层110具有多个二极管，这些二极管以第一掺杂区111作为共享电极。第一掺杂区111也可具有离散部分。在实施例中，吸收层中的多个二极管被一个或几个保护环115环绕，其中毗邻离散区114的保护环具有离散的区段。

当X射线光子撞击包括二极管的X射线吸收层110时，X射线光子可被吸收，并通过多个机制产生一个或多个载流子。一个X射线光子可产生10至100000个载流子。载流子可在电场下向数个二极管中的一个二极管的电极漂移。该电场可以是外部电场。电触点119B可包括数个离散部分，其中每个离散部分与离散区114电接触。在实施例中，单个X射线光子产生的载流子能被数个离散区114中的一个离散区以及保护环115的区段共享。

如在图2C中的检测器100的备选详细横截面图中示出的，根据实施例，X射线吸收层110可包括具有半导体材料(例如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合)的电阻器，但不包括二极管。半导体对于感兴趣的X射线能量可具有高质量衰减系数。

在X射线光子撞击X射线吸收层110(其包括电阻器但不包括二极管)时，该X射线光子可被吸收，并且通过多个机制产生一个或多个载流子。一个X射线光子可产生10至100000个载流子。载流子可在电场下向电触点119A和119B漂移。该电场可以是外部电场。电触点119B包括数个离散部分。在实施例中，由单个X射线光子产生的载流子能被电触点119B的数个离散部分中的一个离散部分以及保护环115的区段共享。

电子层120可包括电子系统121和电子系统122，其适合于处理或解释由入射到X射线吸收层110上的X射线光子产生的信号。电子系统121可包括：模拟电路，例如滤波网路、放大器、整合器和比较器；或者数字电路，例如微处理器和存储器。电子系统121可包括像素共享的部件，或者专用于单个像素的部件。例如，电子系统121可包括专用于每个像素的放大器、以及在所有像素之间共享的微处理器。电子系统121可通过通孔131电连接到像素。通孔之间的空间可用填充材料130填充，这可使得电子层120与X射线吸收层110连接的机械稳定性增加。还可以在不使用通孔的情况下采用使电子系统121连接到像素的其他接合技术。

电子系统122可包括模拟电路，例如滤波网路、放大器、整合器和比较器；或者数字电路，例如微处理器和存储器。电子系统122可包括专用于保护环的单个区段的部件或者由数个区段共享的部件。例如，电子系统122可包括专用于每个区段的放大器和在所有区段之间共享的微处理器。电子系统122可通过通孔131电连接到区段。通孔之间的空间可用填充材料130填充，这可使电子层120与X射线吸收层110连接的机械稳定性增加。可以在不使用通孔的情况下采用使电子系统122连接到像素的其他接合技术。

图3A示出了具有离散区114阵列的仪器100的一部分的顶视图。由入射到这些离散区114其中之一的足迹周围的辐射光子产生的载流子大致未与保护环的区段共用。在离散区114周围的区域210中，大致所有的(超过95％、超过98％或超过99％的)、由入射到该区域上的X射线光子产生的载流子流向该离散区114，这个区域被称作与离散区114相关联的像素。即，当X射线光子撞入所述像素时，这些载流子中不到5％、不到2％或不到1％的载流子流到该像素外。像素可采用任何适合的阵列来组织，例如方形阵列、三角形阵列和蜂窝状阵列。像素可具有任何适合的形状，例如圆形、三角形、方形、矩形和六角形。像素可独立寻址，并且像素阵列可由一个或几个保护环(例如保护环211和212)环绕。保护环212可具有离散的区段。

类似地，当图3A中的阵列表示图2C中的电触点119B离散部分的阵列时，由入射在电触点119B的这些离散部分其中之一的足迹周围的X射线光子产生的载流子基本上不与周围的保护环共享。在电触点119B离散区周围的区域中，大致所有的(超过95％、超过98％或超过99％的)、由入射到该区域上的X射线光子产生的载流子流向电触点119B的该离散区，这个区域被称作与该电触点119B离散区相关联的像素。即，当X射线光子撞入所述像素时，这些载流子中不到5％、不到2％或不到1％的载流子流到与该电触点119B离散区相关联的像素外。像素可采用任何适合的阵列来组织，例如方形阵列、三角形阵列和蜂窝状阵列。像素可具有任何适合的形状，例如圆形、三角形、方形、矩形和六角形。像素可独立寻址，并且像素阵列可由一个或几个保护环(例如保护环211和212)环绕。保护环212可具有离散的区段。

图3B示出了根据实施例的半导体X射线检测器中的像素的示例性阵列。当X射线光子撞击阵列时，其可以被吸收并引起多个载流子产生。载流子可以在各个方向上传送，例如沿电场方向漂移并在所有的方向上扩散。在图3B中，每个圆(例如220，230)表示由光子产生的载流子的传输区域足迹(本文中，“传输区域”表示由光子产生的载流子被传送进的空间)。

如图3B所示，传输区域位于像素内(例如，传输区230)，或者位于像素和保护环区段的边界上(例如，传输区220)。

如上所讨论，当传输区域位于像素和保护环区段的边界上时，发生电荷共享，这可引起能量测量的问题。电荷共享也会导致对光子数量进行计数时的误差。在实施例中，即使X射线光子产生的载流子出现电荷共享，X射线检测器中包括121和122的电子系统仍能够精确测量X射线光子能量。

可以基于制造过程通过设计确定像素的尺寸。如图3B所示，每个像素的尺寸被设计成相同，并且像素尺寸大到当相应的光子撞击像素中心附近时足以覆盖住传输区域。如果像素的尺寸太小，例如小于传输区域，则会一直发生电荷共享。另一方面，如果像素的尺寸太大，很有可能多个光子同时撞击该像素，从而给精确的X射线检测和图像生成带来麻烦。

图4示出了根据实施例的半导体X射线检测器的两个电子系统——用于像素的电子系统121、以及用于保护环区段的电子系统122的的部件图。在这个例子中，如图4所示，电子系统121被配置成处理像素中二极管310的电极的信号；并且电子系统122被配置成处理来自保护环的区段的信号。

在该示例中，电子系统121可包括电容器模块319、一个或多个采样电容器316、多个控制开关318、以及数据处理模块330。如图4所示，电容器模块319电连接到二极管310的电极或电触点。电容器模块319被配置成从电极收集载流子。电容器模块319可以包括放大器的回馈路径中的电容器。如此配置的放大器叫作电容跨阻放大器(CTIA)。CTIA通过防止放大器饱和而具有高动态范围，并且通过限制信号路径中的带宽来提高信噪比。来自电极的载流子在一段时间(“整合期”)(例如如在图5中示出的，在t0至t1之间或在t1与t2之间)内在电容器上累积。在整合期终止后，对电容器电压采样，然后由复位开关315将其复位。电容器模块319能包括直接连接到电极的电容器。

当不发生电荷共享时，多个控制开关318关闭，使得一个或多个采样电容316中的每个采样电容由来自前端(二极管和放大器)的电压充电。

如图4所示，电子系统122可包括电容器模块329，以及数据处理模块330。电容器模块329与区段电连接。类似于电容器模块319，电容器模块329被配置成从所述区段收集载流子。电容器模块329可以包括放大器回馈路径中的电容器。来自电极的载流子在一段时间(“整合期”)(例如如在图5A中示出的，在t0至t1之间或在t1与t2之间)内在电容器上累积。在整合期终止后，由复位开关325将电容复位。电容器模块329能包括直接连接到电极的电容器。

图4中的电子系统121和122可以分别包括数据处理模块330和340，其可包括下游电路，用于解释和处理来自电子系统121和122的上游信号。

根据实施例，数据处理模块330包括第一电压比较器331、第二电压比较器332、计数器338、电压计334和控制器336。

在没有电荷共享的情况下，第一电压比较器331被配置成为将电压(例如，电极或二极管310的电压)与第一阈值比较。二极管可以是由第一掺杂区111、第二掺杂区113的数个离散区114的一个离散区、以及可选的本征区112形成。或者，电压比较器331配置成将电触点(例如电触点119B的离散部分)的电压与第一阈值比较。第一电压比较器331可配置成直接监测电压，或通过使一段时间内流过二极管或电触点的电流整合来计算电压。第一电压比较器331可由控制器336可控地启动或停用。第一电压比较器331可以是连续比较器。即，第一电压比较器331可配置成被连续启动，并且连续监测电压。配置为连续比较器的第一电压比较器331使系统121错过由入射X射线光子产生的信号的机会减少。配置为连续比较器的第一电压比较器331在入射X射线强度相对高时尤其适合。第一电压比较器331可以是钟控比较器，其具有较低功耗的益处。配置为钟控比较器的第一电压比较器331可导致系统121错过由一些入射X射线光子产生的信号。在入射X射线强度低时，错过入射X射线光子的机会因为两个连续光子之间的间隔相对长而较低。因此，配置为钟控比较器的第一电压比较器331在入射X射线强度相对低时尤其适合。第一阈值可以是一个入射X射线光子可在二极管或电阻器上产生的最大电压的5-10％、10％-20％、20-30％、30-40％或40-50％。最大电压可取决于入射X射线光子的能量(即，入射X射线的波长)、，X射线吸收层110的材料和其它因素。例如，第一阈值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。

第二电压比较器332配置成将电压(例如电极或二极管体310的电压)与第二阈值比较。第二电压比较器332可配置成直接监测电压，或通过使一段时间内流过二极管或电触点的电流整合来计算电压。第二电压比较器332可以是连续比较器。第二电压比较器332可由控制器336可控地启动或停用。在停用第二电压比较器332时，第二电压比较器332的功耗可以是启动第二电压比较器332时的功耗的不到1％、不到5％、不到10％或不到20％。第二阈值的绝对值大于第一阈值的绝对值。如本文使用的，术语实数x的“绝对值”或“模数”|x|是x的非负值，而不考虑它的符号。即，|x|＝

第二阈值可以是第一阈值的200％-300％。第二阈值可以是一个入射X射线光子在二极管或电阻器上产生的最大电压的至少50％。例如，第二阈值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二电压比较器332和第一电压比较器310可以是相同的部件。即，系统121可具有一个电压比较器，该电压比较器可以在不同时间将电压与两个不同的阈值比较。

第一电压比较器331或第二电压比较器332可包括一个或多个运算放大器或任何其他适合的电路。第一电压比较器331或第二电压比较器332可具有高速度，以允许系统121在高入射X射线通量下操作。

计数器338可被配置成记录到达相应的二极管或电阻器的X射线光子数目。计数器338可以是软件部件(例如，电脑存储器中存储的数目)或硬件部件(例如，4017IC和7490IC)。

控制器336可以是例如微控制器和微处理器等硬件部件。控制器336配置成从第一电压比较器331确定电压的绝对值大于等于第一阈值的绝对值(例如，电压的绝对值从第一阈值的绝对值以下增加到大于等于第一阈值的绝对值)的时刻起启动时间延迟。在这里，因为电压可以是负的或正的而使用了绝对值，这取决于是使用二极管的阴极还是阳极的电压，或者取决于使用了哪个电触点。控制器336可配置成在第一电压比较器331确定电压的绝对值大于等于第一阈值的绝对值的时间之前，保持停用第二电压比较器332、计数器338、以及第一电压比较器331操作不需要的任何其他电路。时间延迟可在电压变稳定(即，电压的变化率大致为零)之前或之后终止。短语“变化率大致为零”意指电压的时间变化小于0.1％/ns。短语“变化率大致为非零”意指电压的时间变化是至少0.1％/ns。

控制器336可配置成在时间延迟期间(其包括开始和终止)启动第二电压比较器。在实施例中，控制器336配置成在时间延迟开始时启动第二电压比较器。术语“启动”意指促使部件进入操作状态(例如，通过发送例如电压脉冲或逻辑电平等信号、通过提供电力等)。术语“停用”意指促使部件进入非操作状态(例如，通过发送例如电压脉冲或逻辑电平等信号、通过切断电力等)。操作状态可具有比非操作状态更高的功耗(例如，高10倍、高100倍、高1000倍)。控制器336本身可被停用，直到第一电压比较器331的输出在电压的绝对值大于等于第一阈值的绝对值时才启动控制器336。

如果在时间延迟期间第二电压比较器332确定电压的绝对值大于等于第二阈值的绝对值，控制器336可配置成促使计数器338记录的数目增加一。

控制器336可配置成引起电压计334在时间延迟终止时测量电压。控制器336可配置成使电极连接到电接地，以便使电压复位并且使电极上累积的任何载流子放电。在实施例中，电极在时间延迟终止后连接到电接地。在实施例中，电极在有限复位时期连接到电接地。控制器336可通过控制复位开关315或325使电极连接到电接地。开关可以是晶体管，例如场效应晶体管(FET)。

在实施例中，系统121没有模拟滤波器网路(例如，RC网路)。在实施例中，系统121没有模拟电路。

根据实施例，数据处理模块340包括电压比较器341、电压计344和控制器346。

电压比较器341被配置成监控电触点(例如，保护环115的区段)的电压。电压比较器341可配置成直接监控电压，或通过对在一段时间内流经电触点的电流进行整合来计算电压。电压比较器341可由控制器346可控地激活或停用。第一电压比较器341可以是连续比较器。即，电压比较器341可以被配置成连续启动，并连续地监控电压。电压比较器341也可以是钟控比较器。

当不发生电荷共享时，两个电子系统121和122可以独立运行，并处理由其各自对应的源(像素或保护环的区段)产生的信号。在对应于电子系统121的像素上没有电荷共享时，多个控制开关318关闭，使得来自前端(二极管和放大器)的电压被反射到采样电容器上，并由数据处理模块330测量。数据处理模块330(例如，使用第一电压比较器331和/或第二电压比较器332)可将同样的电压与阈值进行比较。

当不发生电荷共享时，在电压变化率基本上变为零之后，电压与由X射线光子产生的载流子总量成比例，而该载流子总量与X射线光子能量相关。然而，当在电子系统121相对应的像素与保护环的区段之间发生电荷共享时，图4中的电子系统121测量的电压不足以估计由X射线光子产生的载流子的准确总量。

在一个例子中，单个X射线光子可击中至少一个像素与保护环的一个区段的公共边界或在两者之间的区域，从而引起载流子的产生，并且被同时传输到所述像素和所述区段中。在这种情况下，电子系统121和122都可感知由一部分载流子引起的电压增加。

在这个例子中，两个电子系统121和122在不同的阶段运作：阶段1

和阶段3

。当像素和区段准备检测光子时，像素和区段可以处于阶段1。两个电子系统121和122可以通过直接彼此通信或者通过中心控制器控制X射线检测器的所有像素以及所有保护环区段。基于它们的协作，例如当它们在同一时刻或者在同一时间段内发现由载流子引起的电压变化时，两个系统121和122可以确定在像素和区段上出现电荷共享。

在实施例中，在检测到电荷共享之后，控制器336可被配置成忽略一个X射线光子，然后计数器338不增加。

在实施例中，在检测到电荷共享并且电压的变化率基本上为零之后，控制器336和346可被配置成将电极连接到电接地，以复位电压并将电极上累积的任何载流子放电，从而进入阶段3。在时间延迟的期满之后，电极在有限的复位期连接到电接地。在阶段3期间，控制器336和346可通过控制复位开关315和325将电极连接到电接地。开关可以是诸如场效应管(FET)的晶体管。

在阶段3之后，像素和保护环的区段可再次进入阶段1，从而准备测量下一次入射光子。

图5A示意性地示出了根据实施例的当没有出现电荷共享时流过暴露于X射线的X射线吸收层二极管电极或电阻器电触点的电流的时间变化(上曲线)和对应的电极电压的时间变化(下曲线)，其中所述电流由入射到X射线吸收层上的X射线光子产生的载流子所引起。当在像素和保护环上不发生电荷共享时，电极是如图4所示的二极管310。

电极的电压可以是电流关于时间的整合。如上讨论，当像素准备检测X射线光子时，其位于阶段1。在阶段1期间，在时间t0，X射线光子撞击二极管或电阻器，载流子开始在二极管或电阻器中产生，电流开始流过二极管的电极或电阻器，并且电极或电触点电压的绝对值开始增加。在时间t1，第一电压比较器331确定电压的绝对值大于等于第一阈值V1的绝对值，控制器336启动时间延迟TD1并且控制器336可在TD1开始时停用第一电压比较器331。如果控制器336在t1之前被停用，那么在t1启动控制器336。在TD1期间，控制器336启动第二电压比较器332。如这里使用的术语——在时间延迟“期间”——意指开始和终止(即，结束)及其之间的任何时间。例如，控制器336可在TD1终止时启动第二电压比较器332。如果在TD1期间，第二电压比较器332确定在时间t2电压的绝对值大于等于第二阈值的绝对值，则控制器336促使计数器338记录的数目增加一。在时间te，X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110。在时间ts，时间延迟TD1终止。在图4A的示例中，时间ts在时间te之后；即TD1在X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110之后终止。由此，电压的变化率在ts大致为零。控制器336可配置成在TD1终止时或在t2或其之间的任何时间停用第二电压比较器332。

控制器336可配置成促使电压计334在时间延迟TD1终止时测量电压。在实施例中，在时间延迟TD1终止后，在电压的变化率大致变为零以后，控制器336促使电压计334测量电压。当没有出现电荷共享时，该时刻的电压与X射线光子产生的载流子的数量成正比，该载流子数量与X射线光子的能量有关。控制器336可配置成基于电压计334测量的电压确定X射线光子的能量。确定能量的一个方式是通过使电压装仓。计数器338对于每个仓可具有子计数器。在控制器336确定X射线光子的能量落在仓中时，控制器336可促使该仓的子计数器中所记录的数目增加一。因此，电子系统121可能够检测X射线图像，并且可以能够分辨每个X射线光子的X射线光子能量。

在TD1终止后，控制器336在复位期RST使电极连接到电接地，以允许电极上累积的载流子流到地面，并使电压复位。在TD1终止之后并且在复位期RST之前，像素可结束阶段1并进入阶段3。

在RST之后，电子系统121再次进入阶段1并准备检测另一个入射辐射光子。隐含地，电子系统121在图5A的示例中可以处理的入射X射线光子的比率受限于1/(TD1+RST)。如果第一电压比较器331停用，控制器336可以在RST终止之前的任何时间启动它。如果控制器336停用，可在RST终止之前启动它。

图5B示意性地示出了根据实施例的当出现电荷共享时，流过暴露于X射线的X射线吸收层的两个电极(一个来自像素，并且一个来自保护环的区段)的电流的时间变化(上曲线)和对应的像素的电触点以及区段的电压的时间变化(下曲线)，其中，所述电流由入射到X射线吸收层上的X射线光子产生的载流子所引起。

每个电极的电压可以是相应电流关于时间的整合。如上讨论，当像素和保护环的区段准备检测X射线光子时，其位于阶段1。在阶段1期间，在时间t0，X射线光子撞击像素和保护环区段之间的边界附近区域，载流子开始产生，电流开始流过像素的电触点和区段，并且电触点和区段的电压绝对值开始增加。然后，在像素和区段之间出现电荷共享。

根据实施例，两个电压的绝对值在两个不同的时间开始增加，例如在t01和t02，其在同一时间段内。例如，同一时间段可以是10μs、1μs、100ns或10ns。如果这样，确定所述两个像素在像素和保护环的区段处发生电荷共享。

如图5B所示，因为传输载流子的数量可以不同，像素和保护环区段的电压和/或电流增加速率可以不同。

阶段1可以在像素和保护环的区段处的电压稳定时或之后结束。在图5B的示例中，在时间te，由X射线光子产生的所有载流子均从X射线吸收层110中移出。于是，每个像素的电压的变化率在te后可以基本为零。这里，在te之后的th，阶段1结束。

电压稳定后，像素和保护环的区段可以进入阶段3。在阶段3期间，控制器336和346在复位周期RST将电极连接到电接地，以允许累积在电极上的载流子流向地并复位电压。

在RST后，系统121和122中的每个系统再次进入阶段1，像素和区段准备好检测另一入射X射线光子。如果电压比较器331或341已停用，则控制器336或346能在RST期满之前的任何时间将其激活。如果控制器336或346已经停用，可以在RST期满之前将其激活。

图6示出了根据实施例的基于能检测像素和保护环区段之间的电荷共享的图4系统来检测X射线的方法的流程图。在902，确定电极的电压在时间t0开始增加。电极可以是暴露于X射线的像素的二极管或电阻器的电触点。在904，将时间t0与保护环的至少一个区段的相应值进行比较。在905，确定是否发生电荷共享，例如，通过检测像素1的时间t0和保护环的区段的时间t0是否在同一时间段内，该时间段例如为10μs、1μs、100ns或10ns。如果发生电荷共享，则过程移到916，否则，如果不发生电荷共享，则过程移到906。

在906，例如使用第一电压比较器331将暴露于X射线的二极管的电极或电阻器电触点的电压绝对值与第一阈值V1相比较。在907，如果电压的绝对值小于第一阈值的绝对值，流程返回步骤906。在907，如果电压的绝对值大于等于第一阈值的绝对值，则流程例如在时间延迟之后或电压稳定之后继续到步骤908。在908，例如使用第二电压比较器332将电压的绝对值为第二阈值比较。然后，流程移至910。

在910，如果电压的绝对值没有大于等于第二阈值的绝对值，流程进行到步骤916。如果电压或和电压的绝对值大于等于第二阈值的绝对值，流程继续到步骤912。在912，例如使用控制器336让计数器338中记录的数目增加1。在914，例如使用控制器336确定基于电压的X射线光子能量。每个能量仓可以有计数器。测量X射线光子能量后，光子能量所属的仓的计数器可以增加一。在步骤914后，该方法进入步骤916。在916，例如通过将二极管的电极或电阻电触点连接到电接地将电压复位到电接地。在916之后，流程可回到902。

图7示意性地示出了包括本文所述的半导体X射线检测器100的系统。该系统可用于医学成像，例如胸部X射线照相、腹部X射线照相、牙科X射线照相等。该系统包括X射线源701。X射线源701发出的X射线穿透物体702(例如，人体部位如胸部、肢体、腹部、嘴巴)，被物体702的内部结构(例如，骨骼、肌肉、脂肪、器官、牙齿等)不同程度地衰减，并被投影到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测X射线的强度分布而形成图像。

图8示意性地示出了包括本文所述的半导体X射线检测器100的元素分析仪。元素分析仪能够检测物体(诸如玩具)上是否存在一个或多个感兴趣的元素。高能量的带电粒子束(诸如电子或质子，或X射线束)被引导到物体上。物体的原子被激发，并在特定波长处发射X射线(其是元素的特征)。X射线检测器100接收发射的X射线，并基于发射的X射线的能量确定所述元素的存在。例如，X射线检测器100可被配置成检测位于铅发射波段的X射线。如果X射线检测器100从物体上确实接受到在这些波段的X射线，就能知道铅存在。本文描述的半导体X射线检测器100可具有其它应用，比如在X射线望远镜、X射线乳房摄影、工业X射线缺陷检测、X射线显微或微成像、X射线铸造检查、X射线无损检测、X射线焊接检查、X射线数字减影血管摄影等中。使用该半导体X射线检测器100适合于代替摄影板、摄影胶片、PSP板、X射线图像增强器、闪烁体或另一个半导体X射线检测器。

图9示意性地示出了包括本文所述的半导体X射线检测器100的货物扫描或非侵入式检查(NII)系统。该系统可用于检查和识别例如集装箱、车辆、船舶、行李等运输系统中的货物。该系统包括X射线源9011。从X射线源9011发射的X射线可以从物体9012(例如，集装箱、车辆、船舶等)背散射，并被投射到半导体X射线检测器100。物体9012的不同内部结构可以不同地背散射X射线。半导体X射线检测器100通过检测背散射X射线的强度分布和/或背散射X射线光子的能量来形成图像。

图10示意性地示出了包括本文所述的半导体X射线检测器100的另一货物扫描或非侵入式检查(NII)系统。该系统可用于公共运输站和机场的行李筛选。该系统包括X射线源1001。从X射线源1001发射的X射线可穿透行李1002，被行李的内容不同地衰减，并被投射到半导体X射线检测器100。所述半导体X射线检测器100通过检测透射X射线的强度分布而形成图像。该系统可以揭示行李的内容，并识别在公共交通上的违禁品，例如枪支、毒品、锋利武器、易燃物。

图11示意性地示出了包括本文所述的半导体X射线检测器100的全身扫描系统。全身扫描系统可以为了安全筛选目的检测人身体上的物体，不需要从身体移去衣物或进行身体接触。全身扫描系统能检测非金属物体。全身扫描系统包括X射线源1101。从X射线源1101发射的X射线可从被筛选的人1102和其身上的物体背散射，并被投射到半导体X射线检测器100。所述物体和所述人体可以不同地背散射X射线。半导体X射线检测器100通过检测背散射X射线的强度分布来形成图像。半导体X射线检测器100和X射线源1101可被配置成沿直线或旋转方向扫描人。

图12示意性地示出了包括本文所述的半导体X射线检测器100的X射线计算机断层扫描(X射线CT)系统。X射线CT系统使用计算机处理的X射线来产生被扫描对象特定区域的断层图像(虚拟“切片”)。断层图像可用于各种医学学科中的诊断和治疗目的，或用于探伤、故障分析、计量、组装分析和反向工程。X射线CT系统包括在此描述的半导体X射线检测器100、以及X射线源1201。半导体X射线检测器100和X射线源1201可被配置成沿一个或多个圆形或螺旋路径同步旋转。

图13示意性地示出包括本文描述的半导体X射线检测器100的电子显微镜。电子显微镜包括被配置成发射电子的电子源1301(也称为电子枪)。电子源1301可具有各种发射机制，例如热离子、光电阴极、冷发射或等离子体源。被发射的电子通过电子光学系统1303，其可被配置为影响、加速或聚焦电子。然后，电子到达样品1302，由此图像检测器可形成图像。电子显微镜可以包括本文所述的辐射检测器100，用于进行能量色散X射线分光镜检查(EDS)。EDS是用于样品的元素分析或化学表征的分析技术。当电子入射到样品上时，其可引起样品发射特征X射线。入射电子可以激发样品中原子内壳内的电子，将电子从内壳中逐出，同时在所述电子原先的位置形成电子空穴。来自外部高能壳层的电子填充所述空穴，较高能量壳层与较低能量壳层之间的能量差可以按X射线的形式释放。通过半导体X射线检测器100可以测量从样品发射的X射线的数量和能量。

尽管本文公开了各种方面和实施例，其它方面和实施例对于本领域内技术人员将变得明显。本文公开的各种方面和实施例是为了说明目的而不意在为限制性的，其真正范围和精神由下列权利要求示明。

Claims (16)

1.一种检测器，包括：

多个像素，其中所述检测器被配置成在一段时间内对入射到所述多个像素中的每个像素上并且能量落入多个仓内的X射线光子进行计数；

保护环，该保护环包括多个区段，其中所述检测器被配置成检测由所述多个区段收集的载流子；

控制器，该控制器被配置成检测在所述多个像素中的至少一个像素与所述保护环的多个区段中的至少一个区段之间的电荷共享。

2.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述多个像素布置在阵列中。

3.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述检测器被配置成基于由所述X射线光子产生并由每个所述像素收集的载流子来对所述X射线光子进行计数。

4.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述保护环围绕所述多个像素。

5.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述控制器被配置成通过确定从至少一个所述像素检测的电压和从所述区段检测的电压在相同的时间段开始变化，来检测电荷共享。

6.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述控制器被配置成当所述控制器检测至少一个所述像素与至少一个所述区段之间的电荷共享时，忽略所述X射线光子中的一个光子。

7.一种方法，包括：

通过检测器的像素接收X射线光子，所述检测器包括多个像素以及包括多个区段的保护环；

检测在所述像素与所述保护环的区段之间的电荷共享；

当检测到所述电荷共享时，忽略所述X射线光子；

当没有检测到所述电荷共享并且所述X射线光子能量落入多个仓中的一个仓内时，将所述X射线光子计入到入射在所述像素上且能量在所述仓内的X射线光子的数量中。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

对于每个所述像素，确定入射到所述像素上且能量在所述仓内的X射线光子的数量；

对所述多个像素确定所述数量的总和。

9.一种包括根据权利要求1所述的检测器和X射线源的系统，其中所述系统被配置用于对人身体、四肢、牙齿进行X射线照相。

10.一种包括根据权利要求1所述的检测器和X射线源的系统，其中，所述系统被配置成检测X射线荧光(XRF)。

11.一种包括根据权利要求1所述的检测器的系统，其中，所述系统是X射线望远镜或X射线显微镜，其中所述系统被配置成进行乳房摄影、工业缺陷检测、微成像、铸造检查、焊接检查或数字减影血管摄影。

12.一种包括根据权利要求1所述的检测器和X射线源的货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其中，所述货物扫描或非侵入式检查系统被配置成基于对X射线的背散射来形成图像。

13.一种包括根据权利要求1所述的检测器和X射线源的货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其中，所述货物扫描或非侵入式检查(NII)系统被配置成基于穿过受检物体的X射线来形成图像。

14.一种包括根据权利要求1所述的检测器和X射线源的全身扫描系统。

15.一种包括根据权利要求1所述的检测器和X射线源的X射线计算机断层扫描(X射线CT)系统。

16.一种包括根据权利要求1所述的装置、电子源和电子光学系统的电子显微镜。

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