DE112011101561T5

DE112011101561T5 - Array von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren mit gemeinsamer Kathode und reduzierter Länge der Schirmelektrode

Info

Publication number: DE112011101561T5
Application number: DE201111101561
Authority: DE
Inventors: Aleksey Bolotnikov; Ge Yang; Giuseppe Camarda; Anwar Hossain; Ralph B. James; Yonggang Cui; Ki Hyun Kim
Original assignee: Brookhaven Science Associates LLC
Current assignee: Brookhaven Science Associates LLC
Priority date: 2010-05-03
Filing date: 2011-05-02
Publication date: 2013-02-14
Also published as: WO2011139961A1; US20130126746A1; DE112011101561T8; CA2797344A1; US9121953B2

Abstract

Ein neuartiges Strahlungsdetektorsystem ist offenbart, das das Elektroneneinfangproblem löst, in dem die Schirmung von den individuellen virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren in einer Arraykonfiguration optimiert wird.

Description

QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der US provisional application No. 61/330,431, eingereicht am 3. Mai 2010 und No. 61/368,366, eingereicht am 28. Juli 2012 gemäß 35 U.S.C. 119(4), wobei der Inhalt von beiden hierin vollständig mit aufgenommen wird.
ERKLÄRUNG BEZÜGLICH DER LIZENZRECHTE DER REGIERUNG
Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung unter der Vertragsnummer DE-AC02-98CH10886 getätigt, die durch das U.S. Department of Energy zuerkannt wurde. Die Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
HINTERGRUND
I. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Vorrichtungen für die Erfassung von hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung (Röntgen- und Gammastrahlungen). Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Herstellen und die Verwendung von hoch-spektralauflösenden virtuellen Frisch-Gitter-Strahlungsdetektoren basierend auf CdZnTe, DcTe, DcMnTe, HgI₂, TlBr, oder anderen Halbleitern, die geeignet sind, als Ein-Träger-Transportvorrichtungen zu funktionieren.
II. Hintergrund des Stands der Technik
Halbleiterbasierte Nuklearstrahlungsdetektoren haben in den letzten paar Jahren eine rapide Entwicklung erfahren. Sie werden nun in einer großen Vielzahl von Gebieten, einschließlich der Nuklearphysik, Röntgen- und Gammastrahlungsastronomie und Nuklearmedizin, eingesetzt. Deren Abbildungsfähigkeiten, eine gute Energieauflösung, und die Fähigkeit kompakte Systeme herzustellen, sind im Vergleich mit anderen Typen von Detektoren, wie z. B. Gasdetektoren oder Scintillatoren, sehr attraktive Merkmale. In den letzten Jahren wurde ein wesentlicher Aufwand in die Entwicklung einer Palette von Verbundhalbleitern mit einem großen Bandabstand und einer hohen Ordnungszahl für Röntgen und Gammastrahlungsdetektoren investiert. Diese Verbundhalbleiter werden im Allgemeinen von Elementen der Gruppen III und V (z. B., Galliumarsenid) und der Gruppen II und VI (z. B. Cadmiumtellur) der Periodentabelle abgeleitet. Allerdings wurden neben binären Mischungen auch ternäre Materialien produziert, z. B. CdZnTe und CdMnTe. Unter diesen Verbundhalbleitern sind Cadmiumtellur (CdTe) und Cadmiumzinktellur (CdZnTe) zwei der vielversprechendsten Materialien für Strahlungsdetektoren mit einer guten Energieauflösung, hohen Detektionseffizienz und Betrieb bei Raumtemperatur.
Der Nachteil der verbundhalbleiterbasierten Detektoren des Stands der Technik ist derjenige, dass die Amplitude des Ausgangssignals durch immobile Löcher beeinflusst wird, die bei dem Interaktionspunkt hinterlassen werden, die durch die einfallende Gammastrahlung produziert werden. Nachdem Gammastrahlen im Inneren des Detektorvolumens zufällig interagieren, hängen die Ausgangssignale von den Orten der Interaktionspunkte ab. Ein solches Verhalten der Ausgangssignale, das durch die immobilen Löcher verursacht wird, wird der Induktionseffekt genannt. Dieser Effekt degradiert die spektrale Auflösung von Halbleiterdetektoren, soweit nicht spezielle Maßnahmen implementiert werden, um die Löcher zu neutralisieren.
Es gibt zwei herkömmliche Wege, den Induktionseffekt zu minimieren: (1) Subtrahieren des Anteils des Ladungssignals, das durch die stationären Löcher kontributiert wird, und (2) elektrostatisches Schirmen der stationären Löcher. Die Validität beider Techniken ist mit dem Ramo-Shockley-Theorem (S. Ramo, Proc. IRE 27, p. 584, 1939; W. Shockley, j. Appl. Phys. 9, p. 635, 1938; wobei jede davon hierin durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen wird) konsistent.
Bei der ersten Technik wird die induzierte Ladung gemessen, die durch die Löcher kontributiert wird, und elektrisch von dem gesamten Ausgangssignal abgezogen. (USSR Patent Nr.: SU-1264723A ; welches hierin durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen wird). Das durch die Löcher induzierte Signal kann mit einer oder mehreren Elektroden, die sich benachbart zu der Sammelnden befinden, gemessen werden. Die Elektroden können aus Pixel oder Streifen bestehen, und, in Abhängigkeit zu den Orten der Interaktionspunkte, kann die gleiche Elektrode zum Messen der gesammelten oder nur-induzierten Ladungen verwendet werden. Die co-planaren Gitter-Vorrichtungen, die für CdZnTe vorgeschlagen wurden, (P. N. Luke, Appl. Phys. Lett. 65 (22), pp. 2884–2886, 1994; U.S. Patent No. 5,530,249 ; wobei jede davon hierin durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen wird) und flüssige Xe-Dektektoren (A. Bolotnikov, et al., IEEE Trans. Nucl. Sci., Vol. 51, n. 3, pp. 1006–1010, 2004; welche durch Bezugnahme vollständig hierin mit aufgenommen wird) sind spezielle Fälle, die diese Technik verwenden.
Die zweite Technik basiert auf der Entwicklung einer elektrostatischen Schirmung der stationären Löcher. Es gibt zwei Typen an Vorrichtungen, welche die elektrostatische Schirmung verwenden: Frisch-Gitter- und virtuelle Frisch-Gitter-Detektoren. Bei dem ersten Typ von Detektoren, z. B., bei einer klassischen Frisch-Gitter-Ionisationskammer, wird ein Metallgitter (oder Netz) für die elektrostatische Schirmung der Sammelelektrode (oder der mehreren Sammelelektroden) gegen die positiven Ionen (Löcher in dem Fall von Halbleitern) verwendet. Bei dem zweiten Typ von Detektoren, d. h., den virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren, wird die spezielle geerdete (oder virtuell geerdete) Elektrode (oder mehrere Elektroden) hergestellt, um den im Wesentlichen gleichen Schirmungseffekt zu erzeugen, als wenn ein echtes Frisch-Gitter in dem Detektor platziert wäre. In der Vergangenheit wurden verschiedene Designs von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren für den CdZnTe-Halbleiter vorgeschlagen: Pixeldetektoren (H. H. Barrett, et al., Phys. Rev. Lett. 75 (1), p. 156, 1995; welcher durch Bezugnahme vollständig hierin mit aufgenommen ist), CAPture^TM (K. Parnham, et al., in Hard X-Ray, Gamma-Ray and Neutron Detector Physics, Proceedings of SPIE, 1999; welcher hierin durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist), hemisphärisch, (C. Szeles, et al., in Hard X-Ray and Gamma-Ray Detector Physics VIII, edited by Larry A. Franks, et al., Proceedings of SPIE Vol 6391 (SPIE, Bellingham, Wa, 2006); welcher hierin durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist), und Frisch-Ring, ( U.S. Patent 6,175,120 G. Montemont, et al., IEEE Trans. Nucl. Sci, Vol. 48, pp. 278–281, 2001; wobei jede davon hierin durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen wird).
Pixeldetektoren
Bei den Pixeldetektoren wird das Ladungssignal, das bei einem gegebenen Pixel durch die stationären Ladungen induziert wird, wesentlich reduziert, weil dieses zwischen den anderen Pixeln geteilt wird. Daher agieren für jedes individuelle Pixel die anderen Pixel (virtuell geerdet) als eine elektrostatische Schirmung (dies wird auch der ”Kleine-Pixel-Effekt” genannt).
CAPture^TM und halbkugelförmige Detektoren
CAPture^TM und hemisphärische bzw. halbkugelförmige Detektoren, wie in 1A gezeigt, werden durch das Erweitern der Kathodenelektrode zu den Seiten des Detektorkörpers hergestellt. Bei beiden Vorrichtungen stehen die erweiterten Elektroden im physikalischen Kontakt mit den Halbleiteroberflächen. Als ein Ergebnis ist eine große Fläche der baren Oberfläche, die die Anode umgibt, erforderlich, um den Oberflächenleckstrom unter einem akzeptablen Level zu halten.
Frisch-Ring-Detektoren
Wie in 1B gezeigt, wird bei den existierenden Frisch-Ring-Detektoren ( U.S. Patent 6,175,120 , Montemont, 2001; Bolotnikov, 2006) die Kathode ebenso zu den Seiten des Detektors wie bei den CAPture^TM und hemisphärischen Detektoren (siehe 1A) vergrößert, jedoch ist der vergrößerte Abschnitt der Kathode physikalisch von den Halbleiteroberflächen durch eine dünne Schicht eines Isolationsmaterials getrennt. Die nicht-berührende Elektrode (auch als der nicht-berührender Frisch-Ring bekannt; U.S. Patent 6,175,120 ; hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen) ist das Hauptmerkmal, das den Unterschied des Frisch-Rings zu CAPture^TM und hemisphärischen Vorrichtungen ausmacht.
Bei den Frisch-Ring-Detektoren wird die nicht-berührende Elektrode auf den Seitenflächen des Kristalls platziert und ist physikalisch mit der Kathode verbunden, wie in 1B gezeigt ( U.S. Patent 6,175,120 , Montemont, 2001; Bolotnikov, 2006). Eine gemeinsame Hochspannungsvorspannung (in Bezug auf die Anode) wird an die Kathode und den Ring angelegt, während das Ausgangssignal von der Anode ausgelesen wird. Diese Konfiguration erfordert es, dass ein Spalt von etwa 2 bis 3 mm der ungeschirmten Oberfläche in der Nähe des Kontakts der Anode freigelassen wird, um einen hohen Leckstrom oder sogar eine mögliche Entladung in einem Bereich zwischen diesen zwei Elektroden zu vermeiden. Als ein Ergebnis existiert ein elektrostatisch ungeschirmtes Gebiet der Oberfläche in der Nähe der Anode.
Zusammengefasst haben die vorbekannten Designs von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren (z. B., 1A und 1B) die zwei gemeinsamen Probleme, die deren spektroskopische Leistung beeinflusst. Das erste Problem ist die Anwesenheit eines ungeschirmten Gebiets in der Nähe der Anode (siehe 1A und 1B) und das zweite Problem bezieht sich auf die Tatsache, dass die originalen virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren im Wesentlichen Vorrichtungen mit zwei Anschlüssen sind, bei denen das Kathodensignal die Information über die Interaktionstiefe des Partikels nicht bereitstellen kann, um die Elektronenverluste aufgrund des Elektroneneinfangens zu korrigieren (Bolotnikov, 2006). Für dünne Detektoren weist das Elektroneneinfangen einen geringen Effekt auf die Detektionsleistung auf und kann vernachlässigt werden. Allerdings muss dieses Problem für dicke Detektoren, die länger als etwa 10 mm sind, gelöst werden, welche gewöhnlicherweise bei virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren eingesetzt werden, wo das Elektroneneinfangen signifikant sein kann.
Kürzlich wurde ein neues Design des virtuellen Frisch-Gitter-Detektors vorgeschlagen, um die vorstehenden Probleme zu adressieren, was zu einer verbesserten Leistung von diesem Typ an Vorrichtung führen kann (Bolotnikov, et al., in Proceedings of SPIE Hard XRay and Gamma-Ray Detector Physics VIII, Vol 6702, editiert by L. A. Franks, et al., (SPIE, Bellingham, WA, 2007); durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen). Ein Schema der Vorrichtung ist in 1C gezeigt. Ein rechteckförmiger Kristall (Stange) 102 weist das geometrische Größenverhältnis (ein Verhältnis von dessen Länge zu dessen Breite) von zwei oder mehr auf, so wie in den existierenden Frisch-Ring-Vorrichtungen (z. B., 1B (Bolotnikov, 2006). Die Metallisierung der Kathode 101 erstreckt sich 2 bis 3 mm hoch zu den Seitenoberflächen. Der nicht-berührende Ring 104 deckt die Seitenoberflächen der Vorrichtung nach oben zu der Kante der Kathode 101 ab und wird bei dem gleichen Potential wie die Anode 105 gehalten. Die isolierende Schicht 103, z. B., die ultra-dünne Polyesterschrumpfröhre, deckt das ganze Gebiet der Seitenoberflächen ab, Dies sieht das Entkoppeln des nicht-berührenden Rings 104 und der Kathode 101 vor und erlaubt zu der gleichen Zeit das Anlegen einer hohen differentiellen Vorspannung (bis zu 3000 V und höher) zwischen der Kathode 101 und der Schirmelektrode 104 (den nicht-berührenden Ring). Im Gegenzug erlaubt das Entkoppeln der Kathode die Implementierung eines Kathoden-Ausleseschemas und ermöglicht es dem Fachmann erstens das Elektroneneinfangen zu korrigieren und zweitens die Events zu verwerfen, die in der Nähe der Anode 105 interagieren, welche zu dem Hintergrund beitragen.
Allerdings ist dieses Design zum Erreichen der vollen Möglichkeiten des Kathodenausleseschemas nicht optimal, um den Ladungsverlust aufgrund des Einfangens zu korrigieren. Es gibt gegensätzliche Anforderungen bei diesem Ansatz. Um einen starken Schirmungseffekt des virtuellen Frisch-Gitters sicherzustellen, sollte die Schirmelektrode auf der Kristallseite das ganze Gebiet der Oberfläche der Vorrichtung, wie in 1C gezeigt, abdecken. Aber wenn der ganze Detektor geschirmt ist, können durch die Kathode nur sehr wenige Signale erfasst werden. Dies macht die Kathode gegenüber den Events, die tief im Inneren des Detektors interagieren, unempfindlich. Auf der anderen Seite ist es für eine gute Detektorleistung kritisch, fähig zu sein, alle Events innerhalb des Kristalls und sogar solche, welche in der Nähe der Anode interagieren, zu erfassen.
Deshalb wäre es wünschenswert, einen virtuellen Frisch-Gitter-Detektor bzw. virtuelle Frisch-Gitter-Detektoren und ein Array von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren zu haben, die das Elektroneneinfangproblem in moderaten oder wesentlich dickeren Detektorkristallen effektiv reduzieren, während die Mängel des Stands der Technik vermieden werden.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Nachdem erkannt wurde, dass der Widerspruch in den Designs der virtuellen Frisch-Gitter des Stands der Technik ein Problem des Korrigierens des Ladungsverlustes aufgrund des Einfangens erzeugt, haben wir ein neues virtuelles Frisch-Gitter-Design für einen Detektor bzw. für Detektoren und Detektor-Arrays erfunden, die die Anode von den immobilen Löchern effektiv abschirmt, während zur gleichen Zeit erlaubt wird, dass die Kathodensignale, die zum Korrigieren des Ladungsverlustes aufgrund des Elektrodeneinfangens erforderlich sind, ausgelesen werden. Wir haben erkannt, dass ein großes Gebiet in der Nähe der Kathode in jedem Detektor des Arrays durch die Schirmelektrode unabgedeckt verbleiben kann, ohne die Effektivität der Schirmung der Anode zu senken, während ein großes Größenverhältnis des individuellen Detektors und die Anwesenheit einer gemeinsamen Kathode den virtuellen Schirmungseffekt verbessern. Durch das Platzieren eines schmalen Schirmungsstreifens in der Nähe der Anode und durch das ungeschirmte Verbleiben eines großen Oberflächengebiets in der Nähe der Kathode wird die Empfindlichkeit des Detektors gegenüber den Interaktionsevents beibehalten, die von der Kathode nach unten zu der Anode stattfinden und insbesondere erlaubt uns dies, Ladungsverlustkorrekturen für so gut wie alle Interaktionsevents anzuwenden. Wir haben erkannt, dass die Breite der Schirmelektrode nur gerade groß genug sein muss, um das Schirmen der Anode vorzusehen, d. h., so schmal wie möglich. Allerdings kann die tatsächliche Breite der Schirmelektrode für eine besondere Konfiguration des Halbleiterdetektors optimiert werden, so lange wie dessen Ort in der Nähe der Anode ist und dessen Länge ausreichend ist, die Schirmung der Anode vorzusehen.
Das Strahlungsdetektionssystem der vorliegenden Erfindung weist ein virtuelles Frisch-Gitter-Detektor-Array auf, das aus einer Mehrzahl von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren und einer oder mehreren Prozessoreinheiten gebildet ist. Bei einer speziellen Ausführungsform, wie in 2 gezeigt, weist das Strahlungsdetektionssystem der vorliegenden Erfindung ein virtuelles Frisch-Gitter-Detektor-Array auf, das aus einer Mehrzahl von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren, einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), der mit dem virtuellen Frisch-Gitter-Detektor-Array zum Empfangen eines Signals von dem Array verbunden ist, und einem Mikroprozessor, der mit dem ASIC zum Betreiben des ASIC verbunden ist, gebildet ist, wobei die Signale, die durch das Array empfangen werden, durch den ASIC verarbeitet werden, und anschließend durch den Mikroprozessor weiterverarbeitet werden.
Es wird durch den Fachmann geschätzt und verstanden werden, dass es der beste praktische Ansatz ist, dass Kathodensignal zu verwenden, um den Ladungsverlust der Anode aufgrund des Elektrodeneinfangens zu korrigieren, um das Problem, das durch das Elektroneneinfangen verursacht wird, zu lösen bzw. zu bewältigen. Allerdings, da sich die Schirmung des virtuellen Frisch-Gitter-Detektors des Stands der Technik von der Anode hoch zu der Kathode erstrecken kann (d. h., über die volle Länge) um einen starken Schirmungseffekt des virtuellen Gitters sicherzustellen, wird die Kathode gegenüber den Events, die tief im Inneren des Detektors auftreten, unempfindlich, und dadurch können durch die Kathode sehr wenige Signale erfasst werden. Um diese Limitierung zu bewältigen, haben wir bestimmt, dass jeder virtuelle Frisch-Gitter-Detektor individuell durch (1) das Variieren der Länge der Schirmungselektrode, (2) das Optimieren des Ortes der Schirmung entlang der Detektorlänge, (3) das Beibehalten des optimalen Größenverhältnisses des Detektorkristalls, und (4) das Verwenden des gemeinsamen Kathodensignals, um die Korrektur des Ladungsverlusts innerhalb des Detektor-Arrays zu implementieren, optimiert werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Schirmelektrode bei jedem Detektor (1) eine ausreichende Länge auf, um die Schirmung der Anode vorzusehen, und ist (2) in der Nähe der Anode positioniert, wobei dadurch die Empfindlichkeit der Kathode zu den Gebieten nach oben zu der Anode vergrößert wird, um diese Beschränkung zu überwinden.
Das Strahlungsdetektionssystem der vorliegenden Erfindung wird durch eine Mehrzahl von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren definiert. Jeder virtuelle Frisch-Gitter-Detektor weist einen Verbundhalbleiter auf, der geeignet ist, als eine Ein-Träger-Transport-Vorrichtung zu arbeiten. Der Verbundhalbleiter ist derart präpariert, dass sich dieser nach einer Größe richtet, um ein Größenverhältnis von zumindest zwei aufzuweisen (siehe beispielsweise die 4A bis 4C). Falls die Breite beispielsweise etwa 6 mm ist, muss dann die Höhe zumindest etwa 12 mm sein. Wie in den 5A bis 5D gezeigt, ist eine Anode mit der ersten Oberfläche des Halbleiters verbunden, und eine Kathode ist mit der zweiten Oberfläche des Halbleiters verbunden. Es wird in Erwägung gezogen, dass die Kathode nur derart designed sein kann, dass diese nur eine Oberfläche des Halbleiters (siehe 5A) abdeckt, oder dass diese derart designed sein kann, dass diese sich auf die Seiten des Halbleiters (siehe 5B) erstreckt. Der virtuelle Frisch-Gitter-Detektor weist ferner eine Seitenisolationsschicht zwischen der Seitenoberfläche des Halbleiters und der Metallschirmungselektrode auf, um den gleichen Effekt zu erzeugen, als wenn das virtuelle Frisch-Gitter tatsächlich innerhalb des Detektorkörpers platziert wäre. In einer nicht-beschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Verbundhalbleiter, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, im Allgemeinen von den Elementen der Gruppen III und V (beispielsweise Galliumarsenid) und von den Gruppen II und VI (beispielsweise Cadmiumtellur) der Periodentabelle abgeleitet. Unter diesen Verbundhalbleitern und deren Legierungen werden bei einer Ausführungsform Cadmiumtellurid (CdTe), Cadmiumzinktellurid (CdZnTe), Cadmiummagnesiumtellurid (CdMnTe), Talliumpromid (TlBr) oder Quecksilberjodid (HgI₂) verwendet.
Das Strahlungsdetektionssystem der vorliegenden Erfindung ist weiter durch eine Anordnung der Mehrzahl von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren in einem Array oder mehreren Arrays definiert (siehe 2 und 3). Bei einer nicht-beschränkenden Ausführungsform ist jeder Detektor innerhalb eines Arrays verbunden, um eine gemeinsame Kathode auszubilden. Außerdem ist ebenso gegenwärtig, dass die Detektoren innerhalb eines Arrays zwei oder mehrere Untergruppen von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren aufweisen können, die mit einer gemeinsamen Kathode verbunden sind.
Bei einer Ausführungsform, wie in 4A gezeigt, weist jeder virtuelle Frisch-Gitter-Detektor innerhalb eines Arrays eine Schirmungselektrode auf, die in der Nähe der Anode positioniert ist, und sich in einer partiellen Länge eines Halbleiters erstreckt, und auf diese Weise den Halbleiterstab innerhalb des virtuellen Frisch-Gitter-Detektors teilweise ungeschirmt lässt. Die Erfinder haben bemerkt, dass ein großes Gebiet in der Nähe der Kathode in jedem Detektor des Arrays durch die Schirmelektrode unbedeckt verbleiben kann, ohne die Effektivität der Schirmung der Anode zu senken.
Bei einer anderen Ausführungsform, wie in 4B gezeigt, weist jeder virtuelle Frisch-Gitter-Detektor innerhalb des Arrays eine Schirmelektrode in der Nähe der Anode auf, die sich in einer partialen Länge des Halbleiterstabs erstreckt, und auf diese Weise den Halbleiterstab innerhalb des virtuellen Frisch-Gitter-Detektors teilweise ungeschirmt lässt. Allerdings ist bei dieser Ausführungsform jedes Array aus den internen und externen (oder Ecken) Modulen des virtuellen Frisch-Gitter-Detektors zusammengesetzt, wobei die Länge der Schirmung des Detektors in dem inneren Modul sich von der Länge der Schirmung des Detektors in dem externen Modul unterscheidet. Bei einer Ausführungsform ist die Länge der Schirmung des Detektors in dem externen Modul größer als die Länge der Schirmung des Detektors in dem internen Modul, jedoch nicht die volle Länge des Halbleiters, wie in der Ausführungsform beschrieben, die infra beschrieben wurde.
Bein einer bevorzugten Ausführungsform, wie in 4C gezeigt, ist jedes Array aus internen und externen (oder Kanten) Modulen zusammengesetzt. Das interne Modul weist eine Mehrzahl von virtuellen Frisch-Detektoren mit einer Schirmung in der Nähe der Anode auf, die sich über eine partielle Länge eines Halbleiters erstreckt, wobei diese den Halbleiter innerhalb des virtuellen Frisch-Gitter-Detektors in dem internen Modul teilweise ungeschirmt lässt, ähnlich wie in der 4A und der 4B. Allerdings weist das externe oder Kantenmodul auf der anderen Seite eine Mehrzahl von virtuellen Frisch-Detektoren mit der Schirmung, die sich über die volle Länge des Halbleiters erstreckt, auf. Eine Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform einer solchen Konfiguration ist in 3 präsentiert, wo vier (4) interne Detektoren ein internes Modul ausbilden und zwölf (12) externe Detektoren, die das interne Modul umgeben, bilden das externe oder Kantenmodul aus. Bei einer solchen Konfiguration werden die Kathoden der Mehrzahl der Detektoren in dem Array gemeinsam ausgelesen und die Information über die Interaktionstiefe, die von dem Kathodensignal des internen Moduls in dem virtuellen Frisch-Gitter-Detektor-Array abgeleitet wird, wird verwendet, um den Ladungsverlust der Anode aufgrund des Elektroneneinfangens des ganzen Arraysystems zu korrigieren. Die Zeitinformation und die Amplitude der Kathodensignale kann verwendet werden, um die Events, die in der Nähe der Anode interagieren, zu verwerfen. Dies sieht einen praktischen Ansatz vor, um das Kathodensignal des internen Moduls zu verwenden, um den Ladungsverlust der Anode aufgrund des Einfangens zu korrigieren und um diese Events, die in der Nähe der Anode auftreten, welche nicht durch die Tiefenmessung basierend auf dem Kathodensignal geeignet korrigiert werden können, zu verwerfen.
Die vorliegende Erfindung sieht ebenso ein Verfahren zum Herstellen eines virtuellen Frisch-Gitter-Detektor-Arrays vor, das folgende Schritte aufweist: a) Vorsehen (i) einer Mehrzahl von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren mit der Schirmungselektrode, die sich über die partielle Länge des Verbundhalbleiters in der Nähe der Kante, welche sich am nächsten zur Anode befindet, aufspannt, und (ii) einer Mehrzahl von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren mit der Schirmelektrode, die sich über die gesamte Länge des Verbundhalbleiters aufspannt; oder, alternativ, b) Vorsehen einer Mehrzahl von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren mit der Schirmelektrode, die sich über die partielle Länge des Verbundhalbleiters in der Nähe der Kante, die sich am nächsten zur Anode befindet, aufspannt; c) Bonden der virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren von Schritt (a) oder (b) mit einem leitfähigen Board, um einen Array auszubilden; wobei, bei der Alternative (a) die Mehrzahl der virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren mit der Schirmelektrode, die sich über die partielle Länge des Verbundhalbleiters in der Nähe der Kante, welche sich am nächsten zur Anode befindet, aufspannt, ein internes Modul ausbildet, und die Mehrzahl der virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren mit der Schirmelektrode, die sich über die gesamte Länge des Verbundhalbleiters aufspannt, ein externes oder Kantenmodul ausbildet. Das externe Modul ist mit dem leitfähigen Board (oder einem anderen leitfähigen Material) in einem Muster gebondet, um eine einzelne Detektorkantenschicht um das interne Modul auszubilden. Allerdings, sind auch mehrere Schichten der äußeren Kantendetektoren vergegenwärtigt, genauso wie mehrere interne Module, die durch einen Layer der äußeren Kantendetektoren umgeben sind.
Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung klar werden, welche in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung gelesen werden sollte. Der Umfang der Erfindung wird in den Ansprüche aufgezeigt werden. Die folgende Zeichnung, die in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung verwendet werden sollte, wird präsentiert, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu gebrauchen und diese in dem Kontext der einzelnen Anmeldungen aufzunehmen.
Verschiedene Modifikationen sowie eine Vielfalt von Verwendungen in verschiedenen Anwendungen werden dem Fachmann in offensichtlicher Weise klar werden, und die allgemeinen Prinzipien, welche hierin definiert sind, könne auf einen großen Bereich von Ausführungsformen angewandt werden. Auf diese Weise ist es nicht beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung auf die präsentierten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern diese sollte in dem breitesten Umfang mit den Prinzipien und neuen Features, welche hierin offenbart sind, konsistent im Einklang sein. Außerdem wird angemerkt, soweit dies nicht explizit anders festgestellt wird, dass die hierin inkludierten Figuren diagrammatisch illustriert sind und ohne irgendeinen bestimmten Maßstab insoweit als qualitative Illustrationen des Konzepts der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A illustriert die Querschnittsansichten des CAPture^TM-Detektor gemäß Parnham (1999).
1B illustriert die Querschnittsansichten des Frisch-Ringdetektors gemäß dem U.S. Patent 6,175,120 , Montemont (2001) und Bolotnikov (2006).
1C illustriert die Querschnittsansichten des virtuellen Frisch-Gitter-Detektors gemäß Bolotnikov (2007).
2 illustriert ein Blockdiagramm des Strahlungsdetektorsystems, welches das verbundene virtuelle Frisch-Gitter-Detektorarray, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) und einen Mikroprozessor aufweist.
3 illustriert ein Diagramm einer Mehrzahl von 4 × 4 Arrays des virtuellen Frisch-Gitter-Detektors gemäß 2.
4A illustriert eine Reihe eines 6 × 6 virtuellen Frisch-Gitter-Detektorarrays, das das Elektroneneinfangproblem reduziert.
4B illustriert eine Reihe eines 6 × 6 virtuellen Frisch-Gitter-Detektorarrays, das das Elektroneneinfangproblem in ähnlicher Weise wie in 4A reduziert, wobei allerdings die Länge der Schirmelektrode zwischen den internen und externen Modulen unterschiedlich ist.
4C illustriert eine Reihe eines 6 × 6 virtuellen Frisch-Gitter-Detektorarrays, das das Elektroneneinfangproblem in ähnlicher Weise wie in 4B reduziert, wobei die Kantenmodule die ganze Länge der Schirmelektrode verwenden.
5A illustriert die Querschnittsansicht des virtuellen Frisch-Gitter-Detektors mit einer Schirmelektrode, die sich über eine partielle Länge eines Halbleiters in der Nähe der Anode erstreckt.
5B illustriert die Querschnittsansicht des virtuellen Frisch-Gitter-Detektors von 5A, wobei die Metallisierung der Kathode auf die Seitenoberflächen des Halbleiters vergrößert wurde.
5C illustriert die Querschnittsansicht des virtuellen Frisch-Ringdetektors der 5A, wobei sich die Schirmelektrode über die volle Länge des Halbleiters erstreckt, welcher in dem externen Modul des Strahlungsdetektorarrays verwendet wird.
5D illustriert die Querschnittsansicht des virtuellen Frisch-Gitter-Detektors der 5B, wobei sich die Schirmelektrode über die volle Länge zwischen der Kante der Anode und der Kante der erweiterten Kathode erstreckt, die in dem externen Modul des Strahlungsdetektorarrays verwendet wird.
6A illustriert grafisch ein Beispiel einer Korrelation zwischen der Signalamplitude der Kathode und der Anode des CdZnTe-Detektorarrays.
6B illustriert grafisch ein Beispiel einer Korrelation zwischen der Signalamplitude der Kathode und der Anode des CdZnTe-Detektorarrays.
7A illustriert grafisch ein Pulshöhenspektrum, das durch eine unkollimierte Cäsium 137 Quelle mit einem 14 mm langen CdZnTe-Detektor vor der Korrektur erzeugt wird.
7B illustriert grafisch ein Pulshöhenspektrum relativ zu 7A, das durch eine unkollimierte Cäsium 137 Quelle mit einem 14 mm langen CdZnTe-Detektor nach der Korrelation erzeugt wird.
7C illustriert grafisch ein Pulshöhenspektrum, das durch eine unkollimierte Cäsium 137 Quelle mit einem 14 mm langen CdZnTe-Detektor vor der Korrektur erzeugt wird.
7D illustriert grafisch ein Pulshöhenspektrum relativ zu 7C, das durch eine unkollimierte Cäsium 137 Quelle mit einem 14 mm langen CdZnTe-Detektor nach der Korrektur erzeugt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein neuartiges Strahlungsdetektorsystem, das das Elektroneneinfangproblem des Stands der Technik effektiv löst, in dem die Konfiguration von jedem individuell Frisch-Gitter-Detektor in der Arraykonfiguration optimiert wird.
Wie in 2 gezeigt, weist bei einer Ausführungsform das Strahlungsdetektorsystem der vorliegenden Erfindung folgendes auf: ein virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray 700, das aus einer Mehrzahl von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren hergestellt ist, eine anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) 800, der mit dem virtuellen Frisch-Gitter-Detektorarray 700 zum Empfangen eines Signals von dem Array verbunden ist, und einen Mikroprozessor 900, der mit dem ASIC 800 zum Betreiben des ASIC verbunden ist, wobei die Signale, die durch das Array 700 empfangen werden, durch den ASIC 800 verlaufen, und durch den Mikroprozessor 900 verarbeitet werden. Die Konfiguration und Komponenten des Strahlungsdetektorsystems der vorliegenden Erfindung werden im Detail hierin nachstehend diskutiert.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray
Es wird durch den Fachmann gewürdigt und verstanden werden, dass es der beste praktische Ansatz ist, das Kathodensignal zu verwenden, um den Ladungsverlust der Anode aufgrund des Einfangens zu korrigieren, um das Problem, das durch das Elektroneneinfangen verursacht wird, zu bewältigen. Allerdings, da sich die Schirmung in den virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren von der Kathode nach unten zu der Anode erstrecken kann, d. h., über die volle Länge, oder die Kathode weiter nach unten entlang der Länge des Halbleiters vergrößert werden kann, wird die Fähigkeit wesentlich reduziert, die Kathodensignale zu messen. Um diese Beschränkung zu überwinden, haben die Erfinder herausgefunden, dass jeder virtuelle Frisch-Gitter-Detektor, oder genauer gesagt jede Schirmelektrode von jedem Detektor, individuell durch das Variieren der Länge der Schirmung und des Ortes des Detektors innerhalb des Detektorarrays optimiert werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befindet sich der Ort der Schirmung in der Nähe der Anode. Eine schematische Illustration einer Draufsicht eines virtuellen Frisch-Gitter-Detektorarrays einer solchen Ausführungsform ist in 3 gezeigt. Das virtuelle Frisch-Gitter-Detektorarray 700 weist eines oder mehrere Unter-Arrays 600 mit einer variierenden Anzahl von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren innerhalb jedes Unter-Arrays auf. Bei einer nicht-limitierenden Ausführungsform ist jeder Detektor innerhalb eines Arrays oder Unter-Arrays verbunden, um eine gemeinsame Kathode auszubilden. Jedoch ist es ebenso vorstellbar, dass jedes Array oder Unter-Array zwei oder mehrere Untergruppen von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren aufweist, die mit einer gemeinsamen Kathode innerhalb der einzelnen Untergruppe verbunden sind. Bei einer Ausführungsform weist das virtuelle Frisch-Gitter-Detektorarray ein (1) Unter-Array auf. In einer anderen Ausführungsform weist das virtuelle Frisch-Gitter-Detektorarray mehr als ein (1) Unter-Array auf, beispielweise 2, 4, 6, 8 oder 9 Unter-Arrays. Es wird durch den Fachmann geschätzt und verstanden werden, dass die Anzahl der Unter-Arrays innerhalb des virtuellen Frisch-Gitter-Detektorarrays der vorliegenden Erfindung von den gewünschten Parameter und den extrinsischen Anforderungen abhängen wird, z. B., der Gesamtgröße des Strahlungsdetektionssystems, und dass diese nicht auf die Ausführungsformen beschränkt sein sollte, welche hierin beispielhaft dargestellt sind.
Das virtuelle Frisch-Gitter-Detektorarray (oder Unter-Array) weist eine Mehrzahl von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren auf, die als eine Matrix A(m, n) konfiguriert sind, wobei m und n die Anzahl der Reihen und Spalten unabhängig voneinander repräsentieren, die von 1 bis 1000 oder mehr reichen kann. Während es keine spezifische Anforderung gibt, wie die Mehrzahl der virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren in dem Array vorliegen müssen, beschreibt eine beispielhafte Ausführungsform A(4, 4) eine 4×4-Matrix 600 mit 4 Reihen und 4 Spalten, wie in 3 gezeigt. In einer anderen Ausführungsform A(6, 6) beschreibt diese eine 6×6-Matrix, welche als eine Querschnittsansicht in den 4A, 4B und 4C gezeigt ist.
Bei einer Ausführungsform weist ein virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray 300 eine Mehrzahl von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren in einer 6×6-Matrix auf, d. h., 36 Detektoren. 4A zeigt eine der Reihen 1 bis 6. Jeder virtuelle Frisch-Gitter-Detektor innerhalb des Arrays 300 weist eine Schirmelektrode 314 in der Nähe der Anode auf, die sich über eine partielle Länge eines Halbleiters 312 erstreckt, und so auf diese Weise den Halbleiter 312 innerhalb des virtuellen Frisch-Gitter-Detektors teilweise ungeschirmt lässt. Die tatsächliche Länge der Schirmelektrode 314 hängt von dem Größenverhältnis bzw. Seitenverhältnis des Halbleiters 312 ab. Je länger der Halbleiter 312 ist, umso relativ kürzer kann eine Schirmelektrode 314 verwendet werden, die einen größeren Teil bzw. Anteil des Volumens der Vorrichtung für die Kathode 310 hinterlässt. Vorzugsweise sollte die Schirmelektrode zumindest gleich der Breite des Detektors sein und unabhängig von der Länge der Vorrichtung sein. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist die Länge der Schirmelektrode 314 etwa 1/3 der Gesamtlänge des Halbleiters 312, und so lässt diese etwa 2/3 des Halbleiters 312 ungeschirmt. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Länge der Schirmelektrode 314 etwa 1/4 der Gesamtlänge des Halbleiters 312, und so lässt diese etwa 3/4 des Halbleiters 312 ungeschirmt. Bei noch einer anderen Ausführungsform bewegt sich die Länge der Schirmelektrode 314 zwischen etwa 1/4 und etwa 1/3 der Gesamtlänge des Halbleiters 312, und so lässt diese etwa 3/4 bis etwa 2/3 des Halbleiters 312 ungeschirmt. Die Schirmung 314 kann länger oder kürzer sein, in Abhängigkeit dazu, ob die Schirmung 314 ausreichend ist, die Schirmung der Anode vorzusehen, welche für eine spezielle Konfiguration des Halbleiterdetektors optimiert werden kann. Eine Kathode 311 von jedem Detektor in dem Array 300 ist mit einem leitfähigen Board (oder anderen leitfähigen Materialien) 301 über einen leitfähigen Verbinder (beispielsweise ein Bond) 302 befestigt. Der leitfähige Verbinder 302 kann beispielsweise ein Indium-Bump bzw. eine Indium-Erhöhung, ein leitfähiges Epoxydharz oder ein Goldstumpf sein. Die Kathode 301 von jedem individuellen Detektor in dem Array 300 kann sowohl zusammen, getrennt oder in einer Unterkombination der Detektoren ausgelesen werden. Bei einer Ausführungsform wird die Kathode 301 von jedem individuellen Detektor in dem Array 300 gemeinsam ausgelesen. Bei einer solchen Konfiguration wird die Information über die Interaktionstiefe, welche von dem Kathodensignal des virtuellen Frisch-Gitter-Detektorarrays abgeleitet wird, verwendet, um den Ladungsverlust der Anode aufgrund des Elektroneneinfangens zu korrigieren. Beide Verhältnisse zwischen den Kathoden- und Anodensignalen und der Driftzeit, die durch den Unterschied zwischen der Startzeit des Kathodensignals und der Ankunftszeit des Anodensignals gegeben ist, können verwendet werden, um Korrekturen der Kathodensignale zu implementieren.
Bei einer anderen Ausführungsform weist das virtuelle Frisch-Gitter-Detektorarray 400 ein internes Modul 410 und ein externes (oder Kanten-)Modul 420 auf, welches in einer 6×6-Matrix konfiguriert ist. 4B zeigt eine der Reihen 2 bis 5. Das interne Modul 410 weist eine Mehrzahl von virtuellen Frischdetektoren (z. B. 16 Detektoren für eine 4×4 interne Matrix) mit einer Schirmelektrode 414 auf, die sich über eine partiale Länge des Halbleiters 412 in der Nähe der Anode 415 erstreckt, beispielsweise 1/4 bis 2/3 der Länge des Halbleiters, und es auf diese Weise dem Halbleiter 412 erlaubt, teilweise ungeschirmt zu verbleiben, beispielsweise 3/4 bis 2/3 verbleibt ungeschirmt. Das Kantenmodul 420 weist auf der anderen Seite eine Mehrzahl von virtuellen Frischdetektoren (beispielsweise 20 Detektoren) mit einer Schirmelektrode 424 auf, die sich weiter als die Schirmelektrode 414 der Detektoren der inneren Module 410 erstreckt, jedoch den Halbleiter 422 immer noch nicht vollständig abdeckt. Bei einer speziellen Ausführungsform, falls die Länge der Schirmelektrode 414 etwa 1/4 bis 1/3 der Gesamtlänge des Halbleiters 412 ist, liegt die Länge der Schirmelektrode 424 des Kantenmoduls 420 irgendwo zwischen der Länge der Schirmung 414 und der Länge des Halbleiters 422, beispielsweise 1 > L (424) > 1/4. Ein Fachmann wird es zu schätzen wissen, dass die Länge der Schirmung 424 für eine spezielle Konfiguration des Halbleiterdetektorarrays optimiert werden kann, solange wie die Schirmung 424 ausreichend ist, die Schirmung des gesamten Arrays vorzusehen. Eine Kathode 411 und 421 von jedem Detektor in dem Array 400 ist mit einem leitfähigen Board 401 durch einen leitfähigen Bond 402 befestigt. Ähnlich zu einem Array, das in 4A beschrieben wird, können die Kathode 411 und 421 von jedem individuellen Detektor im Array 400 entweder zusammen, getrennt oder in einer Unterkombination der Detektoren ausgelesen werden. Bei einer Ausführungsform wird die Kathode 411 von jedem individuellen Detektor in dem internen Modul 410 gemeinsam mit der Kathode 421 von jedem individuellen Detektor in dem externen Modul 420 in dem Array 400 ausgelesen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist ein virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray 500 ein internes Modul 510 und ein externes (oder Kanten-)Modul 520 auf, welches in einer 6×6-Matrix konfiguriert ist. 4C zeigt eine der Reihen 2 bis 5. Das interne Modul 510 weist eine Mehrzahl von virtuellen Frischdetektoren (beispielsweise 16 Detektoren in einer 4×4 internen Matrix) auf, wobei die Schirmelektrode 514 sich in einer partiellen Länge eines Halbleiters 512 in der Nähe der Anode 515 erstreckt, und es so dem Halbleiter 512 erlaubt, teilweise ungeschirmt zu verbleiben. Das Kantenmodul 520 weist auf der anderen Seite eine Mehrzahl von virtuellen Frischdetektoren (beispielsweise 20 Detektoren) auf, wobei sich eine Schirmelektrode 524 über die ganze Länge des Halbleiters 512 zwischen den Kanten der Kathode 521 und der Anode 525 erstreckt. Eine Kathode 511 und 521 von jedem Detektor in dem Array 500 ist mit einem leitfähigen Board 501 mit einem leitfähigen Verbinder (oder Bond) 502 verbunden. Eine Draufsicht einer ähnlichen Konfiguration ist in 3 präsentiert, wo die internen Module die Detektoren mit einer teilweisen Schirmung 614 und die externen Module die Detektoren mit einer vollen Schirmung 624 aufweisen, obschon diese als eine 4×4-Matrix gezeigt ist; und alle Detektoren sind mit dem leitfähigen Board 601 beispielsweise über einen leitfähigen Verbinder oder Bond 602 verbunden. Ähnlich einem Array, das in 4A und 4B beschrieben ist, kann die Kathode 511 und 521 von jedem individuellen Detektor in dem Array 500 in 4C entweder gemeinsam, getrennt oder in einer Unterkombination der Detektoren ausgelesen werden. Bei einer solchen Konfiguration wird die Information über die Interaktionstiefe, die von dem Kathodensignal des internen Moduls des virtuellen Frisch-Gitter-Detektorarrays abgeleitet wird, verwendet, um das Signal der Anode aufgrund des Elektrodeneinfangens zu korrigieren. Bei einer Ausführungsform wird die Kathode 511 von jedem individuellen Detektor in dem internen Modul 510 gemeinsam mit der Kathode 521 von jedem individuellen Detektor in dem externen Modul 520 in dem Array 500 ausgelesen. Insbesondere kann die Information über die Interaktionstiefe, die von dem Kathodensignal des internen Moduls 510 in dem virtuellen Frisch-Gitter-Detektorarray 500 abgeleitet wird, verwendet werden, um den Ladungsverlust der Anode aufgrund des Elektroneneinfangens zu korrigieren. Die Korrelation zwischen der Amplitude der Signale A_Anode und A_Kathode (siehe 6A bis 6B), die durch monoenergetische Gammastrahlen erzeugt wird, und ein Auslesen von der Anode und der Kathode in dem virtuellen Frisch-Gitter-Detektorarray produziert ein negatives Gefälle des Engen-Punkte-Kontinuums, das mit den gesamten Energiedepositionsevents korrespondiert, welches eine Indikation für den Elektronenladungsverlust ist, der wie folgt korrigiert werden kann: A_cor = A_anode + KA_cathode (1) wobei K die Steigung der Korrelationskurve ist. Außerdem kann das Verhältnis zwischen den Kathoden und Anodensignalen, A_Kathode/A_Anode verwendet werden, um die Events zu verwerfen, die in der Nähe der Anode interagieren. Solche Events, die durch die Punkte repräsentiert werden, die nahe an der Vertikalachse platziert sind, degradieren die spektrale Reaktion des virtuellen Frisch-Gitter-Detektorarrays. Dies sieht einen praktischen Ansatz vor, das Kathodensignal des internen Moduls zu verwenden, um den Signalverlust der Anode aufgrund des Einfangens in dem ganzen System zu korrigieren. Der Signalverlust der Anode aufgrund des Elektroneneinfangens kann ebenso korrigiert werden, in dem die Driftzeit verwendet wird, die als ein Unterschied zwischen der Startzeit des Kathodensignals und der Ankunftszeit des Anodensignals gemessen wird.
Virtueller Frisch-Gitter-Detektor
Ein Schema von verschiedenen virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren der vorliegenden Erfindung werden beispielsweise in den 5A bis 5B gezeigt, welche in dem Array 300, das in 4A und 4B gezeigt wird, oder in dem internen Modul 510 des Arrays 500, wie in 4C gezeigt, verwendet wird. Der virtuelle Frisch-Gitter-Detektor 200 (in Bezug auf die 5A bis 5B) weist einen Verbundhalbleiter 202 mit einer ersten Oberfläche (kann auch als Oberseite bezeichnet werden) und einer zweiten Oberfläche (kann auch als Unterseite bezeichnet werden) auf. Eine Anode 205 ist mit der ersten Seite des Halbleiters 202 verbunden, und eine Kathode 201 ist mit der zweiten Seite des Halbleiters 202 verbunden. Bei einer, nicht beschränkenden. Ausführungsform sind die Kathode 201 und die Anode 205 aus Platin oder einem anderen leitfähigen Material, das bekannt ist, hergestellt. Der virtuelle Frisch-Gitter-Detektor 200 weist ferner eine Schirmelektrode 204 auf, die das Perimeter des Halbleiters 202 zwischen der Anode 205 und der Kathode 201 umgibt, welche den virtuellen Frisch-Gittereffekt erzeugt. Die Schirmelektrode 204 ist in der Nähe der Kante der Anode 205 positioniert und erstreckt sich über eine partielle Länge Halbleiters 202, wobei diese nie die Kante der Kathode 201 erreicht. Nachdem ein Signal bei der Anode 205 durch die Ladungsbewegung zwischen der Schirmelektrode 204 und der Anode 205 induziert wird, schirmt die Schirmelektrode 204 das induzierte Signal von den sich langsam bewegenden positiven Ionen ab, die in Richtung der Kathode 201 driften. Daher stellt das Platzieren der Schirmelektrode 204 in der Nähe der Anode 205 sicher, dass der Ursprung des induzierten Signals von diesen Elektronen stammt, die von dem Detektorvolumen in den Messbereich gedriftet sind, wobei dadurch verursacht wird, dass das Signal hauptsächlich durch die Elektronenbewegung ausgebildet wird. Bei einer Ausführungsform umfasst die Schirmelektrode 204 in dem Detektor 200 etwa 5% bis etwa 95% der Länge des Halbleiters 202, welche an der Kante der Anode 205 positioniert ist. In einer mehr bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schirmelektrode 204 in dem Detektor 200 etwa 15% bis etwa 75% der Länge des Halbleiters 202, welche an der Kante der Anode 205 positioniert ist. In einer sogar noch mehr bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schirmelektrode 204 in dem Detektor 200 etwa 25% bis etwa 35% der Länge des Halbleiters 202, welcher an der Kante der Anode 205 positioniert ist. Wir haben erkannt, dass die minimale Größe der Schirmung bei den Detektoren der vorliegenden Erfindung nur in Abhängigkeit zu dem Größenverhältnis der Vorrichtung gewählt werden kann und diese in der Nähe der Anode platziert ist. Die gleiche Schirmungsgröße kann für alle Detektoren des Arrays (oder des internen Moduls des Arrays) verwendet werden. Im Gegensatz dazu erfordern die herkömmlichen Detektorarrays des Stands der Technik unterschiedliche Schirmungen für jeden Detektor in dem Array, weil herkömmliche Detektoren vorsichtig optimiert werden müssen, um die beste Energieauflösung in Abhängigkeit zu den Eigenschaften der individuellen Kristalle, der angelegten Vorspannung, der Geometrie, etc. zu erreichen.
Der virtuelle Frisch-Gitter-Detektor 200 weist ferner eine Seitenisolationsschicht 203, beispielsweise, die ultradünne Polyesterschrumpfröhre, zwischen der Oberfläche des Halbleiters 202 und der Schirmelektrode 204 auf. Der nicht-berührende virtuelle Frisch-Gitter-Detektor eliminiert den Gitter-zu-Anoden-Leckstrom, während dieser immer noch die Leistung eines Einzel-Trägers erreicht (Vergleiche U.S. Patent 6,175,120 ; welches hierin durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist). Die Seitenisolationsschicht 203 weist eine Dicke auf, die adäquat ist, eine exzellente elektrische Isolation vorzusehen und einen dielektrischen Zusammenbruch bzw. Durchschlag zwischen der Anode 205 und irgendwelchen Oberflächen mit einer differentiellen Vorspannung zu vermeiden. Bei einer speziellen Ausführungsform weist die Seitenisolationsschicht eine Dicke von etwa 10 bis 2000 Mikron auf. Bei einer Ausführungsform reicht die Isolationsschicht von etwa 100 Mikron bis etwa 2000 Mikron. Bei einer anderen Ausführungsform reicht die Isolationsschicht von etwa 200 Mikron bis etwa 1000 Mikron. Bei noch einer anderen Ausführungsform hat die Isolationsschicht etwa 300 Mikron. Die Seitenisolationsschicht 203 ist aus einem Isolationsmaterial hergestellt, das einen sehr hohen elektrischen Widerstand, eine hohe Grenze für einen dielektrischen Durchschlag, und einen vorzugsweise hohen korrosiven Widerstand aufweist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Isolationsmaterial maschinell hergestellt oder gegossen. Das Isolationsmaterial kann aus einem Metalloxid (z. B. ein Aluminium, ein Zirkoniumoxid, oder ein Quarz), einer Glas-Keramik (z. B. MACOR^TM), einem Polyimid (Kapton^TM), einem Fotolack, einem Polymer (z. B. Polytetrafluorethylen oder Teflon^TM), Kunststoffen, Kohlenstoffkeramiken (z. B. SiC oder B₄C), Nitridkeramiken (z. B. Si₃N₄, AlN, oder BN) oder einer Kombination davon bestehen.
Bei einem alternativen Design, wie in 5B gezeigt, weist der Halbleiter 202, wie bei den virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren die in 5A definiert sind, eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf. Die Metallisierung der Kathode 201 wird nach unten zu den Seiten um etwa 1 bis 30% der Gesamtlänge des Halbleiters 202 vergrößert, beispielsweise um 2 bis 3 mm. Die nicht-berührende Schirmelektrode 204 deckt die Seitenoberflächen der Vorrichtung nach oben bis zu der Kante der Kathode 201 ab und wird auf dem gleichen Potential wie die Anode 205 gehalten. Die Isolationsschicht 203 deckt das ganze Gebiet der Seitenoberflächen ab. Dies sieht das Endkoppeln des nicht-berührenden Rings 204 von der Kathode 201 vor, und erlaub es zur gleichen Zeit, eine hohe differentielle Vorspannung (bis 3000 Volt und höher) zwischen der Kathode 201 und der Schirmelektrode 204 anzulegen.
Die virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren des externen oder Kantenmoduls, wie in den 5C und 5D gezeigt, können der Konfiguration der virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren des Stands der Technik ähnlich sein, so lang wie der ganze Perimeter des Halbleiters 202 durch die Schirmelektrode 204 abgedeckt wird, d. h. 100% von der ersten Seite zu der zweiten Seite des Halbleiters 202.
In beiden Konfigurationen des Detektors wird der Halbleiter 202 basierend auf dessen Fähigkeit ausgewählt, als Ein-Träger-Transport-Vorrichtung zu funktionieren. Insbesondere werden die Verbundhalbleiter, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, im Allgemeinen von den Elementen der Gruppen III und V (z. B. Galliumarsenid) und den Gruppen II und VI (z. B. Kadiumtellur) der Periodentabelle abgeleitet. Neben binären Verbundwerkstoffen können ebenso ternäre Materialien als die Verbundhalbleiter verwendet werden, die geeignet sind als Ein-Träger-Transport zu funktionieren, z. B. Cd_1-xZn_xTe und Cd_1-xMn_xTe, wo 0 ≤ x ≤ 1. Es ist Usus, die fraktionalen Indizes wegzulassen, wenn auf die Legierungsfamilien Bezug genommen wird; eine solche Praxis wird auch bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung angewandt. Unter diesen Verbundhalbleitern und deren Legierungen wird bei einer Ausführungsform Kadmiumtellurid (CdTe), Kadmiumzinktellurid (CdZnTe), Kadmiummangantellurid (CdMnTe), Talliumbromid (TlBr) oder Quecksilberjodid (HgI₂) verwendet. Allerdings wird es durch den Fachmann geschätzt und verstanden werden, dass irgendein Verbundmaterial oder Element bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, solange dieses geeignet ist, als Ein-Träger-Transport-Vorrichtung zu funktionieren, wie zum Beispiel zusätzlich zu den vorstehend aufgelisteten Halbleitern, HgCdTe, HgZnSe, GaAs, PbI₂, AlSb, InP, ZnSe, ZnTe, PbO, BiI₃, SiC, Hg_xBr_1-xI₂, Hg_xCd_1-xI₂, wobei x größer als 0 und kleiner als 1 ist, InI₂, Ga₂Se₃, Ga₂Te₃, TlPbI₃, Tl₄HgI₆, Tl₃As₂Se₃, TlGaSe₂, und AgGaTe₂. Bei einer speziellen Ausführungsform wird ein Halbleiter 202 aus einem Kadmiumzinktellurid(CdZnTe)-Kristall hergestellt, der von eV Microelectronics verfügbar ist (373 Saxonburg Blvd., Saxonburg, PA 16056). Der Fachmann wird zu schätzen wissen, dass der Halbleiter größer oder kleiner sein kann und in seiner Form in Abhängigkeit zu den Designspezifikationen variieren kann. Bei einer Ausführungsform ist die Größe des Halbleiters 202 durch die Verfügbarkeit eines Einzelkristalls oder eines hochgradig einheitlichen Verbundhalbleiters beschränkt. Bei einer anderen, nicht-beschränkenden Ausführungsform ist das Seitenverhältnis des Halbleiters 202 zumindest 2. Bei noch einer anderen Ausführungsform weist der Halbleiter 202 ein Seitenverhältnis von etwa 2,5 und Größenparameter von etwa 6 mm × etwa 6 mm × 15 mm Dicke auf. Bei noch einer anderen Ausführungsform weist der Halbleiter 202 ein Seitenverhältnis von etwa 2,8 und die Größenparameter von etwa 7 mm × 7 mm × 20 mm Dicke auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Halbleiter 202 ein Größenverhältnis beziehungsweise Seitenverhältnis von etwa 2 bis 2,4 und Größenparameter von etwa 5 bis 7 mm × 5 bis 7 mm × 10 bis 15 mm Dicke auf. Die Oberfläche des Halbleiters 202 wird durch eine Oberflächenpassivierung vorbereitet, um einen geringeren Oberflächenleckstrom und zeitliche Stabilität vorzusehen, welche beispielsweise erreicht werden kann, indem der Halbleiter 202 poliert wird, gefolgt durch ein Eintauchen in eine geeignete Chemikalie. Die geeignete Chemikalie für eine Oberflächenpassivierung kann aus einer Brom- oder Methanollösung, einer Wasserstoffperoxydlösung, Ammoniumfluorid, Ammoniumsulfid, HumiSeal^TM, oder einer Kombination davon ausgewählt werden. Sobald der Halbleiter 202 poliert ist, kann die Oberfläche auch mit trockenen Verfahren behandelt werden, wie zum Beispiel durch Beschichten mit AlN oder SiN, als ein Ersatz für das Eintauchen in die geeignete Chemikalie, oder folgend auf die Behandlung durch das Eintauchen in die Chemikalie.
Während der virtuelle Frisch-Gitter-Detektor und das Detektorarray der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was gegenwärtig als die praktikabelste und bevorzugte Ausführungsform in Erwägung gezogen wird, sollte verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil, dass es beabsichtigt ist, dass diese die verschiedenen Modifikationen und äquivalente Anordnungen in dem Geist und Umfang der beigefügten Ansprüche mit abdeckt.
BEISPIELE
Die nachstehend dargelegten Beispiele dienen auch dazu, dass diese ein weiteres Verständnis der Erfindung darlegen, allerdings ist es nicht beabsichtigt, dass diese den Umfang der Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken.
Beispiel 1
Um das Problem, das durch das Elektroneneinfangen verursacht wird, zu überwinden, ist es der beste praktische Ansatz, das Kathodensignal zu verwenden, um den Signalverlust der Anode aufgrund des Elektroneneinfangens zu korrigieren. Bei dem Design der virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren des Stands der Technik ist die Schirmung nach oben zu der Kathode vergrößert, was, obwohl es die Schirmung des Halbleiters verbessert, die Fähigkeit reduziert, die Kathodensignale zu messen. Daher haben wir in der vorliegenden Erfindung das virtuelle Frisch-Gitter-Design für die individuellen CdZnTe-Stäbe und die CdZnTe-Array-Konfiguration optimiert.
Die CdZnTe-Kristalle wurden von eV-Microelectronics, Inc. (373 Saxonburg Blvd., Saxonburg, PA15056) gekauft. Die Kristalle wurden in Stabdetektoren mit einem geometrischen Seitenverhältnis zwischen annähernd zwei und drei umgeformt. Die Herstellung der stabförmigen CZT-Detektoren wurde durchgeführt, sowie dies bei Bolotnikov et al. beschrieben wurde (Proc. SPIE, vol. 5540, 33–45, 2004, welche hierin durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen wird). Die Originalkristalle wurden mit Hand poliert und kurz mit einer zweiprozentigen Bromidmethanollösung geätzt. Galvanisierte Gold-(AU)-Kontakte wurden nur an den Enden angelegt, wobei dadurch die Anoden- und Kathodenkontakte ausgebildet werden. Danach wurden die Seitenoberflächen weiter poliert, um den Leckstrom der Seitenoberfläche zu reduzieren. Um die Leistung der Vorrichtung zu verbessern wurden die Seitenoberflächen von einigen der Samples mit einer NH₄F/H₂O₂-Lösung behandelt (Wright, et al. Proc. SPIE, vol. 5198, pp. 306–313, 2004, welche hierin durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist). Nachdem die stabförmigen Kristalle hergestellt worden sind, wurden die Seitenoberflächen mit einem Teflonband gefolgt von einem Kupferband eingewickelt. Während der Messungen wurde der zu testende Detektor innerhalb eines standardisierten eV-Produkte-Vorrichtungshalters (Bolotnikov 2004) oder in einer nach Maß angefertigten Testbox platziert.
Für die virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren, die als interne Module des Arrays dienen, haben wir die Länge der Schirmelektrode reduziert und haben 2/3 des CdZnTe-Hauptteils ungeschirmt gelassen (siehe 4C und 5A). Zu dem gleichen Zeitpunkt haben wird das aktuelle virtuelle Frisch-Gitter-Design für diejenigen virtuellen Frisch-Gitter-CdZnTe-Detektoren bei den Kanten des Arrays beibehalten (siehe 4C und 5C), deren lange Schirmelektrode eine gute Schirmeffizienz für das ganze Array sicherstellt.
Auf diese Weise konnte die Information über die Interaktionstiefe durch das Auslesen des Kathodensignals der internen Module erhalten werden, welche verwendet wurde, um den Signalverlust der Anode aufgrund des Elektroneneinfangens zu korrigieren. Dies war insbesondere für lange Detektoren, größer 10 mm, wichtig, wo das Elektroneneinfangen signifikant ist. 6A ist eine Kurvendarstellung, die die Korrelation zwischen der Amplitude der Signale A_Anode und A_Kathode darstellt, die durch monoenergetische Gammastrahlung erzeugt wird und von der Anode und der Kathode in dem 14 mm-CdZnTe-Detektor ausgelesen wird. Das negative Gefälle des Engen-Punkte-Kontinuums, das den Gesamtenergiedepositionsevents entspricht, ist eine Indikation für den Elektronenladungsverlust. Solche Events, welche durch die Punkte repräsentiert werden, die nahe an der Vertikalachse platziert sind, degradieren die spektrale Antwort des virtuellen Frisch-Gitter-Detektors.
Eine standardmäßige, radioaktive Cäsium 137 Quelle wurde verwendet, um die spektroskopischen Eigenschaften der Detektoren zu beobachten. Die Signale wurden mit einem eV-Products 5092-Vorverstärker gemessen. Das Datenerfassungssystem enthielt einen spektroskopischen Formverstärker (spectroscopy shaping amplifier), eine MCA-Karte, ein digitales Oszilloskop, um die Signalformen zu speichern, die von einem ladungs-empfindlichen Vorverstärker ausgelesen wurden) und Standard-NIM-Elektronik. Die 7A und 7B zeigen zwei Puls-Höhenspektren, die mit einem 14 mm langen Frisch-Gitter-Detektor von einer Cäsium 137 Quelle gemessen wurden, bevor und nachdem die Korrektur der Interaktionstiefe angewandt wurde und wobei die Events verworfen wurden, die in der Nähe der Anode interagieren. Die Daten wurden durch das Messen der Signalformen von den Vorverstärkern und durch das Anwenden der Pulsformanalyse evaluiert. Der Niedrigenergierest, der in dem Originalspektrum (siehe 7A) gesehen werden kann, wird wesentlich reduziert, ohne dabei Photopeakzähler zu verlieren, in dem die Events mit einem A_Kathode/A_Anode-Verhältnis ausgewählt werden, das größer als 0,005 ist. Im Ergebnis verbessert sich die Energieauflösung (volle Breite bei halbem Maximum, FWHM) von 2,4% auf 1,3% bei 662 keV für das Detektordesign, das auf der vorliegenden Erfindung basiert, wie in 7B gezeigt.
Beispiel 2
Das Experiment, das im Beispiel 1 präsentiert wurde, wurde wiederholt, um die Reproduzierbarkeit der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren. 6B ist eine Kurvendarstellung, die die Wiederholbarkeit der Korrelation zwischen der Amplitude der Signale A_Anode und A_Kathode zeigt, die durch monoenergetische Gammastrahlung und das Auslesen von der Anode und der Kathode erzeugt wird. Eine standardmäßige, radioaktive Cäsium 137 Quelle wurde verwendet, um die spektroskopischen Eigenschaften der Detektoren zu beobachten. Die 7C und 7D zeigen zwei Pulshöhensprektren, die von einer Cäsium 137 Quelle mit einem 15 mm langen Frisch-Gitter-Detektor vor und nach dem Anwenden der Korrektur der Interaktionstiefe und dem Verwerfen der Events, die in der Nähe der Anode interagieren, gemessen wurden. Die Daten wurden durch das Messen der Signalformen von den Vorverstärkern und das Anwenden der Pulsformanalyse evaluiert. Der Niedrigenergierest, der in dem Originalspektrum (siehe 7C) gesehen werden kann, wird wesentlich reduziert, ohne Photopeakzähler zu verlieren, indem die Events mit einem A_Kathode/A_Anode-Verhältnis gewählt werden, das größer als 0,005 ist. Im Ergebnis verbessert sich die Energieauflösung (volle Breite bei halbem Maximum, FWHM) von 2,4% auf 1,3% bei 662 keV für das Detektordesign, das auf der vorliegenden Erfindung basiert, wie in 7D gezeigt.
Auf diese Weise können bei diesem neuartigen Design die schädlichen Effekte, die durch das Elektroneneinfangen verursacht werden, ohne den Verlust der Schirmungseffizienz korrigiert werden. Die Energieauflösung und die Detektionseffizienz verbessern sich entsprechend.
Es wird durch den Fachmann geschätzt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist, was ausdrücklich gezeigt und beschrieben wurde. Vielmehr ist der Umfang der vorliegenden Erfindung durch die Ansprüche definiert, welche nachfolgen. Es sollte weiter verstanden werden, dass die vorstehende Beschreibung nur für die illustrativen Beispiele der Ausführungsformen repräsentativ ist. Zur Bequemlichkeit des Lesers wurde bei vorstehende Beschreibung auf ein repräsentatives Beispiel von möglichen Ausführungsformen fokussiert; ein Beispiel, das die Prinzipien der vorliegenden Erfindung lehrt. Aus einer unterschiedlichen Kombination von Abschnitten von unterschiedlichen Ausführungsformen können andere Ausführungsformen resultieren.
Die Beschreibung hat nicht versucht, alle möglichen Variationen erschöpfend aufzuzählen. Die alternativen Ausführungsformen können für einen spezifischen Abschnitt der Erfindung nicht präsentiert worden sein und können aus einer unterschiedlichen Kombination der beschriebenen Abschnitte resultieren, oder, das andere nicht beschriebene, alternative Ausführungsformen für einen Abschnitt verfügbar sind, wird nicht als ein Disclaimer für diese alternativen Ausführungsformen betrachtet. Es wird gewürdigt werden, dass viele dieser nicht beschriebenen Ausführungsformen innerhalb dem wörtlichen Umfang der folgenden Ansprüche liegen, und andere äquivalent sind.
Außerdem werden alle Referenzen, Publikationen, U.S. Patente und U.S. Patentanmeldungspublikationen, die in dieser Beschreibung zitiert wurden, hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen, als wenn diese in dieser Beschreibung vollständig dargelegt worden wären.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

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US 5530249 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Bolotnikov 2004 [0061]

Claims

Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray, aufweisend: ein internes Modul, das durch ein Kantenmodul umgeben ist, wobei jedes Modul eine Mehrzahl von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren aufweist und die virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren folgendes aufweisen: einen Halbleiter, der geeignet ist, als eine Ein-Träger-Transport-Vorrichtung mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche zu funktionieren, eine Anode, die mit der ersten Oberfläche des Halbleiters verbunden ist, eine Katode, die mit der zweiten Oberfläche des Halbleiters verbunden ist, und eine Metallschirmung, die den virtuellen Frisch-Gittereffekt erzeugt, der den Perimeter des Halbleiters zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche umfasst; wobei die virtuellen Frischdetektoren in dem internen Modul die Metallschirmung aufweisen, welche sich über eine partielle Länge eines Halbleiters von der Kante der Anode erstrecken, und die virtuellen Frischdetektoren in dem Kantenmodul die Metallschirmung aufweisen, welche sich über eine volle Länge eines Halbleiters erstrecken.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der virtuellen Frischdetektoren in dem Kantenmodul die Metallschirmung aufweisen, welche sich über weniger als 1/3 der Länge eines Halbleiters erstreckt, der in der Nähe der Kante der Anode platziert ist.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 1, welches ferner eine Seitenisolationsschicht zwischen der Seitenoberfläche des Halbleiters und der Metallschirmung aufweist, die den virtuellen Frisch-Gittereffekt erzeugt.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 1, wobei die Katoden der Detektoren in dem Array miteinander verbunden sind.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektor gemäß Anspruch 1, wobei das Seitenverhältnis des Halbleiters zumindest etwa 2 ist.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 1, wobei sich die Metallschirmung in den Detektoren des internen Moduls um etwa 1/3 der Gesamtlänge des Halbleiters erstreckt.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 6, wobei die Metallschirmung aus leitfähigen Metallen hergestellt ist.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 7, wobei die leitfähigen Metalle aus Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al) ausgewählt werden.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 1, wobei die Information über die Interaktionstiefe, die von dem Katodensignal des internen Moduls abgeleitet wird, verwendet wird, um den Ladungsverlust auf Grund des Elektroneneinfangens des Arrays zu korrigieren.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 1, wobei das Verhältnis zwischen den Katoden- und Anodensignalen verwendet wird, um die Events zu verwerfen, die in der Nähe der Anode interagieren.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 1, wobei der Halbleiter aus der Gruppe bestehend aus den Gruppen III bis V Halbleitern und den Gruppen II bis VI Halbleitern ausgewählt wird.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 1, wobei der Halbleiter aus binären Verbundwerksstoffen besteht.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 1, wobei der Halbleiter aus ternären Verbundwerksstoffen oder Legierungen besteht.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 1, wobei der Halbleiter aus der Gruppe bestehend aus CdZnTe, CdTe, CdMnTe, HgI₂, TlBr, HgCdTe, CdMnTe, HgZnSe, GaAs, PbI₂, AlSb, InP, ZnSe, ZnTe, PbO, BiI₃, SiC, Hg_xBr_1-xI₂, Hg_xCd_1-xI₂, wobei x größer als 0 und kleiner als 1 ist, InI₂, Ga₂Se₃, Ga₂Te₃, TlPbI₃, Tl₄HgI₆, Tl₃As₂Se₃, TlGaSe₂, und AgGaTe₂ ausgewählt werden.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 3, wobei die Seitenisolationsschicht aus einem Isolationsmaterial hergestellt ist, das einen sehr hohen elektrischen Widerstand, einen hohen Grenzwert für den dielektrischen Durchschlag, und vorzugsweise einen hohen Korrosionswiderstand besitzt.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 15, wobei das Isolationsmaterial maschinell hergestellt oder gegossen wird.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 15, wobei das Isolationsmaterial aus Metalloxid, Glaskeramik, Polyimid, Fotolack, Polymeren, Kunststoffen, Kohlenstoffkeramiken, Nitritkeramiken oder einer Kombination davon hergestellt ist.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 17, wobei das Metalloxid ein Aluminium, Zirkoniumoxid oder ein Quarz ist.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 17, wobei das Glaskeramikmaterial Macor^TM-Material ist.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 17, wobei das Polyimid-Material Kapton^TM-Material ist.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 17, wobei das Polymer Polytetrafluoroethylen (Teflon^TM) ist.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 17, wobei die Kohlenstoffkeramik SiC oder B₄C ist.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 17, wobei die Nitritkeramik Si₃N₄, AlN oder BN ist.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 3, wobei die Seitenisolationsschicht zwischen der Seitenoberfläche des Halbleiters und der Metallelektrode positioniert ist, und eine Dicke aufweist, die ausreichend ist, eine exzellente elektrische Isolation vorzusehen und einen dielektrischen Zusammenbruch zwischen der Vollbereichsmetallanode und irgendwelchen Oberflächen mit einer differentiellen Vorspannung zu vermeiden.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 24, wobei die Seitenisolationsschicht eine Dicke von etwa 10–2000 Mikron aufweist.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 25, wobei die Seitenisolationsschicht eine Dicke von etwa 200–1000 Mikron aufweist.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 26, wobei die Seitenisolationsschicht eine Dicke von 300 Mikron aufweist.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray, aufweisend: internes Modul, das durch ein Kantenmodul umgeben ist, wobei jedes Modul eine Mehrzahl von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren aufweist und die virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren folgendes aufweisen: einen Halbleiter mit einem Seitenverhältnis von zumindest etwa 2, wobei dieser geeignet ist, als eine Ein-Träger-Transport-Vorrichtung mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche zu funktionieren, eine Anode, die mit der ersten Oberfläche des Halbleiters verbunden ist, und eine Kathode, die mit der zweiten Oberfläche des Halbleiters verbunden ist; wobei die Kathoden von jedem individuellen Detektor in dem Array miteinander verbunden sind, um eine gemeinsame Kathode auszubilden, wobei die virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren in dem internen Modul eine Metallschirmung aufweisen, die sich etwa 1/3 der Gesamtlänge des Halbleiters von der Kante der Anode erstrecken, und die Mehrzahl der virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren in dem Kantenmodul die Metallschirmung aufweisen, die sich in der Länge weiter als die Metallschirmung der virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren in dem internen Modul erstrecken.
Virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 28, wobei die Metallschirmung der virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren im Kantenmodul sich über die volle Länge des Halbleiters erstreckt.
Verfahren zum Erfassen von Strahlung, aufweisend: a) Vorsehen eines virtuellen Frisch-Gitter-Detektorarrays, das aus einem internen Modul, das durch ein Kantenmodul umgeben ist, besteht, wobei jedes Modul eine Mehrzahl von virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren aufweist, und die virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren einen Halbleiter, der geeignet ist, als Ein-Träger-Transport-Vorrichtung mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche zu funktionieren, eine Anode, die mit der ersten Oberfläche des Halbleiters verbunden ist, und eine Kathode, die mit der zweiten Oberfläche des Halbleiters verbunden ist, aufweist; wobei die Kathode von jedem individuellen Detektor in dem Array miteinander verbunden ist, um eine gemeinsame Kathode auszubilden, wobei die virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren in dem internen Modul eine Metallschirmung aufweisen, die sich etwa < 1/3 der Gesamtlänge des Halbleiters von der Kante der Anode erstrecken, und die Mehrzahl der virtuellen Frisch-Gitter-Detektoren in dem Kantenmodul die Metallschirmung aufweisen, das sich über die volle Länge des Halbleiters erstreckt; b) Erlauben des Absorbierens der Strahlung von Interesse durch eine photoelektrische Ionisierung des Halbleitermaterials für jeden individuellen virtuellen Frisch-Gitter-Detektor in den Internen- und Kantenmodulen; c) Bestimmen der Amplitude der Signale der Anode und der Kathode des internen Moduls; d) Bestimmen des Verhältnisses zwischen den Amplitudensignalen der Kathode und der Anode in dem internen Modul oder Bestimmen der Driftzeit als Differenz zwischen der Startzeit des Kathodensignals und der Ankunftszeit des Anodensignals; e) Korrigieren des Anodensignals durch Verwenden der Information über die Interaktionstiefe, welche aus dem Kathodensignal des internen Moduls abgeleitet wird; und f) Verwerfen der nicht vollständigen Ladungssignale durch Verwenden der Information über die Interaktionstiefe, welche von dem Kathodensignal des internen Moduls abgeleitet wird.
Verfahren zum Erfassen von Strahlung gemäß Anspruch 30, wobei die Kathoden des Detektors in dem Array miteinander verbunden sind.
Verfahren zum Erfassen von Strahlung gemäß Anspruch 30, wobei das Seitenverhältnis des Halbleiters zumindest etwa 2 ist.
Verfahren zum Erfassen von Strahlung gemäß Anspruch 30, wobei die Metallschirmung in den Detektoren des internen Moduls sich etwa 1/3 der Gesamtlänge des Halbleiters erstrecken.
Verfahren zum Erfassen von Strahlung gemäß Anspruch 30, wobei die Metallschirmung aus leitfähigen Metallen hergestellt ist.
Verfahren zum Erfassen von Strahlung gemäß Anspruch 30, wobei die leitfähigen Metalle aus Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al) ausgewählt werden.
Strahlungsdetektorsystem, aufweisend: in virtuelles Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 1, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), der mit dem virtuellen Frisch-Gitter-Detektorarray wirksam verbunden ist, um ein Signal von dem Array zu empfangen, und ein Mikroprozessor, der mit dem ASIC wirksam verbunden ist, um den ASIC zu steuern.
Strahlungsdetektorsystem, aufweisend: einen Halbleiter, der geeignet ist als Ein-Träger-Transport-Vorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche zu funktionieren, eine Anode, die mit der ersten Oberfläche des Halbleiters verbunden ist, eine Kathode, die mit der zweiten Oberfläche des Halbleiters verbunden ist und eine Metallschirmung vom Typ des virtuellen Frisch-Gitters, die den Halbleiter zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche umgibt und sich weniger als die Gesamtlänge des Halbleiters von der Kante der Anode erstreckt, wobei diese ausreichend genug ist, um die Schirmung der Anode vorzusehen.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 37, wobei der Halbleiter aus der Gruppe bestehend aus der Gruppe III bis IV Halbleiter und der Gruppe II bis VI Halbleiter ausgewählt wird.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 38, wobei der Halbleiter aus binären Verbundmaterialien hergestellt ist.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 38, wobei der Halbleiter aus ternären Verbundstoffen oder Legierungen hergestellt ist.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 37, wobei CdZnTe, CdTe, CdMnTe, HgI₂, TlBr, HgCdTe, CdMnTe, HgZnSe, GaAs, PbI₂, AlSb, InP, ZnSe, ZnTe, PbO, BiI₃, SiC, Hg_xBr_1-xI₂, Hg_xCd_1-xI₂, wobei x größer als 0 und kleiner als 1 ist, InI₂, Ga₂Se₃, Ga₂Te₃, TlPbI₃, Tl₄HgI₆, Tl₃As₂Se₃, TlGaSe₂, und AgGaTe₂ ausgewählt werden.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 37, ferner aufweisend eine Seitenisolationsschicht zwischen der Seitenoberfläche des Halbleiters und der Metallschirmung, die den virtuellen Frisch-Gittereffekt erzeugt.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 42, wobei die Seitenisolationsschicht aus einem Isolationsmaterial hergestellt ist, das einen sehr hohen elektrischen Widerstand, einen hohen Grenzwert für den dielektrischen Durchschlag, und vorzugsweise einen hohen Korrosionswiderstand besitzt.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 43, wobei das Isolationsmaterial maschinell hergestellt oder gegossen wird.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 43, wobei das Isolationsmaterial aus Metalloxid, Glaskeramik, Polyimid, Fotolack, Polymeren, Kunststoffen, Kohlenstoffkeramiken, Nitritkeramiken oder einer Kombination davon hergestellt ist.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 45, wobei das Metalloxid Aluminium, Zirkoniumoxid oder Quarz ist.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 45, wobei das Glaskeramikmaterial Macor^TM-Material ist.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 45, wobei das Polyimid-Material Kapton^TM-Material ist.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 45, wobei das Polymer Polytetrafluoroethylen (Teflon^TM) ist.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 45, wobei die Kohlenstoffkeramik SiC oder B₄C ist.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 45, wobei die Nitritkeramik Si₃N₄, AlN oder BN ist.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 42, wobei die Seitenisolationsschicht zwischen der Seitenoberfläche des Halbleiters und der Metallelektrode positioniert ist, und eine Dicke aufweist, die ausreichend ist, eine exzellente elektrische Isolation vorzusehen und einen dielektrischen Zusammenbruch zwischen der Vollbereichsmetallanode und irgendwelchen Oberflächen mit einer differentiellen Vorspannung zu vermeiden.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 52, wobei die Seitenisolationsschicht eine Dicke von etwa 10–2000 Mikron aufweist.
Virtueller Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 55, wobei die Seitenisolationsschicht eine Dicke von etwa 200–1000 Mikron aufweist.
Virtueller Frisch-Gitter-Detektorarray gemäß Anspruch 56, wobei die Seitenisolationsschicht eine Dicke von 300 Mikron aufweist.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 37, wobei die Metallschirmung etwa 5% bis 99% der Halbleiterlänge umfasst.
Strahlungsdetektor gemäß Anspruch 37, welcher ferner eine Seitenisolationsschicht zwischen der Oberfläche des Halbleiters und der Metallschirmung aufweist, welche den virtuellen Frisch-Gittereffekt erzeugt.