CN111226137B - 用于x射线荧光的检测器 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种检测器(100)，包括：多个像素(150)，每个像素(150)配置成对一段时间周期内入射到其上的、能量落入多个仓中的X射线光子数量进行计数；x射线吸收层(110)；其中，X射线吸收层(110)包括每个像素(150)内的电触点(119B)、以及聚焦电极(1101)，该聚焦电极(1101)包围电触点(119B)，并且配置成将入射到聚焦电极(1101)的界限内的X射线光子所生成的载流子导向电触点(119B)；并且其中，检测器(100)配置成将全部像素(150)计数的、关于相同能量范围的仓的X射线光子数量相加。

Description

用于X射线荧光的检测器
【技术领域】
本公开文涉及适合于X射线荧光的检测器。
【背景技术】
X射线荧光(XRF)是材料暴露于高能X射线或伽马射线时受到激发而发出的特性荧光X射线。如果一原子暴露于光子能量大于电子电离势的X射线或伽马射线，则该电子从原子的内层轨道上逐出，留下内层轨道上的空位。当原子外层轨道上的电子弛豫以填充内层轨道上的空位时，发射出了X射线(荧光X射线或二次X射线)。发射的X射线具有等于外层轨道与内层轨道电子之间能量差的光子能量。
对于给定的原子，可能弛豫的数量有限。如图1A所示，当L轨道上的电子弛豫以填充K轨道(L→K)上的空位时，荧光X射线称作Kα。来自M→K弛豫的荧光X射线称作Kβ。如图1B所示，来自M→L弛豫的荧光X射线称作Lα，依此类推。
分析荧光X射线谱能够识别样本中的元素，因为每个元素具有带特性能量的轨道。通过将光子能量分类(能量扩散分析)，或者通过将荧光X射线波长分离(波长扩散分析)，可以对该荧光X射线进行分析。每个特性能量峰值的强度与样本中每个元素的量直接相关。
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)可以用于能量扩散分析中。这些检测器基于相同原理：入射X射线光子使得大量的检测器原子电离，产生出与入射X射线光子能量成比例的载流子数量。载流子被收集和计数，从而确定入射X射线光子的能量，该过程对下一入射X射线光子重复执行。在检测到多个X射线光子后，可以通过对X射线光子的数量(作为X射线光子能量的函数)计数，来编制光谱。这些检测器的速度受到限制，因为一个入射X射线光子产生的载流子必须在下一个入射X射线撞击检测器之前收集。
波长扩散分析通常使用光电倍增器。单波长的X射线光子选自入射X射线单色仪，并且被送入光电倍增器中。光电倍增器对经其通过的各个X射线光子计数。计数器是含有可以被X射线光子电离的气体的腔室。对中心电极相对于传导腔室壁施加(通常为)+1700V的电压，并且每个X射线光子触发跨过该电场的脉冲型级联电流。该信号被放大，并变换成累加的数字计数。这些计数用以确定所选单波长X射线的强度。
【发明内容】
本文公开了一种检测器，包括：多个像素，每个像素配置成对一段时间周期之内入射到其上的、其能量落入多个仓中的X射线光子数量进行计数；x射线吸收层；其中，X射线吸收层包括每个像素内的电触点、以及聚焦电极，该聚焦电极包围电触点，并配置成将入射到聚焦电极的界限内的X射线光子所生成的载流子导向电触点；并且其中，检测器配置成将所有像素计数的、关于相同能量范围的仓的X射线光子数量相加。
按照实施例，聚焦电极包括多晶硅、金属或者金属合金。
按照实施例，聚焦电极不与电触点直接接触。
按照实施例，聚焦电极包括采取柱形体或支柱形状的离散电极。
按照实施例，离散电极沿多面形或圆柱形管或锥体的表面布置。
按照实施例，聚焦电极包括采取多面形或圆柱形管或锥体形状的电极。
按照实施例，电触点处于X射线吸收层的第一表面；其中聚焦电极在第一表面与X射线吸收层的和第一表面相对的第二表面之间延伸。
按照实施例，聚焦电极与电触点电隔离。
按照实施例，检测器还配置成将相加的X射线光子数量编制成入射到检测器上的X射线光子光谱。
按照实施例，多个像素按照阵列来布置。
按照实施例，像素配置成对相同时间周期之内的X射线光子数量进行计数。
按照实施例，像素的每个包括模数转换器(ADC)，其配置成将表示入射X射线光子能量的模拟信号数字化为数字信号。
按照实施例，像素配置成并行地操作。
按照实施例，ADC是逐次近似寄存器(SAR)ADC。
按照实施例，检测器还包括：第一电压比较器，配置成将电触点的电压与第一阈值进行比较；第二电压比较器，配置成将电压与第二阈值进行比较；多个计数器，各个计数器与仓关联，并且配置成记录多个像素中的一个像素吸收的X射线光子数量，其中X射线光子的能量落入仓中；其中，控制器配置成从第一电压比较器确定电压的绝对值大于等于第一阈值的绝对值的时间开始时间延迟；其中控制器配置成确定X射线光子的能量是否落入仓中；控制器配置成使与仓关联的计数器所记录的数值增加一。
按照实施例，检测器还包括电容器模块，其电连接到电触点，其中电容器模块配置成收集来自电触点的载流子。
按照实施例，控制器配置成在时间延迟开始或终止时启动第二电压比较器。
按照实施例，控制器配置成将电触点连接到电接地。
按照实施例，电压的变化率在时间延迟终止时基本上为零。
按照实施例，X射线吸收层包括二极管。
按照实施例，X射线吸收层包括硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或者其组合。
按照实施例，检测器不包括闪烁器。
本文公开了一种包括上述检测器以及X射线源的系统，其中该系统配置成对人体胸腔或腹部执行X射线照相。
按照实施例，该系统包括上述检测器以及X射线源，其中该系统配置成对人体口腔执行X射线照相。
本文公开了一种货物扫描或者非侵入式检查(NII)系统，该系统包括上述检测器以及X射线源，其中货物扫描或者非侵入式检查(NII)系统配置成使用后向散射X射线来形成图像。
本文公开了一种货物扫描或者非侵入式检查(NII)系统，该系统包括上述检测器以及X射线源，其中货物扫描或者非侵入式检查(NII)系统配置成使用经过被检查对象所透射的X射线来形成图像。
本文公开了一种一种全身扫描器系统，该系统包括上述检测器以及X射线源。
本文公开了一种X射线计算机断层扫描(x射线CT)系统，该系统包括上述检测器以及X射线源。
本文公开了一种电子显微镜，其包括上述检测器、电子源以及电子光学系统。
本文公开了一种系统，该系统包括上述检测器，其中该系统是X射线望远镜或X射线显微镜，或者其中该系统配置成执行乳房X射线照相、工业缺陷检测、显微射线照相、铸件检查、焊接检查或数字减影血管造影。
【附图说明】
图1A和图1B示意性地示出了XRF的机制。
图2示意性地示出了按照实施例的适合于XRF的检测器。
图3示意性地示出了按照实施例的检测器的方框图。
图4A示意性地示出了按照实施例的检测器的横截面图。
图4B示意性地示出了按照实施例的检测器的详细横截面图。
图4C示意性地示出了按照实施例的检测器的备选详细截面图。
图5A和图5B各示意性地示出了按照实施例的包括聚焦电极的检测器的横截面图。
图6A和图6B各示意性地示出了按照实施例的聚焦电极和电触点的俯视图。
图7A、图7B和图7C分别示意性地示出了按照实施例的聚焦电极。
图8A和图8B分别示出了按照实施例的检测器的电子系统部件图。
图9示意性地示出了由入射到与电触点相关联的像素上的X射线光子所生成的载流子引起的、流经电触点的电流的时间变化(上曲线)，以及电触点电压的对应时间变化(下曲线)。
图10示意性地示出了按照实施例的包括本文所述半导体X射线检测器的系统，其适合于诸如胸腔X射线照相、腹部X射线照相等的医疗成像。
图11示意性地示出了按照实施例的包括本文所述半导体X射线检测器的系统，该系统适合于牙科X射线照相。
图12示意性地示出了按照实施例的包括本文所述半导体X射线检测器的货物扫描或者非侵入式检查(NII)系统。
图13示意性地示出了按照实施例的包括本文所述半导体X射线检测器的另一个货物扫描或者非侵入式检查(NII)系统。
图14示意性地示出了按照实施例的包括本文所述半导体X射线检测器的全身扫描器系统。
图15示意性地示出了按照实施例的包括本文所述半导体X射线检测器的X射线计算机断层扫描(X射线CT)系统。
图16示意性地示出了按照实施例的包括本文所述半导体X射线检测器的电子显微镜。
【具体实施方式】
图2示意性地示出了按照实施例的适合于XRF的检测器100。检测器具有像素150的阵列。阵列可以是矩形阵列、蜂窝阵列、六边形阵列或者任何其他适当阵列。每个像素150配置成检测入射到其上的X射线光子，并且测量X射线光子的能量。例如，每个像素150配置成对某个时间周期之内入射到其上的、其能量落入多个仓中的X射线光子数量进行计数。全部像素150可以配置成对相同时间周期之内入射到其上的、能量在多个仓内的X射线光子数量进行计数。每个像素150可以具有其自己的模数转换器(ADC)，该模数转换器配置成将表示入射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位分辨率或更高的ADC是有用的。每个像素150可以配置成例如在每个X射线光子入射到其上之前或并发地测量其暗电流。每个像素150可以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可以配置成并行地操作。例如，当一个像素150测量入射X射线光子时，另一个像素150可以等待X射线光子到达。像素150可以不必是单独可以寻址的。
检测器100可以具有至少100个、2500个、10000个或者更多个像素150。检测器100可以配置成将全部像素150计数的、关于相同能量范围仓的X射线光子数量相加。例如，检测器100可以将像素150存储在70KeV至71KeV能量仓中的数值相加，将像素150存储在71KeV至72KeV能量仓中的数值相加，依此类推。检测器100可以将关于仓的相加数值编制成入射到检测器100上的X射线光子的光谱。
图3示意性地示出了按照实施例的检测器100的方框图。每个像素150可以测量入射到其上的x射线光子的能量151。在步骤152中，X射线光子的能量151(例如由ADC)数字化到多个仓153A、153B、153C...中的一个仓内。这些仓153A、153B、153C...各自具有对应的计数器154A、154B和154C。当能量151被分配到仓中时，对应计数器中存储的数值增加一。检测器100可以将存储在与像素150中能量范围相同的那些仓相对应的全部计数器中的数值相加。例如，存储在全部像素150中的全部计数器154C中的数值可以相加并存储在用于相同能量范围的全局计数器100C中。存储在所有全局计数器中的数值可以编制成入射到检测器100上的X射线的能谱。
图4A示意性地示出了按照实施例的检测器100的横截面图。检测器100可以包括X射线吸收层110和电子层120(例如ASIC)，以用于处理或分析入射X射线在X射线吸收层110中生成的电信号。在实施例中，检测器100没有包括闪烁器。X射线吸收层110可以包括半导体材料，例如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或者其组合。半导体对感兴趣X射线能量可以具有高质量衰减系数。
如图4B中的检测器100的详细截面图所示，按照实施例，X射线吸收层110可以包括一个或多个二极管(例如p-i-n或p-n)，其通过第一掺杂区111以及第二掺杂区113的一个或多个离散区114形成。第二掺杂区113可以通过可选的本征区112与第一掺杂区111分隔。离散区114通过第一掺杂区111或本征区112相互分隔。第一掺杂区111和第二掺杂区113具有相反类型的掺杂(例如区域111为p型而区域113为n型，或者区域111为n型而区域113为p型)。在图4B的示例中，第二掺杂区113的每个离散区114与第一掺杂区111以及可选的本征区112形成二极管。即，在图4B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作为共享电极。第一掺杂区111也可以具有离散部分。
当X射线光子撞击X射线吸收层110(其包括二极管)时，X射线光子可以被吸收，并通过多个机制生成一个或多个载流子。X射线光子可以生成10个至100000个载流子。载流子可以在电场下漂移到数个二极管中的一个二极管的电极。该电场可以是外部电场。电触点119B可以包括数个离散部分，每个离散部分与离散区114进行电接触。在一实施例中，载流子可以沿着数个方向漂移，使得单个X射线光子生成的载流子基本上不由两个不同的离散区114共享(在本文中，“基本上不共享”意指这些载流子中不到2％、不到0.5％、不到0.1％或者不到0.01％的载流子流至与其余载流子不同的另一个离散区114)。入射到这些离散区114中的一个离散区的足迹周围的X射线光子所生成的载流子基本上不与这些离散区114的另一个离散区共享。与离散区114相关联的像素150可以是该离散区114周围的一个区域，入射到该区域中的X射线光子所生成的载流子基本上全部(超过98％、超过99.5％、超过99.9％或者超过99.99％)流至该离散区114。即，这些载流子中不到2％、不到1％、不到0.1％或者不到0.01％的载流子流动到该像素之外。
如图4C的检测器的备选详细截面图所示，按照实施例，X射线吸收层110可以包括半导体材料(例如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或者其组合)的电阻器，但是不包括二极管。半导体对感兴趣X射线能量可以具有高质量衰减系数。
当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，它可以被吸收，并通过多个机制来生成一个或多个载流子。X射线光子可以生成10个至100000个载流子。载流子可以在电场下漂移到电触点119A和119B。该电场可以是外部电场。电触点119B包括离散部分。在一实施例中，载流子可以沿数个方向漂移，使得单个X射线光子所生成的载流子基本上不由电触点119B的两个不同离散部分共享(“基本上不共享”在这里意指这些载流子中不到2％、不到0.5％、不到0.1％或者不到0.01％的载流子流至与其余载流子不同的一个离散部分)。入射到电触点119B的这些离散部分中的一个离散部分的足迹周围的X射线光子所生成的载流子基本上不与电触点119B的这些离散部分中的另一个离散部分共享。与电触点119B的离散部分相关联的像素150可以是围绕该离散部分的一个区域，入射到该区域中的X射线光子所生成的载流子基本上全部(超过98％、超过99.5％、超过99.9％或者超过99.99％)流至电触点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％或者不到0.01％的载流子流至与电触点119B的该离散部分相关联的该像素之外。
电子层120可以包括电子系统121，该电子系统适合于处理或解释入射到X射线吸收层110上的X射线光子所生成的信号。电子系统121可以包括模拟电路(例如滤波器网络、放大器、积分器和比较器)或者数字电路(例如微处理器和存储器)。电子系统121可以包括数个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可以包括专用于每个像素的放大器以及在全部像素之间共享的微处理器。电子系统121可以通过通孔131电连接到像素。通孔之间的空间可以填充有填充材料130，该填充材料可以使电子层120与X射线吸收层110连接的机械稳定性增加。在不设通孔的情况下将电子系统121与像素连接的其他接合技术也是可能的。
图5A和图5B各自示意性地示出了按照实施例的、包括聚焦电极的检测器的横截面图。每个电触点119B可以由聚焦电极1101包围。聚焦电极1101包括导电材料，例如多晶硅、金属或金属合金。电触点119B处于X射线吸收层的两个相对表面中的一个相对表面处；聚焦电极在X射线吸收层的两个相对表面之间延伸。
在使用期间，当对聚焦电极1101施加与电触点119B从X射线吸收层110收集的载流子极性相同的电势时(例如，当电触点119B收集电子时为负电势)时，该电势产生电场，将这些载流子导向电触点119B(所述载流子可由入射到聚焦电极1101的界限内入射的X射线光子生成)。聚焦电极可以配置成限制这些载流子的运动，并将这些载流子引导至电触点119B。聚焦电极1101可以具有合适的形式，诸如多面形或圆柱形管或锥体之类。按照图5A所示的实施例，聚焦电极1101采取圆柱形管的形式。按照图5B所示的实施例，聚焦电极1101采取圆柱形锥体的形式，该圆柱形锥体具有在更靠近电触点119B的一端处的较窄开口。在另一实施例中，聚焦电极1101可以采取环形或者一系列环形的形式。根据一实施例，聚焦电极1101不与电触点119B和119A直接接触，而与电触点119B和119A电隔离。根据一实施例，聚焦电极1101与电触点119A直接接触(因此，具有与该电触点相同的电势)，而与电触点119B电隔离。
图6A和图6B各示意性地示出了按照实施例的聚焦电极和电触点的俯视图。聚焦电极1101可以是具有相同大小的两个开口的多面形管。开口的横截面形状可以是正方形。聚焦电极1101的开口的横截面面积可以大于聚焦电极1101所包围的电触点119B的横截面面积。多个聚焦电极1101可以布置成阵列，使得每个聚焦电极1101包围数个电触点119B中的一个电触点。如图6A所示，可以合并多个聚焦电极1101。备选地，如图6B所示，多个聚焦电极1101可以布置成之间相隔一定的距离。
图7A、图7B和图7C各示意性地示出了按照实施例的聚焦电极。图7A示出了图6A聚焦电极1101的示例，该聚焦电极包括多面形管，该多面形管具有正方形的两个开口。图7B示出了聚焦电极1106的示例，该聚焦电极包括圆柱形管，该圆柱形管具有圆形的两个开口。如上所述，例如图7A和图7B所示的多面形管和圆柱形管也可以是锥形体形状，其具有远离电触点119B的开口，该开口比处于电触点119B近向的那个开口大。图7C示出了聚焦电极1107的示例，该聚焦电极包括具有柱形体或支柱形状的离散电极，并且这些离散电极沿多面形或圆柱形管或锥体的表面布置。
图8A和图8B分别示出了按照实施例的电子系统121部件图。电子系统121可以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、ADC 306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进行比较。第一电压比较器301可以配置成直接监测电压，或者通过对某个时期内流经二极管或电触点的电流求积分来计算电压。第一电压比较器301可以由控制器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可以配置成连续地启动，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降低了系统121丢失入射X射线光子所生成信号的机会。当入射X射线强度相对高时，配置为连续比较器的第一电压比较器301是特别适合的。第一电压比较器301可以是定时比较器，其具有更低功耗的有益效果。配置为定时比较器的第一电压比较器301会使系统121丢失入射X射线光子所生成的信号。当入射X射线强度相对低时，丢失入射X射线光子的机会较低，因为两个连续光子之间的时间间隔较长。因此，当入射X射线强度低时，配置为定时比较器的第一电压比较器301是特别适合的。第一阈值可以是一个入射X射线光子可在电触点119B上生成的最大电压的1-5％、5-10％、10％-20％、20-30％、30-40％或40-50％。最大电压可以取决于入射X射线光子的能量(即，入射X射线的波长)、X射线吸收层110的材料和其他因素。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进行比较。第二电压比较器302可以配置成直接监测电压，或者通过对某个时期内流经二极管或电触点的电流求积分来计算电压。第二电压比较器302可以是连续比较器。第二电压比较器302可以由控制器310可控地启动或停用。当停用第二电压比较器302时，第二电压比较器302的功率消耗可以小于启动第二电压比较器302时的功耗的1％、5％、10％或20％。第二阈值的绝对值大于第一阈值的绝对值。如本文所使用的术语——实数x的“绝对值”或“模量”|x|——是x的非负值，而不考虑其符号。即，
Figure BDA0002454618610000091
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可以是同一部件。即，系统121可以具有一个电压比较器，其能够在不同的时间将电压与两个不同阈值进行比较。
第一电压比较器301或者第二电压比较器302可以包括一个或多个运算放大器或者任何其他合适的电路。第一电压比较器301或第二电压比较器302可以具有高速度，以允许系统121在高入射X射线通量下操作。但是，具有高速度常常以功耗为代价。
计数器320可以是软件部件(例如存储在计算机存储器中的数值)或硬件部件(例如4017IC和7490IC)。每个计数器320与能量范围的仓相关联。例如，计数器320A可以与70-71KeV的仓关联；计数器320B可以与71-72KeV的仓关联；计数器320C可以与72-73KeV的仓关联；计数器320D可以与73-74KeV的仓关联。当ADC 306确定入射X射线光子的能量在计数器320所关联的仓中时，计数器320中记录的数值增加一。
控制器310可以是硬件组件，例如微控制器或者微处理器。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，电压的绝对值从低于第一阈值的绝对值增加到等于或高于第一阈值的绝对值)的时刻起开始时间延迟。在这里使用了绝对值，因为电压可以为负的或正的，这取决于是二极管的阴极还是阳极的电压或者使用了哪一个电触点。控制器310可以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刻之前保持停用第二电压比较器302、计数器320和任何第一电压比较器301的操作无需的其他电路。时间延迟可以在电压变稳定即电压的变化率基本上为零之后终止。词语“变化率基本上为零”表示时间变化小于0.1％/ns。词语“变化率基本上为非零”表示电压的时间变化至少为0.1％/ns。
控制器310可以配置成在该时间延迟期间(包括开始和终止)启动第二电压比较器。在一实施例中，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”表示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之类的信号、通过提供电力等)。术语“停用”表示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之类的信号、通过切断电力等)。操作状态可以具有比非操作状态要高的功耗(例如高10倍、高100倍、高1000倍)。控制器310本身可以停用，直到第一电压比较器301的输出在电压绝对值大于等于第一阈值绝对值时启动控制器310。
控制器310可以配置成在时间延迟期间，在第二电压比较器302确定电压绝对值大于等于第二阈值绝对值且X射线光子的能量落入与数个计数器320中的一个计数器相关联的仓中时，使该计数器320所记录的数值增加一。
控制器310可以配置成在时间延迟终止时使ADC 306将电压数字化，并且基于该电压来确定X射线光子的能量落入哪一仓中。
控制器310可以配置成将电触点119B连接到电接地，以便复位电压，并且释放电触点119B上累积的任何载流子。在一实施例中，电触点119B在时间延迟终止后连接到电接地。在一实施例中，电触点119B在有限的复位时期内连接到电接地。控制器310可以通过控制开关305将电触点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没有模拟滤波器网络(例如RC网络)。在实施例中，系统121没有模拟电路。
ADC 306可以将所测量的电压作为模拟或数字信号来馈送给控制器310。ADC可以是逐次近似寄存器(SAR)ADC(又称作逐次近似ADC)。SAR ADC对所有可能的量化电平进行二进制搜索来将模拟信号数字化，最终会聚成用于模拟信号的数字输出。SAR ADC可以具有四个主要子电路：取样和保持电路，获取输入电压(Vin)；内部数模转换器(DAC)，配置成为模拟电压比较器供应等于逐次近似寄存器(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的输出进行比较，并且向SAR输出比较结果；以及SAR，配置成向内部DAC供应Vin的近似数字代码。SAR可以初始化，使得最高有效位(MSB)等于数字1。这个代码被馈入内部DAC，其然后将这个数字代码(Vref/2)的模拟等效内容提供到比较器中供与Vin的比较。如果这个模拟电压超过Vin，则比较器使SAR重置这个位；否则此位保持为1。然后，SAR的下一位设置为1，并且进行相同测试，从而继续进行这个二进制搜索，直到测试SAR中的每一位。所产生代码是Vin的数字近似，并且最终由SAR在数字化结束时输出。
系统121可以包括电容器模块309，该电容器模块电连接到电触点119B，其中该电容器模块配置成收集来自电触点119B的载流子。电容器模块能够包括放大器的反馈路径中的电容器。这样配置的放大器称作电容互阻抗放大器(CTIA)。CTIA通过阻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改进信噪比。来自电极的载流子对某个时间周期(“积分周期”)(例如如图9所示，在ts与t0之间)在电容器上累积。在积分周期已经终止之后，电容器电压由ADC 306来取样，并且然后通过复位开关来复位。电容器模块309能够包括直接连接到电触点119B的电容器。
图9示意性地示出了由入射到与电触点119B关联的像素150上的X射线光子所生成的载流子引起的流经电触点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)。电压可以是电流相对时间的积分。在时间t0，X射线光子照射二极管或电阻器，载流子在像素150中生成，电流开始流经电触点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，以及控制器310开始时间延迟TD1，并且控制器310可以在TD1开始时停用第一电压比较器301。如果在t1之前停用控制器310，则在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。如这里所使用的术语——在时间延迟“期间”——表示开始和终止(即，结束)及其之间的任何时间。例如，控制器310可以在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确定电压的绝对值在时间t2大于等于第二阈值的绝对值，则控制器310等待电压的稳定开始稳定。当X射线光子所生成的全部载流子漂移出X射线吸收层110时，电压在时间te稳定。在时间ts，时间延迟TD1终止。在时间te或之后，控制器310让ADC 306将电压数字化，并且确定X射线光子的能量落入哪一仓。然后，控制器310使得与仓对应的计数器320所记录的数值增加一。在图9的示例中，时间ts在时间te之后，即，TD1在X射线光子所生成的全部载流子漂移出X射线吸收层110之后终止。如果时间te不能容易地测量，则TD1能够凭经验来选择成允许充分的时间来收集X射线光子所生成的基本上全部载流子，但是不会过长而冒具有另一个入射X射线光子的风险。即，TD1能够凭经验选择成使得ts凭经验在时间te之后。时间ts不一定在时间te之后，因为控制器310可以在达到V2时则忽视TD1，并且等待时间te。因此，电压与暗电流对电压的份额之间的差的变化率在te基本上为零。控制器310可以配置成在TD1终止时或者在t2处或其之间的任何时间停用第二电压比较器302。
在时间te的电压与X射线光子所生成的载流子量(其涉及X射线光子的能量)成比例。控制器310可以配置成基于ADC 306的输出来确定X射线光子的能量落入哪一仓。
在TD1终止或者在ADC 306进行数字化(相对发生较晚的那一个)之后，控制器310在复位周期RST将电触点119B连接到电接地，以允许电触点119B上累积的载流子流动到接地，使电压复位。在RST之后，系统121准备好检测另一个入射X射线光子。隐含地，图9示例中的系统121能够处理的入射X射线光子的比率通过1/(TD1+RST)来限制。如果第一电压比较器301已经停用，则控制器310能够在RST终止之前的任何时间启动它。如果控制器310已经停用，则可以在RST终止之前启动该控制器。
因为检测器100具有可以并行操作的许多像素150，所以检测器能够处理更高的入射X射线光子比率。这是因为特定像素150上的入射率是整个像素阵列入射率的1/N，其中N为像素的数量。
图10示意性地示出了包括本文所述半导体X射线检测器100的系统。该系统可以用于医疗成像，例如胸腔X射线照相、腹部X射线照相等。该系统包括X射线源1201。从X射线源1201所发射的X射线穿透对象1202(诸如人体部位之类，例如胸腔、肢体、腹部)，通过对象1202的内部结构(例如骨骼、肌肉、脂肪和器官等)不同程度地衰减，并且投射到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测X射线的强度分布来形成图像。
图11示意性地示出了包括本文所述半导体X射线检测器100的系统。该系统可以用于医疗成像，例如牙科X射线照相。该系统包括X射线源1301。从X射线源1301所发射的X射线穿透对象1302，其是哺乳动物(例如人类)口腔的部分。对象1302可以包括上颌骨、腭骨、牙齿、下颌骨或舌头。X射线通过对象1302的不同结构不同程度地衰减，并且投射到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测X射线的强度分布来形成图像。牙齿比蛀牙、感染、牙周膜要更多地吸收X射线。由牙科患者所接收的X射线辐射的剂量通常较小(对全口系列为大约0.150mSv)。
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的货物扫描或者非侵入式检查(NII)系统。该系统可以用于检查和识别运输系统(例如集装箱、车辆、船舶、行李等)中的商品。该系统包括X射线源1401。从X射线源1401所发射的X射线可以从对象1402(例如集装箱、车辆、船舶等)后向散射，并且投射到半导体X射线检测器100。对象1402的不同内部结构可以不同地后向散射X射线。半导体X射线检测器100通过检测后向散射X射线的强度分布和/或后向散射X射线光子的能量来形成图像。
图13示意性地示出了包括本文所述的半导体X射线检测器100的另一个货物扫描或者非侵入式检查(NII)系统。该系统可以用于公共交通车站和机场的行李检查。该系统包括X射线源1501。从X射线源1501所发射的X射线可以穿透一件行李1502，通过行李的内容以不同方式衰减，并且投射到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测所透射X射线的强度分布来形成图像。该系统可以展现行李的内容，并且识别对公共交通的违禁品(例如火器、麻醉剂、锐器、易燃品)。
图14示意性地示出了包括本文所述半导体X射线检测器100的全身扫描器系统。全身扫描器系统可以为了安检而检测人体上的对象，而无需从身上脱掉衣物或进行身体接触。该全身扫描器系统可能够检测非金属对象。该全身扫描器系统包括X射线源1601。从X射线源1601所发射的X射线可以从被检查人体1602和其上的对象后向散射，并且投射到半导体X射线检测器100。对象和人体可以不同地后向散射X射线。半导体X射线检测器100通过检测后向散射的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1601可以配置成沿线性或旋转方向来扫描人体。
图15示意性地示出了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X射线来产生被扫描对象的特定区域的断层扫描图像(虚拟“层面”)。断层扫描图像可以用于各种医学学科中的诊断和治疗目的或者用于瑕疵检测、故障分析、计量学、组件分析和反向工程。X射线CT系统包括本文所述的半导体X射线检测器100以及X射线源1701。半导体X射线检测器100和X射线源1701可以配置成沿一个或多个圆形或螺旋路径同步地旋转。
图16示意性地示出了电子显微镜。电子显微镜包括电子源1801(又称作电子枪)，其配置成发射电子。电子源1801可以具有各种发射机构，例如热离子、光电阴极、冷发射或等离子体源。所发射电子经过电子光系统1803，该系统可以配置成对电子进行整形、加速或聚焦。然后，电子到达样本1802，图像检测器可以从该样本形成图像。电子显微镜可以包括本文所述的半导体X射线检测器100，以用于执行能量扩散X射线光谱(EDS)。EDS是用于样本的元素分析或化学表征的分析技术。当电子入射到样本时，它们引起特性X射线从样本的发射。入射电子可以激发样本的原子内壳层中的电子，将电子从内壳层中逐出，同时在电子先前所在之处产生电子空穴。然后，来自更高能量外壳层的电子填充空穴，在更高能量壳层与更低能量壳层之间的能量差可以以X射线形式来释放。从样本发射的X射线数量和能量能够由半导体X射线检测器100来测量。
这里所述的半导体X射线检测器100可以得到其他应用，例如在X射线望远镜、X射线乳房X射线照相、工业X射线缺陷检测、X射线显微镜或显微射线照相、x射线铸件检查、X射线无损测试、X射线焊接检查、X射线数字减影血管造影等。可以使用该半导体X射线检测器100代替照相底板、胶片、PSP板、X射线图像增强器、闪烁器或者另一个半导体X射线检测器。
虽然本文公开了各个方面和实施例，但是其他方面和实施例将是本领域的技术人员清楚知道的。本文所公开的各个方面和实施例是为了便于说明而不是要进行限制，其中真实范围和精神通过以下权利要求书来指示。

Claims (22)

1.一种检测器，包括：
多个像素，每个像素配置成对某个时间周期内入射到该像素上的、能量落入多个仓中的X射线光子数量进行计数；
X射线吸收层；
其中，所述X射线吸收层包括：每个像素内的电触点；以及聚焦电极，该聚焦电极包围所述电触点，并且所述聚焦电极配置成将入射在所述聚焦电极的界限内的X射线光子所生成的载流子导向所述电触点；
其中，所述检测器配置成将全部像素计数的、关于相同能量范围的仓的X射线光子数量相加；
其中，所述电触点处于所述X射线吸收层的第一表面处；并且
其中，所述聚焦电极在所述第一表面与所述X射线吸收层的与所述第一表面相对的第二表面之间延伸。
2.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述聚焦电极包括多晶硅、金属或金属合金。
3.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述聚焦电极不与所述电触点直接接触。
4.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述聚焦电极包括采取柱形体或支柱形状的离散电极。
5.根据权利要求4所述的检测器，其中，所述离散电极沿多面形或圆柱形管或锥体的表面布置。
6.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述聚焦电极包括采取多面形或圆柱形管或锥体的形状的电极。
7.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述聚焦电极与所述电触点电隔离。
8.根据权利要求1所述的检测器，该检测器还配置成将相加的X射线光子数量编制成入射到所述检测器上的X射线光子光谱。
9.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。
10.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述多个像素配置成对相同时间周期内的X射线光子数量进行计数。
11.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述多个像素中的每个像素包括模数转换器(ADC)，该模数转换器配置成将表示入射X射线光子能量的模拟信号数字化为数字信号。
12.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述像素配置成并行地操作。
13.根据权利要求11所述的检测器，其中，所述ADC是逐次近似寄存器ADC。
14.根据权利要求1所述的检测器，还包括：
第一电压比较器，该第一电压比较器配置成将所述电触点的电压与第一阈值进行比较；
第二电压比较器，该第二电压比较器配置成将所述电压与第二阈值进行比较；
控制器；
多个计数器，所述多个计数器中的每个计数器与一仓相关联，并且配置成记录所述多个像素中的一个像素吸收的X射线光子数量，其中X射线光子的能量落入所述仓中；
其中，所述控制器配置成从所述电压比较器确定所述电压的绝对值大于等于所述第一阈值的绝对值的时刻起开始时间延迟；
所述控制器配置成确定X射线光子的能量是否落入所述仓中；
所述控制器配置成让与所述仓相关联的所述计数器记录的数值增加一。
15.根据权利要求14所述的检测器，还包括电容器模块，该电容器模块电连接到所述电触点，其中，所述电容器模块配置成收集来自所述电触点的载流子。
16.根据权利要求14所述的检测器，其中，所述控制器配置成在所述时间延迟开始或终止时启动所述第二电压比较器。
17.根据权利要求14所述的检测器，其中，所述控制器配置成将所述电触点连接到电接地。
18.根据权利要求14所述的检测器，其中，所述电压的变化率在所述时间延迟终止时基本上为零。
19.根据权利要求14所述的检测器，其中，所述X射线吸收层包括二极管。
20.根据权利要求14所述的检测器，其中，所述X射线吸收层包括硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或者其组合。
21.根据权利要求1所述的检测器，其中，所述检测器不包括闪烁器。
22.一种包括根据权利要求1所述的检测器以及X射线源的系统，其中，所述系统配置成对人体胸腔或腹部执行X射线照相。
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