CN111107788B - 具有空间扩展性x射线源的x射线成像系统 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种包括下述各项的系统(1400)：第一X射线源(1520,501,201)，该第一X射线源(1520,501,201)包括被配置成分别向物体(1415,1525,505,1615,1815)发射多个X射线的多个X射线发生器(502,299)；以及第一X射线检测器(1530,503,100)，该第一X射线检测器(1530,503,100)被配置成检测由来自第一X射线源(1520,501,201)的多个X射线分别形成的物体(1415,1525,505,1615,1815)的图像。

Description

具有空间扩展性X射线源的X射线成像系统
【技术领域】
本发明涉及具有用于空间扩展性X射线源的成像系统。
【背景技术】
X射线电脑断层扫描成像系统广泛应用于诸如医学成像等的各种应用场合中。X射线CT成像系统可由X射线发生器和X射线检测器组成。X射线发生器可被配置成产生朝向待成像物体的X射线。X射线检测器可被配置成在X射线穿过感兴趣的物体之后接收X射线，从而产生物体的二维图像。X射线发生器和X射线检测器都可以按360/N的角度旋转，这里N表示重构物体的三维图像所需的扫描次数。X射线发生器和X射线检测器都移动到新位置后，对所述物体进行另一次扫描。相应地，可以生成物体的另一个二维图像。重复上述过程直至完成所有的N个扫描，以得到物体的N个二维图像。最后，基于本文所描述的物体的N个二维图像形成该物体的三维图像。
【发明内容】
本文公开了一种包括下述各项的系统：第一X射线源，其包括被配置为分别向物体发射多个X射线的多个X射线发生器；以及第一X射线检测器，其被配置为检测来自第一X射线源的多个X射线分别形成的物体的图像。
根据实施例，所述系统还包括电脑系统，该电脑系统被配置成基于所述图像重构所述物体的三维结构。
根据实施例，多个X射线发生器被配置成在不同的时间发射X射线。
根据实施例，多个X射线发生器被布置在行或网格中。
根据实施例，所述网格选自由矩形阵列、六角阵、五边形阵列、蜂窝阵组成的组群。
根据实施例，所述多个X射线具有不同的空间分布。
根据实施例，所述多个X射线发生器的每个包括：在第一衬底的凹部中的阴极；在凹部侧壁上的对电极，其被配置为引起来自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，并发射从所述电子在所述金属阳极上的碰撞产生的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虚线环。
根据实施例，所述系统还包括位于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为排斥面向所述金属阳极的电子。
根据实施例，所述屏蔽电极是围绕所述侧壁的连续环或虚线环。
根据实施例，所述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，其选自由钨、钼、铼、铜及其组合组成的组群。
根据实施例，所述系统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。
根据实施例，金属阳极由所述第二衬底支持。
根据实施例，金属阳极位于第二衬底的背离所述阴极的一侧。
根据实施例，所述阴极包括碳纳米管阵列。
根据实施例，所述系统还包括：第二X射线源，其包括被配置为分别向所述物体发射多个X射线的多个X射线发生器；以及第二X射线检测器，其被配置为检测由来自第二X射线源的多个X射线分别形成的物体的图像；其中，所述第一X射线源和所述第一X射线检测器的组合以及所述第二X射线源和所述第二X射线检测器的组合具有不同的方向。
根据实施例，所述不同的方向彼此垂直。
【附图说明】
图1示意性地示出了X射线电脑断层扫描(CT)成像系统。
图2示意性地示出了源和检测器组件的侧视图，其可适用于图1所示的CT成像系统中。
图3示意性地示出了根据实施例的源和检测器组件500的侧视图，其可适用于图1所示的CT成像系统中。
图4示意性地示出了根据实施例的源和检测器组件500的侧视图，其可适用于图1所示的CT成像系统中。
图5示意性地示出了根据实施例的源和检测器组件500的侧视图，其可适用于图1所示的CT成像系统中。
图6示意性地示出了根据实施例的X射线源的俯视图。
图7示意性地示出了根据实施例的X射线源的X射线发生器的横截面图。
图8A示意性地示出了根据实施例的面向X射线发生器沿图7中A-A'切线的横截面的俯视图。
图8B示意性地示出了根据另一实施例的面向X射线发生器沿图7中A-A'切线的横截面的俯视图。
图9A示意性地示出了根据实施例的面向X射线发生器沿图7中B-B'切线的横截面的俯视图。
图9B示意性地示出了根据另一实施例的面向X射线发生器沿图7中B-B'切线的横截面的俯视图。
图10示意性地示出了根据实施例的X射线检测器。
图11A示意性地示出了根据实施例的检测器的横截面图。
图11B示意性地示出了根据实施例的检测器的详细横截面图。
图11C示意性地示出了根据实施例的检测器的备选详细横截面图。
图12A和图12B分别示意性地示出了根据实施例的检测器电子系统部件图。
图13示意性地示出了由入射在与所述电触点相关联的像素上的X射线光子产生的载流子所引起的流过电触点的电流的时间变化(上曲线)，以及对应的电触点的电压的时间变化(下曲线)。
图14示出了根据实施例的用X射线检测器测量X射线光子能量的示例性流程图。
图15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。
【具体实施方式】
图1示意性地示出了X射线电脑断层扫描(CT)成像系统1400。X射线CT成像系统1400包括源和检测器组件1410、样品保持件1420、以及操作控制台1430。所述源和检测器组件1410可包括X射线源，该X射线源被配置成向样品保持件1420(例如，桌子)上的物体1415(例如图1中所示的人)发射X射线。并且X射线检测器被配置成获取穿过所述物体的X射线("投射数据")。
操作控制台1430可被配置成控制X射线CT成像系统1400。操作控制台1430可以具有被配置成基于投影数据重构物体1415的图像(例如，三维图像)的电脑，并将该图像显示在显示器1435上。在例子中，所述电脑可基于所述投影数据生成多个二维图像，并基于所述二维图像重构三维图像。
操作控制台1430可以分别地控制源和检测器组件1410以及样品保持件1420(例如，桌子)的操作。例如，源和检测器组件1410可以在操作者控制台1430的控制下开启或关闭。样本保持件1420(例如，桌子)安置物体1415，使得物体1415的所选区域将被成像。通过使用对准机制来调节桌子顶部1402的高度，并且通过延伸到源和检测器组件1410中的支架1404来调节水平距离。
桌子顶部1402的高度可以如此调节，即，让柱状支撑件1406以其位于基部1408处的根部为中心摆动。随着柱状支撑件1406的摆动，桌子顶部1402竖直和水平地移位。支架1404在桌面顶部1402上水平移动，从而取消了桌面顶部1402的水平移位。在某些情况下，可以使用倾斜的源和检测器组件1410来执行成像。
图2示意性地示出了源和检测器组件1510的侧视图。源和检测器组件1510包括X射线源1520、和X射线检测器1530。X射线源1520和X射线检测器1530可被安装到框架1505。例如，X射线源1520和X射线检测器1530彼此对置，使得从X射线源1520发射的X射线可以在穿过物体1525后被X射线检测器1530接受。物体1525可以位于所述框架1505的中心处或靠近框架1505的中心。在操作中，X射线源1520可以向物体1525发射多个X射线1515(例如，如图所示的扇形束)。多个X射线1515可与物体1525有不同的相互作用(interaction)。X射线源1520和X射线检测器1530可相对于物体1525旋转。X射线源1520和X射线检测器1530可以独立旋转。X射线源1520和X射线检测器1530可以旋转，但没有相互之间的相对运动。X射线源1520和X射线检测器1530可以相对于框架1505旋转。X射线源1520和X射线检测器1530可以随框架1505旋转，但没有相对于框架1505的运动。X射线源1520和X射线检测器1530的旋转可以围绕Z轴，如图2所示。X射线源1520和X射线检测器1530可被配置成在任何旋转位置分别地向物体1525发射X射线，并检测物体1525的图像。
图3示意性地示出了根据实施例的源和检测器组件500的侧视图。源和检测器组件500可适于在X射线CT成像系统1400中使用。在这个例子中，源和探测器组件500包括X射线源501和X射线检测器503。物体505可以放置在X射线源501和X射线检测器503之间。物体505可以全部或部分地由样品保持件(未示出)支撑。
X射线源501可以包括多个X射线发生器502。每个X射线发生器502可以被配置成例如向物体505发射多个X射线。从不同的X射线发生器502发出的X射线可以具有不同的空间分布，诸如不同的传播方向。在实施例中，多个X射线发生器502可以布置在行中。在实施例中，多个X射线发生器502可以布置在网格中。例如，多个X射线发生器502可以布置在矩形阵列、六角阵列、五边形阵列、蜂窝阵列以及任意其他合适形状的阵列中。X射线检测器503可以被配置成检测由来自X射线源501的多个X射线分别形成的物体505图像。电脑系统599可被配置成基于由X射线检测器503检测到的图像来重构物体505的三维结构。
图4示意性地示出了根据实施例的源和检测器组件1610的侧视图。源和检测器组件1610可适于在X射线CT成像系统1400中使用。在这个例子中，源和检测器组件1610包括多个X射线源501、以及多个X射线检测器503。多个X射线源501和多个X射线检测器503可由框架1605支撑。多个X射线源501和所述多个X射线检测器503可以这样放置，使得多个X射线源501中的每一个X射线源与多个X射线检测器503中的一个X射线检测器相对。X射线源501和与其相对的X射线检测器503的组合以及另一个X射线源501和与其相对的X射线检测器503的组合具有不同的取向。
每一个X射线源501可以包括多个X射线发生器502。每个X射线发生器502可以被配置成例如朝向物体1615发射多个X射线。从不同的X射线发生器502发出的X射线可具有不同的空间分布，诸如不同的行进方向。每一个X射线检测器503可配置成检测由来自与那个X射线检测器相对的X射线源501的多个X射线分别形成的物体1615的图像。电脑系统599可被配置成基于由X射线检测器503检测到的图像来重构物体1615的三维结构
在一实施例中，框架1605是球形的。因此，如图所示，框架1605的横截面为圆形。在实施例中，框架1605可以是圆柱形的。在实施例中，物体1615可以全部或部分地由样品保持件(未示出)支持。多个X射线源501和多个X射线检测器503可以位于框架1605的内表面。多个X射线源501和多个X射线检测器503可设置在框架1605内或框架1605的外表面上，只要来自X射线源501的X射线可以通过框架1605即可。如图所示，多个X射线源501中的每一个都可以向物体1615发射X射线。X射线源501和X射线检测器503不需要移动或旋转。
在一实施例中，在相同的X射线源501中的多个X射线发生器502可以在不同时间发射多个X射线。在不同的X射线源501中的多个X射线发生器502可以在不同时间或在相同时间发射多个X射线。
图5示意性地示出了根据实施例的源和检测器组件1810的视图。源和检测器组件1810可适于在X射线CT成像系统1400中使用。在这个例子中，源和检测器组件1810包括三个X射线源501，以及三个X射线检测器503。多个X射线源501和多个X射线检测器503可以由框架1805支持，该框架为正方体状的或长方体状的。三个X射线源501和三个X射线检测器503可以被安置成三个组合，其每个组合包括三个X射线检测器503中的一个以及三个X射线检测器503中的一个。在同一组合中的X射线检测器503和X射线源501彼此对置。不同的组合具有彼此垂直的方向。
三个X射线源501中的每一个可以包括多个X射线发生器502。每个X射线发生器502可以被配置成：例如朝向物体1815发射多个X射线。从不同的X射线发生器502发出的X射线可以具有不同的空间分布，诸如不同的行进方向。三个X射线检测器503中的每一个可被配置成检测由来自与X射线检测器503相对的X射线源501的多个X射线分别形成的物体1820的图像。电脑系统599可被配置成基于由X射线检测器503检测到的图像来重构物体1815的三维结构。
在实施例中，相同的X射线源501中的多个X射线发生器502可以在不同时间发射多个X射线。在不同的X射线源501中的多个X射线发生器502可以在不同时间或在相同时间发射多个X射线。
图6示意性地示出了根据实施例的X射线源201的俯视图。在该实施例中，X射线源201可以是X射线源501。如所示，X射线源201包括多个安排成阵列的X射线发生器299。X射线源201可以用作图3、图4和图5中的X射线源501。在这个例子中，X射线源201包括多行X射线发生器299。在一些例子中，X射线源201可仅包括一行或一列X射线发生器299。如图所示，多个X射线发生器299被安排在矩形阵列中。在一些其它例子中，多个X射线发生器299可以被安排在六边形阵列、五边形阵列、蜂窝阵列或任意其他合适形状的阵列中。
图7示意性地示出了根据实施例的X射线发生器299的横截面图。在这个例子中，X射线发生器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的该凹部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。电子可以由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。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被偏置成正电压+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7所示，对电极220可由第一衬底210的绝缘体235电绝缘。
图8A示意性地示出了根据实施例的朝向沿图7A-A'切线的X射线产生器299横截面的俯视图。在这个例子中，在图7中仅示出：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、五边形阵列、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的侧壁的连续环或虚线环。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可沿侧壁周边的一部分布置。在图8A所示的例子中，凹部215具有矩形横截面，并且对电极220也可以是矩形。
图8B示意性地示出了根据另一实施例的朝向沿着图7A-A'切线的X射线产生器299横截面的俯视图。不同于图8A，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7，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，以将发射自阴极212的电子排斥离开金属阳极240，并且因此引起X射线产生器299的开关的作用(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可以借助于绝缘体235与对电极220电绝缘。如图进一步所示，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被提供有足够负的电压-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，X射线光子202的生成被禁用。当屏蔽电极230没有足够负偏置时，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的生成被启用。
图9A示意性地示出了根据实施例的朝向沿着图7B-B'切线的X射线产生器299横截面的俯视图。在这个例子中，图7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、五边形阵列、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的侧壁的连续环或虚线环。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是沿侧壁的整个周边布置。在一些其它例子中，屏蔽电极230可以沿着侧壁周边的一部分布置。在图9A所示的例子中，凹部215具有矩形横截面，并且屏蔽电极230也可以是矩形的。
图9B示意性地示出了根据另一实施例的朝向沿着图7B-B'切线的X射线产生器299横截面的俯视图。不同于图9A，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7，在实施例中，第二衬底250可以是玻璃衬底，或者对感兴趣的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被偏置成正电压+V3。来自阴极212的电子，如果没有被屏蔽电极230排斥，则该正电压建立的电场向金属阳极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。如图7所示，产生的X射线光子202平行行进。在一些其它例子中，被产生的X射线光子202可沿不同方向行进。
图10示意性地示出了根据实施例的X射线检测器100。在实施例中，X射线检测器100可被用作图3、图4和图5中的X射线检测器503。X射线检测器100可以是平面的。所述检测器具有像素50的阵列。阵列可以是矩形阵列、五边形阵列、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配置成检测其上入射的X射线光子，并且测量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射线光子的数目计数。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射线光子的数目计数。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使代表入射X射线光子的能量的模拟信号数字化为数字信号。对于XRF应用，具有10位或更高的解析度的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可配置成从其上入射的X射线光子的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所计数的、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射线光子的光谱。
图11A示意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射线吸收层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11B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中的每一个与第一掺杂区111和本征区112(可选)一起形成二极管。即，在图11B中的示例中，X射线吸收层110具有多个二极管，这些二极管具有第一掺杂区111作为共享电极。第一掺杂区111还可具有离散部分。
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可包括离散区，其每一个与离散区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未被两个不同的离散区114共享(“大致未被共享”在这里意指，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数个离散区114中的一个离散区)。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未与这些离散区114中的另一个离散区共享。与离散区114关联的像素150可以是围绕离散区114的区域，其中由入射到该区域中的X射线光子产生的载流子中的大致全部的(超过98％、超过99.5％、超过99.9％或超过99.99％的)载流子流向该离散区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11C中的检测器100备选详细横截面所示，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，它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以及电触点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未被电触点119B的两个不同的电触点共享(“大致未被共享”在这里意指，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数个离散区中的一个离散区)。在电触点119B的这些离散区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未与电触点119B的这些离散区的另一个离散区共享。与电触点119B的离散部分关联的像素150可以是围绕该离散部分的区域，其中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的(超过98％、超过99.5％、超过99.9％或超过99.99％的)载流子流向电触点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的一个离散部分关联的像素之外。
电子层120可包括电子系统121，该电子系统适合于处理或解释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、积分器和比较器；或者数字电路，例如微处理器和内存。电子系统121可包括像素共享的部件，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，以及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到X射线吸收层110的连接机械稳定性增加。在不使用通孔的情况下使电子系统121连接到像素的其他接合技术是可能的。
图12A和图12B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(其包括计数器320A、320B、320C、320D…)、开关305、ADC306和控制器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301使系统121错过由入射X射线光子产生信号的机会减少。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射线光子可在电触点119B上产生的最大电压的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，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301可以是相同的部件。即，系统121可具有一个电压比较器，其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可具有高速度以允许系统121在高入射X射线通量下操作。然而，具有高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目)或硬件部件(例如，4017IC和7490IC)。每个计数器320与对于一定能量范围的仓关联。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。在入射X射线光子的能量由ADC306确定为在计数器320与之关联的仓中时，计数器320中记录的数目增加一。
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电压，或者取决于使用了哪个电触点。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以及任何第一电压比较器301的操作不需要的其他电路。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“变化率大致为零”意指时间变化小于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才启动控制器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射线光子的能量落在与计数器320关联的仓中，控制器310可配置成促使计数器320中一个记录的数目增加一。
控制器310可配置成在时间延迟终止时促使ADC306将电压数字化，并且基于电压确定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，以便使电压复位并且使电触点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而使电触点119B连接到电接地。开关可以是晶体管，例如场效应晶体管(FET)。
在一实施例中，系统121没有模拟滤波器网路(例如，RC网路)。在一实施例中，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在最终汇聚于模拟信号的数字输出之前经由通过所有可能量化等级的二进位搜索来使模拟信号数字化。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Vin与内部DAC的输出比较并且向SAR输出比较结果；SAR，其配置成向内部DAC供应Vin的逼近数字代码。SAR可被初始化，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效物(Vref/2)供应到比较器内用于与Vin比较。如果该模拟电压超出Vin，比较器促使SAR将该位复位；否则，该位留下1。然后，SAR的下一个位设置为1，并且进行相同测试，从而继续该二进位搜索直到SAR中的每个位已被测试。所得的代码是Vin的数字逼近，并且最后在数字化结束时由SAR输出。
系统121可包括电容器模块309，其电连接到电触点119B，其中电容器模块配置成从电触点119B收集载流子。电容器模块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”)(例如在图13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，由ADC306对电容器电压采样，然后由复位开关将其复位。电容器模块309可以包括直接连接到电触点119B的电容器。
图13示意性地示出了由与电触点119B关联的像素150上入射的X射线光子产生的载流子所引起的流过电触点119B的电流的时间变化(上曲线)和电触点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，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的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，在t1启动控制器310。在TD1期间，控制器310启动第二电压比较器302。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电压的绝对值大于等于第二阈值的绝对值，控制器310等待要稳定的电压稳定。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，时间延迟TD1终止。在时间te或时间te之后，控制器310促使ADC306使电压数字化，并且确定X射线光子的能量落在哪个仓中。然后，控制器310促使对应于仓的计数器320记录的数目增加一。在图11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。如果不易测量时间te，可以根据经验选择TD1，以允许有足够时间基本上收集X射线光子产生的所有载流子，但不会太长以引起具有另一个入射X射线光子的风险。即，可以根据经验选择TD1，使得时间ts根据经验在时间te后。时间ts不是必须在时间te后，因为一旦达到V2，控制器310可忽略TD1并且等待时间te。电压与暗电流对电压的贡献之间的差的变化率从而在ts大致为零。控制器310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302。
在时间te电压与X射线光子产生的载流子的数量成比例，该数量与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终止或被ADC306数字化后，无论哪个在后，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。隐含地，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，检测器可以应对速率高得多的入射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入射率的1/N，其中N是像素数目。
图14示出了根据实施例用X射线检测器(例如，X射线检测器100)检测X射线光子能量的示例流程图。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(例如，荧光X射线)电阻器的或二极管的电触点119B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。如果电压的绝对值小于第一阈值的绝对值，方法回到步骤701。如果电压的绝对值大于等于第一阈值的绝对值，继续到步骤703。在步骤703中，测量T＝(t1-t0)。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将电压与第二阈值比较。在步骤706中，例如使用控制器310确定电压的绝对值是否大于等于第二阈值V2的绝对值。如果电压的绝对值小于第二阈值的绝对值，方法回到步骤707。在步骤707中，使用T测量暗电流对电压的贡献。在示例中，确定T是否大于之前测量的最大T(Tmax)。如果之前未测量T，Tmax＝0。如果T大于Tmax，用T代替Tmax(即，T变成新的Tmax)。暗电流对电压的贡献处于V1/Tmax的比率。如果按该示例测量暗电流，在步骤709中暗电流的贡献是((tm-tr)×V1/Tmax)，其中tr是最后复位期的结束。与该公开中的任何时间间隔一样，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可复位为零。可通过对t1与t0之间脉冲的数目计数来测量T，如在图13和图15中示意示出的。使用T测量暗电流对电压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，将电压复位为电接地。如果电压的绝对值大于等于第二阈值的绝对值，继续到步骤709。在步骤709中，电压稳定后在时间tm测量它，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。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15示意性示出了根据实施例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促使电压达到V2。该差异可用于识别暗电流的效应。图15中的流程可在像素150测量一系列入射X射线光子时在每个像素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)。
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 (17)

1.一种系统，包括：
第一X射线源，该第一X射线源包括分别向物体发射多个X射线的多个X射线发生器；
第一X射线检测器，该第一X射线检测器被配置成检测由来自所述第一X射线源的多个X射线分别形成的所述物体的图像；
其中，所述多个X射线发生器中的每个X射线发射器包括：
位于第一衬底的凹部中的阴极；
位于所述凹部的侧壁上的对电极，该对电极被配置成引起来自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所述电子，并发射从所述电子在所述金属阳极上的碰撞产生的X射线；
该系统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通过相对于所述阴极的负偏置来排斥面对所述金属阳极的电子。
2.根据权利要求1所述的系统，该系统还包括电脑系统，所述电脑系统被配置成基于所述图像重构所述物体的三维结构。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个X射线发生器被配置成在不同的时间发射X射线。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个X射线发生器被布置在行或网格中。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述网格选自包括矩形阵列、六边形阵列、五边形阵列、蜂窝阵列组成的组群。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个X射线具有不同的空间分布。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阴极包括多个碳纳米管。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对电极是围绕所述侧壁的连续环或虚线环。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述屏蔽电极是围绕所述侧壁的连续环或虚线环。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一衬底包括硅或氧化硅。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述金属阳极包括一种或多种金属，所述一种或多种金属选自包含钨、钼、铼、铜及其组合的组群。
12.根据权利要求1所述的系统，该系统还包括与所述第一衬底结合的第二衬底，其中，所述第二衬底覆盖所述凹部。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述金属阳极由所述第二衬底支持。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述金属阳极位于所述第二衬底远离所述阴极的一侧。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阴极包括碳纳米管阵列。
16.根据权利要求1所述的系统，该系统还包括：
第二X射线源，该第二X射线源包括被配置成分别向所述物体发射多个X射线的多个X射线发生器；以及
第二X射线检测器，该第二X射线检测器被配置成检测由来自所述第二X射线源的多个X射线分别形成的所述物体的图像；
其中，所述第一X射线源和所述第一X射线检测器的组合以及所述第二X射线源和所述第二X射线检测器的组合具有不同的方向。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述不同的方向彼此垂直。
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