CN110998368A - 电离辐射的像素化检测器中的深度校正 - Google Patents

Abstract

本公开涉及电离辐射的光谱传感器，以及使用专用集成电路来检测以下两者：像素阳极信号中指示与该像素相互作用的电离辐射的正特征，和指示在相邻或相近像素中相互作用的电离辐射的负特征。为此，可以在每个ASIC像素电路中提供正峰值保持电路和负峰值保持电路两者。

Description

电离辐射的像素化检测器中的深度校正

技术领域

本发明涉及电离辐射的直接转换半导体检测器，并具体涉及这样的传感器：其具有像素化的电极阵列以检测与该传感器的辐射相互作用事件的位置。

仅作为示例，本发明可以用于X射线或伽马射线成像光谱学领域，并且检测器可以使用诸如Cd(Zn)Te或GaAs之类的半导体的单片(monolithic)层(其上在半导体层的背面设置有像素化的阳极阵列)来实现。检测器可以尤其是小型像素检测器，例如，其中像素间距小于半导体层的厚度的一半。

背景技术

可以使用半导体材料层来捕获入射辐射以在该材料内生成正电荷和负电荷(通常是电子和空穴)，来进行对电离辐射的直接转换光谱检测。在该半导体层两端施加的偏置电压然后在相反的方向上扫过正电荷和负电荷，以供电极收集。然后通常假定在电极处感应的电荷或电流的短脉冲是成比例的或至少指示与半导体层的特定辐射相互作用事件的能量，并因此指示辐射能量本身的能量。

要检测的电离辐射可以通常是X射线或伽马射线光子，在这种情况下，电荷主要由光电效应和康普顿效应生成。如果电离辐射采取大质量带电粒子的形式，则电荷主要由库仑相互作用生成。

可以通过在半导体层的一面上设置像素电极的阵列(通常在该层的背面处使用像素化的阳极阵列并在要检测的辐射首先到达的相反的正面上使用单个平面阴极)来将直接转换检测器像素化。以这种方式，可以确定像素阵列内的横向位置，以及与半导体材料的辐射相互作用事件的能量的量度。然而，阳极和阴极处的电信号可以很强烈地取决于辐射相互作用在半导体内的深度。这主要归因于：与向阳极移动的电子的更高的迁移率和更低的俘获率相比，向阴极移动的空穴的低迁移率和高俘获率。

可以根据肖克利-拉莫(Shockley-Ramo)定理来理解每个电极处的由于正电荷和负电荷的运动而产生的信号(例如，参见Nuclear Instruments and Methods in PhysicsResearch Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and AssociatedEquipment，第463卷，第1-2期，2001年5月1日，第250-267页)。每个电极可以被认为或被建模为具有加权电势，例如如在下面结合图4所讨论的，其可以用来在理论上使给定电极上的由检测器中的不同位置处的电荷云引起的电荷感应的过程可视化。当像素大小相对于检测器厚度较小时，加权电势集中在像素附近。在这种情况下，只有在检测器的加权电势所集中的区域中漂移的载流子才会在这些电极上感应出大量电荷。在阴极附近发生的相互作用通常导致高CCE，因为电子可以容易地跨检测器漂移到像素附近的区域中。在空穴的情况下，它们在阴极附近相互作用，因此具有高收集几率，但是除此之外，它们在其中加权电势仅具有低集中度的区域中漂移，因此它们仅感应出少量电荷。

在导致相互作用事件和电荷生成之前，电离辐射到半导体层中的穿透深度是统计的，但是对于与相对于半导体层厚度的较低平均穿透深度相对应的辐射能量，大多数相互作用事件在阴极附近发生，并且因此拥有较高的CCE。然而，对于在半导体层内具有与层的厚度相当或大于层的厚度的平均穿透深度的辐射能量，CCE对相互作用深度的上述反相关性(inverse dependence)对于这种检测器的设计和操作是重要的技术问题。

He等人的“Position-sensitive single carrier CdZnTe detectors”(NuclearInstruments and Methods in Physics Research A 388(1997)180-185)描述了使用CdZnTe半导体层的像素化检测器。He等人提出基于如下观察结果来确定和校正相互作用深度对CCE的影响，该观察结果主要是其阴极和阳极信号之比的单调函数。应当注意的是，大平面阴极的加权电势具有随着距阴极的距离而基本上恒定的梯度，而像素阳极的加权电势在阳极附近陡峭得多。

He等人的技术需要将在阳极像素信号中检测到的每个辐射相互作用事件与在平面阴极信号中检测到的相同事件相关联。He等人使用单个大平面阴极，因此如果两个相互作用事件在检测器处在接近的时间发生，则即使事件引起不同像素阳极中的信号，也将难以在阴极信号中区分它们，从而限制相互作用事件的整体速率，并且因此可以利用光谱详细信息进行检测。将阴极分为多个单独的子阴极可以部分解决该问题，但是随后使电极的仪器变得更加复杂，并且削弱了相互作用深度确定所依赖于的阴极信号和阳极信号之间的关系。

本发明试图解决相关现有技术的这些和其他限制。

发明内容

本发明提供了一种针对光谱传感器的检测器半导体层内的电离辐射的相互作用的深度进行补偿的方法。其中检测器的第一像素的电极处的电信号的正特征指示在该像素中相互作用的电离辐射的能量，使用在与第一像素相邻或相近的像素的电极中检测到的对应的负特征来针对该相互作用在半导体层内的深度对正特征的影响进行补偿。在对于这样的特征使用术语“正”和“负”的情况下，这意味着这些特征具有相反的符号或极性，其中指示能量的特征被认为是正的，并不意味着表明正特征一定对应于正电流、正电压或正的其他电气特性。换句话说，术语“正”指示具有通常与相互作用事件的能量相关联的幅度的信号。

具体而言，正特征和负特征可以是电极本身处的电信号中的正阶跃(step)和负阶跃的幅度，或者是在由一个或多个整形器电路进行合适处理之后的电信号中的正峰值或负峰值的幅度。在相互作用事件引起两个或更多个相邻像素中的正幅度特征的情况下，这些特征可被一起处理，例如通过在确定相互作用事件的特性时(可选地使用像素电荷共享校正)对正特征进行求和。下面阐述根据本发明的装置和方法的其他方面。

本发明提供了诸如像素化传感器之类的装置，用于检测入射在传感器上的电离辐射的能量，据此电离辐射与传感器的相互作用事件引起像素信号中的正特征，其中每个像素设有正特征检测和负特征检测两者。通过使用代表这些正特征和负特征的数据，分析器可被布置为使用来自像素的正特征以及可选地来自相邻像素的正特征来确定相互作用事件的能量、或另一特性、或实际上多个这样的特性，这些正特征使用来自相邻或附近像素的负特征针对相互作用在传感器内的深度而得到补偿。

更具体而言，本发明提供了一种电离辐射的光谱传感器，其包括：半导体直接转换层；像素电极的阵列，其被跨该半导体直接转换层的一面设置以检测在该直接转换层内相互作用的电离辐射；以及例如作为专用集成电路的一部分而提供的多个像素电路。每个像素电路然后可被布置为从像素电极中的不同的对应一个像素电极接收像素信号，以在针对该像素的任何特定检测时段内检测正特征或负特征中的任一者(如果两者之中的任一者发生在像素信号中的话)，并被布置为输出在检测时段内检测到的一个或多个特征的幅度。幅度的输出通常包括该幅度的符号的输出，或者对幅度是正特征的还是负特征的等效标识。

每个像素电路可被布置为在特定检测时段或每个检测时段中输出正特征和负特征两者的幅度，或者可以使用某个其他方案，诸如优先于检测到的负特征而输出正特征，或优先于较小幅度的特征而输出较大幅度的特征，或仅在特征超过检测阈值的情况下输出特征。检测时段通常可以对应于该像素的读出时段，使得在检测时段结束时，最大的正特征和/或负特征被读出并且像素电路被复位，然后开始在新的检测/读出时段中寻找正特征和负特征。

例如，针对传感器的像素、像素行或像素组、或者所有像素的检测时段可以是预定义的检测或读出时段，其不是由与传感器的任何辐射相互作用的存在决定或由在该时段内在像素信号中检测到的任何对应的正特征或负特征决定。这样的预定检测或读出时段可以在像素阵列上同步(例如，其中所有这样的检测或读出时段是同步的)，或者使用卷帘式快门(rolling shutter)方案，其中读出时段行到行或列到列地被错开。

这种预定义的检测或读出时段因此可被认为是由针对传感器的预定义读出时段的时间表(schedule)或一系列预定义读出时段(例如，全帧读出的时间表)而不是由例如入射在传感器上的辐射的时序来隐式或显式地定义的。

为了能够提供正特征或负特征的幅度，每个像素电路可包括正峰值保持电路和负峰值保持电路两者，正峰值保持电路被布置为检测并在其输出处保持与在从像素电极接收到的像素信号中发生的正特征相对应的正峰值，负峰值保持电路被布置为检测并在其输出处保持与在来自像素电极的像素信号中发生的负特征相对应的负峰值。然后优选地向这样的峰值保持电路提供在由至少一个整形器电路进行处理之后的像素信号，该整形器电路被布置为将接收到的像素信号中的正阶跃特征或负阶跃特征中的任一者转换为对应的相应正峰值或负峰值，以供相应的正峰值保持电路或负峰值保持电路进行检测。

可以凭借以下原因确定一个或多个第一像素中的正特征与相邻或附近像素中的负特征针对的是同一相互作用事件：这些特征来自相同或对应的检测或读出时段。然而，由于有时可能在单个像素或相邻像素中的单个检测时段中检测到多个正特征和/或负特征，因此检测器还可包括一个或多个时间戳电路，这一个或多个时间戳电路被布置为输出特定检测时段中的任何(一个或多个)检测到并输出的正特征或负特征的时间戳，使得可以更好地确定这样的正特征和负特征确实对应于同一相互作用事件。

在不使用上述峰值保持电路的其他实施例中，每个像素电路可以改为包括前置放大器级、基线补偿级、和输出级，该输出级被布置为输出补偿后的像素信号，该补偿后的像素信号包括在特定检测时段内检测到的正特征或负特征的幅度。基线补偿级然后可包括：基线存储元件，其被布置为接收并存储在检测时段的基线间隔期间从前置放大器级接收的像素信号；以及比较器，其被布置为使用由基线存储元件存储的像素信号来补偿在基线间隔之后输入到基线比较级的像素信号，并将补偿后的像素信号输出到输出级。

每个像素电路的输出级可包括读出开关，用于在检测时段结束时将基线补偿级的输出与输出级隔离。

为此，本发明还提供了一种电离辐射的光谱传感器，其包括：半导体直接转换层；像素电极的阵列，其被跨该半导体直接转换层的一面设置以限定用于检测在该直接转换层内相互作用的电离辐射的像素；以及专用集成电路(ASIC)，其包括多个像素电路，每个像素电路被布置为从像素电极中的不同的对应一个像素电极接收像素信号，并包括前置放大器级、基线补偿级、和输出级，该输出级被布置为输出补偿后的像素信号，该补偿后的像素信号包括在特定检测时段内检测到的正特征或负特征的幅度，其中基线补偿级包括：基线存储元件，其被布置为接收并存储在检测时段的基线间隔期间从前置放大器级接收的像素信号；以及比较器，其被布置为使用由基线存储元件存储的像素信号来补偿在基线间隔之后输入到基线比较级的像素信号，并将补偿后的像素信号输出到输出级。然后可以从来自输出级的补偿后的像素信号中获得正信号特征和负信号特征的幅度。

通常，无论所使用的像素电路架构如何，直接转换层都可包括CdTe、CdZnTe、或GaAs，这些材料具有足够低的电导率和高的密度来在基本上在室温下工作的检测器中有效地检测例如几十至几百keV的更高能量X射线和伽马射线。

由于本发明的各方面依赖于一个像素的体积中的通过相邻像素的加权电势来引起电荷移动的相互作用事件，因此如在下面更详细地讨论的，在半导体层的材料中应当优选不存在分离，诸如不同像素之间的间隙或绝缘分隔。更具体而言，并且为了通过减少俘获和其他效应来确保良好性能，直接转换层可以由半导体材料的单晶形成，或是单片的。

像素电极原则上可以是检测器的阳极或阴极，但是在下面描述的实施例中，跨直接转换层的一面设置的像素的阵列是阳极的阵列，并且在直接转换层的相对面上提供单个阴极，然而原则上可以使用分段的或像素化的阴极。

在使用专用集成电路来提供像素电路的情况下，这可被方便地安装为与像素电极的阵列面对，并且可选地被直接倒装焊接到半导体直接转换层面。然而，在需要在ASIC和像素电极阵列的不同像素间距之间进行适配的情况下，可以使用插入器结构或元件。

为了对检测到的正信号特征和负信号特征进行合适的数据分析，该装置可包括分析器，该分析器被布置为将像素电极中的一个或多个第一像素电极的像素信号中的正特征与直接转换层内的电离辐射的特定相互作用事件相关联，并被布置为将与第一像素电极相邻或相近的其他像素电极的像素信号中的对应负特征与同一相互作用事件相关联。分析器然后可被布置为根据一个或多个正特征和对应的负特征两者的幅度来确定相互作用事件的特性。

相互作用事件的特性通常可以是电离辐射的能量。分析器然后可被布置为根据一个或多个正特征的幅度来确定电离辐射的能量，但是使用至少一些负特征的幅度的总和进行校正或以如下所述的其他方式使用负特征的幅度进行校正。例如，可以通过实验或校准来以经验方式定义关系函数，或者至少部分地使用更多的理论原理来定义关系函数，该关系函数根据正特征和负特征的幅度来定义电离辐射的能量或其他特性。

作为代替，相互作用事件的特性可以是相互作用事件的子像素位置，因为负特征的幅度可以指示对于更接近相互作用事件的相邻或相近像素具有更大幅度的子像素位置。例如，分析器可被布置为至少部分地根据至少一些相邻像素中的负特征的幅度的质心来确定子像素位置。

可以确定相互作用事件的其他特性，诸如相互作用的深度，并且可以为特定的相互作用事件确定多于一个的这样的特性，例如能量和子像素位置两者。本发明的实施例可被布置为例如对于所有或特定的相互作用事件或者取决于可用于分析的数据来确定多于一个的这样的特征或所有这样的特征。

本发明还可被定义为提供一种使用半导体直接转换层来检测电离辐射的方法，该半导体直接转换层具有跨该层的一面设置的像素电极的阵列，该方法包括：检测从一个或多个第一像素电极接收的像素信号中的正特征的幅度，这一个或多个正特征是由电离辐射与该像素的直接转换层的同一相互作用事件引起的；检测从例如与第一像素相邻或相近的多个其他像素接收的像素信号中的由同一相互作用事件引起的负特征的幅度；以及根据正特征和对应的负特征的幅度来确定相互作用事件的特性。

该方法然后可包括：当确定正特征和负特征与同一相互作用事件有关(例如在时间上一致)时，根据一个或多个正特征和对应的负特征的幅度来确定相互作用事件的特性，诸如辐射的光谱能量或相互作用的深度。确定正特征和负特征在时间上一致可包括确定以下各项中的一项或多项：正特征和负特征发生在对应的像素检测时段中；以及正特征和负特征与表明它们在对应的像素检测时段内同时发生的时间戳相关联。

当辐射相互作用事件的特性是电离辐射的能量时，这可以根据使用一些或所有负特征的幅度的函数(例如，被确定为由同一相互作用事件引起的负特征的幅度的总和)进行校正的一个或多个正特征的幅度来确定。下面详细讨论一些特定的关系，这些关系描述了如何根据负幅度的总和来校正一个或多个正幅度，以及如何可以从实验数据和以其他方式得到这些。

当要确定的特性是相互作用事件在半导体转换层内的深度时，这可以例如根据(一个或多个)正幅度与负幅度的总和或其他函数的比率来确定或以其他方式来确定。

当特性是相互作用事件在像素电极的阵列的平面中的子像素位置时，这可以从根据相邻像素的负特征的幅度而被加权的这些像素的位置的质心来确定或以其他方式(例如使用更一般化和/或校准的函数，该函数使相邻像素中的负特征的幅度(以及可选地中心像素中的正幅度)与相互作用事件的对应子像素位置相关)来确定。

在讨论了已经由像素电路或ASIC输出的数据的分析装置和方法的情况下，这些装置和方法特征通常可以使用在适当的计算机硬件(例如包括与计算机存储器相关联的一个或多个处理器)上执行的合适的计算机程序软件来实现。因此，本发明还提供了这样的计算机程序软件，以及携带这样的软件的计算机可读介质。然而，这样的分析装置和方法还可以或可以改为在适当布置的电路或其他硬件(诸如现场可编程门阵列(FPGA))中部分或全部地执行，适当布置的电路或其他硬件可以方便地位于与半导体直接转换层相近，例如在必要时集成在ASIC上。

尽管将本发明的各方面描述为提供被布置为检测正信号特征和负信号特征的ASIC或其他电路，但是该功能可以改为作为分析器功能的一部分来提供，例如通过使用在一个或多个计算机处理器或上述FPGA上执行的合适软件来记录电极信号并检测正信号特征和负信号特征。

附图说明

现在将参考附图仅作为示例来描述本发明的实施例，在附图中：

图1示意性地示出了用于使用像素化的半导体检测器来检测电离辐射并用于分析得到的信号以确定诸如能量之类的电离辐射属性的装置；

图2示出了来自发生辐射相互作用事件处的中心像素的电信号和来自相邻像素的同时信号的图；

图3示出了图2的中心像素信号以及来自相邻像素的信号的总和的图；

图4示出了在辐射相互作用事件之后电荷云在相邻电极的加权电势内的运动；

图5和图6是可以实现图1的像素电路42的两种方式的示意图；

图7和图8示出了如何可以更一般地实现图5和图6的正峰值保持电路和负峰值保持电路，并且图9是示出合适的负峰值保持电路的电路实现方式的更详细的示意图；

图10针对由Co-57源发射并由诸如图1的传感器之类的传感器检测到的122keV伽马射线绘制了相对于相邻像素中负特征幅度总和的中心像素中的电荷收集效率；

图11绘制了根据用于图10的布置检测到的示出了未经校正的能量谱的能量谱，以及使用相邻像素中的负特征来针对相互作用的深度对正特征的影响进行校正而得到校正的光谱；

图12针对由Co-57和Am-271源发射并由诸如图1的传感器之类的传感器检测到的59.54keV、122keV和136keV伽玛射线绘制了相对于相邻像素中负特征幅度总和的正特征幅度(两者均被表示为视在辐射能量)；

图13绘制了根据用于图12的布置检测到的示出了未经校正的能量谱的能量谱，以及使用相邻像素中的负特征来针对相互作用的深度对正特征的影响进行校正而得到校正的光谱；

图14示意性地示出了分析器中用于计算针对相互作用的深度对正特征的影响而得到校正的相互作用事件能量的元件或过程；

图15示意性地示出了分析器中用于使用与其中发生相互作用事件的像素相邻的像素中的负特征来确定该相互作用事件的子像素位置的元件或过程；

图16示出了跨三个像素扫描辐射束的实验结果，其展示了负像素信号特征和正像素信号特征随着扫描的进行的计数；并且

图17示出了供在所描述的传感器中使用的像素电路的替代架构。

具体实施方式

现在参考图1，示出了用于检测电离辐射22(诸如，伽马射线或X射线)的粒子或光子的光谱成像传感器5的示意图，并且具体而言，这样的传感器可以例如以像素化图像的形式输出具有横向位置信息的关于该辐射的光谱属性的信息。诸如图1的光谱成像传感器之类的电离辐射的光谱成像传感器的典型用途是例如在医学、安全、天文学、和工业成像领域中的需要光谱X射线成像的情况。

传感器5包括检测器部分10和专用集成电路40(ASIC)，专用集成电路40被布置为处理来自检测器10的电信号。该检测器包括半导体层20，待检测的电离辐射22在该半导体层20的正面24处进入该半导体层20。例如在相互作用事件26时，至少一些电离辐射与半导体层20的材料相互作用，以生成电子和空穴，这些电子和空穴通过偏置电压28而被分别扫向半导体层20的阳极侧和阴极侧。以这种方式，半导体层提供了电离辐射的直接转换检测器。

在图1的示例中，阴极侧由层20的正面24提供，在正面24处提供单个平面阴极30，然而该阴极可以使用多个电连接的阴极段来提供，或者该阴极可以以某种提供多个单独的阴极的方式来像素化。在图1中，阳极侧设有设置在半导体层20的背面34处的像素阳极32的阵列，从而限定了检测器10的像素。如本领域技术人员将熟悉的，这样的像素阳极的阵列允许相互作用事件26在半导体层20内的横向位置被检测到。阳极侧还可以设有在阳极像素阵列的外部周围的连续保护带电极(未在图中示出)，以帮助减少晶体边缘的较低电阻的影响，否则该影响可能会导致大量漏电流。

尽管在图1中示出了在背面34处的阳极32的像素化阵列和在正面24处的单个平面阴极30，但是取决于所使用的半导体材料以及检测器的其他配置和期望性能，也可以使用像素化阴极或可以改为使用像素化阴极，并且/或者例如在结合到ASIC的小型像素锗检测器的情况下，可以改为分别在半导体层的正面和背面提供(一个或多个)阳极和/或(一个或多个)阴极。类似地，尽管检测器通常可以与如图1所示的在检测器的正面处进入的电离辐射一起使用，但是如果需要，可以通过利用阳极和阴极结构的各种配置来使用背照明。

取决于检测器10的所需属性(例如，取决于要检测的电离辐射的类型和能量范围、检测器的像素的大小和数量等)，可以将各种不同的半导体材料用于半导体层20。例如可以选择碲化镉或碲化锌镉，因为这些材料具有足够低的电导率以使较大厚度(例如，大约5mm或更大)的检测器可以在室温下有效运行，但是其对较高能量(例如从几十keV到几MeV)的光子具有足够高的碰撞截面。硅、砷化镓、或金刚石可方便地用于较低能量的电离辐射。如果可以容易地保持非常低的温度(例如低温)，则可以使用锗，以便将材料电导率降至可接受的水平。用于半导体层的其他合适的材料可包括碘化汞、溴化铊，并且可以在更高的能量处使用有机-无机三卤化物钙钛矿。

半导体层优选地作为单一半导体材料的单个整体层，优选地作为单片或单晶层来提供，以便通过避免总结构缺陷来提供电子和空穴在材料内可接受水平的俘获和迁移率，其中该总结构缺陷由于在这样的缺陷周围的电场的扭曲和载流子俘获而对检测器性能有负面影响。如果由此提供了材料的单个完整层，而没有绝缘或分割来在材料内形成单独的像素，则任何特定的辐射相互作用事件26都可以引起多个像素阳极处的感应的电信号和电荷收集，这在现有技术中可被视为问题，但是本发明人已经认识到可对其加以利用，如在下面更详细地讨论的。

可以根据期望的应用领域和其他因素来调整半导体层20和像素阳极阵列的尺寸和几何形状，但是通常可使用厚度约为5-10mm并且矩形横向尺寸在每个方向上为约10-50mm的CdTe或CdZnTe的半导体层，其在直线(rectilinear)网格上的像素间距(像素阳极中心之间的距离)为约500μm，从而给出大体在1x10²-1x10⁵范围内的总像素计数。对于本发明的实施例，一些合适的这样的参数范围可以是在1-20mm范围内的半导体层厚度和在50–5000μm范围内的像素间距。像素布置可以是矩形网格或正方形网格，更一般而言是直线网格，或者可以使用诸如六边形之类的其他网格形式。通常，根据本发明的实施例的检测器10可被描述为小型像素检测器，其中在阴极侧和阳极侧之间的半导体层的厚度显著大于像素间距，例如至少为2倍，并且更优选地为3倍、4倍或更多倍。

如同样在图1中示出，在本示例中作为阳极32的像素电极通过电连接到包括多个像素电路42的专用集成电路(ASIC)40而装备用于检测相互作用事件26。每个像素电路被布置为从像素阳极32中不同的对应一个像素阳极接收电像素信号，并被布置为在检测时段内分析该信号以得到属性集44，该属性集44描述在该检测时段期间信号的各方面。然后，在检测时段结束时或在检测时段结束之后，使用ASIC 40的读出电路46(在特定设计中，如果适当的话，读出电路中的一些可被并入各个像素电路)来读出属性集44。

考虑到要检测的辐射的强度和光子或粒子能量，可以根据检测器10的其他方面(诸如灵敏度，像素数量和大小，检测器材料属性(诸如载流子迁移率)，以及检测器的期望应用)来选择合适的检测时段。例如，可能期望使在单个检测时段期间将两个相互作用事件注册在单个像素中的概率较低，以避免来自这两个事件的信号的“堆积”，其中来自这两个事件的信号无法容易地被分别表示在针对该像素和检测时段的输出属性中。如果读出电路46使用卷帘式快门读出，其中单个行(或列)的读出大约花1μs，则可以以高达12.5kHz的帧速率从80行中读出属性集44的完整图像帧。图1的检测器的合适的检测时段于是可以是约80μs，然而如果需要的话(例如在辐射强度水平较低的情况下)当然可以使用更长的检测时段。对于本发明的一些实施例，帧速率的合适范围可以是从约1Hz到约100kHz。

具体而言，因此，像素的检测时段可以是预定义的检测或读出时段，其通过传感器的预定义读出时段的时间表(例如，全帧读出)来定义而不是通过例如入射在传感器上的辐射的时序来定义。

可以从ASIC 40传递针对每个像素和每个检测时段的属性集44，以存储在诸如分析器50(其可包括合适的数字数据存储装置52和实现软件的计算机处理硬件54)之类的外部设备处，以便对属性集44进行进一步分析从而确定相互作用事件26的特性，并因此确定引起这样的事件的电离辐射22的特性，如在下面进一步描述。替代地或另外地，可以使用作为检测器的一部分而提供的电路(诸如浮点门阵列)来整体或部分地进一步分析该属性集。

分析过程的输出(例如作为根据像素阵列布置的这种特性的一个或多个图像或视频)然后可被显示在诸如计算机60之类的输出设备上，或者被存储以用于进一步的分析和将来的显示。

如图1所示，ASIC 40可被方便地安装在印刷电路板48上，该印刷电路板48提供了在ASIC外部的电路49，该电路49用于控制ASIC并辅助向分析器50或另一外部数据处理设备的数据读出。也可以使用诸如在如下文献中描述的模块化方法：M.D.Wilson等人，Journalof Instrumentation，第10卷，2015年10月，“A 10cm x 10cm CdTe SpectroscopicImaging Detector based on the HEXITEC ASIC”。

检测器10、ASIC 40、以及可选的PCB 48的组件还可设有用于保持传感器5的组件的可接受工作温度的散热器(未在图中示出)。

在每个像素电路42处从检测器10的对应阳极32接收到的电信号通常为模拟形式，并且每个像素电路42通常将使用ASIC 40的模拟电子设备得到针对特定检测时段的属性集44。然而，一旦属性已被得到，它们就可以方便地在ASIC 40本身(通常作为读出电路46的一部分)上或其他地方(在PCB的电路49中、或者在分析器50处或其他外部设备处)进行数字化，然后进行数字数据存储和/或进一步分析。

阳极的像素间距可以优选地与它们将连接到的ASIC上的像素电路的间距匹配(但是注意，对于要连接的所有像素或对于要使用的所有像素电路，这不是必需的)。在这种情况下，可以例如通过将ASIC倒装焊接到检测器10来与像素阳极32的阵列直接面对地安装ASIC。该技术可以例如通过提供ASIC的每个像素电路42的输入焊盘上的金螺柱以及对应的像素阳极32上的低温载银环氧树脂的胶点来实现。然后使ASIC和检测器对齐，并且在较小的压力下使ASIC和检测器在一起，并且在使用CdTe或CdZnTe的情况下在例如小于150℃的升高温度下使ASIC和检测器固化(cure)以避免对半导体层的结构损坏。可以使用其他焊接技术，例如冷焊铟焊接。

作为替代，可以使用诸如柔性耦合线的阵列和其他布置之类的其他技术将ASIC耦合到检测器10。例如，可以使用插入器结构来在检测器像素和ASIC像素的不同间距之间转换。

为了更好地解释本发明，图2示出了从诸如图1的检测器10的一组九个相邻像素阳极32输出的模拟电像素信号，其中每个图的位置对应于对应像素的相对位置。这些信号由分析器收集，该分析器能够在至少短时间间隔内从每个这些像素中读出连续的时间相关信号。这与图1的ASIC 40形成对照，该ASIC 40适于针对每个像素和每个检测时段仅提取数据值的有限属性集。

图2的每个图具有零到2000纳秒的时间标度，并且纵坐标表示电荷敏感放大器的随后已被数字化的电压输出。这种情况下的检测器20设有厚度为2mm的CdZnTe半导体层，并且利用Co-57伽马射线源以122keV和136keV的发射进行照射。在这些能量下，相互作用在用于半导体层的材料内的平均深度分别为约1.8mm和2.4mm。

图2的中心像素102的正阶跃(step)特征106对应于在这样的伽马射线与有效像素体积内的半导体层的相互作用事件之后在该中心像素的阳极处累积的电荷。还可以看出，在相邻像素104-1...104-8中的每一个中，存在在时间上与正阶跃特征一致的小得多的负阶跃特征108。尽管这些特征分别比正阶跃特征小得多，但是在图3中，来自相邻像素的信号已被求和(标记为“邻近信号”)并且可以看出被求和的负阶跃特征总共小于正阶跃特征，但具有与正阶跃特征大致类似的幅度。

在相关现有技术中广泛理解的是，像素信号中的正阶跃特征106的幅度指示对应像素内的相互作用事件的能量，并且该幅度还可以在一定程度上取决于该相互作用事件在检测器内的深度，例如参见He等人的上面的参考文献：“Position-sensitive singlecarrier CdZnTe detectors”，Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchA 388(1997)180-185。

本发明涉及发明人对所示出的相邻像素中的负阶跃特征的附加观察，以及如下的附加观察：这些负阶跃特征108也取决于相互作用的深度。发明人已经确定，这些负阶跃特征108可以用于对与中心像素102中的正阶跃特征相对应的相互作用事件的能量进行校正。

尽管本发明不限于任何特定的物理机制，或在理解负特征及其与中心像素中的正特征的关系以及相关的相互作用事件时使用的任何理论的正确性，但是发明人理解：相邻像素104-1...104-8中的负特征的形成是由于相互作用事件在半导体层内的深度(其中，在该布置中，“更深”是指更接近像素阳极)与半导体材料中比电子的寿命短得多的空穴寿命的组合。对于诸如在本演示中使用的122keV和136keV处的Co-57发射之类的辐射能量，相互作用的深度很可能将接近像素阳极。由于在半导体层20内的像素体积的材料之间没有物理边界或电边界，因此相邻像素的加权电势重叠。另外，阳极像素加权电势的梯度在更接近阳极像素时比它们接近阴极时高得多。

如图4所示，相互作用事件26和被中心阳极102检测为正阶跃特征的随后的电荷漂移也意味着存在相同的电荷通过相邻或附近的阳极104的加权电势110而进行的显著漂移。在电子112和空穴114两者的良好传输特性的情况下，如果未经历电子和空穴的电荷俘获，则相邻阳极104上产生的信号将总计为零，但是实践中的半导体材料中的空穴的较差电荷传输反而由于在邻近像素的加权电势具有较高幅度的情况下在像素附近俘获空穴而引起信号中的显著负特征。

应当注意的是，尽管图2和图3按照惯例示出了与中心像素中的相互作用事件的常规检测相对应的正阳极信号特征106，但是取决于检测器30的材料和配置以及正在观察的电信号的特定方面，在对应的像素阳极处发生的电信号的实际极性可以是电正性或电负性的。当在本文中使用术语“正”来指代信号特征时，因此将理解这指的是作为中心像素中的相互作用事件的结果而观察到的主信号特征的方向或极性，并且当使用术语“负”时，将理解为指的是相反的方向或极性。换句话说，“正”指的是感兴趣的主要信号的方向，该主要信号通常用于形成表示相互作用事件的能量的检测器输出。

另外，尽管在图2和图3中看到的正和负信号特征106、108采取上升阶跃或陡峭斜坡特征的形式，其然后例如由于前置放大器或其他电路方面的属性而看起来非常缓慢地衰减回到空电平或零电平，但是由相互作用引起的像素信号的对应方面甚至可以采取短脉冲的形式(例如，如果测量电流而不是电荷或电压)或其他形式。

鉴于以上讨论，本发明的实施例提供了进行以下操作的方法和装置：检测从第一像素电极(以上讨论中的中心像素电极)接收的像素信号中的正特征的幅度，该正特征由于电离辐射与半导体层20的相互作用事件而产生；检测从与第一像素相邻或相近的多个像素(以上讨论中的相邻像素)接收的像素信号中的对应负特征的幅度，其中该负特征由同一相互作用事件引起；以及根据正特征和对应负特征两者的幅度来确定相互作用事件的特性。

本发明的上述方面可以至少部分地在ASIC 40的每个像素电路42中实现，尤其以便高效地检测特定正特征和负特征的幅度，以及可选地确保这些正特征和负特征被正确地彼此关联。然而，上述方面通常也将至少部分地在对检测到的正特征和负特征的幅度的进一步分析中实现。该进一步的分析通常可以更方便地在例如在如图1所示的分析器50中的计算机处理硬件54上执行的分析软件中实现，或者可以至少部分地使用现场可编程门阵列来实现。

为此，本发明的实施例为ASIC 40的每个像素电路42提供了用于检测从对应像素接收的电信号中的正特征和负特征两者的模拟处理功能，其中诸如正阶跃之类的正特征通常由于在该像素的像素体积内发生的相互作用事件26而产生，并且诸如负阶跃之类的负特征通常由于在与检测到负特征的像素相邻的像素的像素体积内发生的相互作用事件26而产生。对于在两个或更多个像素的一个或多个边界附近发生的相互作用事件26，在这两个或更多个像素中的全部像素中都可以看到正响应，并且可以在例如在分析软件中执行的分析软件中适当地处理这样的响应。例如，这样的响应可以用于提供如下所述的使用质量中心技术的子像素分辨率计算。还可能可以针对可能在像素间区域中发生的任何电荷损失进行校正。

在图5中示出了合适的像素电路42的一个示例。在前置放大器210处接收来自像素阳极32的电信号，前置放大器210将放大后的信号传递到整形器电路212。这种整形器电路212的一个预期功能是提高信噪比。图5的布置中的另一功能是将放大后的阳极信号中的正阶跃特征或负阶跃特征转换为从整形器电路212输出的信号中的对应的正峰值或负峰值。这样的峰值在原始阶跃特征为正的情况下将为正峰值，并且在原始阶跃特征为负的情况下将为负峰值。

整形器电路212可以例如使用跟随有二阶低通滤波器的CR-RC整形器部分来实现。对于上述的检测器布置，整形器电路的合适时间常数可以是大约2μs，注意，如图2所示的对应阶跃特征的上升时间很可能是几十纳秒，并且合适的预定义检测时段可以是几十微秒。实际选择的整形时间可能实际上产生自对材料属性和噪声考量的仔细平衡。实际上，整形时间的范围很可能从约0.1至10μs。

如图5所示，从整形器电路212输出的信号然后被传递到正峰值保持电路214并被并行传递到负峰值保持电路216，正峰值保持电路214被布置为检测并保持正峰值的幅度，负峰值保持电路216被布置为检测并保持从整形器电路212输出的信号中的负峰值的幅度。如果整形器电路212在单个检测时段中输出多个正峰值或负峰值，则通常(一个或多个)对应的峰值保持电路可以保持各个峰值中的最大者的幅度。

由峰值保持电路214、216输出的任何峰值幅度然后都被保持，直到在检测时段结束时或在检测时段结束之后被缓冲器电路读出为止。正缓冲器电路218保持由正峰值保持电路214输出的任何正峰值幅度，并且负缓冲器电路220保持由负峰值保持电路216输出的任何负峰值幅度。这些缓冲器电路提供采样和保持功能。

因此，图5所示的像素电路42针对每个检测时段提供属性集44，该属性集44包括也由来自电路的输出P+和P-指示的正峰值幅度(其在未曾发生正峰值的情况下可能为零或噪声值)和负峰值幅度(其在未曾发生负峰值的情况下可能为零或噪声值)。

尽管针对所有检测时段提供正和负的峰值幅度值或信号(其中这些峰值幅度值或信号中的一者或两者通常取空值或零值)可能很方便，但这不是必需的，可以替代地输出与正峰值或负峰值相对应的单个峰值幅度值，例如在检测到的正峰值总是覆盖(override)检测到的负峰值的情况下。例如，这样的单个输出可以使用单个幅度值以及极性或符号标志来提供，该极性或符号标志显示该峰值是正还是负，并且可选地还显示是否没有检测到峰值(例如由空极性标志表示)。

在检测时段结束时并且在属性集44被读出之后，像素电路被复位，准备好在下一检测时段中检测像素信号的进一步的正特征和负特征。

图6类似于图5，但是另外示出了关于像素电路的设计的一些可选变化。例如，由于在像素中实现了电势零极点消除或基线恢复，因此单个整形器电路212的使用可能带来挑战，所以使用输出到正峰值保持电路214的单独的正整形器电路212-1以及输出到负峰值保持电路216的单独的负整形器电路212-2可能是期望的。

图6还示出了可以如何提供一个或多个时间戳电路232、234，以输出在特定检测时段中任何检测到的输出峰值的时间戳。在图6中，正时间戳电路232检测正峰值保持电路214何时已经检测到正峰值，并使用来自时钟元件230的输入来输出正峰值时间戳T+。类似地，负时间戳电路234检测负峰值保持电路216何时已经检测到负峰值，并且使用来自时钟元件230的输入来输出负峰值时间戳T-。时钟230可以例如在检测时段的持续时间内提供诸如稳定上升的电压之类的斜坡信号，使得时间戳T+或T-是在检测到对应的正峰值或负峰值时该斜坡信号的值。如果没有检测到峰值，则每个时间戳输出可以保持空值或零值，或者表示基于背景噪声的正峰值和/或负峰值的时间戳可被输出。

因此，在图6的布置中，由像素电路输出的属性集44通常可包含四个值：正峰值幅度，正峰值时间戳，负峰值幅度，以及负峰值时间戳。可以使用表示这些值的各种方式。时间戳值可以例如用于允许对检测到的峰值进行分析，以确定一个像素中的正峰值是否与相邻或邻近像素中的负峰值同时发生，从而表明正峰值和负峰值两者都由于同一相互作用事件而产生。稍后在本文档中还描述了其他用途。

在图7和图8中分别示出了用于实现本发明的实施例的正峰值保持电路和负峰值保持电路的合适实现方式。在图7的正峰值保持电路中，从图5的整形器电路212或图6的正整形器电路212-1接收V_in信号，并且该电路被配置为跟踪并保持由电子向像素阳极的漂移而形成的来自整形器电路的脉冲的峰值。在电路中的该点上，假定电子信号由V_in中的正峰值表示。

在图7的正峰值保持电路中，在高增益放大器240的同相输入处接收V_in信号。随着V_in的幅度增大，放大器的输出也上升，但是以更高的幅度上升。这又导致电流流过二极管242(其可被替代地实现为二极管连接的晶体管阵列)，并且这又使电容器244两端的电压增大。电容器两端的电压然后通过反馈路径246而被反馈，并跟踪输入电压V_in。当V_in达到最大值并开始减小时，二极管242无法传递相反极性的电流，所以在从二极管242、电容器244和反馈路径246之间的连接点(junction)取得的V_out中没有观察到变化。电压V_out被存储在电容器244上，直到例如在检测时段结束时通过闭合跨接在电容器两端的开关248来使电路复位为止。

在图8的负峰值保持电路中，使用了高增益放大器250、二极管252、电容器254和用于使电容器短路并使电路复位的开关258中的对应组件，但是在这种情况下，二极管是相反的，所以来自图5的整形器电路212或图6的负整形器电路212-2的输出被连接以使得V_in中的负特征可以改为被存储为电容器两端的电压，该电压被保持，直到开关258提供复位动作为止。

在图9中示出了负峰值保持电路216的典型实现方式的更详细图示，该负峰值保持电路216可以在用于实现本发明的实施例的像素电路42中使用。该峰值保持电路由具有二极管连接的晶体管输出的五晶体管折叠式共源共栅运算放大器组成。通过交换到高增益放大器260的输入，该电路可以用于实现正峰值保持电路。

发明人已经确定，相邻像素的像素信号中的负特征的幅度可以用于针对中心像素中的辐射相互作用事件的深度来补偿中心像素中的正特征的幅度，以根据正特征计算更准确或补偿后的特性，诸如相互作用事件的能量。为了说明该技术，现在将给出第一和第二实验的结果。

在第一实验中，在诸如图1所示的传感器5内用122keV Co-57伽马射线源来照射2mm厚的CdZnTe半导体层检测器。对于每个像素和每个检测时段，任何正特征和负特征的幅度被ASIC 40确定并输出。由于电离辐射的每个光子的实际能量已知为122keV，并且这大致对应于正特征的幅度的最高可能值，因此可以确定高达最大值1.0的针对引起每个正特征的相互作用事件26的电荷收集效率(CCE)。图10然后是针对每个相同的相互作用事件相对于在相邻像素中检测到的负特征的幅度的函数而在纵坐标上绘制的该CCE的曲线图。在这种情况下，该函数只是矩形像素网格上的所有八个相邻像素的负特征的幅度的总和。

从图10可以看出，相互作用的CCE是具有由以下多项式给出的关系的被求和的负特征幅度x的明显单调函数，其中良好的回归拟合因子(regression fit factor)R²为9.894E-01：

CCE(x)＝-3.041E-05x²+9.698E-04x+1.010E+00 (1)

根据该关系，对于正特征幅度y，相互作用事件的确定能量可被给出为：

E＝y CCE(x) (2)

其中已经例如使用已知的能量源预先校准幅度x和y，以表示相互作用的光子的视在能量。

当然，函数CCE(x)可以采取各种实验形式或理论形式，其中的某些形式对于特定的光子能量可能更准确，而其中的某些形式在光子能量的范围上可能更准确。

根据该计算，x可以简单地是被求和的负特征幅度，但是可以使用其他表示，例如，通过从总和中省略比某个阈值小的负特征幅度、仅使用四个垂直最近的邻居中的负特征幅度并省略对角邻居、以及其他各种方式。

更一般而言，可以得到实验函数或基于理论的函数或者可以定义计算过程，该函数或计算过程基于以下两者来施加校正：中心像素中的正特征的幅度y，以及一个、多个、或所有相邻或邻近的像素中的一个或多个负特征的幅度，并且这样的函数可以另外包括复杂性，例如确定要使用哪些负特征幅度和正特征幅度，例如包括异常值拒绝(outlierrejection)。例如，这样的函数或计算通常可以写成：

E＝E(y，x₀...x_n，p₀…p_n) (3)

其中x_i是位置p_i处的像素的负特征的幅度。

图11示出了针对图10的数据所用的实验布置中的相互作用事件的能量谱，其中横坐标是以keV为单位的能量，并且纵坐标是特定能量仓(bin)中的事件的计数。通过如上所述将每个正特征的幅度y乘以常数m来计算被标记为“CSD”的粗曲线的数据，而没有使用负特征针对相互作用的深度进行任何补偿。使用基于来自与正特征幅度y的像素相邻的八个像素的负特征幅度的总和x的CCE校正，用以上的式(2)来计算被标记为“CSD DoI”的更细曲线的数据，其中总和包括相邻像素中的所有负特征幅度，并且对于没有检测到的负特征的相邻像素是零。在该特定示例中，对于一些中心像素(这些中心像素还存在具有正特征检测的相邻像素)没有进行能量计算，不过类似的计算方案(在这些方案中，多于一个相邻像素示出正信号)已表明有效(例如，通过将正像素加到一起以产生总的正信号，可选地通过使用另一校正因子来考虑像素之间的电荷损失)。然后，使用本文档中在上面和下面描述的技术来校正总正电荷。在图11中将看出，122keV下的预期能量峰值的定义已得到很大改善，其中半峰全宽(full width at half maximum)从3.4keV降至1.7keV，接近在这些实验中使用的检测器电子设备的极限。

图12是来自与图10和图11类似的实验的数据图，其中使用Co-57和Am-271伽玛射线源两者来提供能量为59.54keV、122keV和136keV的辐射。在用于该实验的2mm厚的检测器半导体层中，这三种能量的相互作用的平均深度为0.3mm、1.8mm和2.4mm。根据本文档中更早的讨论，将会理解，与对于59.54keV光子相比，对于122keV和136keV光子(其中122keV和136keV光子具有约为半导体层的厚度的较大穿透深度)，可以预期由于电荷损失而导致的更严重的能量确定误差。

图12的纵坐标表示像素信号中的许多检测到的正特征中的每个正特征的幅度y，并且横坐标表示来自与每个对应的正特征相邻的像素的信号中的负特征的幅度的总和x。为了方便起见，x和y的这些值已被乘以常数m，以便提供根据等效光子能量的图。正特征幅度在大约120keV处的强弧表示由于120keV光子而引起的相互作用事件，其中视在能量随着负特征的幅度的总和增加而逐渐减少。对于其他两种光子能量，虽然不那么清楚，但是可以看到类似的特征。尽管对于59.54keV的光子(对于它们，相互作用的深度通常很小，因此几乎不需要校正)，x和y之间没有清楚的关系，但是看到针对两个更高能量的弧具有非常类似的形状，从而表明可以在光子能量的范围内应用共同的校正方案。

如果图12的轴变量被各自除以实际的光子能量E，则图12中的数据点的每个弧都可以被表示为坐标系统中的椭圆，其中横坐标表示x/E，并且纵坐标表示CCE＝y/E(其中x和y值已经基于像素校准以表示视在光子)。这样的椭圆于是具有长轴和短轴尺寸a和b，并由下式表示：

椭圆的短轴尺寸对应于CCE＝1的情况，在该情况下，预计负幅度的总和x＝零，因此b的值也为1，从而允许基于x、y和针对特定弧的假定实际光子能量来对图12的数据进行拟合，其中图12的120keV和136keV弧两者都给出约为1.25的a值。用于从根据相邻负特征幅度x的总和而得到补偿的正特征幅度y来计算光子或粒子能量的等式可以被提供作为：

参数的拟合值a＝1.25很可能反映了检测器的几何形状，并且可以随着像素间距与检测器厚度的比率而变化。对于由大量不同的光子能量导致的检测器数据(其中a的值对于这样的所有能量都大致相同)，式(4)允许仅使用正特征幅度、相邻负特征幅度的总和(或这样的幅度的某个其他函数)和因子m来在光子能量的范围上针对相互作用的深度进行补偿。

图13示出了用于图12的数据的实验布置中的相互作用事件的能量谱，其中，横坐标是以keV为单位的能量，并且纵坐标是特定能量仓中的事件的计数。通过如上所述将每个正特征的幅度y乘以常数m来计算被标记为“无DoI校正”的更细曲线的数据，而没有使用负特征针对相互作用的深度进行任何补偿。基于来自与正特征幅度y的像素相邻的八个像素的负特征幅度的总和x，使用以上的式(5)来计算被标记为“DoI校正”的更粗曲线的数据，其中总和包括相邻像素中的所有负特征幅度，并且对于没有检测到的负特征的相邻像素是零。在图13中将看出，122keV和136keV下的预期能量峰值的定义已得到很大改善，其中针对两种能量的半峰全宽分别从4.0keV降至3.1keV和从3.9keV降至3.3keV。对于59.54keV峰值，没有看到光谱定义方面的显著增加，因为大多数相关的相互作用事件发生在相当浅的深度，从而导致非常弱的负特征信号。

现在参考图14，示意性地示出了分析器50的各方面，其通常可以使用在处理器54上执行的软件来实现和/或在诸如FPGA之类的电路布置中实现，以便根据以下两者的幅度来确定大量相互作用事件中的每个相互作用事件的特性：在相互作用事件的一个或多个像素的体积中检测到的一个或多个正特征，以及来自相邻或相近像素的对应的负特征。

各自表示针对特定像素的检测时段的多个属性集44被传递给分析过程300。这多个属性集通常将包括在大量的检测时段(例如，至少几百个和也许几千个或更多个这样的检测时段)内来自大量像素(例如，整个像素阵列)的这样的属性集。例如通过包含显式的像素坐标和时序数据，或者以隐式方式(例如，通过在诸如这样的属性集的阵列之类的数据结构中的位置)，每个属性集与特定的像素和检测时段相关联。

正特征检测器302然后系统地分析属性集以寻找候选正特征，每个候选正特征很可能表示检测器10中感兴趣的相互作用事件。正特征检测器可以例如仅在特征的阈值幅度被达到的情况下、仅在正特征与在同一检测时段中具有正特征的另一个像素不相邻的情况下等应用阈值来识别候选正特征。在一些实现方式中，例如通过对正特征的幅度求和以提供组合的幅度，可选地利用电荷共享补偿功能来对由于两个像素之间的共享而造成的电荷损失负责，可以检测并一起处理两个或更多个相邻的正特征。如在上面关于正特征和负特征的类似确定已经讨论的，可以通过比较正特征的时间签名来进一步过滤来自同一检测时段的这样的相邻正特征，以确定它们对应于同一相互作用事件。

正特征检测器302然后将候选正特征的幅度P+或正特征的组合传递到组合器元件308，并将候选正特征的一个或多个像素的位置、坐标、或其他位置标识符C传递到负特征检测器304。

负特征检测器304系统地分析属性集以选择由同一相互作用事件引起的对应的负特征。通常将预计这些负像素在与由单个相互作用事件引起的一个或多个候选正特征的一个或多个像素相邻或至少相近的像素中。优选地，应当在与(一个或多个)候选正特征相同的检测时段中找到这些对应的负特征，然而应当注意的是，取决于所使用的读出机制，这些检测时段可能不是完全相同的，例如由于卷帘式快门读出而彼此略微偏移。根据其他标准，例如基于如在上面讨论的正特征和负特征的时间戳，所选择的对应负特征也可以在时间上足够接近。

尽管对对应负特征的搜索可以仅限于与在其中识别出正特征的像素直接相邻的像素(例如这样的像素：该像素的一侧接触正特征或者沿着一侧或在拐角处接触正特征)，但是如果需要，则还可以检测和使用具有针对同一相互作用事件的负特征的更远的像素。这样的像素可以例如与正特征像素相隔一个或多个像素，但是可以通过发生在同一检测时段中和/或通过具有适当类似的时间戳来识别。

如果找到适当的对应负特征，则可以将这些负特征的细节传递到求和元件306，该求和元件306对负特征的幅度p-求和并将总和∑p-传递到组合器元件308。如果在相邻像素中未找到负特征，则可以对该像素使用不同的分析过程，或者可以将零值或空值传递到组合器元件308。

组合器元件308根据补偿函数310进行操作以确定引起候选正特征(或由单个相互作用事件引起的相邻像素中的正特征)的相互作用事件的特性。具体而言，该补偿函数可以由上面的等式2、3或5、或这些等式的某一变体、或某个其他补偿函数提供。具体而言，所确定的特性可以是相互作用事件的能量，或相当于引起事件的电离辐射的能量。然而，如果需要，则可以确定其他特性，例如，电荷收集效率，或者可以根据该电荷收集效率或其他取决于负特征的函数来校准的事件的相互作用的深度。

在图14中，组合器308的输出被示出为引起相互作用事件的辐射的能量E，并且以如下方式被存储在数据存储装置312中：该方式使得该能量可以至少与对应的像素(在该像素中检测到相互作用事件的正特征)相关联并且优选地还与事件的时间(例如，通过识别检测时段)相关联。

然后，诸如存储在数据存储装置312中的能量E之类的检测到的特性可以用于提供与入射在检测器10上的电离辐射有关的光谱数据，例如通过光谱图像320或作为视频序列的多个这样的图像。可能期望接近实时地提供这样的图像或视频，例如以提供用于医疗或其他用途的实时X射线或伽马射线摄像机，或者光谱图像数据可以被存储以供将来的分析和使用。

图15示意性地示出了分析器50的其他方面，其通常可以使用在处理器54上执行的软件来实现，以便使用负特征的幅度来确定大量相互作用事件中的每个相互作用事件的子像素位置，其中该负特征来自与具有对应于同一相互作用事件的正特征的一个或多个像素相邻或相近的像素。该功能可以除图14的功能之外实现或代替图14的功能来实现，图14的功能旨在更准确地确定诸如相互作用事件的能量之类的特性，并且图15的各方面可以利用与图14的那些共有的一个或多个处理元件或函数。

发明人已经观察到，相邻像素中的负特征的幅度在中心像素中的相互作用事件更接近该相邻像素的情况下趋向更大，并且在中心像素中的相互作用事件更远离该相邻像素的情况下趋向更小。这从图4中可以看出，其中将相互作用事件26向右移动增加了漂移电荷与邻近像素的加权电势相互作用的程度。

因此，可以根据对中心像素周围的负特征的幅度的变化进行的考虑或分析来确定相互作用事件的子像素位置，其中更强的负幅度指示更接近相互作用事件。尽管可以仅通过考虑具有负幅度的相邻像素来实现该技术，但是也可以使用稍微远离但仍接近一个或多个正特征像素的像素。

为此，图15还示出了多个属性集44被传递给分析过程300，每个属性集表示针对特定像素的检测时段。如在图14中一样，正特征检测器302分析这些属性集以寻找候选正特征，单独的或与一个或多个其他相邻像素组合的每个候选正特征很可能表示检测器10中感兴趣的相互作用事件。正特征检测器302然后可以将(一个或多个)候选正特征的像素(或多个像素，因为单个相互作用事件可以引起两个或更多个相邻像素中的正特征)的位置、坐标、或其他位置标识符c传递到负特征检测器304。

如针对图14描述的，负特征检测器304被布置为在与(一个或多个)正特征的(一个或多个)像素相邻或相近的像素中寻找对应的负特征。这些负特征的这些身份或位置，以及幅度p-然后被传递到内插器元件330。该内插器元件使用负特征幅度及其像素位置来计算相互作用事件的子像素内插位置，例如使用内插函数332。该内插函数可能也需要或者可能不需要(一个或多个)正特征的(一个或多个)幅度作为输入。内插函数可以是基于负特征中的“质心”类型的校正，从而给出相互作用事件在一个或多个中心像素内的位置。

然而，某个其他示例内插函数332可以包括：

(a).矩形像素网格中的八个相邻像素中的所有负特征的幅度的质心(centroid)，作为通过其相应的负特征幅度并且可选地还通过与正特征像素的中心相距的中心点距离来进行加权的相邻像素的算术平均位置；

(b).定义与选项(a)的质心类似的质心的不同几何函数，例如其中算术平均值的权重对应于负特征幅度的非线性函数；

(c).(a)或(b)中的任一个，其中仅四个最接近的像素被用于质心；

(d).以上中的任一个，其中从质心计算中排除偏远的负幅度，例如当超过特定阈值时；

(e).以上中的任一个，其中在质心的计算中使用相邻像素中的一个或多个正特征，例如，其中在两个或多个相邻像素之间共享来自相互作用事件的正信号；

(f).(e)的计算，据此将更大的像素块(例如，包括具有正特征的两个或更多个相邻像素)以及与这两个或更多个像素相邻的具有对应负特征的一些或全部像素用于子像素位置确定。

相互作用事件的子像素内插位置然后可被存储在例如数据存储装置312中，并被用于随后的数据分析，例如以呈现图像或视频320，其中以改进的分辨率和/或位置例如与跟相互作用事件有关的光谱数据(例如，辐射能量)一起呈现那些事件的位置。

图16示出了测量结果，这些测量结果展示了所描述的技术将像素信号的负特征用于在每个像素的全宽上而不是仅在每个像素的边缘附近进行有用的子像素位置确定的能力。利用具有500μm的像素间距的500μm厚的GaAs：Cr传感器进行测量。使用单色45keV X射线的10μm x 10μm宽的束来跨检测器的三个像素进行扫描，并对来自每个像素的正像素信号特征和负像素信号特征的数量进行计数。通过除去电荷共享事件的信号特征，图16仅示出了被检测出已在单个像素中发生的辐射相互作用事件的数据。

在每个像素间区域的中心处，由于从该数据中排除的电荷共享事件，正像素信号特征和负像素信号特征两者的数量都急剧下降。如果将这些电荷共享事件被用于子像素位置确定，则应当观察到大量发生这些的区域被狭窄地限于像素边界。

相比之下，负像素信号特征显示如下计数特性：从像素边界附近的高到每个像素中心中的低而更缓慢地变化，从而表明这些负特征适合用于在每个像素的全宽上而不是仅在边界附近进行针对事件的改进的子像素位置确定。

在上面描述并在图5-9中具体示出的像素布置中，正峰值保持电路和负峰值保持电路被用于存储在像素信号中发生的正特征和负特征中的任一者或两者，其中该正特征和负特征分别指示在该像素中相互作用的电离辐射或指示在与该像素相近的另一像素中相互作用的电离辐射。以这种方式，在传感器的预定检测时段或帧内发生的正特征和负特征的幅度可以被存储并在检测时段结束时被输出。

图17示出了可以在ASIC 40的每个像素电路42中实现的替代像素结构，以在提供对包括如上讨论的正特征和负特征的信号的读出时提供类似的功能。

一般而言，该替代像素结构包括串联的前置放大器级、基线补偿级、和输出级，该前置放大器级接收来自阳极的像素信号。该基线补偿级可包括：基线存储元件，其被布置为接收并存储在特定检测时段的基线间隔期间来自前置放大器级的像素信号；以及比较器，其被布置为使用由基线存储元件存储的像素信号来补偿在基线间隔之后输入到基线比较级的像素信号，并将补偿后的像素信号输出到输出级。

基线间隔可以在特定检测时段的开始处或附近，并且可以在这样的检测时段结束时通过输出级的输出来提供任何检测到的正特征或负特征的输出幅度。为此，每个像素电路的输出级可包括读出开关，该读出开关用于在每个检测时段结束时将基线补偿级的输出与读出级隔离，使得可以在从像素电路读取输出之前开始新的检测时段。

图17中描绘的特定像素架构包括前置放大器402，其例如如上面已经描述的连接到对应的像素阳极32。反馈电容器404连接在前置放大器402的输出与来自像素阳极的输入之间，并且第一复位开关406跨接在电容器两端以在被闭合时提供短路。前置放大器的第二输入可以接地。

前置放大器402的输出并联连接到差动放大器410的同相输入和反相输入两者，其中到反相输入的连接经过第二复位开关412，并且第二复位开关412和反相输入之间的连接通过基线电容器414而接地。

差动放大器410的输出通过读出开关416而连接到缓冲器418的输入，其中读出开关416和缓冲器418之间的连接通过存储电容器420而接地。缓冲器418的输出可提供像素电路42的信号输出，该信号输出代表如在下面讨论经过适当处理的从阳极接收的信号。

在操作中，检测时段循环可以从像素电路通过第一和第二复位开关406、412的闭合位置而复位开始。然后断开第一复位开关406，并且在那不久后(例如在大约100ns的一段时间后)断开第二复位开关412，从而将前置放大器402的输出作为基线信号存储在基线电容器414上。

在检测时段期间的某个将来时间，到达传感器的辐射在来自阳极32的信号中引起正特征或负特征，并且这导致对应的信号被存储在反馈电容器404上，从而反映前置放大器402的输出。由于第二复位开关412断开并且基线电容器414从检测时段开始起存储基线信号，差动放大器410的输出因此表示当前存储的信号与存储在基线电容器414上的基线信号之间的差异。

为了开始读出像素，闭合读出开关416并且然后将其断开，从而将差动放大器410的输出存储在存储电容器420上。在该输出被存储的情况下，然后可以通过闭合第一和第二复位开关406、412来开始像素的新复位，并且在随后的检测时段期间的某一时刻(在输出开关416被闭合以向存储电容器420提供新的输出之前)，可以通过缓冲器418读出在存储电容器420中保持的信号。

在该布置中，来自前置放大器402和差动放大器410的输出，以及存储在反馈电容器404和存储电容器420上的对应信号，以及因此来自缓冲器418的输出可以对应于从阳极32接收的像素信号的正特征或负特征。该布置允许快速读出像素信号，并且在对检测器中的短暂瞬态信号不敏感方面可以提供优势，其中该短暂瞬态信号可以通过使用在本文档中的其他地方描述的正和负峰值保持电路架构来检测。

在其中提供了如图16所示的像素电路42的传感器中，像素的检测时段可以根据针对传感器的预定义读出时段的时间表(例如，全帧读出)来预定义，如已经关于其他像素电路布置(诸如上面使用峰值保持电路描述的那些)讨论的那样。在一些实施例中，可以使用同步操作模式，其中根据辐射源的预定时序控制来控制检测时段和读出过程，其中该辐射源用于生成引起电离辐射相互作用的辐射束。在这样的示例中，可以将指示辐射束时序的触发信号提供给传感器，以控制像素检测时段的结束和/或读出过程的开始以发生在辐射束入射在传感器上之后。这样的触发信号可能需要与用于驱动ASIC和/或像素读出过程中所涉及的传感器的其他方面的时钟信号同相，以确保在操作循环的复位阶段期间辐射束不入射在传感器上。可以通过对辐射源的合适控制或者在ASIC本身处解决这样的时序问题。

在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所描述的实施例进行各种修改。例如，尽管已经描述了一些详细的实施例，其中从单个像素观察到的单个正特征用于通过使用来自相邻像素的负特征进行校正来得到引起该正特征的相互作用事件的特性，但是一些相互作用事件引起多个相邻像素中的正特征，并且可以以各种方式组合这些特征以得到相互作用事件的特性，而不是简单地丢弃其中观察到多于一个正像素的事件。

类似地，尽管可以仅在相邻像素中寻找负特征，但是取决于检测器的性质，来自其他相近但是可选地不相邻的像素的负特征也可以用于特性校正。例如，可以选择这样的不相邻的负特征并且可选地还选择相邻特征，以供在上述基于时间戳信息或其他基于时间的数据或其他数据处理技术的校正中使用。

尽管已经描述了使用负信号特征来确定相互作用事件的各种不同特性，包括粒子能量、相互作用深度、和子像素分辨率，但是单个传感器或系统当然可以实现对这些特性中的两个或更多个特性的确定。

Claims (38)

1.一种电离辐射的光谱传感器，包括：

半导体直接转换层；

像素电极的阵列，被设置在所述半导体直接转换层的一面以限定如下像素：这些像素用于检测在所述直接转换层内相互作用的电离辐射；和

专用集成电路(ASIC)，包括多个像素电路，每个像素电路被布置为从所述像素电极中不同的对应一个像素电极接收像素信号，

每个像素电路还被布置为，针对该像素电路的像素的任何特定检测时段进行以下操作：

在所述像素信号中发生了正特征的情况下检测所述正特征，所述正特征指示在该像素中相互作用的电离辐射，

在所述像素信号中发生了负特征的情况下检测所述负特征，所述负特征指示在与该像素相近的另一像素中相互作用的电离辐射；和

在检测到正特征或负特征的情况下输出针对所述检测时段所检测到的正特征或负特征的幅度。

2.如权利要求1所述的传感器，其中，每个像素电路被布置为：如果在特定检测时段中检测到正特征和负特征两者，则输出正特征和负特征中的每一者的幅度。

3.如权利要求1或2所述的传感器，其中，每个像素电路包括正峰值保持电路和负峰值保持电路两者，所述正峰值保持电路被布置为检测与在从像素电极接收到的像素信号中发生的正特征相对应的正峰值的幅度并在其输出处保持该幅度，所述负峰值保持电路被布置为检测与在来自所述像素电极的像素信号中发生的负特征相对应的负峰值的幅度并在其输出处保持该幅度。

4.如权利要求3所述的传感器，其中，每个像素电路另外包括至少一个整形器电路，所述整形器电路被布置为将接收到的像素信号中的正阶跃特征或负阶跃特征中的任一者转换为对应的相应正峰值或负峰值，以供相应的正峰值保持电路或负峰值保持电路进行检测。

5.如任一前述权利要求所述的传感器，还包括一个或多个时间戳电路，所述时间戳电路被布置为输出在特定检测时段中被检测到并被输出的任何正特征或负特征的时间戳。

6.如权利要求1所述的传感器，其中，每个像素电路包括前置放大器级、基线补偿级、和输出级，所述输出级被布置为输出补偿后的像素信号，所述补偿后的像素信号包括在特定检测时段内检测到的正特征或负特征的幅度，

其中，所述基线补偿级包括：

基线存储元件，被布置为接收并存储在所述检测时段的基线间隔期间从所述前置放大器级接收到的像素信号；和

比较器，被布置为使用由所述基线存储元件存储的像素信号来补偿在所述基线间隔之后输入到所述基线比较级的像素信号，并将所述补偿后的像素信号输出到所述输出级。

7.如权利要求6所述的传感器，其中，每个像素电路的输出级包括读出开关，该读出开关用于在所述检测时段结束时将所述基线补偿级的输出与所述输出级隔离。

8.如任一前述权利要求所述的传感器，其中，所述检测时段是针对每个像素或针对所述传感器而通过一系列检测时段或检测时段的时间表来预先确定的。

9.如任一前述权利要求所述的传感器，其中，所述直接转换层包括CdTe、或CdZnTe、或GaAs。

10.如任一前述权利要求所述的传感器，其中，所述直接转换层是单片的。

11.如任一前述权利要求所述的传感器，其中，被设置在所述直接转换层的一面的像素阵列是阳极的阵列，并且阴极被设置在所述直接转换层的相反面上。

12.如任一前述权利要求所述的传感器，其中，所述专用集成电路被安装为与所述像素电极的阵列面对，并且可选地被直接倒装焊接到半导体直接转换层面。

13.如权利要求1至11中任一项所述的传感器，还包括插入器，所述插入器被布置为将具有第一像素间距的像素电极的阵列与具有第二像素间距的像素电路的阵列耦合，其中所述第二像素间距与所述第一像素间距不同。

14.如任一前述权利要求所述的传感器，还包括分析器，所述分析器被布置为将所述像素电极中的一个或多个第一像素电极中的每个第一像素电极的像素信号中的正特征与所述直接转换层内的电离辐射的特定相互作用事件相关联，并被布置为将所述像素电极中的其他像素电极的像素信号中对应的负特征与同一相互作用事件相关联，其中该其他像素电极与所述一个或多个第一像素电极相近。

15.如权利要求14所述的传感器，其中，所述分析器被布置为根据所述一个或多个正特征和对应的负特征两者的幅度来确定所述相互作用事件的特性。

16.如权利要求15所述的传感器，其中，所述相互作用事件的特性是所述电离辐射的能量。

17.如权利要求16所述的传感器，其中，所述分析器被布置为根据所述一个或多个正特征的幅度来确定所述电离辐射的能量，其中所述一个或多个正特征通过使用所述负特征中的至少一些负特征的幅度的函数而经校正。

18.如权利要求17所述的传感器，其中，所述负特征中的至少一些负特征的幅度的函数是所述负特征中的至少一些负特征的幅度的总和。

19.如权利要求14或15所述的传感器，其中，所述特性是所述相互作用事件的子像素位置。

20.如权利要求19所述的传感器，其中，所述分析器被布置为至少部分地根据与如下一个或多个像素电极相近的像素中的至少一些像素中的负特征的幅度来确定所述子像素位置，其中该一个或多个像素电极具有跟同一相互作用事件相关联的正特征。

21.如权利要求19或20所述的传感器，其中，所述分析器被布置为至少部分地根据相近或相邻像素中的至少一些像素中的至少负特征的幅度的质心来确定所述子像素位置。

22.如权利要求14至21中任一项所述的传感器，其中，所述分析器是至少部分地使用现场可编程门阵列来实现的。

23.一种使用半导体直接转换层来检测电离辐射的方法，所述半导体直接转换层具有设置在该层的一面的像素电极的阵列，该方法包括：

检测从一个或多个对应的第一像素电极接收的一个或多个像素信号中的正特征的幅度，所述一个或多个正特征是由电离辐射与所述直接转换层的相互作用事件引起的；

检测从与所述一个或多个第一像素相近的多个像素接收的像素信号中的对应的负特征的幅度，所述负特征是由同一相互作用事件引起的；和

根据所述一个或多个正特征和一个或多个对应的负特征两者的幅度来确定所述相互作用事件的特性。

24.如权利要求23所述的方法，还包括：在确定为所述正特征和负特征在时间上一致时，根据所述一个或多个正特征和对应的负特征两者的幅度来确定所述相互作用事件的特性。

25.如权利要求24所述的方法，其中，确定所述正特征和负特征在时间上一致包括确定以下各项中的一项或多项：所述正特征和负特征发生在对应的像素检测时段中；以及所述正特征和负特征与如下时间戳相关联，该时间戳表明它们在对应的像素检测时段内同时发生。

26.如权利要求23至25中任一项所述的方法，其中，所述辐射相互作用事件的特性是所述电离辐射的能量。

27.如权利要求26所述的方法，其中，根据所述一个或多个正特征的幅度来确定所述电离辐射的能量，其中所述一个或多个正特征通过使用所述负特征中的一些或全部负特征的幅度的函数而经校正。

28.如权利要求27所述的方法，其中，所述负特征中的一些或全部负特征的幅度的函数包括所述负特征中的一些或全部负特征的幅度的总和。

29.如权利要求23至28中任一项所述的方法，其中，确定从对应的多个第一像素电极接收的多于一个像素信号中的正特征的幅度对应于同一相互作用事件，并且根据所述一个或多个正特征和一个或多个对应的负特征两者的幅度来确定所述相互作用事件的特性包括：组合所述一个或多个正特征的幅度。

30.如权利要求29所述的方法，其中，组合所述一个或多个正特征的幅度包括：对所述一个或多个正特征的幅度求和并施加像素电荷共享校正。

31.如权利要求23至25中任一项所述的方法，其中，所述特性是所述相互作用事件在所述半导体转换层内的深度。

32.如权利要求23至25中任一项所述的方法，其中，所述特性是所述相互作用事件在所述像素电极的阵列的平面中的子像素位置。

33.如权利要求32所述的方法，其中，所述相互作用事件的子像素位置是至少部分地根据所述负特征中的至少一些负特征的幅度的质心来确定的。

34.一种针对电离辐射的相互作用在光谱传感器的半导体层内的深度进行补偿的方法，包括：

检测正特征，该正特征指示电信号中所述电离辐射的能量，该电信号来自其中发生所述相互作用的一个或多个第一像素的阳极，以及

使用对应的负特征针对相互作用的深度来补偿所述一个或多个正特征，这些对应的负特征是在与所述第一像素相邻或相近的像素的阳极中检测到的。

35.如权利要求34所述的方法，其中，所述正特征和负特征是来自相应的像素阳极并被一个或多个整形器电路处理之后的电信号中的正峰值和负峰值的幅度。

36.一种电离辐射的光谱传感器，包括：

半导体直接转换层；和

像素电极的阵列，被设置在所述半导体直接转换层的一面，以检测在所述直接转换层内相互作用的电离辐射，

所述传感器被布置为根据权利要求23至33中任一项所述的步骤来确定电离辐射与所述直接转换层的相互作用事件的特性。

37.一种像素化传感器，用于检测入射在所述传感器上的电离辐射的能量，据此电离辐射与所述传感器的相互作用事件在相邻像素的一个或多个像素信号中引起正特征，其中每个像素设有正特征检测和负特征检测两者。

38.如权利要求37所述的像素化传感器，还包括分析器，所述分析器被布置为使用来自一个或多个第一像素的一个或多个正特征来确定相互作用事件的能量，其中所述一个或多个正特征是使用来自相邻或附近的第二像素的负特征针对相互作用在所述传感器内的深度而经补偿的。

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