SE522707C2

SE522707C2 - Detecting entire signal from any photon converting in detector in X-ray detecting arrangement for X-ray imaging in radiography

Info

Publication number: SE522707C2
Application number: SE0002612A
Authority: SE
Inventors: Mats Danielsson
Original assignee: Mamea Imaging Ab
Priority date: 2000-07-10
Filing date: 2000-07-10
Publication date: 2004-03-02
Also published as: SE0002612L; SE0002612D0

Abstract

A detector (200) comprises a number of spaced-apart sensor strips (220) arranged on a substrate, while a blocking arrangement is in the form of strips (230) covering the spaces between the sensor strips. The blocking strips also cover parts of the sensor strips and are made of a material such as wolfram, lead etc. which can be arranged as strips directly on the sensors. AN Independent claim is included for an arrangement for detecting signals from converted photons.

Description

25 30 522 707 o n . - v- 2 elektronhål är om de sprider sig till näraliggande detektorpixlar innan de uppsamlas. Detta kommer att inträffa för röntgenstrålar som omvandlas nära gränslinj en mellan två eller ﬂera detektorpixlar. 25 30 522 707 o n. v- 2 electron holes are if they spread to nearby detector pixels before they are collected. This will occur for X-rays that are converted near boundary line one between two or ﬂ your detector pixels.

Det ﬁnns krav på hög spatialupplösning i några applikationer, vilket motsvarar små pixlar och högenergiupplösning. Eftersom små pixlar ökar risken för laddningsdelning är detta en motsägelse till att uppnå högenergiupplösning.There is a requirement for high spatial resolution in some applications, which corresponds to small pixels and high energy resolution. Because small pixels increase the risk of charge sharing, this is a contradiction in terms of achieving high energy resolution.

US 5,665 beskriver en röntgendetektor, avsedd att fungera som en avbildningsspektrometer för avbildning av ett föremål. Röntgendetektorn mäter energin hos enskilda röntgenfotoner i var och en av ett flertal pixlar i röntgendetektorn. Pixlama hos röntgendetektorn är avlästa vid en sådan nivå att sannolikheten är försumbar för ankomst av ﬂer än en röntgenfoton i varje pixel under en avläsningsperiod. På grund av att röntgenfotoner med olika energinivåer kommer att skapa gensvar med olika storlek hos röntgendetektorn kan mätningarna utförda av röntgendetektom vara viktade enligt energinivån hos de spårade röntgenfotonema. Gensvar beroende på oljud eller röntgenfotoner som således bidrar med lite eller ingen röntgenförsvagningsínformation kan kasseras eller viktas för att eliminera eller reducera deras påverkan på varje resulterande avbildning. Omvänt kan mätningar beroende på röntgenfotoner, vilka åstadkommer betydelsefull försvagningsinforrnation viktas avsevärt.US 5,665 describes an X-ray detector, intended to function as an imaging spectrometer for imaging an object. The X-ray detector measures the energy of individual X-ray photons in each of a plurality of pixels in the X-ray detector. The pixels of the X-ray detector are read at such a level that the probability of the arrival of än is negligible than one X-ray photon in each pixel during a reading period. Because X-ray photons with different energy levels will create responses with different sizes of the X-ray detector, the measurements performed by the X-ray detector may be weighted according to the energy level of the tracked X-ray photons. Responses due to noise or X-ray photons thus contributing little or no X-ray attenuation information can be discarded or weighted to eliminate or reduce their impact on each resulting image. Conversely, measurements depending on X-ray photons, which provide significant attenuation information, can be weighted considerably.

Enligt detta patent är den optimala energiviktningen, som man skall använda den teoretiskt optimala energiviktningen, vilken är approximativt omvänt proportionell mot en tredjedel av energieffekten.According to this patent, the optimum energy weight to be used is the theoretically optimum energy weight, which is approximately inversely proportional to one third of the energy power.

Det finns inget nämnt om laddningsdelning och den optimala viktkurvan som kan användas i verkligheten.There is no mention of charge sharing and the optimal weight curve that can be used in reality.

Exempel på detektorer, på vilka föreliggande uppfinning kan tillämpas, tillkännages i US 4,93 7,453 och den förestående svenska patentansökan nr. 9900856-7. US 4,93 7,453 tillkännager en metod och en anordning för detektering av röntgenstrålning i ett radiograﬁskt avbildningssammanhang med användning av så kallade ”edge-on"-detektorer. Denna detektor är särskilt värdefull i samverkan med slits- och skår-avkänningsradiograﬁ. I överensstämmelse med denna uppfinning konstrueras detektorer och anordnas så att väsentligen all energi från en röntgenstrålning, som skall detekteras upptages i detektorn. På detta sätt åstadkoms en detektor som tillhandahåller en direkt elektronisk avläsning, hög röntgenbromskraft och hög spatialupplösning under uppnående av en god 10 20 25 522 707 3 uppsamlingsverkningsgrad utan användning av överdrivet höga spänningsnivåer. I en föredragen utföringsform konstrueras halvledarröntgendetektorer så att tjockleken hos detektorn längs de infallande röntgenstrålamas riktning är lång nog så att väsentligen all röntgenenergi urladdas i detektorn.Examples of detectors to which the present invention can be applied are disclosed in US 4,93 7,453 and the forthcoming Swedish patent application no. 9900856-7. US 4,93 7,453 discloses a method and apparatus for detecting X-rays in a radiographic imaging context using so-called edge-on detectors. In this invention, detectors are constructed and arranged so that substantially all of the energy from an X-ray to be detected is absorbed in the detector, thus providing a detector which provides a direct electronic reading, high X-ray braking power and high spatial resolution while achieving a good 522 707 In a preferred embodiment, semiconductor X-ray detectors are designed so that the thickness of the detector along the direction of the incident X-rays is long enough so that substantially all of the X-ray energy is discharged into the detector.

Patent ansökan nr. 9900856-7 hänvisar till en metod för att uppnå förbättrade radiograﬁska avbildningar bestående av att orientera en halvledarstrålningsdetektor. Orienteringssteget innefattar ett val av en spetsig vinkel mellan den infallande strålningens riktning och en sida hos detektom, så att den infallande strålningen huvudsakligen träffar den sidan.Patent application no. 9900856-7 refers to a method for obtaining improved radiographic images consisting of orienting a semiconductor radiation detector. The orientation step comprises selecting an acute angle between the direction of the incident radiation and one side of the detector, so that the incident radiation substantially hits that side.

Fig. 1 är en schematisk illustration av en detektor 100 innefattande ett halvledande substrat 110 och spatialt anordnad sensor eller elektrodband 120.Fig. 1 is a schematic illustration of a detector 100 comprising a semiconductor substrate 110 and a spatially arranged sensor or electrode band 120.

Gemensamt för dessa detektorer är att sensoremas band är anordnade på ett mellanrum emellan på ett kíselsubstrat och att röntgenstrålarna är infallande både på sensorema och mellanrummet emellan dessa.Common to these detectors is that the bands of the sensors are arranged at a space between them on a silicon substrate and that the X-rays are incident on both the sensors and the space between them.

Den förestående svenska patentansökan nr. 9903655-0 av samma sökanden, avser en metod för spåming av ett antal fotoner i en röntgendetekteringsanordning innefattande ett antal sensorer anordnade på ett avstånd emellan, nämnda spårade fotoner som indirekt skapar en mängd av fria laddningar proportionell mot fotonenergin. Metoden innefattar viktning av nämnda fotoner medelst signaler med avseende på möjlig fotonladdningsdelning mellan åtminstone två näraliggande sensorer.The forthcoming Swedish patent application no. 9903655-0 by the same applicant, relates to a method for tracking a number of photons in an X-ray detection device comprising a number of sensors arranged at a distance between, said tracked photons which indirectly create an amount of free charges proportional to the photon energy. The method comprises weighting said photons by means of signals with respect to possible photon charge sharing between at least two adjacent sensors.

UPPFINNINGENS SAMMANFATTNING Det huvudsakliga ändamålet med föreliggande uppfinning är att förbättra metodema enligt teknikens ståndpunkt genom att helt eller delvis eliminera laddningsdelningen. l5 20 25 30 522 707 -s =j 4 Ytterligare en annat väsentligt ändamål med uppﬁnningen är att förevisa ett sätt att samtidigt uppnå hög spatialupplösning och hög energiupplösning för på röntgendetektom infallande röntgenstrålar.SUMMARY OF THE INVENTION The main object of the present invention is to improve the prior art methods by completely or partially eliminating the charge division. l5 20 25 30 522 707 -s = j 4 Yet another essential object of the invention is to present a method for simultaneously achieving high spatial resolution and high energy resolution for X-rays incident on the X-ray detector.

Av dessa skäl innefattar metoden enligt uppﬁnningen att anordna ett blockerande medel mellan nämnda sensorer anordnade på ett mellanrum emellan för att bromsa röntgenstrålar som infaller nära kanterna hos nämnda sensorer och ger upphov till laddningsdelning mellan näraliggande sensorer.For these reasons, the method according to the invention comprises arranging a blocking means between said sensors arranged at a space in between to brake X-rays incident near the edges of said sensors and giving rise to charge sharing between adjacent sensors.

Metoden innefattar dessutom att anordna nämnda blockeringsmedel direkt över området hos nämnda sensorer anordnade på ett avstånd emellan eller på ett avstånd över utrymmet hos nämnda sensorer anordnade på ett mellanrum. Blockeringsmedlet innefattar företrädesvis ett blockerande material, såsom volfram, koppar eller något annat element eller sammansättning med en skäligt hög bromskraft för röntgenstrålar. Blockeringsmedlet kan produceras genom etsning eller så innefattar det etsade lager vidhäftande samman till ett blockeringslager.The method further comprises arranging said blocking means directly over the area of said sensors arranged at a distance between or at a distance across the space of said sensors arranged at a space. The blocking agent preferably comprises a blocking material, such as tungsten, copper or some other element or composition with a reasonably high braking force for X-rays. The blocking agent can be produced by etching or it comprises etched layers adhering together to form a blocking layer.

I en uppsättning för detektering och beräkning av fotoner hos röntgenstrålar avser uppﬁnningen en anordning vid detektering av väsentligen den totala signalen från nämnda fotoner som omvandlas i en detektor i en röntgendetekteringsanordning innefattande ett antal sensorer anordnade på ett mellanrum emellan, nämnda spårade fotoner som indirekt skapar en mängd fria laddningar proportionell mot fotonenergin. Anordningen innefattar ett blockerande medel mellan nämnda sensorer anordnade på ett mellanrum för att blockera laddningsdelning mellan sensorema. Det blockerande medlet är företrädesvis anordnat direkt över utrymmet hos nämnda sensorer anordnade på ett mellanrum mellan varandra. Det blockerande medlet kan också vara ett galler anordnat på ett avstånd över utrymmet hos sensorerna anordnade på ett avstånd emellan. Blockeringsmedlet kan vara framställt av ett blockerande material såsom volfram, koppar eller något annat element eller sammansättning med en skäligen hög bromskraft för röntgenstrålar. Nämnda blockeringsmedel är företrädesvis tillverkat genom etsning eller så innefattar det etsade lager vidhäftande samman till ett blockerande lager.In a set for detecting and calculating photons of X-rays, the invention relates to a device for detecting substantially the total signal from said photons which is converted into a detector in an X-ray detection device comprising a number of sensors arranged at a space between, said tracked photons which indirectly create a amount of free charges proportional to the photon energy. The device comprises a blocking means between said sensors arranged at a space for blocking charge sharing between the sensors. The blocking means is preferably arranged directly over the space of said sensors arranged at a space between each other. The blocking means may also be a grid arranged at a distance across the space of the sensors arranged at a distance in between. The blocking agent may be made of a blocking material such as tungsten, copper or any other element or composition having a reasonably high X-ray braking force. Said blocking means is preferably manufactured by etching or it comprises etched layers adhering together to form a blocking layer.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följande kommer uppﬁnningen att beskrivas ytterligare på ett icke-begränsande sätt med hänvisning till de åtföljande ritningarna, i vilka: l0 15 20 25 522 707 n a u » - | n : | n n en 5 ﬁg. 1 visar schematiskt en detektoranordning enligt teknikens ståndpunkt för spåming av röntgenstrålar, ﬁg. 2 ﬁg. 3 tig. 4 är en schematisk illustration av detektoranordningen som använder föreliggande uppfinning, är en annan tvärsnittssektion igenom en annan utfóringsforrn enligt uppfinningen, och är en annan utföringsfonn enligt föreliggande uppﬁnning.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS In the following, the invention will be further described in a non-limiting manner with reference to the accompanying drawings, in which: l0 15 20 25 522 707 n a u »- | n: | n n and 5 ﬁ g. 1 schematically shows a detector device according to the prior art for detecting X-rays, ﬁ g. 2 ﬁ g. 3 tig. 4 is a schematic illustration of the detector device using the present invention, is another cross-sectional section through another embodiment of the invention, and is another embodiment of the present invention.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Enligt uppfinningen är ett galler placerat mellan detektorn och röntgenstrålningskällan, vilket stoppar en stor del av röntgenstrålama som infaller nära kanten hos detektorpixlama och således ger upphov till laddningsdelning mellan näraliggande pixlar. I applikationer, som energiviktning är betydelsefullt reduceras laddningsdelningen eller elimineras genom att förhindra inverkan av laddningar som intränger från en röntgensensor till en annan näraliggande sensor(er). Det åstadkoms genom att täcka utrymmet mellan sensorema med ett material, vilket blockerar röntgenstrålningsﬂödet, såsom en skärm framställd av volfram, koppar eller något annat grundämne eller sammansättning med en skäligen hög bromskraft för röntgenstrålar.DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS According to the invention, a grid is placed between the detector and the X-ray source, which stops a large part of the X-rays incident near the edge of the detector pixels and thus gives rise to charge division between adjacent pixels. In applications where energy weighting is significant, charge division is reduced or eliminated by preventing the impact of charges penetrating from one X-ray sensor to another nearby sensor (s). This is accomplished by covering the space between the sensors with a material which blocks the fate of the X-rays, such as a screen made of tungsten, copper or any other element or composition with a reasonably high X-ray braking force.

En detektor 100 enligt teknikens ståndpunkt visas i fig. 1. Detektom innefattar ett bärande substrat 110, på vilket ett antal sensorband 120 anordnas med ett mellanrum emellan. Sensorbanden 120 består av halvledande material och konfigureras som beskriven i ovan nämnda US 4,937,453 och den förestående svenska patentansökan nr. 9900856-7.A prior art detector 100 is shown in Fig. 1. The detector comprises a supporting substrate 110, on which a number of sensor bands 120 are arranged at intervals. The sensor belts 120 consist of semiconducting material and are configured as described in the above-mentioned US 4,937,453 and the forthcoming Swedish patent application no. 9900856-7.

Fi g. 2 visar en detektoranordning 200 som använder uppﬁnningens idéer. Detektorn har samma konstruktion liknande den visad i fig. l. Detektom 200 innefattar ett antal sensorband 220 anordnade med ett mellanrum emellan på ett substrat 210. Enligt uppfinningen täcker en blockerande anordning framställd som band 230 i utrymmet 240 mellan två sensorband 220. Det blockerande bandet täcker också delar av sensorbanden. De täckta kantsektionema 250 hos ett sensorband under varje blockerande band anges med streckade linjer.Fig. 2 shows a detector device 200 which uses the ideas of the invention. The detector has the same construction as that shown in Fig. 1. The detector 200 comprises a number of sensor bands 220 arranged at intervals on a substrate 210. According to the invention, a blocking device manufactured as a band 230 covers the space 240 between two sensor bands 220. The blocking band also covers parts of the sensor bands. The covered edge sections 250 of a sensor band below each blocking band are indicated by dashed lines.

De blockerande banden är framställda av ett blockerande material såsom volfram, bly, etc., och kan anordnas som vidhäftande band, direkt på sensorema. 20 25 522 707 g_j=;;;¿=. .-' -= 6 Emellertid, såsom visat i ﬁ g. 3, kan de blockerande banden 330 anordnas på ett avstånd från sensorbanden 320 hos detektorn 300. I detta fall är blockeringsbanden delar av blockeringsanordningen 360 åstadkomna med skåror 370.The blocking bands are made of a blocking material such as tungsten, lead, etc., and can be arranged as adhesive bands, directly on the sensors. 20 25 522 707 g_j = ;;; ¿=. However, as shown in Fig. 3, the blocking bands 330 may be arranged at a distance from the sensor bands 320 of the detector 300. In this case, the blocking bands are parts of the blocking device 360 provided with grooves 370.

I ytterligare en utföringsfomi, såsom visas i ﬁg. 4, innefattar detektoruppsättningen 400 en uppsättning av sensorelektroder 420. Elektroderna tillverkas genom en känd halvledarfabrikationsmetod. Elektrodema ansluts dessutom till Application Specific Integrated Circuits (ASICS) genom trådlindning, bump-bindning etc., och dessa ASIC:ar är lämpliga för pulsanalys. I detta fall tillämpas det blockerande lagret 430 på sensorkantema. Det blockerande lagret kan vara framställt genom etsning direkt på detektoruppsättningen om det blockerande lagret först är fastsatt på detektom. Blockeringslagret kan altemativt vara framställt separat och efteråt fastsatt på detektom för att täcka området mellan pixlarna. Blockeringslagret kan sedan tillverkas med användning av ett antal tunna lager som kan produceras genom etsning, vilka sedan sammansätts till ett lager med önskad tjocklek.In another embodiment, as shown in ﬁ g. 4, the detector array 400 includes a set of sensor electrodes 420. The electrodes are fabricated by a known semiconductor manufacturing method. The electrodes are also connected to Application Specific Integrated Circuits (ASICS) by wire winding, bump binding, etc., and these ASICs are suitable for pulse analysis. In this case, the blocking layer 430 is applied to the sensor edges. The blocking layer can be made by etching directly on the detector set if the blocking layer is first attached to the detector. The blocking layer can alternatively be made separately and afterwards attached to the detector to cover the area between the pixels. The blocking layer can then be manufactured using a number of thin layers which can be produced by etching, which are then assembled into a layer of the desired thickness.

En nackdel med uppﬁnningen är att en hel del av röntgenstrålama inte används alls vid bildande av avbildningen. För flera applikationer är detta dock nyttig eftersom de röntgenstrålarna skulle göra mätningen av energin hos de inkommande röntgenstrålarna osäker och således försämra informationen.A disadvantage of the invention is that a lot of the X-rays are not used at all in forming the image. For several applications, however, this is useful because the X-rays would make the measurement of the energy of the incoming X-rays uncertain and thus degrade the information.

Det är också möjligt att bygga avancerad anti-synkroniseringselektronik för att klara av laddningsdelningshändelser, såsom beskrivet i till exempel den förestående svenska patentansökan nr. 9903655-0 av samma sökanden, detta är dock inte trivialt och vid mycket höga grader av inkommande röntgenstrålar kan den till och med vara omöjlig.It is also possible to build advanced anti-synchronization electronics to cope with charge sharing events, as described in, for example, the forthcoming Swedish patent application no. 9903655-0 by the same applicant, however, this is not trivial and at very high degrees of incoming X-rays it may even be impossible.

Uppfmningen är inte begränsad till de visade utföringsfonnerna, utan kan varieras på ett antal olika sätt utan att avvika från de bifogade patentkravens räckvidd. Anordningen och metoden kan implementeras på ett antal olika sätt beroende på applikation, funktionella enheter, behov och kravsättning etc.The invention is not limited to the embodiments shown, but can be varied in a number of different ways without departing from the scope of the appended claims. The device and method can be implemented in a number of different ways depending on the application, functional units, needs and requirements, etc.

Claims

10 15 20 25 30 522 707 u n | o aa ..uunn: PATENTKRAV

A method for detecting substantially the total signal from a photon which is converted in a detector in an X-ray detection device (200, 300, 400), resulting in charge division, said device comprising a number of sensors (220, 320, 420 arranged at a distance from each other, said detected photons indirectly creating an amount of free charges proportional to the photon energy, characterized by arranging a blocking means (230, 330, 430) by etching and assembling blocking layers and arranging the blocking means (230 , 330, 430) between said sensors to stop X-rays which will be incident near the edges of said sensors and give rise to charge sharing between adjacent sensors.

Method according to claim 1, characterized in that said blocking material is arranged directly over the space of said sensors arranged at a distance from each other.

Method according to claim 1, characterized in that arranging said blocking means at a distance above the space of said sensors arranged at a distance from each other.

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that said blocking agent comprises a blocking material, such as tungsten, copper or any other element or composition with a sufficiently high braking force for the X-rays.

A method according to claim 1, characterized in that said blocking means comprises etched layers adhered together to form a blocking layer. 10 15 20 25 30 522 707 8 vanan. a n vn _. a o o o .- .n u u n

In a set for detecting and calculating photons of X-rays, a device for detecting substantially the total signal from said photons which are converted into an X-ray detection device (200, 300, 400) comprising a number of sensors (220, 320, 420) arranged at a distance from each other, said detected photons indirectly creating an amount of free charges proportional to the photon energy, characterized in that said device comprises a blocking means (230, 330, 430), which consists of etched and composite layers of a blocking material, between said sensors for blocking charge sharing between the sensors.

Device according to claim 6, characterized in that said blocking means is arranged directly over the space of said sensors arranged at a distance from each other.

Device according to claim 6, characterized in that said blocking part is a grid arranged at a distance above the space of said sensors arranged at a distance from each other.

Device according to any one of claims 6-8, characterized in that said blocking agent comprises a blocking material, such as tungsten, copper or some other element or composition with a sufficiently high braking force for X-rays.

Device according to claim 6, characterized in that said blocking means comprises etched layers adhered together to form a blocking layer.