CN111522052B - 一种x光探测器结构及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种X光探测器结构及其工作方法，包括探测器芯片、正面闪烁体、背面闪烁体、基板、固定结构；所述探测器芯片包括正入射面、背入射面；所述正入射面的感光区贴合正面闪烁体，所述背入射面的感光区贴合背面闪烁体；所述探测器芯片的非感光区贴合在基板上，所述探测器芯片的一端或者两端设置有信号传输区域并且通过绑线将信号传输区域传导至基板。本发明所述的X光探测器结构及其工作方法，结构设计合理，工作方法简单，采用双面入射的方式，提高了X光探测器整体闪烁体的厚度，同时不减少闪烁体光输出，并且不增加探测器芯片的面积，保证信号大小，提高成像质量，应用前景广泛。

Description

一种X光探测器结构及其工作方法

技术领域

本发明涉及X光探测器技术领域，具体涉及一种X光探测器结构及其工作方法。

背景技术

X光探测器是一种将X射线能量转换为可供记录的电信号的装置，通常由闪烁体，探测器芯片，以及基板组合而成，如图1所示，工作原理是X光子入射进入闪烁体，转换为可见光输出，进入探测器芯片。再由探测器芯片进行光电转换，形成电信号，并通过芯片与基板上的导线传输至后续的信号处理芯片，从而形成最终的图像。

探测器芯片按照入射光的方向不同，分为正入式与背入式两种，如图2所示，其中，正入式的探测器芯片，闪烁体产生的可见光从探测器正面入射，进入探测器芯片后被吸收，产生的光生载流子从靠近芯片正面的二极管所收集，并通过正面的金属走线和电极所传输至基板及后续信号处理芯片。而背入式探测器芯片，闪烁体产生的可见光从探测器背面入射，进入探测器芯片后被吸收，产生的光生载流子从靠近芯片正面的二极管所收集，并通过正面的金属走线和电极所传输至基板及后续信号处理芯片。正入式和背入式探测器芯片各有优势，在实际产品中都有应用。

近年来，随着X光探测器的大规模推广和使用，根据X光探测器不同的使用场景，例如小型安检设备、工业零件检测、大型集装箱检测等，被检测物体的质量、密度各不相同，所需的入射X光的能量也不相同，从几十KeV到几十MeV不等，并且相应的，使用的探测器闪烁体的厚度也有不同，尤其是对于能量较高的大型集装箱检测，闪烁体的厚度需要较厚，以便能充分的吸收入射的高能量X光，产生足够的信号，满足探测需求。

而较厚的闪烁体会带来一些问题：其一，随着闪烁体厚度的增加，吸收X光而转换成的可见光就需要更长的路径才能传输到探测器芯片的表面，而在可见光传输的过程中，又有可能被吸收掉。尤其是闪烁体远离探测器芯片的位置，产生的可见光需要经过几乎整个闪烁体厚度，这样会大大降低整个闪烁体的光输出量，反而降低了检测信号的大小。其二，较厚的闪烁体，尤其是例如钨酸镉这种密度较大的材料，其质量也较大。在模组封装后，会对探测器芯片形成较大的挤压，容易形成损坏，对封装的要求较高。

现有技术中有一种侧入式的高能量探测器模组，如图3所示，与顶入式的探测器不同，X光的入射方向平行与探测器芯片，从闪烁体的侧面进入被吸收，而在闪烁体内部产生的可见光，从探测器芯片垂直方向入射。这种结构一定程度上可以解决上述的问题，但是需要较大面积的探测器芯片，一方面增加了探测器的成本，另一方面较大的探测器芯片会引入较大的暗电流和寄生电容，从而增大系统的噪声，降低成像质量。因此，需要针对上述技术问题研发出一种X光探测器结构。

中国专利申请号为CN201910706450.5公开了一种X射线探测器及其制备方法，是通过设于闪烁体层两侧的第一感光层和第二感光层通过各自独立耦合和采样，在低辐射剂量的单次曝光条件下，同时提高了空间分辨率和荧光吸收率，优化辐射剂量和信噪比，没有解决闪烁体的厚度增加导致光输出减少、质量大导致的损坏等问题。

发明内容

发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种X光探测器结构及其工作方法，结构设计合理，工作方法简单，采用双面入射的方式，在探测器芯片的正入射面、背入射面分别耦合有正面闪烁体、背面闪烁体，X光子入射进入正面闪烁体转换为可见光输出从正入射面的感光区域进入探测器芯片，X光子入射进入背面闪烁体转换为可见光输出从背入射面的感光区域进入探测器芯片，提高了X光探测器整体闪烁体的厚度，同时不减少闪烁体光输出，并且不增加探测器芯片的面积，保证信号大小，提高成像质量，应用前景广泛。

技术方案：一种X光探测器结构，包括探测器芯片、正面闪烁体、背面闪烁体、基板、固定结构；所述探测器芯片包括正入射面、背入射面，所述探测器芯片内靠近正入射面一侧设置有若干个光电二极管，所述正入射面上还设置有若干个金属导线、电极；所述正入射面的感光区贴合正面闪烁体，所述背入射面的感光区贴合背面闪烁体；所述探测器芯片的非感光区贴合在基板上，所述探测器芯片的一端或者两端设置有信号传输区域并且通过绑线将信号传输区域传导至基板；所述正面闪烁体、背面闪烁体的出光面积相同并且分别完全覆盖住探测器芯片正入射面与背入射面的感光区；所述正面闪烁体、背面闪烁体通过基板上的固定结构与基板进行固定；所述正入射面包括若干个像素；所述像素形成一维线阵列或者形成二维面阵列。

本发明所述的X光探测器结构，采用双面入射的方式，在探测器芯片的正入射面、背入射面分别耦合有正面闪烁体、背面闪烁体，X光子入射进入正面闪烁体转换为可见光输出从正入射面的感光区域进入探测器芯片，X光子入射进入背面闪烁体转换为可见光输出从背入射面的感光区域进入探测器芯片，提高了X光探测器整体闪烁体的厚度，同时不减少闪烁体光输出，并且不增加探测器芯片的面积，保证信号大小，提高成像质量。

所述探测器芯片内靠近正入射面一侧设置有若干个光电二极管，作用是将入射光产生的电荷分离，正入射面上的电极进行收集，收集到的电荷信号通过金属导线在探测器芯片表面传输到信号传输区域，信号传输区域可以位于探测器芯片的一侧或者两侧，通过绑定等方式将电信号从探测器芯片传导至基板。

本发明中使用的探测器芯片的正入射面包括若干个像素，像素既可以形成一维线阵列，也可以形成二维面阵列，并且同一个探测器芯片内的像素尺寸可以不同，灵活性高。

进一步的，上述的X光探测器结构，每个所述像素包含一个电荷收集电极并且通过金属导线从所述像素之间连接至位于探测器芯片一端或者两端的信号传输区域。

进一步的，上述的X光探测器结构，所述金属导线通过一个金属焊盘并且通过金属绑线连接至基板。

进一步的，上述的X光探测器结构，所述正面闪烁体、背面闪烁体也包括像分割，所述正面闪烁体、背面闪烁体的像素尺寸与所述探测器芯片正入射面的像素尺寸一一对应，所述正面闪烁体、背面闪烁体的像素之间为反射层材料。

本发明中的正面闪烁体、背面闪烁体，可以分别是包含像素分割的，也可以是不包含像素分割。如果正面闪烁体、背面闪烁体包含像素分割，则正面闪烁体、背面闪烁体的像素尺寸与探测器芯片正入射面的像素尺寸一一对应，而正面闪烁体、背面闪烁体的像素之间则为反射层材料。每一个正面闪烁体、背面闪烁体的像素分割内部产生的可见光，将经过像素间的反射材料的反射而限制在本像素内，并最终通过与探测器芯片耦合的出光面进入探测器正入射面或者背入射面。

进一步的，上述的X光探测器结构，所述固定结构为围绕或者部分围绕正面闪烁体、背面闪烁体的支架，所述固定结构通过固化后的胶水与正面闪烁体、背面闪烁体进行固定并且将正面闪烁体、背面闪烁体固定在基板上。

进一步的，上述的X光探测器结构，所述探测器芯片材料为单晶硅或者非晶硅的一种；所述正面闪烁体、背面闪烁体材料为CsI、CWO、GOS、GAGG的一种或几种的混合。

本发明中的探测器芯片，其材料可以采用单晶硅，也可以采用非晶硅。对于单晶硅材料的探测器芯片，其感光区是由不同的杂质从正入射面注入，在单晶硅衬底中形成的PN结构。对于非晶硅材料的探测器芯片，其感光区是由含有不同掺杂的非晶硅淀积形成PN结构，并淀积在其他衬底材料上形成，衬底材料可以为透明材质，例如玻璃。

本发明中的正面闪烁体和背面闪烁体，所使用的闪烁材料包括CsI，CWO，GOS，GAGG等，可以相同，也可以是两种不同材料的组合。其中，正面闪烁体和背面闪烁体的厚度可以根据所选材料的不同而不同。例如正面闪烁体和背面闪烁体都采用CWO晶体，并且具有相同的厚度，分别应用于探测器芯片的两个感光面，可以在几十MeV的高能应用中使用。再例如正面闪烁体采用CWO晶体，背面闪烁体采用CsI晶体，CWO厚度较小，CsI厚度较大。保持吸收效率和余晖性能的平衡，可以在几百KeV到几MeV的应用中使用。

本发明还涉及所述X光探测器结构的工作方法，包括以下步骤：

（1）入射X光进入正面闪烁体、背面闪烁体对应的像素，并且分别在正面闪烁体、背面闪烁体各自的像素中被吸收，而释放出可见光；

（2）正面闪烁体生产的可见光经过反射后，从正面闪烁体的出光面照射进入探测器芯片的正入射面并且被探测器芯片吸收形成光生电荷a；背面闪烁体生产的可见光经过反射后，从背面闪烁体的出光面照射进入探测器芯片的背入射面，并且被探测器吸收形成光生电荷b；

（3）光生电荷a和光生电荷b分别被所在像素上的光电二极管所收集，并通过对应的金属导线、电极，传输到探测器芯片的信号传输区域，此时的光生电荷为a+b；

（4）传输的上述光生电荷通过与基板连接的金属导线传输到后续的读取电路，所述读取电路包括电荷放大器和数模转换电路，最终产生数字信号，并进行存储与处理，从而获得关于入射X光的信息；

（5）由于最终获得的信息包含了正面闪烁体、背面闪烁体所产生的光生电荷，因此可以同时反映正面闪烁体、背面闪烁体对X光的吸收情况，从而获得总的信号。

本发明的有益效果为：

（1）本发明所述的X光探测器结构，结构设计合理，采用双面入射的方式，在探测器芯片的正入射面、背入射面分别耦合有正面闪烁体、背面闪烁体，在不增加正面闪烁体、背面闪烁体厚度的前提下，提高了整个X光探测器的吸收能力，解决了高能量X光的探测效率不足的问题；同时正面闪烁体、背面闪烁体的厚度保持不变，也改善了闪烁体的光输出由于厚度增加而下降的问题，并且降低了对探测器芯片的挤压力，保证了探测器模组的可靠性；

（2）本发明所述的X光探测器结构，，探测器芯片无论是一维线阵列还是二维面阵列，同时可以接受正入射面和背入射面入射的可见光，与传统的单面入射探测器芯片相比，具有更高的吸收效率；在不增加探测器芯片尺寸的前提下，实现了双倍的感光区域面积，探测器芯片面积保持不变，因此探测器芯片的暗电流及寄生电容也保持不变，从而探测器芯片的噪声没有增加，图像质量没有下降。而芯片面积不变，也保持了探测器芯片的成本没有明显增加；

（3）本发明所述的X光探测器结构，探测器芯片通过非感光区与基板贴合，而感光区则与正面闪烁体、背面闪烁体贴合，正面闪烁体、背面闪烁体通过基板上的固定结构与基板之间进行固定，从而减少了正面闪烁体和背面闪烁体对探测器芯片的应力，防止损伤探测器芯片；

（4）本发明所述的X光探测器结构的工作方法，工作方法简单，信号稳定，成像质量高，应用前景广泛。

附图说明

图1为本发明现有技术中X光探测器的结构示意图；

图2为本发明现有技术中正入式与背入式探测器芯片的结构示意图；

图3为本发明现有技术中一种侧入式的高能量探测器模组的结构示意图；

图4为本发明所述X光探测器结构的整体结构示意图；

图5为本发明所述X光探测器结构的探测器芯片、正面闪烁体、背面闪烁体、基板结构示意图；

图6为本发明所述X光探测器结构的探测器芯片结构示意图；

图7为本发明所述X光探测器结构的探测器芯片正入射面像素一维线列阵顶视图；

图8为本发明所述X光探测器结构的探测器芯片正入射面像素二维线列阵顶视图；

图中：探测器芯片1、正入射面11、像素111、背入射面12、光电二极管13、金属导线14、电极15、信号传输区域16、正面闪烁体2、背面闪烁体3、基板4、固定结构5、闪烁体A、入射X光B、可见光C、感光区D、非感光区E。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图4~8，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、 “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图4、5、6、7、8所示的上述结构的X光探测器结构，包括探测器芯片1、正面闪烁体2、背面闪烁体3、基板4、固定结构5；所述探测器芯片1包括正入射面11、背入射面12，所述探测器芯片1内靠近正入射面11一侧设置有若干个光电二极管13，所述正入射面11上还设置有若干个金属导线14、电极15；所述正入射面11的感光区D贴合正面闪烁体2，所述背入射面12的感光区D贴合背面闪烁体3；所述探测器芯片1的非感光区E贴合在基板4上，所述探测器芯片1的一端或者两端设置有信号传输区域16并且通过绑线将信号传输区域16传导至基板4；所述正面闪烁体2、背面闪烁体3的出光面积相同并且分别完全覆盖住探测器芯片1正入射面与背入射面的感光区D；所述正面闪烁体2、背面闪烁体3通过基板4上的固定结构5与基板4进行固定；所述正入射面11包括若干个像素111；所述像素111形成一维线阵列或者形成二维面阵列。

进一步的，每个所述像素111包含一个电荷收集电极并且通过金属导线14从所述像素111之间连接至位于探测器芯片1一端或者两端的信号传输区域16。

进一步的，所述金属导线14通过一个金属焊盘并且通过金属绑线连接至基板4。

进一步的，所述正面闪烁体2、背面闪烁体3也包括像素111分割，所述正面闪烁体2、背面闪烁体3的像素111尺寸与所述探测器芯片1正入射面11的像素111尺寸一一对应，所述正面闪烁体2、背面闪烁体3的像素111之间为反射层材料。

进一步的，所述固定结构5为围绕或者部分围绕正面闪烁体2、背面闪烁体3的支架，所述固定结构5通过固化后的胶水与正面闪烁体2、背面闪烁体3进行固定并且将正面闪烁体2、背面闪烁体3固定在基板4上。

进一步的，所述探测器芯片1材料为单晶硅或者非晶硅的一种；所述正面闪烁体2、背面闪烁体3材料为CsI、CWO、GOS、GAGG的一种或几种的混合。

实施例

基于以上的结构基础，如图4-8所示。

本发明所述的X光探测器结构的工作方法，包括以下步骤：

（1）入射X光B进入正面闪烁体2、背面闪烁体3对应的像素111，并且分别在正面闪烁体2、背面闪烁体3各自的像素111中被吸收，而释放出可见光；

（2）正面闪烁体2生产的可见光C经过反射后，从正面闪烁体2的出光面照射进入探测器芯片1的正入射面111并且被探测器芯片1吸收形成光生电荷a；背面闪烁体3生产的可见光C经过反射后，从背面闪烁体3的出光面照射进入探测器芯片1的背入射面12，并且被探测器吸收形成光生电荷b；

（3）光生电荷a和光生电荷b分别被所在像素111上的光电二极管13所收集，并通过对应的金属导线14、电极15，传输到探测器芯片1的信号传输区域16，此时的光生电荷为a+b；

（4）传输的上述光生电荷通过与基板4连接的金属导线14传输到后续的读取电路，所述读取电路包括电荷放大器和数模转换电路，最终产生数字信号，并进行存储与处理，从而获得关于入射X光B的信息；

（5）由于最终获得的信息包含了正面闪烁体2、背面闪烁体3所产生的光生电荷，因此可以同时反映正面闪烁体2、背面闪烁体3对入射X光B的吸收情况，从而获得总的信号。

其中，所述X光探测器结构采用双面入射的方式，在探测器芯片1的正入射面11、背入射面12分别耦合有正面闪烁体2、背面闪烁体3，在不增加正面闪烁体2、背面闪烁体3厚度的前提下，提高了整个X光探测器的吸收能力，解决了高能量X光的探测效率不足的问题；同时正面闪烁体2、背面闪烁体3的厚度保持不变，也改善了闪烁体的光输出由于厚度增加而下降的问题，并且降低了对探测器芯片1的挤压力，保证了探测器模组的可靠性。

进一步的，探测器芯片1的像素111无论是一维线阵列还是二维面阵列，同时可以接受正入射面11和背入射面12入射的可见光C，与传统的单面入射探测器芯片相比，具有更高的吸收效率；在不增加探测器芯片1尺寸的前提下，实现了双倍的感光区域面积，探测器芯片1面积保持不变，因此探测器芯片1的暗电流及寄生电容也保持不变，从而探测器芯片1的噪声没有增加，图像质量没有下降。而芯片面积不变，也保持了探测器芯片1的成本没有明显增。

进一步的，探测器芯片1通过非感光区E与基板4贴合，而感光区D则与正面闪烁体2、背面闪烁体3贴合，正面闪烁体2、背面闪烁体3通过基板4上的固定结构5与基板4之间进行固定，从而减少了正面闪烁体2和背面闪烁体3对探测器芯片1的应力，防止损伤探测器芯片1。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (7)

1.一种X光探测器结构，其特征在于，包括探测器芯片（1）、正面闪烁体（2）、背面闪烁体（3）、基板（4）、固定结构（5）；所述探测器芯片（1）包括正入射面（11）、背入射面（12），所述探测器芯片（1）内靠近正入射面（11）一侧设置有若干个光电二极管（13），所述正入射面（11）上还设置有若干个金属导线（14）、电极（15）；所述正入射面（11）的感光区贴合正面闪烁体（2），所述背入射面（12）的感光区贴合背面闪烁体（3）；所述探测器芯片（1）的非感光区贴合在基板（4）上，所述探测器芯片（1）的一端或者两端设置有信号传输区域（16）并且通过绑线将信号传输区域（16）传导至基板（4）；所述正面闪烁体（2）、背面闪烁体（3）的出光面积相同并且分别完全覆盖住探测器芯片（1）正入射面与背入射面的感光区；所述正面闪烁体（2）、背面闪烁体（3）通过基板（4）上的固定结构（5）与基板（4）进行固定；所述正入射面（11）包括若干个像素（111）；所述像素（111）形成一维线阵列或者形成二维面阵列。

2.根据权利要求1所述的X光探测器结构，其特征在于，每个所述像素（111）包含一个电荷收集电极并且通过金属导线（14）从所述像素（111）之间连接至位于探测器芯片（1）一端或者两端的信号传输区域（16）。

3.根据权利要求1所述的X光探测器结构，其特征在于，所述金属导线（14）通过一个金属焊盘并且通过金属绑线连接至基板（4）。

4.根据权利要求2所述的X光探测器结构，其特征在于，所述正面闪烁体（2）、背面闪烁体（3）也包括像素（111）分割，所述正面闪烁体（2）、背面闪烁体（3）的像素（111）尺寸与所述探测器芯片（1）正入射面（11）的像素（111）尺寸一一对应，所述正面闪烁体（2）、背面闪烁体（3）的像素（111）之间为反射层材料。

5.根据权利要求1所述的X光探测器结构，其特征在于，所述固定结构（5）为围绕或者部分围绕正面闪烁体（2）、背面闪烁体（3）的支架，所述固定结构（5）通过固化后的胶水与正面闪烁体（2）、背面闪烁体（3）进行固定并且将正面闪烁体（2）、背面闪烁体（3）固定在基板（4）上。

6.根据权利要求1所述的X光探测器结构，其特征在于，所述探测器芯片（1）材料为单晶硅或者非晶硅的一种；所述正面闪烁体（2）、背面闪烁体（3）材料为CsI、CWO、GOS、GAGG的一种或几种的混合。

7.根据权利要求1-6任一项所述的X光探测器结构的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）入射X光进入正面闪烁体（2）、背面闪烁体（3）对应的像素（111），并且分别在正面闪烁体（2）、背面闪烁体（3）各自的像素（111）中被吸收，而释放出可见光；

（2）正面闪烁体（2）生产的可见光经过反射后，从正面闪烁体（2）的出光面照射进入探测器芯片（1）的正入射面（111）并且被探测器芯片（1）吸收形成光生电荷a；背面闪烁体（3）生产的可见光经过反射后，从背面闪烁体（3）的出光面照射进入探测器芯片（1）的背入射面（12），并且被探测器吸收形成光生电荷b；

（3）光生电荷a和光生电荷b分别被所在像素（111）上的光电二极管（13）所收集，并通过对应的金属导线（14）、电极（15），传输到探测器芯片（1）的信号传输区域（16），此时的光生电荷为a+b；

（4）传输的上述光生电荷通过与基板（4）连接的金属导线（14）传输到后续的读取电路，所述读取电路包括电荷放大器和数模转换电路，最终产生数字信号，并进行存储与处理，从而获得关于入射X光的信息；

（5）由于最终获得的信息包含了正面闪烁体（2）、背面闪烁体（3）所产生的光生电荷，因此可以同时反映正面闪烁体（2）、背面闪烁体（3）对X光的吸收情况，从而获得总的信号。

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