CN111226139B

CN111226139B - 具有冷却系统的x射线检测器

Info

Publication number: CN111226139B
Application number: CN201780096017.3A
Authority: CN
Inventors: 曹培炎; 刘雨润
Original assignee: Shenzhen Xpectvision Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Xpectvision Technology Co Ltd
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2023-08-01
Anticipated expiration: 2037-10-26
Also published as: EP3701291B1; TWI804520B; EP3701291A1; CN111226139A; US11204431B2; TW201917418A; EP3701291A4; WO2019080041A1; US20200249363A1

Abstract

适合于X射线检测的系统(200)，该系统包括检测器(100)和冷却系统(210)，其配置成控制检测器(100)的温度，并且防止水蒸汽在检测器(100)上的冷凝。检测器(100)包括X射线吸收层(110)和电子层(120)。X射线吸收层(110)包括多个像素(150)，每个像素(150)配置成对某个时间段之内入射到其上、其能量落入多个格中的X射线光子的数量进行计数。电子层(120)包括电子系统(121)，其配置成相加全部像素(150)所计数的相同能量范围的格的X射线光子的数量。冷却系统(210)包括配置成降低空气的温度和水分水平的冷却器(220)以及配置成向检测器(100)吹送被冷却和干燥的空气的风扇(213)。

Description

具有冷却系统的X射线检测器

【技术领域】

本公开涉及X射线检测器，具体来说涉及具有冷却系统的X射线检测器。

【背景技术】

X射线检测器可以是用来测量X射线的通量、空间分布、谱或其他性质的装置。

X射线检测器可用于许多应用。一个重要应用是成像。X射线成像是一种射线照相技术，并且能够用来展现不均匀组成和不透明对象(例如人体)的内部结构。

用于成像的早期X射线检测器包括照相底板和胶片。照相底板可以是具有光敏乳剂的涂层的玻璃板。虽然照相底板被胶片来取代，但是它们因所提供的优良质量及其极高稳定性而仍然可用于特殊状况中。胶片可以是具有光敏乳剂的涂层的塑料膜(例如条或片)。

在20世纪80年代，光激励磷光板(PSP板)变得可用。PSP板可包含其晶格中具有色心的磷光体材料。当PSP板暴露于X射线时，通过X射线所激发的电子在色心中被捕集，直到它们被对底板表面扫描的激光束来激励。当底板被激光来扫描时，所捕集的激发电子发出光，其由光电倍增管来收集。所收集光被转换为数字图像。与照相底板和胶片形成对照，PSP板能够再使用。

另一种X射线检测器是X射线图像增强器。X射线图像增强器的组件通常在真空中密封。与照相底板、胶片和PSP板形成对照，X射线图像增强器可产生实时图像，即，不要求后曝光处理以产生图像。X射线首先照射输入磷光体(例如碘化铯)，并且被转换成可见光。可见光然后照射光电阴极(例如包含铯和锑化合物的薄金属层)，并且引起电子的发射。所发射电子的数量与入射X射线的强度成比例。所发射电子经过电子光学器件来投射到输出磷光体上，并且使输出磷光体产生可见光图像。

闪烁器与射线图像增强器有点相似地进行操作，因为闪烁器(例如碘化钠)吸收X射线，并且发射可见光，其然后能够由可见光的适当图像传感器来检测。在闪烁器中，可见光沿所有方向蔓延和散射，并且因而降低空间分辨率。减少闪烁器厚度帮助改进空间分辨率，但是也降低X射线的吸收。因此，闪烁器必须达成吸收效率与分辨率之间的折衷。

半导体X射线检测器通过X射线到电信号的直接转换在很大程度上克服这个问题。半导体X射线检测器可包括半导体层，其吸收感兴趣波长中的X射线。当X射线光子在半导体层中被吸收时，多个载流子(例如电子和空穴)被生成，并且在电场下扫向半导体层上的电触点。当前可用半导体X射线检测器(例如Medipix)中所要求的复杂的热管理能够使具有大面积和大量像素的检测器难以或者不可能生产。

【发明内容】

本文所公开的是一种系统，其包括：检测器，包括X射线吸收层和电子层；以及冷却系统，配置成控制检测器的温度，并且防止检测器上的水蒸汽的冷凝；其中X射线吸收层包括多个像素，每个像素配置成在某个时间段之内对入射到其上的X射线光子(其能量落入多个格中)的数量进行计数；其中电子层包括电子系统，其配置成相加全部像素所计数的相同能量范围的格的X射线光子的数量；其中冷却系统包括配置成降低温度和空气的水分水平的冷却器以及配置成向检测器吹送经冷却和干燥的空气的风扇。

按照实施例，冷却器包括珀耳帖致冷器。

按照实施例，冷却器包括压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀。

按照实施例，冷却系统还包括干燥剂除湿器，其配置成在向检测器吹送空气之前从空气中抽取水分。

按照实施例，该系统还包括覆盖X射线吸收层的X射线接收表面的透射窗口，其中透射窗口配置成允许X射线光子通过并且到达X射线吸收层。

按照实施例，透射窗口包括聚酰亚胺、石墨烯、聚碳酸酯、聚(对二甲苯)、氮化硅、铝、铍或者其组合。

按照实施例的系统，其中，检测器没有在气密壳体中真空封装。

按照实施例，该系统还包括冷板，其配置成通过吸收来自检测器的热量来冷却检测器，其中检测器安装在冷板上。

按照实施例，冷板是散热器，其中散热器配置成将从检测器所吸收的热量传递到来自冷却系统、经过和围绕散热器流动的空气。

按照实施例，冷板是珀耳帖致冷器的冷却板。

按照实施例，冷板是通过珀耳帖致冷器或空气调节器所冷却的金属板。

按照实施例，检测器配置成将相加数量编制为入射到检测器上的X射线光子的光谱。

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段之内的X射线光子的数量进行计数。

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射线光子的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，像素的每个配置成测量其暗电流。

按照实施例，像素的每个配置成在每个X射线光子入射到其上之前或同时测量其暗电流。

按照实施例，像素的每个配置成从入射到其上的X射线光子的能量中减去暗电流的贡献。

按照实施例，像素的每个配置成通过测量使电压增加某个阈值所花费的时间来测量其暗电流。

按照实施例，ADC是逐次近似寄存器(SAR)ADC。

按照实施例，电子系统包括：第一电压比较器，配置成将X射线吸收层的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；控制器；多个计数器，其各自与格关联，并且配置成记录像素之一所吸收的X射线光子的数量，其中X射线光子的能量落入格中；其中，控制器配置成从第一电压比较器确定电压的绝对值等于或超过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格中；控制器配置成使与格关联的计数器所记录的数量增加一。

按照实施例，电子系统还包括电容器模块，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到期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到期时基本上为零。

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，检测器没有包括闪烁器。

【附图说明】

图1A和图1B分别示意示出按照实施例、适合于X射线检测的系统的截面图和透视图。

图2A示意示出按照实施例的冷却器的框图。

图2B示意示出按照实施例、包括珀耳帖致冷器的冷却器的框图。

图3示意示出按照实施例、作为鳍片散热器的冷板。

图4示意示出按照实施例、图1A的检测器。

图5A示意示出按照实施例、图1A的检测器的详细截面图。

图5B示意示出按照实施例、图1A的检测器的备选详细截面图。

图6A和图6B各示出按照实施例的电子系统的组件图。

图7示意示出入射到与电触点关联的像素上的X射线光子所生成的载流子所引起的流经电触点的电流的时间变化(上曲线)以及电触点的电压的对应时间变化(下曲线)。

【具体实施方式】

半导体X射线检测器可获益于工作在特定温度范围之内的工作温度。特定温度范围的选择取决于检测器的应用细节以及用于检测器中的X射线吸收的半导体材料。例如，将硅(Si)或锗(Ge)用于吸收的半导体X射线检测器的温度范围可从-40℃至-90℃，这可帮助降低因价电子的热激发引起的电噪声(其可具有足够能量来穿过Si或Ge的带隙并且到达导带)。将CdTe或CdZnTe用于吸收的检测器的温度范围可比使用Si或Ge的检测器的温度范围要高(例如在室温左右)，因为CdTe和CdZnTe具有比Si和Ge要大的带隙，并且因而具有带有足够能量穿过CdTe或CdZnTe的带隙的热激发电子的更低可能性。当检测器工作在低于室温的温度(例如0℃、-20℃、-40℃等)时，微观污染物(例如烃和水蒸汽)可沉积到检测器上并且影响其操作。

图1A和图1B分别示意示出按照实施例、适合于X射线检测的系统200的截面图和透视图。系统200包括：检测器100，配置成检测入射到其上的X射线光子；以及冷却系统210，配置成控制检测器100的温度，并且降低水蒸汽在检测器100上的冷凝。在实施例中，检测器100没有在气密壳体中真空封装。系统200还可包括覆盖检测器100的X射线接收表面101的透射窗口201。系统200还可包括冷板202，其上安装检测器100，以及冷板202(例如图3的鳍片散热器、珀耳帖致冷器等)可配置成通过吸收来自检测器100的热量来冷却检测器100。热传导粘合剂(例如环氧树脂)可施加在检测器100与冷板202之间，以改进接合的热导率和机械强度。

检测器100可包括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可包括半导体材料，例如Si、Ge、GaAs、CdTe、CdZnTe或者其组合。半导体对感兴趣X射线能量可具有高质量衰减系数。

冷却系统210可包括冷却器220和风扇213。冷却器220可包括图2A的空气冷却系统、图2B的珀耳帖致冷器或者任何其他适当冷却装置。冷却器220可配置成降低通过冷却器220的空气的温度和水分水平，以及风扇213可配置成向检测器100吹送冷却器220所冷却和干燥的空气，使得检测器100保持为干燥和冷却(例如在0℃、-20℃、-40℃等)。如本文所使用的词语“空气”并不局限于地球大气中的气体的混合物，而能够是任何气体(例如氮和氩)。在图1A和图1B的示例中，来自冷却系统210的空气流(通过虚线箭头所示)被引导到检测器100的面向入射X射的表面或者侧壁，以便从表面和侧壁带走热量和水分。

透射窗口201可包括诸如聚酰亚胺、石墨烯碳、聚碳酸酯、聚(对二甲苯)、氮化硅、铝、铍或者其组合之类的材料。用于透射窗口201的材料可具有待检测X射线的小衰减，使得入射到其上的X射线的大部分(例如80％、90％、95％、99％

等)能够经过透射窗口201，并且到达X射线吸收层110。透射窗口201还可配置成阻挡不希望辐射(例如UV光和可见光)。透射窗口201可通过诸如旋涂、物理气相沉积、化学气相沉积或者任何其他适当方法之类的方法来形成到X射线接收表面101上。

图2A示意示出按照实施例的冷却器220的框图。冷却器220可包括压缩机221、冷凝器222、膨胀阀223和蒸发器224(或冷却线圈)、另一个风扇225和恒温器227。在冷却器220的工作循环期间，压缩机221通过增加压力将冷却剂226(通过实线箭头所示)从气体形式压缩成液体形式。热量在压缩期间生成。为了耗散热量，液体形式的冷却剂226被泵送到冷凝器222，其中风扇225所吸入的空气1带走热量，并且冷却液体形式的冷却剂226。液体形式的冷却剂226然后被引导到膨胀阀223，其向蒸发器224可控地释放液体形式的冷却剂226。液体形式的冷却剂226变换回气体形式，并且在经过膨胀阀223和蒸发器224时吸收来自周围的热量。当风扇213所吸入的空气2经过蒸发器224或者与其附连的散热器(例如图3的鳍片散热器)时，空气2被冷却并且还因蒸发器224上的水分的冷凝而被除湿。在蒸发器224上冷凝的水以后采取液体形式来排出。最后，气体形式的冷却剂226返回到压缩机221，并且另一个工作循环可继续进行。恒温计227配置成通过调节蒸发器224的温度(例如通过调节冷却剂226的流量)来控制吹送到检测器100的空气2的温度。

图2B示意示出按照实施例、包括珀耳帖致冷器231的冷却器220的框图。珀耳帖致冷器231是基于半导体的电子组件，其能够将电压或电流输入转换为其两个表面(即，加热板232a和冷却板232b)上的差。例如，当电流施加到珀耳帖致冷器231时，冷却板232b被冷却，并且加热板232a被加热。通过调节流经珀耳帖致冷器231的电流的幅值，能够控制加热板232a和冷却板232b的温度。珀耳帖致冷器231还可包括附连到加热板232a的散热器233a(例如图3的鳍片散热器)以及附连到冷却板232b的另一个散热器233b(例如图3的鳍片散热器)。散热器是热交换器，其配置成在固体物质(例如加热板232a或冷却板232b)与流体(液体或气体)之间传递热量。散热器可具有与流体的大接触面积。在图2B的示例中，风扇234将空气1吸入散热器233a中，以及散热器233a将热量从加热板232a传递到流经其中的空气1。风扇213将空气2吸入散热器233b，并且散热器233b通过将热量从空气2传递到冷却板232b来冷却空气2，并且还通过空气2中的水分在散热器233b上的冷凝对空气2进行除湿。在散热器233b上冷凝的水分可采取液体形式来排出。

在实施例中，冷却系统210还可包括空气流控制面板228(图2A和图2B所示)，其配置成调整吹送到检测器100的空气2的空气流模式，以实现有效冷却和除湿。例如，空气2的一部分可引导到检测器100的表面和侧壁(如图1A和图1B所示)，而空气2的另一部分可引导到检测器100下面作为鳍片散热器(图3所示)的冷板202。

在实施例中，冷却系统210还可包括附加除湿器229(图2A和图2B所示)(例如干燥剂除湿器)，其配置成在吹送到检测器100之前从冷却器220所冷却和干燥的空气中进一步抽取水分。例如，干燥剂除湿器使用水分吸收材料从低温(例如低于0℃)的空气中吸收水分。附加除湿器229可放置在冷却器220与检测器100之间。

图3示意示出按照实施例、作为鳍片散热器的冷板202。鳍片散热器可包括基底241和多个鳍片242，其均可包括具有良好热导率的材料(例如铜和铝)。检测器100可安装在基底241上并且向基底241传递热量。结合鳍片242以增加表面面积，以便增强检测器100的热耗散效率。当来自冷却系统210的空气经过并且围绕散热器流动时，由散热器从检测器100所吸收的热量能够传递到空气，使得检测器100可被冷却。

在实施例中，冷板202可以是珀耳帖致冷器的冷却板。冷却板可具有接近检测器的工作温度的温度(例如0℃、-20℃、-40℃等)。在另一个实施例中，冷板202可以是金属板，其包括具有良好热导率的材料(例如铜、铝或者其组合)。金属板可由一个或多个珀耳帖致冷器(其冷却板附连到金属板)来冷却。金属板还能够由空气调节器来冷却。例如，空气调节器可使包含冷却剂的冷却管道附连到金属板，并且使冷却剂循环以吸收来自金属板的热量。

图4示意示出按照实施例、图1A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配置成对某个时间段之内入射到其上、其能量落入多个格中的X射线光子的数量进行计数。全部像素150可配置成对相同时间段之内在能量的多个格内入射到其上的X射线光子的数量进行计数。每个像素150可具有其自己的模数转换器(ADC)，其配置成将表示入射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位分辨率或更高的ADC是有用的。每个像素150可配置成例如在每个X射线光子入射到其上之前或同时测量其暗电流。每个像素150可配置成从入射到其上的X射线光子的能量中减去暗电流的贡献。像素150可配置成并行地操作。例如，当一个像素150测量入射X射线光子时，另一个像素150可等待X射线光子到达。像素150可以不必是单独可寻址的。

检测器100可具有至少100、2500、10000或者更多像素150。检测器100可配置成相加全部像素150所计数的相同能量范围的格的X射线光子的数量。例如，检测器100可相加像素150存储在从70KeV至71KeV的能量的格中的数量，相加像素150存储在从71KeV至72KeV的能量的格中的数量，依此类推。检测器100可将格的相加数量编制为入射到检测器100上的X射线光子的光谱。

图5A示意示出按照实施例、图1A的检测器100的详细截面图，X射线吸收层110可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所形成。第二掺杂区113可通过可选本征区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5A的示例中，第二掺杂区113的离散区114的每个形成具有第一掺杂区111和可选本征区112的二极管。即，在图5A的示例中，X射线吸收层110具有多个二极管，其具有作为共享电极的第一掺杂区111。第一掺杂区111还可具有离散部分。

当X射线光子照射X射线吸收层110(其包括二极管)时，X射线光子可被吸收，并且通过多个机制来生成一个或多个载流子。X射线光子可生成10至100000个载流子。载流子可在电场下漂移到二极管之一的电极。该电场可以是外部电场。电触点119B可包括离散部分，其每个与离散区114进行电接触。在实施例中，载流子可沿这样的方向漂移，以使得单个X射线光子所生成的载流子基本上没有由两个不同离散区114所共享(“基本上没有共享”在这里表示这些载流子的不到2％、不到0.5％、不到0.1％或者不到0.01％流动到离散区114中与载荷子的其余部分不同的离散区114)。在这些离散区114之一的足迹周围入射的X射线光子所生成的载流子基本上没有与这些离散区114的另一个共享。与离散区114关联的像素150可以是离散区114周围的一个区域，其中入射到其上的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％)流动到所述离散区114。即，这些载流子的不到2％、不到1％、不到0.1％或者不到0.01流动到所述像素之外。

如图5B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，但是没有包括二极管。半导体对感兴趣X射线能量可具有高质量衰减系数。

当X射线光子照射X射线吸收层110(其包括电阻器但没有包括二极管)时，它可被吸收，并且通过多个机制来生成一个或多个载流子。X射线光子可生成10至100000个载流子。载流子可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。在实施例中，载流子可沿这样的方向漂移，以使得单个X射线光子所生成的载流子基本上没有由电触点119B的两个不同离散部分所共享(“基本上没有共享”在这里表示这些载流子的不到2％、不到0.5％、不到0.1％或者不到0.01％流动到离散部分中与载荷子的其余部分不同的离散部分)。通过在电触点119B的这些离散部分之一的足迹周围入射的X射线光子所生成的载流子基本上没有与电触点119B的这些离散部分的另一个共享。与电触点119B的离散部分关联的像素150可以是离散部分周围的一个区域，其中入射到其上的X射线光子所生成的基本上全部(超过98％、超过99.5％、超过99.9％或者超过99.99％)载流子流动到电触点119B的离散部分。即，这些载流子的不到2％、不到0.5％、不到0.1％或者不到0.01流动到与电触点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，其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(例如微处理器和内存)。电子系统121可包括像素所共享的组件或者专用于单个像素的组件。例如，电子系统121可包括专用于每个像素的放大器以及在全部像素之间共享的微处理器。电子系统121可通过通孔131电连接到像素。通孔之间的空间可填充有填充材料130，其可增加电子层120到X射线吸收层110的连接的机械稳定性。将电子系统121连接到像素而没有使用通孔的其他接合技术是可能的。

图6A和图6B各示出按照实施例的电子系统121的组件图。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、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可配置成直接监测电压，或者通过对某个时间段对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可配置成连续被启动，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降低系统121错过入射X射线光子所生成的信号的机会。当入射X射线强度较高时，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可以是钟控比较器，其具有更低功率消耗的有益效果。配置为钟控比较器的第一电压比较器301可能使系统121错过入射X射线光子所生成的信号。当入射X射线强度较低时，错过入射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射线强度较低时，配置为钟控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可配置成直接监测电压，或者通过对某个时间段对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的功率消耗可小于启动第二电压比较器302时的功率消耗的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，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可以是同一组件。即，系统121可具有一个电压比较器，其能够在不同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可包括一个或多个运算放大器或者任何其他适当电路。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在入射X射线的高通量下操作。但是，具有高速度常常以功率消耗为代价。

计数器320可以是软件组件(例如计算机内存中存储的数值)或硬件组件(例如4017IC和7490IC)。每个计数器320与能量范围的格关联。例如，计数器320A可与70-71KeV的格关联，计数器320B可与71-72KeV的格关联，计数器320C可与72-73KeV的格关联，计数器320D可与73-74KeV的格关联。当入射X射线光子的能量由ADC 306来确定为处于计数器320所关联的格中时，计数器320中记录的数量增加一。

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确定电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值(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值)的时间开始时间延迟。在这里使用绝对值，因为电压可以为负或正，这取决于是二极管的阴极还是阳极的电压或者使用哪一个电触点。控制器310可配置成在第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值的时间之前保持停用第一电压比较器301的操作不要求的第二电压比较器302、计数器320和任何其他电路。时间延迟可在电压变稳定、即电压的变化率基本上为零之后到期。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可配置成在该时间延迟期间(包括开始和到期)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”表示使组件进入操作状态(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”表示使组件进入非操作状态(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)。操作状态可具有比非操作状态要高的功率消耗(例如高10倍、高100倍、高1000倍)。控制器310本身可停用，直到第一电压比较器301的输出在电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值时启动控制器310。

控制器310可配置成在时间延迟期间、第二电压比较器302确定电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值并且X射线光子的能量落入与计数器320关联的格中时，使计数器320之一所记录的数量增加一。

控制器310可配置成在时间延迟到期时使ADC 306数字化电压，并且基于电压来确定X射线光子的能量落入哪一格。

控制器310可配置成将电触点119B连接到电接地，以便重置电压，并且排放电触点119B上累积的任何载流子。在实施例中，电触点119B在时间延迟到期之后连接到电接地。在实施例中，电触点119B连接到电接地有限重置时间段。控制器310可通过控制开关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在最终会聚于模拟信号的数字输出之前经由经过全部可能的量化电平的二进制搜索来数字化模拟信号。SAR ADC可具有四个主要子电路：取样和保持电路，获取输入电压(V_in)；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V_in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V_in的近似数字代码。SAR可初始化，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(V_ref/2)的模拟等效体提供到比较器中供与V_in的比较。如果这个模拟电压超过V_in，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V_in的数字近似，并且最终由SAR在数字化结束时输出。

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。来自电极的载流子在某个时间段(“积分周期”)(例如，如图7所示，在t_S与t₀之间)在电容器上累积。在积分周期已经到期之后，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。在实施例中，当检测器100的工作温度增加(例如，工作温度从-40℃增加到0℃)时，电容器的电容可增加，以降低热噪声。

图7示意示出入射到与电触点119B关联的像素150上的X射线光子所生成的载流子所引起的流经电触点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确定电压的绝对值等于或超过第一阈值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”表示开始和到期(即，结束)以及它们之间的任何时间。例如，控制器310可在TD1到期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等于或超过第二阈值的绝对值，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t_e稳定。在时间t_S，时间延迟TD1到期。在时间t_e或之后，控制器310使ADC 306数字化电压，并且确定X射线光子的能量落入哪一格。控制器310然后使与格对应的计数器320所记录的数量增加一。在图7的示例中，时间t_S在时间t_e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之后到期。如果时间t_e不能容易地测量，则TD1能够凭经验来选择成允许充分时间收集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t_S凭经验在时间t_e之后。时间t_S不一定在时间t_e之后，因为控制器310可在达到V2时则忽视TD1，并且等待时间t_e。电压与暗电流对电压的贡献之间的差的变化率因而在t_e基本上为零。控制器310可配置成在TD1到期时或者在t₂或者它们之间的任何时间停用第二电压比较器302。

在时间t_e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格。

在TD1到期或者ADC 306进行的数字化(更迟的无论哪一个)之后，控制器310将电触点119B连接到电接地复位周期RST，以允许电触点119B上累积的载流子流动到地，并且重置电压。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，系统121能够在图7的示例中所操控的入射X射线光子的速率通过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到期之前的任何时间将它启动。如果控制器310已经停用，则它可在RST到期之前被启动。

因为检测器100具有可并行操作的许多像素150，所以检测器能够操控入射X射线光子的高许多的速率。这是因为特定像素150上的入射速率是像素的整个阵列上的入射速率的1/N，其中N为像素的数量。

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对本领域的技术人员将是显而易见的。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，其真实范围和精神通过以下权利要求书来指示。

Claims

1.一种检测系统，包括：

检测器，包括X射线吸收层和电子层；

冷却系统，配置成控制所述检测器的温度，并且防止水蒸汽在所述检测器上的冷凝；

其中所述X射线吸收层包括多个像素，每个像素配置成对某个时间段之内入射到其上、其能量落入多个格中的X射线光子的数量进行计数；

其中所述电子层包括电子系统，其配置成相加全部所述像素所计数的相同能量范围的所述格的X射线光子的所述数量；

其中所述冷却系统包括配置成降低空气的温度和水分水平的冷却器以及配置成向所述检测器吹送被冷却和干燥的所述空气的风扇。

2.如权利要求第1项所述的检测系统，其中，所述冷却器包括珀耳帖致冷器。

3.如权利要求第1项所述的检测系统，其中，所述冷却器包括压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀。

4.如权利要求第1项所述的检测系统，其中，所述冷却系统还包括干燥剂除湿器，其配置成在向所述检测器吹送所述空气之前从所述空气中抽取水分。

5.如权利要求第1项所述的检测系统，其中，所述系统还包括覆盖所述X射线吸收层的X射线接收表面的透射窗口，其中所述透射窗口配置成允许X射线光子通过并且到达所述X射线吸收层。

6.如权利要求第5项所述的检测系统，其中，所述透射窗口包括聚酰亚胺、石墨烯、聚碳酸酯、聚(对二甲苯)、氮化硅、铝、铍或者其组合。

7.如权利要求第1项所述的检测系统，其中，检测器没有在气密壳体中真空封装。

8.如权利要求第1项所述的检测系统，其中，所述系统还包括冷板，其配置成通过吸收来自所述检测器的热量来冷却所述检测器，其中所述检测器安装在所述冷板上。

9.如权利要求第8项所述的检测系统，其中，所述冷板是散热器，其中所述散热器配置成将从所述检测器所吸收的热量传递到来自所述冷却系统、经过和围绕所述散热器流动的所述空气。

10.如权利要求第8项所述的检测系统，其中，所述冷板是珀耳帖致冷器的冷却板。

11.如权利要求第8项所述的检测系统，其中，所述冷板是通过珀耳帖致冷器或空气调节器所冷却的金属板。

12.如权利要求第1项所述的检测系统，其中，所述检测器配置成将所述相加数量编制为入射到所述检测器上的所述X射线光子的光谱。

13.如权利要求第1项所述的检测系统，其中，所述多个像素按照阵列来布置。

14.如权利要求第1项所述的检测系统，其中，所述像素配置成对相同时间段之内的X射线光子的所述数量进行计数。

15.如权利要求第1项所述的检测系统，其中，所述像素的每个包括模数转换器，即ADC，其配置成将表示入射X射线光子的所述能量的模拟信号数字化为数字信号。

16.如权利要求第1项所述的检测系统，其中，所述像素配置成并行地操作。

17.如权利要求第1项所述的检测系统，其中，所述像素的每个配置成测量其暗电流。

18.如权利要求第17项所述的检测系统，其中，所述像素的每个配置成在每个X射线光子入射到其上之前或同时测量其暗电流。

19.如权利要求第17项所述的检测系统，其中，所述像素的每个配置成从入射到其上的X射线光子的所述能量中减去所述暗电流的贡献。

20.如权利要求第17项所述的检测系统，其中，所述像素的每个配置成通过测量使电压增加某个阈值所花费的时间来测量其暗电流。

21.如权利要求第15项所述的检测系统，其中，所述ADC是逐次近似寄存器ADC。

22.如权利要求第1项所述的检测系统，其中，所述电子系统包括：第一电压比较器，配置成将所述X射线吸收层的电触点的电压与第一阈值进行比较；第二电压比较器，配置成将所述电压与第二阈值进行比较；控制器；多个计数器，其各自与格关联，并且配置成记录所述像素之一所吸收的X射线光子的数量，其中所述X射线光子的所述能量落入所述格中；

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等于或超过所述第一阈值的绝对值的时间开始时间延迟；

其中所述控制器配置成确定X射线光子的能量是否落入所述格中；其中所述控制器配置成使与所述格关联的所述计数器所记录的所述数量增加一。

23.如权利要求第22项所述的检测系统，其中，所述电子系统还包括电容器模块，其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。

24.如权利要求第22项所述的检测系统，其中，所述控制器配置成在所述时间延迟开始或到期时启动所述第二电压比较器。

25.如权利要求第22项所述的检测系统，其中，所述控制器配置成将所述电触点连接到电接地。

26.如权利要求第22项所述的检测系统，其中，所述电压的变化率在所述时间延迟到期时基本上为零。

27.如权利要求第1项所述的检测系统，其中，所述X射线吸收层包括二极管。

28.如权利要求第1项所述的检测系统，其中，所述X射线吸收层包括硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或者其组合。

29.如权利要求第1项所述的检测系统，其中，所述检测器没有包括闪烁器。