CN111093502A - 一体化x射线源 - Google Patents

一体化x射线源 Download PDF

Info

Publication number
CN111093502A
CN111093502A CN201780093137.8A CN201780093137A CN111093502A CN 111093502 A CN111093502 A CN 111093502A CN 201780093137 A CN201780093137 A CN 201780093137A CN 111093502 A CN111093502 A CN 111093502A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ray
ray source
detector
voltage
rays
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201780093137.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111093502B (zh
Inventor
曹培炎
刘雨润
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Xpectvision Technology Co Ltd
Original Assignee
Shenzhen Xpectvision Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Xpectvision Technology Co Ltd filed Critical Shenzhen Xpectvision Technology Co Ltd
Publication of CN111093502A publication Critical patent/CN111093502A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111093502B publication Critical patent/CN111093502B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V5/00—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity
    • G01V5/20—Detecting prohibited goods, e.g. weapons, explosives, hazardous substances, contraband or smuggled objects
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/06—Cathodes
    • H01J35/065—Field emission, photo emission or secondary emission cathodes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/40—Arrangements for generating radiation specially adapted for radiation diagnosis
    • A61B6/4007—Arrangements for generating radiation specially adapted for radiation diagnosis characterised by using a plurality of source units
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/045—Electrodes for controlling the current of the cathode ray, e.g. control grids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J35/00—X-ray tubes
    • H01J35/02—Details
    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/112—Non-rotating anodes
    • H01J35/116—Transmissive anodes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G1/00—X-ray apparatus involving X-ray tubes; Circuits therefor
    • H05G1/02—Constructional details
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/02—Arrangements for diagnosis sequentially in different planes; Stereoscopic radiation diagnosis
    • A61B6/03—Computed tomography [CT]
    • A61B6/032—Transmission computed tomography [CT]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2235/00—X-ray tubes
    • H01J2235/02—Electrical arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2235/00—X-ray tubes
    • H01J2235/06—Cathode assembly
    • H01J2235/062—Cold cathodes

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

本文公开了一种X射线源(201，1201，1301，1401,1501，1601,1701)，包括：在第一衬底(210)的凹部(215)中的阴极(212)；所述凹部(215)的侧壁上的对电极(220)，其被配置为引起所述阴极(212)的电子的场发射；以及金属阳极(240)，其被配置为接收从所述阴极(212)发射的电子并从电子在所述方法阳极(240)上的碰撞发射X射线。

Description

一体化X射线源
【技术领域】
本发明涉及集成在芯片上的X射线源。
【背景技术】
X射线萤光法(XRF)是从诸如暴露于高能X射线或伽马射线的材料激发出的特征萤光X射线。如果原子暴露于具有大于电子电离势的光子能量的X射线或伽马射线，那么该原子内层轨道上的电子可被逐出，从而在内层轨道上留下空位。当原子外层轨道上的电子弛豫来填充内层轨道上的空位时，发射了X射线(萤光X射线或二次X射线)。所发射的X射线具有等于外层轨道与内层轨道电子之间能差的光子能量。
对于给定原子，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。
分析萤光X射线谱可以识别样品中的元素，因为每个元素具有特征能量轨道。萤光X射线可以通过对光子能量分类(能量色散分析)或通过分离萤光X射线的波长(波长色散分析)来分析。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。
比例计数器或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)可在能量色散分析中使用。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，其中产生的载流子数量与入射X射线光子的能量成比例。收集载流子且对它们计数以确定入射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X射线光子数目(作为它们能量的函数)计数来编制光谱。由于一个入射X射线光子产生的载流子必须在下一个入射X射线光子撞击检测器之前被收集，因此这些检测器的速度受到限制。
波长色散分析典型地使用光电倍增器。单波长的X射线光子从入射X射线单色器选择并送入光电倍增器。当各个X射线光子通过光电倍增器时，光电倍增管对其计数。计数器是包含可被X射线光子电离的气体的腔室。相对于导电腔壁，中心电极(典型地)以+1700V充电，并且每个X射线光子触发跨越该场域的脉冲式级联电流。信号被放大并且变换成累积数字计数。这些计数用于确定具有所选单波长的X射线强度。
【发明内容】
本发明公开了一种X射线源，包括：在第一衬底的凹部中的阴极；所述凹部的侧壁上的对电极，被配置为引起电子从阴极的场发射；以及金属阳极，其被配置为接收从所述阴极发射的电子，并从所述电子在方法阳极上的撞击发射X射线。
根据实施例，所述阴极包括多个碳纳米管。
根据实施例，所述对电极是围绕所述侧壁的连续环或点线环。
根据实施例，所述X射线源还包括在所述对电极和所述金属阳极之间的屏蔽电极，屏蔽电极被配置为排斥来自金属阳极的电子。
根据实施例，所述屏蔽电极是围绕所述侧壁的连续环或点线环。
根据实施例，第一衬底包括硅或氧化硅。
根据实施例，金属阳极包括一种或多种金属，其选自包含钨、钼、铼、铜及其组合的组群。
根据实施例，所述X射线源还包括结合到第一衬底的第二衬底，其中所述第二衬底覆盖所述凹部。
根据实施例，金属阳极由第二衬底支持。
根据实施例，金属阳极位于第二衬底的面对阴极的一侧上。
根据实施例，阴极包括碳纳米管阵列。
本文公开了一种包括下列各项的系统：多个上述X射线源中的任一个、多个X射线检测器，其中X射线源和X射线检测器交替设置；X射线屏蔽件，其被配置为防止来自X射线源的X射线直接到达X射线检测器。
根据实施例，X射线屏蔽件是在X射线检测器和X射线源之间的材料层。
根据实施例，所述材料层包括钨(W)或铅(Pb)。
根据实施例，所述材料层的厚度为1.5-2mm。
本文公开了一种包括任何上述的X射线源和X射线检测器的系统，其中，所述系统配置用于对人体胸部或腹部进行X射线照相。
本文公开了一种包括任何上述的X射线源和X射线检测器的系统，其中，所述系统配置用于对人的嘴部进行X射线照相。
本文公开了一种货物扫描或非侵入性检查(NII)系统，其包括任何上述的X射线源和X射线检测器，其中，所述货物扫描或非侵入性检查系统被配置成基于背散射X射线来形成图像。
本文公开了一种货物扫描或非侵入性检查(NII)系统，其包括任何上述的X射线源和X射线检测器，其中，所述货物扫描或非侵入性检查(NII)系统被配置成基于通过穿过被检查的物体的X射线来形成图像。
本文公开了一种包括任何上述的X射线源和X射线检测器的全身扫描系统。
本文公开了一种X射线计算机断层扫描(CT)系统，其包括任何上述的X射线源和X射线检测器。
本文公开了一种适于相衬X射线成像(PCI)的系统，所述系统包括任何上述的X射线源和X射线检测器。
本文公开了一种包含任何上述的X射线源的电子显微镜。
本文公开了一种包括任何上述的X射线源的辐射剂量计量仪。
本文公开了一种包括任何上述的X射线源1的元素分析仪。
本文公开了一种适用于检测X射线荧光(XRF)的系统，所述系统包括任何上述的X射线源和X射线检测器。
【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XRF的系统。
图2B示意性地示出了根据实施例的图2A系统的俯视图。
图2C示意性地示出了根据实施例的图2A系统的俯视图。
图3A示意性地示出了根据实施例的图2A系统的X射线源的俯视图。
图3B示意性地示出了根据实施例的图2A系统的X射线检测器的俯视图。
图4示意性地示出了根据实施例的X射线源的X射线产生器的截面图。
图5A示意性地示出了根据实施例的沿着图4中A-A'切线的朝向X射线产生器横截面的俯视图。
图5B示意性地示出了根据另一实施例的沿着图4中AA'切线的朝向X射线产生器横截面的俯视图。
图6A示意性地示出了根据实施例的沿着图4中B-B'切线的朝向X射线产生器横截面的俯视图。
图6B示意性地示出了根据另一实施例的沿着图4中B-B'切线的朝向X射线产生器横截面的俯视图。
图7示意性地示出了根据实施例的可与X射线源一起使用的X射线检测器。
图8示意性地示出了根据实施例的检测器的方框图。
图9A示意性地示出了根据实施例的检测器的横截面图。
图9B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9C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10A和图10B各自示意性地示出了根据实施例的检测器的电子系统的部件图。
图11示意性地示出了流过电触点的电流的时间变化(上曲线)，其由入射到与该电触点关联的像素上的X射线光子所产生的载流子引起，以及该电触点电压的对应时间变化(下曲线)。
图12示出了根据实施例的对于图7中的步骤151的示例流程图。
图13示意性地示出了根据实施例的由暗电流引起的电触点电压的时间变化。
图14示意性地示出了根据实施例的适于相衬X射线成像(PCI)的系统。
图15示意性地示出了根据实施例的适于相衬X射线成像(PCI)的系统。
图16示意性地示出了根据实施例的包括本文所述X射线检测器的系统，其适用于诸如胸部X射线照相术、腹部X射线照相术等的医学成像。
图17示意性地示出了根据实施例的包括本文所述X射线检测器的适于牙科X射线照相的系统。
图18示意性地示出了根据实施例的包括本文所述X射线检测器的货物扫描或非侵入性检查(NII)系统。
图19示意性地示出了根据实施例的包括本文所述X射线检测器的另一货物扫描或非侵入性检查(NII)系统。
图20示意性地示出了根据实施例的包括本文所述X射线检测器的全身扫描系统。
图21示意性地示出了根据实施例的包括本文所述X射线检测器的X射线计算机断层扫描(X射线CT)系统。
图22示意性地示出了根据实施例的包括本文所述X射线检测器的电子显微镜。
图23示意性地示出了根据实施例的辐射剂量仪。
图24示意性地示出了根据实施例的元素分析仪。
【具体实施方式】
图2A示意性地示出了根据实施例的适于XRF的系统50。如图所示，系统50包括多个X射线源201和X射线检测器101。在实施例中，多个X射线源201和X射线检测器101可以以芯片的形式安装在印刷电路板(PCB)上。在实施例中，多个X射线源201和X射线检测器101可以交替地布置。系统50可包括X射线屏蔽件，该X射线屏蔽件被配置成防止来自X射线源201的X射线直接到达X射线检测器101。X射线屏蔽件可以包括材料层206，该材料层将数个X射线源201中的每一个X射线源与X射线检测器101分开。在实施例中，材料层206可以包括但不限于钨(W)或铅(Pb)。在实施例中，材料层206的厚度为1.5-2毫米(mm)。
来自X射线源201的X射线光子202可以入射在材料样本298上。当X射线光子202具有比材料样本298的原子内部轨道上的电子电离势更大的能量时，在该原子内部轨道上的电子可以被逐出，留下在该内部轨道上的空位。当原子外部轨道上的电子弛豫以填充内部轨道上的空位时，发射出荧光X射线光子204(也称为次级X射线光子)。荧光X射线光子204具有等于外部轨道和内部轨道电子之间能量差的能量。
X射线检测器101可配置成接收荧光X射线光子204，并通过分析所接收到的荧光X射线光子204来识别材料样本298的元素。
图2B示意性地示出了根据实施例的系统50的俯视图。如图所示，系统50包括多个X射线源201和多个X射线检测器101，以类似棋盘(checker board)的交错方式设置。同样如图所示，X射线源201和X射线检测器101可以由材料层206分开。
图2C示意性地示出了根据实施例的系统50的俯视图。如图所示，系统50包括多个X射线源201和多个X射线检测器101，这些X射线源和X射线检测器按这样的方式安置：每个X射线检测器101被X射线源201包围。同样如图所示，X射线源201和X射线检测器101可以由材料层206分隔开。
图3A示意性地示出了根据实施例的系统50的X射线源201的俯视图。如图所示，X射线源201包括多个排列成阵列的X射线产生器299。在该示例中，X射线源201包括多行X射线产生器299。在一些例子中，X射线源201可仅包括一行或一列X射线产生器299。
图3B示意性地示出了根据实施例的系统50的X射线检测器101的俯视图。如图所示，X射线检测器101包括排列成阵列的多个像素199。在该例子中，X射线检测器101包括多行像素199。在一些例子中，X射线检测器101可仅包括一行或一列像素199。
图4示意性地示出了根据实施例的X射线产生器299的截面图。在这个例子中，X射线产生器299包括第一衬底210、阴极212(例如，多个碳纳米管)、对电极220、可选的屏蔽电极230、金属阳极240和可选的第二衬底250。
在实施例中，第一衬底210可以包括但不限于硅或氧化硅。如图所示，第一衬底210具有凹部215，阴极212形成于第一衬底210的凹部215中。凹部215中的阴极212可以包括一个或多个碳纳米管。阴极212可配置成在电场下发射电子。电子可以通过表面势能垒结合在阴极212(例如，碳纳米管)中。当向阴极212施加足够强的电场(例如沿碳纳米管的长度方向)时，阴极212中的电子可获得充足的能量，克服了阴极212的表面势能垒，进入凹部215中的自由空间。将产生电子到自由空间的这个机制称为场发射(field emission)。在实施例中，阴极212电接地。
在实施例中，对电极220位于凹部215的侧壁上。对电极220可以相对于阴极212偏置正电压+V1，从而提供电场以引起来自阴极212的电子的场发射。如上所述，正电压+V1建立的电场可为阴极212中的束缚电子提供大于表面势能垒的能量。同样如图4所示，对电极220可由第一衬底210的绝缘体235电绝缘。
图5A示意性地示出了根据实施例的沿着图4中A-A'切线的朝向X射线产生器299横截面的俯视图。在这个例子中，图4中仅示出了第一衬底210的横截面、阴极212、对电极220和凹部215。如图所示，阴极212可以是排列成阵列的碳纳米管，并与地面电连接。在该具体例子中，碳纳米管排列成矩形阵列。然而，在一些其它例子中，纳米管可以排列成任何其它合适形状的阵列，包括但不限于圆形阵列、六边形阵列、以及蜂窝阵列。碳纳米管也可以没有特定的布置。同样如图所示，对电极220可以是围绕第一衬底210的凹部215的侧壁的连续环或点环。为了简明起见，与所述对电极220的电连接未示出。在这个例子中，对电极220沿侧壁的整个周边布置。在一些其它例子中，对电极220可沿侧壁的周边的一部分布置。在图5A所示的例子中，凹部215具有矩形横截面，并且对电极220可以是矩形。
图5B示意性地示出了根据另一实施例的沿着图4中A-A'切线的朝向X射线产生器299横截面的俯视图。不同于图5A中，凹部215的横截面为圆形，并且对电极220也可以是圆形。
返回到图4，屏蔽电极230可以在凹部215的侧壁上，并介于对电极220与金属阳极240之间。屏蔽电极230可被适当地偏置，以将发射自阳极212的电子排斥离开金属阳极240，从而起到X射线产生器299的开关作用(即，通过X射线产生器299启用或禁用X射线光子202的生成)。如图所示，屏蔽电极230可以通过绝缘体235与对电极220电绝缘。如进一步所示，屏蔽电极230可以不必暴露在凹部215中。在实施例中，屏蔽电极230可以具有与对电极220相似的形状。
当屏蔽电极230相对于阴极212被供给足够大的负电压-V2时，屏蔽电极230可将发射自阴极212的电子排斥离开金属阳极240。没有电子撞击金属阳极240时，X射线光子202的生成被禁用。当屏蔽电极230没有被足够负偏置时，来自阴极212的电子可以撞击金属阳极240，并且X射线光子202的产生被启用。
图6A示意性地示出了根据实施例的沿着图4中B-B'切线的朝向X射线产生器299横截面的俯视图。在这个例子中，图4中仅示出了第一衬底210的横截面、阴极212和屏蔽电极230。如图所示，阴极212可以是排列在阵列中的碳纳米管，并与地面电连接。在该具体例子中，碳纳米管排列成矩形阵列。然而，在一些其它例子中，纳米管可以排列成任意其它合适形状的阵列，包括但不限于圆形阵列、六边形阵列和蜂窝阵列。碳纳米管也可以没有特定的布置。同样如图所示，屏蔽电极230可以是围绕第一衬底210的凹部215侧壁的连续环或点线环(dotted ring)。为了简明起见，与屏蔽电极230的电连接未示出。在该例子中，屏蔽电极230沿侧壁的整个周边布置。在一些其它例子中，屏蔽电极230可以沿着侧壁的一部分周边布置。在图6A所示的例子中，凹部215具有矩形横截面，并且屏蔽电极230可以是矩形。
图6B示意性地示出了根据另一实施例的沿着图4中B-B'切线的朝向X射线产生器299横截面的俯视图。不同于图6A中，凹部215的横截面为圆形，并且屏蔽电极230也可以是圆形。
返回到图4，在该实施例中，第二衬底250可以是玻璃衬底或对感兴趣的X射线具有低衰减的衬底。在实施例中，第二衬底250可以包括但不限于硅或氧化硅。第二衬底250可允许X射线光子202通过。如图所示，金属阳极240位于第二衬底250的下面(即，在面对阴极212的一侧上)，其共同位于绝缘体235上。在另一实施例中，金属阳极240可布置在凹部215上(不具有第二衬底250)。
金属阳极240可以相对于阴极212以正电压+V3偏置。来自阳极212的电子如果没有被屏蔽电极230排斥，则会在这个电压建立的电场下向金属阳极240加速。金属阳极240可以包括但不限于，钨、钼、铼、铜或它们的组合。当电子在撞击金属阳极240之前获得足够的动能(例如，大于10kev、50kev、80kev、100kev、130kev等)时，可在高速自由电子撞击金属阳极240后产生X射线光子202。
图7示意性地示出了根据实施例的适合于使用X射线源201的X射线检测器100。该检测器具有像素150的阵列。该阵列可以是矩形阵列、蜂窝状阵列、六边形阵列或任何其他适合的阵列。每个像素150配置成对入射到其上的X射线光子进行检测，并且测量该X射线光子的能量。例如，每个像素150配置成在一段时间内对其上入射的、能量落在多个仓中的X射线光子数目进行计数。所有像素150可配置成在相同时段内对其上入射的、能量在多个仓内的X射线光子数目进行计数。每个像素150可具有它自己的模数转换器(ADC)，该模数转换器配置成将代表入射X射线光子能量的模拟信号数字化为数字信号。对于XRF应用，具有10位或更高位解析度的ADC是有用的。每个像素150可配置成测量它的暗电流，例如在每个X射线光子入射在其上之前或与之并行地测量。每个像素150可配置成从入射到其上的X射线光子能量减去暗电流的贡献。像素150可配置成并行地操作。例如，在一个像素150测量入射X射线光子时，另一个像素150可等待X射线光子到达。像素150可不必独立可寻址。
检测器100可具有至少100、2500、10000个或更多个的像素150。检测器100可配置成使所有像素150计数的、具有相同能量范围的仓的X射线光子数目相加。例如，检测器100可使像素150存储在能量从70KeV到71KeV的仓中的数目相加、使像素150存储在能量从71KeV到72KeV的仓中的数目相加，等等。检测器100可将仓的相加数字编辑为检测器100上入射的X射线光子的能谱。
图8示意性地示出了根据实施例的检测器100的方框图。在步骤151中，每个像素150可测量其上入射的X射线光子能量。X射线光子的能量在步骤152中被数字化(例如，由ADC)到多个仓153A、153C、153C......中的一个。仓153A、153C、153C......中的每个仓分别具有对应的计数器154A、154B和154C。当能量分配到仓内时，对应计数器中存储的数目增加一。检测器100可使对应于像素150的、相同能量范围的仓的所有计数器中存储的数目相加。例如，所有像素150中的所有计数器(例如，154A，154B，154C)中存储的数目可相加，并存储在相同能量范围的全局计数器(例如，100A、100B、100C)中。所有全局计数器中存储的数目可编辑为检测器100上入射的X射线能谱。
图9A示意性地示出了根据实施例的检测器100的横截面图。检测器100可包括X射线层110和电子层120(例如，ASIC)，用于处理或分析入射X射线在X射线吸收层110中产生的电信号。在实施例中，检测器100不包括闪烁体。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射线能量可具有高的质量衰减系数。
如在图9B中的检测器100的详细横截面所示，根据实施例，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。离散部分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，或者区111是n型并且区113是p型)。在图8B中的示例中，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8B中的示例中，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作为公共电极。第一掺杂区111也可具有离散部分。
当X射线光子撞击X射线吸收层110(其包括二极管)时，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可包括离散部分，每个离散部分与离散区114电接触。在实施例中，载流子可在多个方向上漂移，使得单个X射线光子产生的载流子大致上未被两个不同的离散区114共用(“大致上未被共用”在本文意指这些载流子中不到2％、不到0.5％、不到0.1％或不到0.01％的载流子流向与余下载流子不同的一个离散区114)。在这些离散区114中的一个离散区的足迹周围入射的X射线光子所产生的载流子大致上未与这些离散区114中的另一个离散区共用。与离散区114关联的像素150可以是围绕该离散区114的区域，其中由入射到该区域中的X射线光子产生的大致上全部载流子(超过98％、超过99.5％、超过99.9％或超过99.99％)流向该离散区114。即，这些载流子中不到2％、不到1％、不到0.1％或不到0.01％的载流子流到该像素之外。
如在图9C中的检测器100的备选详细横截面所示，根据该实施例，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射线能量可具有高的质量衰减系数。
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10万个载流子。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包括离散部分。在实施例中，载流子可在多个方向上漂移，使得单个X射线光子产生的载流子大致上d未被电触点119B的两个不同的离散部分共用(“大致上未被共用”在本文意指这些载流子中不到2％、不到0.5％、不到0.1％或不到0.01％的载流子流向与余下载流子不同的一个离散区)。在电触点119B的这些离散部分中的一个离散部分的足迹周围入射的X射线光子所产生的载流子大致上未与电触点119B的这些离散部分中的另一个离散部分共用。与电触点119B的离散部分关联的像素150可以是围绕离散部分的区域，由入射到该区域中的X射线光子产生的载流子中的大致全部(超98％、超过99.5％、超过99.9％或超过99.99％)流向电触点119B的该离散部分。即，这些载流子中不到2％、不到0.5％、不到0.1％或不到0.01％的载流子流到与电触点119B的该离散部分关联的像素之外。
电子层120可包括电子系统121，其适合于处理或解释由X射线吸收层110上入射的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；或者包括数字电路，例如微处理器和内存。电子系统121可包括像素共用的部件或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和在所有像素之间共用的微处理器。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，该填充材料可使电子层120与X射线吸收层110的连接的机械稳定性增加。在不使用通孔的情况下将电子系统121连接到像素的其他接合技术是可能的。
图10A和图10B各自示出了根据实施例的电子系统121的部件图。电子系统121可包括第一电压比较器301、第二电压比较器302、多个计数器320(包括计数器320A、320B、320C、320D...)、开关305、ADC306、以及控制器310。
第一电压比较器301配置成将电触点119B的离散部分的电压与第一阈值比较。第一电压比较器301可配置成直接监测电压，或通过对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301可由控制器310可控地启动或停用。第一电压比较器301可以是连续比较器。即，第一电压比较器301可配置成连续地启动并连续地监测电压。配置为连续比较器的第一电压比较器301使电子系统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301在入射X射线强度相对高时尤其适合。第一电压比较器301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301会导致系统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，错过入射辐射X射线光子的机会因为两个连续光子之间的间隔相对而较低。因此，配置为钟控比较器的第一电压比较器301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射线光子可在半导体电触点119B中产生的最大电压的1-5％、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302配置成将电压与第二阈值比较。第二电压比较器302可配置成直接监测电压，或通过对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302可以是连续比较器。第二电压比较器302可由控制器310可控地启动或停用。在停用第二电压比较器302时，第二电压比较器302的功耗可以是启动第二电压比较器302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，
Figure BDA0002365664390000121
第二阈值可以是第一阈值的200％-300％。例如，第二阈值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二电压比较器302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301或第二电压比较器302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301或第二电压比较器302可具有高的速度，以允许电子系统121在高通量的入射X射线下操作。然而，具有高的速度通常以功耗为代价。
计数器320可以是软件部件(例如，电脑内存中存储的数字)或硬件部件(例如，4017IC和7490IC)。每个计数器320与用于一个能量范围的仓关联。例如，计数器320A可与70-71KeV的仓关联、计数器320B可与71-72KeV的仓关联、计数器320C可与72-73KeV的仓关联、计数器320D可与73-74KeV的仓关联。当入射X射线光子的能量由ADC 306确定为在与计数器320关联的仓中时，计数器320中记录的数字增加一。
控制器310可以是例如微控制器和微处理器等硬件部件。控制器310配置成从第一电压比较器301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阈值以下增加到大于等于第一阈值的绝对值的值)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，或者取决于是哪个电触点的电压。控制器310可配置成在第一电压比较器301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302、计数器320、以及第一电压比较器301的操作所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)之后终止。短语“电压的变化率大致为零”意指电压的时间变化小于0.1％/纳秒。短语“电压的变化率大致为非零”意指电压的时间变化是至少0.1％/ns。
控制器310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310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，通过发送诸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，通过发送诸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310本身可被停用，直到第一电压比较器301的输出在电压的绝对值大于等于第一阈值的绝对值时启动控制器310。
如果在时间延迟期间，第二电压比较器302确定电压的绝对值大于等于第二阈值的绝对值并且X射线光子能量落入与计数器320相关联的仓中，那么控制器310可配置成促使计数器320记录的数目增加一。
控制器310可配置成在时间延迟终止时，使ADC306将电压数字化，并基于所述电压确定X射线光子的能量落在哪个仓中。
控制器310可配置成使电触点119B连接到电接地，以便使电压重定并使电触点119B上累积的任何载流子放电。在实施例中，电触点119B在时间延迟终止后连接到电接地。在实施例中，电触点119B在有限复位时期连接到电接地。控制器310可通过控制开关305使电触点119B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。
ADC306可将它测量的电压作为模拟或数字信号馈送给控制器310。ADC可以是逐次逼近型寄存器(SAR)ADC(也叫作逐次逼近ADC)。SAR ADC经由通过所有可能量化等级的二进位搜索将模拟信号数字化，最终汇聚成模拟信号的数字输出。SAR ADC可具有四个主要子电路：采样和保持电路(用于获取输入电压(Vin))、内部数模转换器(DAC)(其配置成对模拟电压比较器供应等于逐次逼近型寄存器(SAR)的数字代码输出的模拟电压)、模拟电压比较器(其将输入电压与内部DAC的输出比较并且向SAR输出比较结果)、SAR(其被配置成向内部DAC供应Vin的的逼近数字代码)。SAR可被初始化以使得最高有效位(MSB)等于数字1。该代码被馈送到内部DAC内，其然后将该数字代码的模拟等同内容(Vref/2)供应给比较器以与Vin比较。如果该模拟电压超过Vin时，比较器让SAR将该位复位；否则，该位留1。然后，SAR的下一个位设置为1，并进行相同测试，以继续该二进位搜索直到SAR中的每个位被测试。所得的代码是Vin的数字近似，该数字近似最后在数字化结束时由SAR输出。
电子系统121可包括电容器模组309，该电容器模组电连接到电触点119B，其中，该电容器模组配置成从电触点119B收集载流子。电容器模组能包括放大器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的动态范围，并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11中示出的在tS至t0之间)内在电容器上累积。在整合期终止后，电容器电压由ADC306采样，然后由复位开关将其复位。电容器模组309能包括直接连接到电触点119B的电容器。
图11示意性地示出了由入射到电触点119B相关联像素150上的X射线光子产生的载流子引起的、流过电触点119B的电流的时间变化(上曲线)，以及电触点119B的电压的对应时间变化(下曲线)。电压可以是电流关于时间的整合。在时间t0时，X射线光子撞击二极管或电阻器，载流子开始在像素150中产生，电流开始流过电触点119B，并且电触点119B电压的绝对值开始增加。在时间t1，第一电压比较器301确定电压的绝对值大于等于第一阈值V1的绝对值，控制器310启动时间延迟TD1，并且控制器310可在TD1开始时停用第一电压比较器301。如果控制器310在t1之前被停用，那么在t1处启动控制器310。在TD1期间，控制器310启动第二电压比较器302。本文所用术语“在时间延迟期间”意指开始和终止(即，结束)及之间的任何时间。例如，控制器310可在TD1终止时启动第二电压比较器302。如果在TD1期间，第二电压比较器302确定在时间t2处电压的绝对值大于等于第二阈值的绝对值，那么控制器310等待电压的稳定化变稳定。电压在时间te稳定，这时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处，时间延迟TD1终止。在时间te处或时间te之后，控制器310使ADC306将电压数字化，并确定X射线光子的能量落入哪个仓。控制器310引起所述仓对应的计数器320记录的数字增加一。在图11的例子中，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第一辐射吸收层110之后终止。如果时间不能容易地测量，TD1可以经验地选取，以允许足够的时间收集由X射线光子产生的几乎所有载流子，但又不太长以避免另一个入射X射线光子的风险。即，TD1能被经验地选取，以至于时间ts经验地在时间te之后。时间ts不必在时间te之后，因为一旦到达V2，则控制器310可以不管TD1，并且等待时间te。因此，电压与暗电流引起的电压贡献之间的差异变化率在ts大致为零。控制器310可配置成在TD1终止时或在t2处或在其之间的任何时间停用第二电压比较器302。
在时间te处的电压与X射线光子产生的载流子的总量成比例，其与X射线光子的能量有关。控制器310可配置成基于ADC306的输出确定X射线光子的能量所落入的仓。
在TD1终止时或由ADC306数字化后(取二者中靠后者)，控制器310在复位期RST使电触点119B连接到电接地，以允许电触点119B上累积的载流子流到地面并且使电压复位。在RST之后，系统121准备检测另一个入射X射线光子。隐式地，系统121在图11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301被停用，控制器310可以在RST终止之前的任何时间启动它。如果控制器310被停用，可在RST终止之前启动它。
因为检测器100具有可并行操作的许多像素150，检测器可以应对较高速率的入射X射线光子。这是因为特定像素150上的入射率是整个阵列像素上的入射率的1/N，其中N是像素数量。
图12示出了根据实施例的图8中步骤151的示例流程图。在步骤701中，例如使用第一电压比较器301将暴露于X射线光子的二极管电触点119B或电阻器的电压与第一阈值比较。在步骤702中，例如用控制器310确定电压的绝对值是否大于等于第一阈值V1的绝对值。如果电压的绝对值没有大于等于第一阈值的绝对值，那么方法回到步骤701。即，在步骤701和步骤702中监测电压，直到电压达到V1。如果电压的绝对值大于等于第一阈值的绝对值，流程继续到步骤703。在步骤703中，测量T＝(t1-t0)。如关于图11所解释地，在时间t0处，X射线光子撞击二极管或电阻器，载流子开始在像素150中产生，电流开始流经电触点119B，电触点119B的电压的绝对值开始增加；在时间t1时，电压的绝对值大于等于第一阈值V1的绝对值。在步骤704中，例如使用控制器310启动时间延迟TD1。在步骤705中，例如使用第二电压比较器302将电压与第二阈值V2比较。在步骤706中，例如使用控制器310确定在TD1期间电压的绝对值是否大于等于第二阈值V2的绝对值。如果在TD1期间电压的绝对值没有大于等于第二阈值的绝对值，电压被认为是由暗电流引起的，并且流程回到步骤707。在步骤707中，基于T测量暗电流对电压的贡献。在示例中，确定T是否大于先前测量的最大T(Tmax)。如果先前未测量T，Tmax＝0。如果T大于Tmax时，用T代替的Tmax。暗电流对电压的贡献处于V1/Tmax的比率。如果测量暗电流(如在该示例中)，暗电流的贡献在时间Tm是((tm-tr)·V1/Tmax)，其中tr是最后复位期的结束。类似本公开文中的任何时间间隔，可以通过对脉冲计数(例如，对时钟周期或时钟脉冲计数)来测量(tm-tr)。在检测器100的每个测量之前，Tmax可重定为零。可通过对t1与t0之间的脉冲的数目计来测量T，如在图11和图13中示意性示出。使用T测量暗电流对电压的贡献的另一个方式包括提取T分布的参数(例如，T的预期值(Texpected))并且将暗电流对电压的贡献率估计为V1/Texpected。在步骤708中，例如通过使电触点119B连接到电接地，将电压复位成电接地。如果在TD1期间，电压的绝对值大于等于第二阈值的绝对值V2，流程继续到步骤709。在步骤709中，在电压在时间Tm稳定后测量电压，并且扣除暗电流对测量电压的贡献。时间Tm可以是TD1终止之后且在RST之前的任何时间。在图8中，在步骤152中将结果提供给ADC。复位期结束的时间(例如，电触点119B从电接地断开的时间)是tr。
图13示意性地示出了根据实施例的由暗电流引起的电触点119B的电压的时间变化。在RST后，电压由于暗电流而增加。暗电流越高，电压达到V1所花的时间越少(即T越短)。因此，T是暗电流的度量。暗电流不可能大到足以在TD1期间促使电压达到V2，但入射X射线光子引起的电流可能大到足以这么做。该差异可用于识别暗电流的效应。图13中的流程可在像素150测量一系列入射光子时在每个像素150中实施，这将允许捕捉暗电流的变化(例如，由变化的环境(例如温度)引起)。
半导体X射线检测器100可用于相衬X射线成像(PCI)(也称为相敏X射线成像)。PCI包括至少部分地使用由物体引起的X射线光束相移(包括相移的空间分布)来形成该物体图像的技术。一个获得相移的方法是将相位变换成强度的变化。
PCI能与断层摄影技术相结合来获得物体折射率的实数部分的三维分布。PCI比传统的基于强度的X射线成像(例如，辐射照相术)对物体中的密度变化更敏感。PCI对软组织进行成像特别有用。
根据实施例，图14示意性地示出了适于PCI的系统1900。系统1900可包括至少两个X射线检测器1910和1920。两个X射线检测器1910中的一个或两个都是本文所述的半导体X射线检测器100。X射线检测器1910和1920可以由间隔件1930隔开间隔。间隔件1930对X射线可以具有非常小的吸收。例如，间隔件1930可以具有非常小的质量衰减系数(例如，<10cm2g-1，<1cm2g-1，<0.1cm2g-1，或<0.01cm2g-1)。间隔件1930的质量衰减系数可以是均匀的(例如，间隔件1930中每两个点)之间的变化小于5％、小于1％或小于0.1％)。间隔件1930可对穿过间隔件1930的X射线相位产生相同的变化量。例如，间隔件1930可以是气体(例如，空气)、真空室，并可包括铝、铍、硅或其组合。
系统1900可用于获得被成像物体1960引起的入射X射线1950的相移。入射X射线1950可由一个或多个本文描述的X射线源201产生。X射线检测器1910和1920可以同时捕获两幅图像(即，强度分布)。由于X射线检测器1910和1920由间隔件1930隔开，所述两幅图像与所述物体1960的距离不同。相位可以从所述两幅图像中确定，例如使用基于菲涅耳衍射整合的线性化的算法。
根据实施例，图15示意性地示出了适于PCI的系统1800。系统1800包括在此描述的半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100被配置为运动至距暴露于入射X射线1850的物体1860的不同距离处，并捕获其图像。入射X射线1850可由一个或多个本文描述的X射线源201产生。图像可不必同时被捕获。相位可以从图像确定，例如使用基于菲涅耳衍射整合的线性化的算法。
图16示意性地示出了包括本文所述的辐射检测器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射线照相等。系统包括X射线源1201，其可包括一个或多个X射线源201。从X射线源1201发射的X射线穿透物体1202(例如，人体部位如胸部、肢体、腹部)，被物体1202的内部结构(例如，骨骼、肌肉、脂肪、器官等)不同程度衰减，并且被投射到半导体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17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。该系统可用于医疗成像，例如牙科X射线照相。该系统包括X射线源1301，其可包括一个或多个这里描述的X射线源201。从X射线源1301发射的X射线穿透物体1302，其是哺乳动物(例如，人)的嘴巴的部分。物体1302可包括上颌骨、腭骨、牙齿、下颌或舌。X射线被物体1302的不同结构不同程度衰减，并被投射到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测X射线的强度分布形成图像。牙齿比龋牙、感染部位、牙周韧带更多地吸收X射线。牙科患者接收的X射线辐射的剂量典型地是小的(对全嘴系列约0.150mSv)。
图18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性检查(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1401，其可包括一个或多个X射线源201。从X射线源1401发射的辐射可以从物体1402(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1402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19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性检查(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1501，其可包括一个或多个X射线源201。从X射线源1501发射的X射线可穿透行李1502中，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20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，不需要从身体移除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1601，其可包括一个或多个X射线源201。从X射线源1601发射的X射线可从被筛选的人1602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。辐射检测器100和X射线源1601可被配置为沿直线或旋转方向扫描人。
图21示意性地示出了包括本文所述的半导体X射线检测器的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1701，该X射线源1701可包括一个或多个X射线源201。半导体X射线检测器100和X射线源1701可被配置成沿一个或多个圆形或螺旋路径同步旋转。
图22示意性地示出了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为发射电子的电子源1801(也称为电子枪)。在实施例中，电子源1801可包括一个或多个X射线源201。电子源1801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1803，其可被配置为影响、加速或聚焦电子。然后，电子到达样品1802，并且图像检测器可从那里形成图像。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，可从样品发射特征X射线。入射电子可以激发样品中的原子内壳中的电子，从所述壳中将其逐出，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。
图23示意性地示出了包括本文所述的半导体X射线检测器100的辐射剂量仪。辐射剂量仪能够测量辐射的平均剂量率(例如，来自辐射源1901的X射线)。在实施例中，辐射源可包括一个或多个X射线源201。辐射源1901可包括火山1910或原子弹爆炸。辐射剂量仪可包括室1902，其包括空气或其它气体。经过气体的X射线将使其电离，产生正离子和自由电子。入射光子将产生与其能量成比例的多个这种离子对。与辐射剂量仪相关联的X射线检测器可以测量在气体容量上的平均剂量率或交互作用的光子数量。
图24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在诸如玩具的物体上的一个或多个感兴趣的元素的存在。高能量的带电粒子束(诸如电子或质子，或者X射线束)被引导到物体上。在实施例中，高能束(例如X射线束)可由X射线产生器299产生。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接收被发射的X射线，并基于被发射的X射线能量确定元素的存在。例如，X射线检测器100可被配置为检测位于铅发射的波段的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。
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 (26)

1.一种X射线源，包括：
在第一衬底的凹部中的阴极；
在所述凹部的侧壁上的对电极，其被配置成引起所述阴极的电子的场发射；以及
金属阳极，该金属阳极被配置成接收从所述阴极发射的电子，并且从所述电子在方法阳极上的撞击发射X射线。
2.根据权利要求1所述的X射线源，其中，所述阴极包括多个碳纳米管。
3.根据权利要求1所述的X射线源，其中，所述对电极是围绕所述侧壁的连续环或点线环。
4.根据权利要求1所述的X射线源，还包括在所述对电极和所述金属阳极之间的屏蔽电极，所述屏蔽电极被配置成排斥面对所述金属阳极的电子。
5.根据权利要求4所述的X射线源，其中，所述屏蔽电极为围绕所述侧壁的连续环或点线环。
6.根据权利要求1所述的X射线源，其中，所述第一衬底包括硅或氧化硅。
7.根据权利要求1所述的X射线源，其中，所述金属阳极包括从由钨、钼、铼、铜及其组合组成的组群中选取的一种或多种金属。
8.根据权利要求1所述的X射线源，还包括结合到所述第一衬底的第二衬底，其中所述第二衬底覆盖所述凹部。
9.根据权利要求8所述的X射线源，其中，所述金属阳极由所述第二衬底支持。
10.根据权利要求9所述的X射线源，其中，所述金属阳极位于所述第二衬底的远离所述阴极的一侧。
11.根据权利要求1所述的X射线源，其中，所述阴极包括碳纳米管阵列。
12.一种系统，包括：
多个根据权利要求1-11中任一项所述的X射线源，
多个X射线检测器，其中，所述X射线源和所述X射线检测器交替排列；
X射线屏蔽件，该X射线屏蔽件被配置成防止来自所述X射线源的X射线直接到达所述X射线检测器。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述X射线屏蔽件是所述X射线检测器与所述X射线源之间的材料层。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述材料层包括钨(W)或铅(Pb)。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述材料层的厚度为1.5-2mm。
16.一种包括根据权利要求1-11中任一项所述的X射线源和X射线检测器的系统，其中，所述系统被配置成用于对人体胸部或腹部进行X射线照相。
17.一种包括根据权利要求1-11中任一项所述的X射线源和X射线检测器的系统，其中，所述系统配置成用于对人的嘴部进行X射线照相。
18.一种包括根据权利要求1-11中任一项所述的X射线源和X射线检测器的货物扫描或非侵入性检查(NII)系统，其中，所述货物扫描或非侵入性检查系统被配置成基于背散射X射线来形成图像。
19.一种包括根据权利要求1-11中任一项所述的X射线源和X射线检测器的货物扫描或非侵入性检查(NII)系统，其中，所述货物扫描或非侵入性检查(NII)系统被配置成基于穿过被检查物体的X射线来形成图像。
20.一种包括根据权利要求1-11中任一项所述的X射线源和X射线检测器的全身扫描系统。
21.一种包括根据权利要求1-11中任一项所述的X射线源和X射线检测器的X射线计算机断层扫描(CT)系统。
22.一种适用于相衬X射线成像(PCI)的系统，所述系统包括根据权利要求1-11中任一项所述的X射线源和X射线检测器。
23.一种包括根据权利要求1-11中任一项所述的X射线源的电子显微镜。
24.一种包括根据权利要求1-11中任一项所述的X射线源的辐射剂量仪。
25.一种包括根据权利要求1-11中任一项所述的X射线源的元素分析仪。
26.一种适用于检测X射线荧光(XRF)的系统，所述系统包括根据权利要求1-11中任一项所述的X射线源和X射线检测器。
CN201780093137.8A 2017-07-26 2017-07-26 一体化x射线源 Active CN111093502B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CN2017/094442 WO2019019042A1 (en) 2017-07-26 2017-07-26 INTEGRATED X-RAY SOURCE

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111093502A true CN111093502A (zh) 2020-05-01
CN111093502B CN111093502B (zh) 2023-09-22

Family

ID=65041014

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780093137.8A Active CN111093502B (zh) 2017-07-26 2017-07-26 一体化x射线源

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11289300B2 (zh)
EP (1) EP3658030A4 (zh)
CN (1) CN111093502B (zh)
TW (1) TWI788362B (zh)
WO (1) WO2019019042A1 (zh)

Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4982096A (en) * 1988-01-06 1991-01-01 Hitachi Medical Corporation Multi-element radiation detector
US5144191A (en) * 1991-06-12 1992-09-01 Mcnc Horizontal microelectronic field emission devices
JP2001153961A (ja) * 1999-11-30 2001-06-08 Shimadzu Corp ２次元アレイ型放射線検出器
US20040218713A1 (en) * 2003-05-02 2004-11-04 Hoffman David M. Collimator assembly having multi-piece components
US20080187093A1 (en) * 2007-02-06 2008-08-07 John Scott Price X-ray generation using secondary emission electron source
US7433443B1 (en) * 2007-08-29 2008-10-07 General Electric Company System and method of CT imaging with second tube/detector patching
CN101379392A (zh) * 2006-02-02 2009-03-04 皇家飞利浦电子股份有限公司 使用分布式x射线源的成像装置及其方法
JP2009087633A (ja) * 2007-09-28 2009-04-23 Toshiba Corp Ｘ線源およびｘ線源の製造方法
US20120134463A1 (en) * 2010-11-26 2012-05-31 Fujifilm Corporation Radiation tube and radiation imaging system
CN103081024A (zh) * 2010-09-06 2013-05-01 皇家飞利浦电子股份有限公司 利用像素化探测器的x射线成像
CN203059724U (zh) * 2013-01-02 2013-07-17 上海联影医疗科技有限公司 防散射栅格、探测器和准直器一体化组件及x射线设备
US20130214244A1 (en) * 2012-02-20 2013-08-22 Georgia Tech Research Corporation Carbon nanotube field emission devices and methods of making same
US20140185754A1 (en) * 2012-12-31 2014-07-03 Tsinghua University Goods inspection apparatus using distributed x-ray source
WO2016161542A1 (en) * 2015-04-07 2016-10-13 Shenzhen Xpectvision Technology Co.,Ltd. Semiconductor x-ray detector
WO2016203954A1 (ja) * 2015-06-18 2016-12-22 株式会社日立製作所 放射線検出器とそれを備えたｘ線ｃｔ装置

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3882339A (en) * 1974-06-17 1975-05-06 Gen Electric Gridded X-ray tube gun
US5975975A (en) * 1994-09-16 1999-11-02 Micron Technology, Inc. Apparatus and method for stabilization of threshold voltage in field emission displays
FI97647C (fi) * 1994-11-14 1997-01-27 Ima Engineering Ltd Oy Menetelmä ja laitteisto alkuaineen pitoisuuden määrittämiseksi
US5872422A (en) * 1995-12-20 1999-02-16 Advanced Technology Materials, Inc. Carbon fiber-based field emission devices
JP4079503B2 (ja) * 1998-04-27 2008-04-23 日本電子株式会社 分析電子顕微鏡
US20040240616A1 (en) 2003-05-30 2004-12-02 Applied Nanotechnologies, Inc. Devices and methods for producing multiple X-ray beams from multiple locations
DE10211081A1 (de) * 2002-03-13 2003-10-16 Siemens Ag System zur medizinischen Notversorgung und -überwachung eines Patienten
US7412026B2 (en) * 2004-07-02 2008-08-12 The Board Of Regents Of The University Of Oklahoma Phase-contrast x-ray imaging systems and methods
US7300634B2 (en) * 2004-11-03 2007-11-27 Nano-Proprietary, Inc. Photocatalytic process
US20070189459A1 (en) * 2006-02-16 2007-08-16 Stellar Micro Devices, Inc. Compact radiation source
JP2007311186A (ja) * 2006-05-18 2007-11-29 Hamamatsu Photonics Kk Ｘ線管
CN101101848B (zh) * 2007-08-10 2011-04-27 东南大学 场致发射阴极x射线管
WO2009059131A1 (en) * 2007-11-01 2009-05-07 Rapiscan Security Products, Inc. Multiple screen detection systems
CN102224560B (zh) * 2008-11-26 2015-08-05 皇家飞利浦电子股份有限公司 用于x射线管的辅助格栅电极
US8530845B2 (en) * 2009-02-04 2013-09-10 Trustees Of Boston University Synthesis of advanced scintillators via vapor deposition techniques
US8401151B2 (en) * 2009-12-16 2013-03-19 General Electric Company X-ray tube for microsecond X-ray intensity switching
US8588372B2 (en) * 2009-12-16 2013-11-19 General Electric Company Apparatus for modifying electron beam aspect ratio for X-ray generation
JP5769243B2 (ja) * 2010-07-30 2015-08-26 株式会社リガク 工業用ｘ線管
EP2649634B1 (en) * 2010-12-10 2018-07-04 Canon Kabushiki Kaisha Radiation generating apparatus and radiation imaging apparatus
US8897419B1 (en) * 2011-02-14 2014-11-25 Science Research Laboratory, Inc. Systems and methods for accelerating charged particle beams
US9470799B2 (en) * 2011-05-13 2016-10-18 Unfors Raysafe Ab Radiation meter and method
JP5672147B2 (ja) * 2011-05-24 2015-02-18 コニカミノルタ株式会社 胸部診断支援情報生成システム
CN102420088B (zh) * 2011-12-05 2014-09-03 上海康众光电科技有限公司 一种背栅极式可栅控冷阴极x射线管
JP5580843B2 (ja) * 2012-03-05 2014-08-27 双葉電子工業株式会社 Ｘ線管
CN104470173B (zh) * 2013-09-18 2018-01-16 清华大学 X射线装置以及具有该x射线装置的ct设备
CN104411081A (zh) * 2014-11-13 2015-03-11 重庆大学 用于微纳ct系统的线阵列微纳焦点x射线源

Patent Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4982096A (en) * 1988-01-06 1991-01-01 Hitachi Medical Corporation Multi-element radiation detector
US5144191A (en) * 1991-06-12 1992-09-01 Mcnc Horizontal microelectronic field emission devices
JP2001153961A (ja) * 1999-11-30 2001-06-08 Shimadzu Corp ２次元アレイ型放射線検出器
US20040218713A1 (en) * 2003-05-02 2004-11-04 Hoffman David M. Collimator assembly having multi-piece components
CN101379392A (zh) * 2006-02-02 2009-03-04 皇家飞利浦电子股份有限公司 使用分布式x射线源的成像装置及其方法
US20080187093A1 (en) * 2007-02-06 2008-08-07 John Scott Price X-ray generation using secondary emission electron source
US7433443B1 (en) * 2007-08-29 2008-10-07 General Electric Company System and method of CT imaging with second tube/detector patching
JP2009087633A (ja) * 2007-09-28 2009-04-23 Toshiba Corp Ｘ線源およびｘ線源の製造方法
CN103081024A (zh) * 2010-09-06 2013-05-01 皇家飞利浦电子股份有限公司 利用像素化探测器的x射线成像
US20120134463A1 (en) * 2010-11-26 2012-05-31 Fujifilm Corporation Radiation tube and radiation imaging system
US20130214244A1 (en) * 2012-02-20 2013-08-22 Georgia Tech Research Corporation Carbon nanotube field emission devices and methods of making same
US20140185754A1 (en) * 2012-12-31 2014-07-03 Tsinghua University Goods inspection apparatus using distributed x-ray source
CN203059724U (zh) * 2013-01-02 2013-07-17 上海联影医疗科技有限公司 防散射栅格、探测器和准直器一体化组件及x射线设备
WO2016161542A1 (en) * 2015-04-07 2016-10-13 Shenzhen Xpectvision Technology Co.,Ltd. Semiconductor x-ray detector
TW201643468A (zh) * 2015-04-07 2016-12-16 Shenzhen Xpectvision Technology Co Ltd 半導體ｘ射線檢測器
WO2016203954A1 (ja) * 2015-06-18 2016-12-22 株式会社日立製作所 放射線検出器とそれを備えたｘ線ｃｔ装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. HONG 等: "Flight performance of an advanced CZT imaging detector in a balloon-borne wide-field hard X-ray telescope—ProtoEXIST1", vol. 654, no. 1, pages 361 - 372, XP028290799, DOI: 10.1016/j.nima.2011.07.025 *
陈晔斌: "ITER软X射线相机的研究", no. 03, pages 005 - 22 *

Also Published As

Publication number Publication date
TW201911973A (zh) 2019-03-16
US20200161075A1 (en) 2020-05-21
EP3658030A4 (en) 2021-06-30
EP3658030A1 (en) 2020-06-03
CN111093502B (zh) 2023-09-22
US11289300B2 (en) 2022-03-29
TWI788362B (zh) 2023-01-01
WO2019019042A1 (en) 2019-01-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10677942B2 (en) X-ray detectors capable of managing charge sharing
CN111602071B (zh) 图像传感器中的辐射检测器的封装
TWI788320B (zh) 輻射檢測器、用於檢測輻射之系統、使用輻射檢測器之設備及分配記憶體之方法
TWI756337B (zh) 輻射檢測器
US20190072682A1 (en) X-Ray Detectors Capable of Identifying and Managing Charge Sharing
CN110892292B (zh) 辐射检测器和用于从该辐射检测器输出数据的方法
US11294082B2 (en) X-ray detector capable of managing charge sharing at its periphery
CN111107788A (zh) 具有空间扩展性x射线源的x射线成像系统
US11714204B2 (en) Detector for X-ray fluorescence
CN110178051B (zh) 配置成统计地确定电荷共享的成像系统
CN111093502B (zh) 一体化x射线源
CN111587387A (zh) 辐射检测器的封装
CN112470038A (zh) 辐射检测器
WO2020047834A1 (en) A radiation detector with subpixels operating in different modes
CN111587385A (zh) 条带像素检测器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information
CB02 Change of applicant information

Address after: 518000 B507, blocks a and B, Nanshan medical device Industrial Park, No. 1019, Nanhai Avenue, Yanshan community, merchants street, Nanshan District, Shenzhen, Guangdong

Applicant after: SHENZHEN XPECTVISION TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Address before: 518071 Room 201, building 52, jiyuecheng Zhongchuang Industrial Park, Tanglang industrial zone B, No. 13, Xinyi 5th Road, Tanglang community, Taoyuan Street, Nanshan District, Shenzhen City, Guangdong Province

Applicant before: SHENZHEN XPECTVISION TECHNOLOGY Co.,Ltd.

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant