TWI793095B - 用於ｘ射線檢測之儀器、系統及方法 - Google Patents

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Abstract

公開適於檢測X射線的儀器。在一個例子中，所述儀器包括X射線吸收層和控制器。X射線吸收層包括第一圖元和第二圖元。所述控制器被配置為確定由第一X射線光子產生的載流子被第一圖元和第二圖元收集，並復位與所述第一圖元和所述第二圖元所收集的載流子相關聯的信號。

Description

用於X射線檢測之儀器、系統及方法
本發明涉及X射線檢測器，特別地，涉及能識別和管理電荷共享的X射線檢測器。
X射線檢測器可以是用於測量X射線的通量，空間分布，光譜或其它特性的器件。
X射線檢測器可用於許多應用。一個重要的應用是成像。X射線成像是一種射線照相技術，並能用於揭示非均勻組成的以及不透明物體(例如人體)的內部結構。另外一個重要應用是元素分析。元素分析是對某些材料的樣品分析其元素組成的過程。
早期X射線檢測器包括攝影板和攝影膠片。攝影板可以是具有光敏乳劑塗層的玻璃板。
在20世紀80年代，出現了光激勵螢光板(PSP板)。PSP板可包含在它的晶格中具有色心的螢光材料。在將PSP板暴露於X射線時，X射線激發的電子被困在色心中直到它們受到在板表面上掃描的鐳射光束的激勵。在鐳射掃描板時，捕獲的激發電子發出光，其被光電倍增管收集。被收集的光轉換成數字圖像。
另一種X射線檢測器是X射線圖像增強器。X射線首先撞擊輸入熒光體(例如，碘化銫)並被轉換為可見光。可見光然後撞擊光電陰極(例如含有銫和銻化合物的薄金屬層)並引起電子發射。發射電子的數量與入射X射線的強度成比例。發射的電子通過電子光學被投射到輸出熒光體上，並使所述輸出熒光體產生可見光圖像。
閃爍體的操作與X射線圖像增強器有些類似之處在於閃爍體(例如，碘化鈉)吸收X射線並且發射可見光，其然後能被對可見光合適的圖像感測器檢測。
半導體X射線檢測器通過將X射線直接轉換成電信號，因此比前面的X射線檢測器提供更好的性能。半導體X射線檢測器可包括半導體層，其在感興趣波長吸收X射線。當在半導體層中吸收X射線光子時，產生多個載流子(例如，電子和空穴)。在本文中，術語“載荷子”，“電荷”和“載流子”可以互換使用。半導體X射線檢測器可具有多個能獨立確定本地的X射線強度和X射線光子能量的圖元。由X射線光子產生的載荷子可以在電場下被掃入圖元中。如果由單個X射線光子產生的載荷子被多於一個的圖元收集(“電荷共享”)，輻射探測器的性能可被負面影響。在光子能量被確定的應用中(例如元素分析)，電荷共享對精確的光子能量測量是個特別的問題，因為X射線光子的能量是根據其產生的載荷子的總量來確定的。
本文公開的教導涉及用於X射線檢測的方法、系統和儀器。更特別地，本發明涉及用於具有電荷共享管理的X射線檢測的方法、系統和儀器。
在一個例子中，公開適於檢測X射線的儀器。該儀器包括X射線吸收層和控制器。X射線吸收層包括第一圖元和第二圖元。控制器被配置為確定由第一X射線光子產生的載流子由第一圖元和第二圖元收集，並復位與所述第一圖元和所述第二圖元所收集的載流子相關聯的信號。
根據實施例，復位信號包括將信號的每個值復位為零或刪除信號。
根據實施例，與由第一圖元和第二圖元收集的載流子相關聯的信號包括：由第一圖元收集的第一載流子產生的第一電壓和由第二圖元收集的第二載流子產生的第二電壓。
根據實施例，第一圖元與具有第一電壓的第一電容器相關聯，第二圖元與具有第二電壓的第二電容器相關聯。
根據實施例，確定第一X射線光子產生的載流子被第一圖元和第二圖元收集包括：確定與第一電壓和第二電壓相關聯的特征，其中，所述特征是在閾值之內或大於閾值。
根據實施例，所述特征是，第一電壓的上升沿或下降沿和第二電壓的上升沿或下降沿之間的時間差，或者是其函數。
根據實施例，控制器還被配置為：確定第二X射線光子產生的所有載流子被第一圖元或第二圖元收集，基於第二X射線光子產生的所有載流子確定第二X射線光子能量。
根據實施例，所述儀器還包括被配置為記錄被X射線吸收層吸收的X射線光子數的計數器。控制器被配置為：如果第二X射線光子能量等於或超過預定能量閾值，則使由計數器記錄的數字增加1。
根實施例，基於第二X射線光子產生的所有載流子所產生的電壓，確定第二X射線光子的能量。
根據實施例，所述儀器包括圖元陣列。
根據實施例，控制器包括第一D型觸發器(DFF)以及第二DFF，並且其中，與第一圖元相關聯的第一電壓波形被輸入到所述第一DFF，而且與第二圖元相關聯的第二電壓波形被輸入到第二DFF。
根據實施例，控制器還被配置為：基於來自第一DFF的第一輸出信號以及來自第二DFF的第二輸出信號，產生第一信號，並且其中所述第一信號顯示所述第一電壓波形的上升沿或下降沿與所述第二電壓波形的上升沿或下降沿的時間差。
根據實施例，基於第一輸出信號和第二輸出信號而產生的信號被回饋到第一DFF和第二DFF的輸入中。
根據實施例，控制器還包括N溝道場效應電晶體(N-FET)，P溝道場效應管(P-FET)，以及電容器。
根據實施例，所述控制器還被配置為：基於第一信號生成第二信號，並且其中，所述第二信號的峰值與第一電壓波形的上升沿或下降沿和第二電壓波形的上升沿或下降沿的時間差成比例。
本文公開：包括上述儀器和X射線源的系統。該系統被配置為對人體胸部或腹部進行X射線照相。
本文公開包括上述儀器以及X射線源的系統。所述系統被配置為對人的嘴巴進行X射線照相。
本文公開包括上述儀器以及X射線源的貨物掃描或非侵入性檢查(NII)系統。所述貨物掃描或非侵入性檢查(NII)系統被配置為使用背散射X射線形成圖像。
本文公開包括上述儀器以及X射線源的貨物掃描或非侵入性檢查(NII)系統。所述貨物掃描或非侵入性檢查(NII)系統被配置為使用穿過被檢查物體的X射線形成圖像。
本文公開包括上述儀器以及X射線源的全身掃描系統。
本文公開包括上述儀器以及X射線源的計算機斷層攝影(CT)系統。
本文公開電子顯微鏡，其包括上述儀器、電子源和電子光學系統。
本文公開包括上述儀器的系統。所述系統被配置為測量X射線源的劑量。
本文公開包括上述儀器的系統。所述系統為X射線望遠鏡，或X射線顯微鏡，或者被配置成進行乳房攝影，工業缺陷檢測，微成像，鑄造檢查，焊接檢查，或數位減影血管攝影的系統。
在另外的例子中，公開包括下述各項的方法：確定由第一X射線光子產生的載流子被第一圖元和第二圖元收集；以及復位與所述第一圖元和所述第二圖元所收集的載流子相關聯的信號。
根據實施例，復位信號包括對信號的每個值復位為零或刪除信號。
根據實施例，與第一圖元和第二圖元收集的載流子相關聯的信號包括：第一圖元收集的第一載流子產生的第一電壓和第二圖元收集的第二載流子產生的第二電壓。
根據實施例，第一圖元與具有第一電壓的第一電容器相關聯，第二圖元與具有第二電壓的第二電容器相關聯。
根據實施例，確定第一X射線光子產生的載流子被第一圖元和第二圖元收集包括：確定與第一電壓和第二電壓相關聯的特征，並且其中，所述特征是在閾值之內或大於閾值。
根據實施例，所述特征是第一電壓的上升沿或下降沿和第二電壓的上升沿或下降沿的時間差，或其函數。
根據實施例，所述方法還包括：確定第二X射線光子產生的所有載流子被第一圖元或第二圖元收集；基於第二X射線光子產生的所有載流子確定第二X射線光子能量。
根據實施例，所述方法還包括：記錄被X射線吸收層吸收的X射線光子數；如果第二X射線光子能量等於或超過預定能量閾值，則使計數器記錄的數字增加1。
根據實施例，基於第二X射線光子產生的所有載流子產生的電壓確定第二X射線光子的能量。
本文公開適用於相襯X射線成像(PCI)的系統，所述系統包括：上述儀器、第二X射線檢測器、以及間隔件。所述儀器和所述第二X射線檢測器由所述間隔件隔開。
根據實施例，所述儀器和所述第二X射線檢測器被配置為同時各自拍攝物體的圖像。
根據實施例，第二X射線檢測器與所述儀器相同。
本文公開適用於相襯X射線成像(PCI)的系統，所述系統包括上述儀器。所述儀器被配置為：移動到暴露於X射線的物體不同距離處並拍攝物體的圖像。
100:半導體X射線檢測器
110:X射線吸收層
111:第一摻雜區
112:本征區
113:第二摻雜區
114:離散區
119A:電觸點
119B:電觸點
120:電子層
121:電子系統
130:填充材料
131:通孔
210:圖元
210-1:圖元
210-2:圖元
220:區域
230:區域
300:二極體
301:第一電壓比較器
302:第二電壓比較器
305:開關
306:電壓表
310:控制器
320:計數器
602:步驟
604:步驟
605:步驟
606:步驟
607:步驟
608:步驟
615:步驟
616:步驟
618:步驟
620:步驟
710:步驟
720:步驟
730:步驟
740:步驟
750:步驟
760:步驟
770:步驟
780:步驟
810:第一D型觸發器
812:第一非門
814:第二非門
815:第二D型觸發器
820:延遲元件
830:NAND門
840:異或(XOR)門
850:上升沿
860:上升沿
870:上升沿
880:上升沿
910:逆變器
920:電流源
930:P溝道場效應管(P-FET)
940:N溝道場效應管(N-FET)
950:電容器
960:比較器
1201:X射線源
1202:物體
1301:X射線源
1302:物體
1401:X射線源
1402:物體
1501:X射線源
1502:行李
1601:X射線源
1602:人
1701:X射線源
1800:系統
1801:電子源
1802:樣品
1803:電子光學系統
1850:X射線
1860:物體
1900:系統
1901:輻射源
1902:室
1910:X射線檢測器
1920:X射線檢測器
1930:間隔件
1950:X射線
1960:物體
out:決定信號
RST:復位期
S1:第一電壓波形
S2:第二電壓波形
t0:時間
t1:時間
t2:時間
te:時間
ts:時間
TD1:時間延遲
t_charge:信號
VDD:電源
V1:第一閾值
V2:第二閾值
v_charge:電壓
v_charge_peak:電壓的峰值
VNGS:電壓
VNT:電壓
VPGS:電壓
VPT:電壓
v_ref:參考電壓
△t1:寬度
△t2:寬度
圖1A示意性地示出根據實施例的檢測器的截面圖；圖1B示意性地示出根據實施例的檢測器的詳細橫截面視圖；圖1C示意性地示出根據實施例的檢測器的可供替代的詳細橫截面視圖；圖2A示出根據實施例的半導體X射線檢測器的一部分的示例性俯視圖；圖2B示出根據實施例的半導體X射線檢測器中的圖元的示例性陣列； 圖3A和圖3B各自示出：根據實施例，圖1A或圖1B中電子系統的部件圖；圖4示意性地示出：根據實施例，流過暴露於X射線的X射線吸收層的二極體或電阻器的電觸點的電流(電流由X射線吸收層上入射的X射線光子產生的載流子引起)的時間變化(上曲線)和對應的電極電壓的時間變化(下曲線)。
圖5示意示出：根據實施例，在采用圖4中示出的方式操作的電子系統中，雜訊(例如，暗電流)引起的流過電極的電流的時間變化(上曲線)和對應的電極電壓的時間變化(下曲線)。
圖6示出：根據實施例，適於基於諸如圖3A和圖3B中的電子系統的系統檢測X射線的方法的流程圖；圖7示出：根據實施例，適於基於諸如圖3A和圖3B中的電子系統的系統確定在圖6中步驟605是否發生電荷共享的方法的流程圖；圖8A示出了能夠實現圖7的方法的電路的示例； 圖8B-8C示意性地示出關於圖8A的各種波形的例子；圖9A示出：除了圖8A中的電路之外，可以共同實現圖7的方法的電路例子；圖9B-9C示意性地示出關於圖9A的各種波形的例子；圖10示意性地示出根據實施例的適於相襯X射線成像(PCI)的系統；圖11示意性地示出根據實施例的適於相襯X射線成像(PCI)的系統；圖12示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的半導體X射線檢測器的系統，其適用於諸如胸部X射線照相術，腹部X射線照相術等的醫學成像；圖13示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的半導體X射線檢測器的系統，其適於牙科X射線照相術；圖14示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的半導體X射線檢測器的貨物掃描或非侵入性檢查(NII)系統； 圖15示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的半導體X射線檢測器的另一個貨物掃描或非侵入性檢查(NII)系統；圖16示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的半導體X射線檢測器的全身掃描系統；圖17示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的半導體X射線檢測器的X射線計算機斷層攝影(X射線CT)系統；圖18示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的半導體X射線檢測器的電子顯微鏡；以及圖19示意性地示出根據實施例的輻射劑量儀。
圖20示意性地示出根據實施例的元素分析儀。
在下面的詳細描述中，通過示例闡述多個具體細節以便提供對相關教導的全面理解。然而，本教導可在沒有這樣的細節的情況下實踐，這對於本領 域內技術人員應是明顯的。在其它實例中，在相對高的級別在沒有細節的情況下描述眾所周知的方法、規程、部件和/或電路，以避免不必要地使本教導費解。
當X射線光子被具有圖元陣列的X射線檢測器的半導體層吸收時，多個載荷子(例如電子和空穴)被產生，並可在電場下被掃向用於測量這些載荷子的電路。載流子沿電場方向漂移並在所有方向擴散。載流子軌道的包絡可以大致為圓錐形。如果包絡位於X射線檢測器的兩個或多個圖元的邊界上，電荷共享出現。(在本文中“電荷共享”意味著由單個X射線光子產生的載荷子被兩個或更多個圖元收集)。電荷共享可引起對X射線光子能量的不準確測量，因為X射線光子能量由其產生的電荷的總量決定。
在本教導中，當確定相鄰圖元共享由單光子產生的電荷時，在所述圖元處檢測到的電壓被重置，例如，為零。這樣做以致於單個X射線光子的能量不被確定。結果，僅當確定相鄰圖元不共享單光子產生的電荷時，即不發生電荷共享，確定單個X射線光子的能量。下面將很詳細地描述可用於確定是否發生電荷共享的各種示例電路。
圖1A示意示出根據實施例的半導體X射線檢測器100。半導體X射線檢測器100可包括X射線吸收層110和電子層120(例如，ASIC)，用於處理和分析X射線在X射線吸收層110中產生的電信號。在實施例中，半導體X射線檢測器100不包括閃爍體。X射線吸收層110可包括半導體材料，例如矽、鍺、GaAs、CdTe、CdZnTe或其組合。半導體對於感興趣的X射線能量可具有高的質量衰減系數。
如圖1B中檢測器100的詳細橫截面圖所示，根據實施例，X射線吸收層110可包括由第一摻雜區111、第二摻雜區113的一個或多個離散區114形成的一個或多個二極體(例如，p-i-n或p-n)。第二摻雜區113可通過本征區112(可選)而與第一摻雜區111分離。離散區114通過第一摻雜區111或本征區112而彼此分離。第一摻雜區111和第二摻雜區113具有相反類型的摻雜(例如，區111是p型並且區113是n型，或區111是n型並且區113是p型)。在圖1B中的例子中，第二摻雜區113的離 散區114中的每個與第一摻雜區111和本征區112(可選)一起形成二極體。即，在圖1B中的例子中，X射線吸收層110具有多個二極體，其具有第一摻雜區111作為共用電極。第一摻雜區111也可具有離散部分。
當X射線光子撞擊包括二極體的X射線吸收層110時，X射線光子可被吸收並且通過多個機制產生一個或多個載流子。一個X射線光子可產生10至100000個載流子。載流子可在電場下向二極體中的一個的電極漂移。場可以是外部電場。電觸點119B可包括離散部分，其中的每個與離散區114電接觸。在實施例中，單個X射線光子產生的載流子能被兩個不同的離散區114共享。
如在圖1C中的檢測器100的可供替代的詳細橫截面圖中示出的，根據實施例，X射線吸收層110可包括具有半導體材料(例如矽、鍺、GaAs、CdTe、CdZnTe或其組合)的電阻器，但不包括二極體。半導體對於感興趣的X射線能量可具有高的質量衰減系數。
在X射線光子撞擊X射線吸收層110(其包括電阻器但不包括二極體)時，它可被吸收並且通過多個機制產生一個或多個載流子。一個X射線光子可產生10至100000個載流子。載流子可在電場下向電觸點119A和119B漂移。場可以是外部電場。電觸點119B包括離散部分。在實施例中，由單個X射線光子產生的載流子能被兩個或更多的不同的電觸點119B共享。
電子層120可包括電子系統121，其適合於處理或解釋X射線吸收層110上入射的X射線光子產生的信號。電子系統121可包括類比電路，例如濾波網路、放大器、積分器和比較器，或數位電路，例如微處理器和記憶體。電子系統121可包括圖元共用的部件或專用於單個圖元的部件。例如，電子系統121可包括專用於每個圖元的放大器和在所有圖元之間共用的微處理器。電子系統121可通過通孔131電連接到圖元。通孔之間的空間可用填充材料130填充，其可使電子層120到X射線吸收層110的連接的機械穩定性增加。在不使用通孔的情況下使電子系統121連接到圖元的其他接合技術是可能的。
圖2A示出具有4×4陣列的離散區114的儀器100的部分的示例性俯視圖，在這些離散區114的一個的足跡周圍入射的X射線光子產生的載荷子基本不被這些離散區114的另一個共享。在離散區114周圍的區域210被稱為與那個離散區114相關聯的圖元，其中入射其上的X射線光子產生的幾乎所有(超過95%，超過98%或超過99%的)載荷子流入該離散區114。即，當X射線光子撞入圖元內時，這些載流子中不到5%、不到2%或不到1%流到所述圖元外。圖元可采用任何適合的陣列來組織，例如方形陣列、三角形陣列和蜂窩狀陣列。圖元可具有任何適合的形狀，例如圓形、三角形、方形、矩形和六角形。圖元可以是獨立可定址的。
類似地，當圖2A中的4×4陣列表示圖1B中的電觸點119B的離散部分的陣列時，在電觸點119B的這些離散部分中的一個的足跡周圍入射的X射線光子產生的載流子基本不被電觸點119B的這些離散部分的另一個共享。在電觸點119B離散部分周圍的區域(其中大致所有(超過95%，超過98%或超過99%的)由X射線光子產生的載流子流向電觸點119B的離散部 分)被稱作與電觸點119B離散部分相關聯的圖元。即當X射線光子撞入該圖元內時，這些載流子中不到5%、不到2%或不到1%流到與電觸點119B的一個離散部分相關聯的圖元外。圖元可采用任何適合的陣列來組織，例如方形陣列、三角形陣列和蜂窩狀陣列。圖元可具有任何適合的形狀，例如圓形、三角形、方形、矩形和六角形。圖元可以是獨立定址的。
如圖2A所示，與兩個相鄰的離散區114相關聯的兩個圖元210(例如，210-1和210-2)可以被稱為兩個相鄰圖元(在本文中“相鄰圖元”意味著彼此靠近的圖元，以至於由單個光子產生的載流子可被這些圖元共享)。
圖2B示出根據實施例的半導體X射線檢測器中的圖元的示例性陣列。當X射線光子撞擊陣列時，其可以被吸收並引起多個載荷子被產生。載流子可以在各種方向上傳輸，例如沿電場方向漂移並在所有方向上擴散。在圖2B中，每個圓(例如220，230)表示由光子所產生的載荷子的傳輸區域的足跡(本文中，“傳輸區域”表示光子產生的載流子被傳送進的空間)。
如圖2B所示，運輸區域位於圖元內(例如，傳輸區220)，或相鄰圖元的邊界上(例如，傳輸區域230)。
如上所討論，當傳輸區域位於兩個或多個相鄰圖元的邊界上時，發生電荷共享，這可引起能量測量的問題。電荷共享也可以導致對光子數量進行計數中的誤差。
根據實施例，兩個相鄰圖元不必共享邊界，但能相互靠近，以致於由單光子產生的載流子可以由兩個圖元共享。即，即使不存在相鄰圖元共享的邊界，也可以在相鄰圖元上發生電荷共享。
基於制造過程，可以通過設計確定圖元的尺寸。如圖2B所示，每個圖元的尺寸被設計為相同，並且當相應光子撞擊圖元中心附近時，圖元尺寸大到足以覆蓋傳輸區域。如果圖元的尺寸太小，例如小於傳輸區域，則一直能發生電荷共享。另一方面，如果圖元的尺寸太大，很有可能多光子同時撞擊圖元，這能夠給精確的X射線檢測和圖像生成產生困難。
圖3A和圖3B各自示出根據實施例的電子系統121的部件圖。電子系統121可包括第一電壓比較器301、第二電壓比較器302、計數器320、開關305、電壓表306和控制器310。
第一電壓比較器301配置成將二極體300的電極的電壓與第一閾值比較。二極體可以是由第一摻雜區111、第二摻雜區113的離散區114中的一個和本征區112(可選)形成的二極體。備選地，第一電壓比較器301配置成將電觸點(例如，電觸點119B的離散部分)的電壓與第一閾值比較。第一電壓比較器301可配置成直接監測電壓，或通過使一段時間內流過二極體或電觸點的電流整合來計算電壓。第一電壓比較器301可由控制器310可控地啟動或停用。第一電壓比較器301可以是連續比較器。即，第一電壓比較器301可配置成被連續啟動，並且連續監測電壓。配置為連續比較器的第一電壓比較器301使系統121錯過由入射X射線光子產生的信號的機會減少。配置為連續比較器的第一電壓比較器301在入射X射線強度相對高時 尤其適合。第一電壓比較器301可以是鐘控比較器，其具有較低功耗的益處。配置為鐘控比較器的第一電壓比較器301可導致系統121錯過由一些入射X射線光子產生的信號。在入射X射線強度低時，錯過入射X射線光子的機會因為兩個連續光子之間的間隔相對長而較低。因此，配置為鐘控比較器的第一電壓比較器301在入射X射線強度相對低時尤其適合。第一閾值可以是一個入射X射線光子可在二極體或電阻器中產生的最大電壓的5-10%、10%-20%、20-30%、30-40%或40-50%。最大電壓可取決於入射X射線光子的能量(即，入射X射線的波長)，X射線吸收層110的材料和其它因素。例如，第一閾值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。
第二電壓比較器302被配置成將電壓與第二閾值V2比較。第二電壓比較器302可被配置成直接監測電壓，或通過使一段時間內流過二極體或電觸點的電流整合來計算電壓。第二電壓比較器302可以是連續比較器。第二電壓比較器302可由控制器310可控地啟動或停用。在停用第二電壓比較器302時，第二電壓比較器302的功耗可以是啟動第二電壓比較器302時的 功耗的不到1%、不到5%、不到10%或不到20%。第二閾值V2的絕對值大於第一閾值的絕對值。如本文使用的，術語實數x的“絕對值”或“模數”|x|是x的非負值而不考慮它的符號。即，
Figure 107100840-A0305-02-0026-30
。第二閾值V2可以是第一閾值的200%-300%。第二閾值V2可以是一個入射X射線光子可在二極體或電阻器中產生的最大電壓的至少50%。例如，第二閾值V2可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二電壓比較器302和第一電壓比較器301可以是相同部件。即，系統121可具有一個電壓比較器，其可以在不同時間將電壓與兩個不同閾值比較。
第一電壓比較器301或第二電壓比較器302可包括一個或多個運算放大器或任何其他適合的電路。第一電壓比較器301或第二電壓比較器302可具有高的速度以允許系統121在高的入射X射線通量下操作。然而，具有高的速度通常以功耗為代價。
計數器320被配置成記錄到達二極體或電阻器的X射線光子的數目。計數器320可以是軟體部件(例如，電腦記憶體中存儲的數目)或硬體部件(例如，4017 IC和7490 IC)。
控制器310可以是諸如微控制器和微處理器等硬體部件。控制器310被配置成從第一電壓比較器301確定電壓的絕對值等於或超出第一閾值的絕對值(例如，電壓的絕對值從第一閾值的絕對閾值以下增加到等於或超過第一閾值的絕對值的值)的時刻啟動時間延遲。在這裏因為電壓可以是負的或正的而使用絕對值，這取決於是使用二極體的陰極還是陽極的電壓或使用哪個電觸點。控制器310可配置成在第一電壓比較器301確定電壓的絕對值等於或超出第一閾值的絕對值的時間之前，保持停用第二電壓比較器302、計數器320和第一電壓比較器301的操作不需要的任何其他電路。時間延遲可在電壓變穩定(即，電壓的變化率大致為零)之前或之後終止。術語“電壓的變化率大致為零”意指電壓的時間變化小於0.1%/ns。術語“電壓的變化率大致為非零”意指電壓的時間變化是至少0.1%/ns。
控制器310可配置成在時間延遲期間(其包括開始和終止)啟動第二電壓比較器。在實施例中，控制器310配置成在時間延遲開始時啟動第二電壓比較器。術語“啟動”意指促使部件進入操作狀態(例如，通過發送例如電壓脈沖或邏輯電平等信號、通過提供電力等)。術語“停用”意指促使部件進入非操作狀態(例如，通過發送例如電壓脈沖或邏輯電平等信號、通過切斷電力等)。操作狀態可具有比非操作狀態更高的功耗(例如，高10倍、高100倍、高1000倍)。控制器310本身可被停用直到第一電壓比較器301的輸出在電壓的絕對值等於或超出第一閾值的絕對值時啟動控制器310。
如果在時間延遲期間第二電壓比較器302確定電壓的絕對值等於或超出第二閾值V2的絕對值，控制器310可配置成促使計數器320記錄的數字增加一。
控制器310可配置成促使電壓表306在時間延遲終止時測量電壓。控制器310可配置成使電極連接到電接地，以便使電壓重定並且使電極上累積的任何載流子放電。在實施例中，電極在時間延遲終止後連接到電接地。在 實施例中，電極在有限復位時期連接到電接地。控制器310可通過控制開關305而使電極連接到電接地。開關可以是電晶體，例如場效應電晶體(FET)。
在實施例中，系統121沒有類比濾波器網路(例如，RC網路)。在實施例中，系統121沒有類比電路。
電壓表306可將它測量的電壓作為類比或數位信號饋送給控制器310。
系統121可包括電容器模組309，其電連接到二極體300的電極或電觸點，其中電容器模組配置成從電極收集載流子。電容器模組可以包括放大器的回饋路徑中的電容器。如此配置的放大器叫作電容跨阻放大器(CTIA)。CTIA通過防止放大器飽和而具有高的動態範圍並且通過限制信號路徑中的帶寬來提高信噪比。來自電極的載流子在一段時間(“整合期”)(例如，如在圖4中示出的，在t0至t1或t1-t2之間)內在電容器上累積。在整合期終止後，對電容器電壓采樣並且然後由重置開關將其重置。電容器模組可以包括直接連接到電極的電容器。
圖4示意示出由二極體或電阻器上入射的X射線光子產生的載荷子引起的流過電極的電流的時間變化(上曲線)和電極的電壓的對應時間變化(下曲線)。電壓可以是電流關於時間的整合。在時間t0，X射線光子撞擊二極體或電阻器，載流子開始在二極體或電阻器中產生，電流開始流過二極體的電極或電阻器，並且電極或電觸點的電壓的絕對值開始增加。在時間t1，第一電壓比較器301確定電壓的絕對值等於或超出第一閾值V1的絕對值，並且控制器310啟動時間延遲TD1並且控制器310可在TD1開始時停用第一電壓比較器301。如果控制器310在t1之前被停用，在t1啟動控制器310。在TD1期間，控制器310啟動第二電壓比較器302。如這裏使用的術語在時間延遲“期間”意指開始和終止(即，結束)和中間的任何時間。例如，控制器310可在TD1終止時啟動第二電壓比較器302。如果在TD1期間，第二電壓比較器302確定在時間t2電壓的絕對值等於或超出第二閾值V2的絕對值，控制器310促使計數器320記錄的數目增加一。在時間te，X射線光子產生的所有載流子漂移出X射線吸收層110。在時間ts，時間延遲TD1 終止。在圖4的示例中，時間ts在時間te之後；即TD1在X射線光子產生的所有載流子漂移出X射線吸收層110之後終止。電壓的變化率從而在ts大致為零。控制器310可配置成在TD1終止時或在t2或中間的任何時間停用第二電壓比較器302。
控制器310可配置成促使電壓表306在時間延遲TD1終止時測量電壓。在實施例中，在電壓的變化率在時間延遲TD1終止後大致變為零之後，控制器310促使電壓表306測量電壓。該時刻的電壓與X射線光子產生的載流子的數量成比例，其與X射線光子的能量相關。控制器310可配置成基於電壓表306測量的電壓確定X射線光子的能量。確定能量的一個方式是通過使電壓裝倉。計數器320對於每個倉可具有子計數器。在控制器310確定X射線光子的能量落在倉中時，控制器310可促使對於該倉的子計數器中記錄的數目增加一。因此，系統121可以能夠檢測X射線圖像並且可以能夠分辨每個X射線光子的X射線光子能量。
在TD1終止後，控制器310在復位期RST使電極連接到電接地以允許電極上累積的載流子流到地面並且使電壓重定。在RST之後，系統121準備檢測另一個入射X射線光子。在圖4的示例中系統121能夠應對的入射X射線光子的速率隱式地受限於1/(TD1+RST)。如果第一電壓比較器301被停用，控制器310可以在RST終止之前的任何時間啟動它。如果控制器310被停用，可在RST終止之前啟動它。
圖5示意示出在采用圖4中示出的方式操作的系統121中雜訊(例如，暗電流、背景輻射、散射X射線、螢光X射線、來自相鄰圖元的共用電荷)引起的流過電極的電流的時間變化(上曲線)和電極的電壓的對應時間變化(下曲線)。在時間t0，雜訊開始。如果雜訊未大到足以促使電壓的絕對值超出V1的絕對值，控制器310未啟動第二電壓比較器302。如果在時間t1雜訊大到足以促使電壓的絕對值超出由第一電壓比較器301確定的V1的絕對值，控制器310啟動時間延遲TD1並且控制器310可在TD1開始時停用第一電壓比較器301。在TD1期間(例如，在TD1終止時)，控制器310 啟動第二電壓比較器302。在TD1期間，雜訊不太可能大到足以促使電壓的絕對值超出V2的絕對值。因此，控制器310未促使計數器320記錄的數字增加。在時間te，雜訊結束。在時間ts，時間延遲TD1終止。控制器310可配置成在TD1終止時停用第二電壓比較器302。如果在TD1期間電壓的絕對值未超出V2的絕對值，控制器310可配置成未促使電壓表306測量電壓。在TD1終止後，控制器310在復位期RST使電極連接到電接地以允許電極上由於雜訊而累積的載流子流到地面並且使電壓重定。因此，系統121在雜訊抑制方面可非常有效。
圖6示出根據實施例適於檢測X射線的方法(基於諸如圖3A和圖3B中的電子系統的系統)的流程圖。在602，確定電極的電壓。電極可以是暴露於X射線的圖元中的二極體或電阻器的電觸點。在605，確定相鄰圖元是否共享由單個X射線光子產生的電荷，即，是否發生電荷共享。如果是，則過程進行至604。否則，過程進行到步驟606。將在圖7中討論關於605的更多細節。在604，當電荷共享發生時，電壓被復位。在實施例中，電壓的 值被復位為零，即，電壓被復位到電接地，例如，通過將二極體或電阻器的電觸點的電極連接到電接地。在實施例中，電壓被刪除。結果，單個X射線光子能量不被確定。然後，過程返回到602，檢測另一X射線。
在606，將暴露於X射線的二極體或電阻器的電觸點的電極的電壓的絕對值與第一閾值V1進行比較(例如，通過第一電壓比較器301)。在607，如果電壓的絕對值不等於或不超過第一閾值的絕對值，則返回步驟606。如果在607電壓的絕對值等於或超過第一閾值的絕對值，過程繼續到608，例如，在時間延遲之後或電壓穩定之後。在608，將電壓的絕對值與第二閾值V2進行比較(例如，使用第二電壓比較器302)。然後，過程移至615。
在615，如果電壓的絕對值不等於或不超過第二閾值V2的絕對值，則步驟進入620。如果電壓的絕對值等於或超過第二閾值V2的絕對值，流程繼續至步驟616。在616，(例如，控制器310)使得計數器320記錄的數字增加一。在618，X射線光子能量被確定，例如，由控制器310，基於電 壓。在實施例中，可以存在用於每個能量倉的計數器。測量X射線光子能量後，所述光子能量所屬的倉的計數器能被增加一。618之後步驟進入620。在620，電壓被復位到電接地，例如，通過將二極體或電阻器的電觸點的電極連接到電接地。620之後，步驟回到602。
圖7示出：根據實施例，適於確定圖6中步驟605是否發生電荷共享的方法的流程圖(基於諸如圖3A和圖3B中的電子系統的系統)。如上文所述，602之後該過程在步驟710開始。在710，獲得第一電壓波形。第一電壓波形示出了在所述圖元中的一個的二極體或電阻器的電觸點的電壓的時間輪廓。在720，找到所述圖元中的一個的相鄰圖元。在730，獲得在相鄰圖元處檢測到的第二電壓波形。第二電壓波形示出相鄰圖元處的二極體或電阻器的電接觸的電壓的時間輪廓。在740，確定與第一電壓波形和第二波形相關聯的特征。在實施例中，與第一和第二電壓波形相關聯的特征是第一電壓的上升沿或下降沿與第二電壓的上升沿或下降沿之間的時間差。所述特征可以被直接確定為電路的輸出。或者，所述特征可以被間接確定，例如，基於電路的兩個或多個輸出。例如，對應於第一電壓的上升或下降沿的第一時 間，以及對應於第二電壓的上升或下降沿的第二時間，被分別確定。然後，可以通過比較第一時間和第二時間來確定所述特征(即，時間差)。在750，如果所述特征在閾值內，則過程移到760。否則，過程移至770。
在實施例中，在740，與第一電壓波形和第二波形相關聯的特征是第一電壓的上升沿或下降沿與第二電壓的上升沿或下降沿之間的時間差的函數。為了產生這樣的特征，可以將上述時間差用作附加電路的輸入。在750，如果所述特征大於閾值，則過程移至760。否則，過程移至770。
在760，確定發生電荷共享。然後，如上文所述，過程移至604。在770，如果存在一個以上相鄰圖元，則過程移至720。否則，過程移至780。在780，確定不發生電荷共享。然後，如上文所述，過程進行到606。雖然圖7中的流程圖示出相鄰圖元的電荷共享被順次地確定，但是相鄰圖元的電荷共享可以被並行確定。
圖8A示出可實現圖7的方法的電路的例子。所述電路輸出信號t_charge，其表征第一電壓波形的上升沿S1與第二電壓波形的上升沿S2之 間的時間差。在這個例子中，所述電路包括第一D型觸發器(DFF)810，NAND門830，延遲元件820，第一非門812，第二非門814，第二DFF 815和異或(XOR)門840。
如圖所示，第一DFF 810和第二DFF815均連接到電源VDD。第一電壓波形S1(例如在圖元處被確定)被輸入到第一DFF 810。第二電壓波形S2(例如，在相鄰圖元處被確定)被輸入到第二DFF 815。如圖8A所示，第一DFF810和第二DFF815的輸出分別被表示為“上”和“下”。
進一步，第一DFF810和第二DFF815的輸出被輸入到NAND門830。當第一DFF 810和第二DFF 815均輸出高電壓，即“1”時，所述NAND門830被配置為輸出低電壓，即，“0”。當第一DFF 810或第二DFF 815輸出低電壓，即"0"時，所述NAND門830被進一步配置為輸出高電壓，即“1”。
延遲元件820在時間上延遲NAND門830的輸出。延遲元件820的輸出，通過第一非門812和第二非門814，被分別輸入到第一DFF810和第二DFF815。第一非門812和第二非門814可被配置成反轉延遲元件820的輸出，分別地作為第一DFF810和第二DFF815的輸入。例如，當延遲元件820的輸出為低電壓，即“0”時，在被第一非門812和/或第二非門814反轉後，高電壓(即“1”)被輸入到第一DFF 810和/或第二DFF 815。或者，當延遲元件820的輸出為高電壓，即“1”時，在被第一非門812和/或第二非門814反轉後，低電壓，即“0”被輸入到第一DFF 810和/或第二DFF 815。
異或門840接收第一DFF810和第二DFF815的輸出，即，“上”和“下”(如圖8A所示)作為輸入，並最後輸出信號t_charge。當第一DFF 810和第二DFF815中的一個輸出低電壓，即“0”，並且另一個輸出高電壓，即“1”時，異或門840被配置為輸出高電壓，即“1”。當第一 DFF810和第二DFF815中均輸出低電壓，即"0"，或高電壓，即"1"時，異或門840進一步被配置為輸出低電壓，即“0”。
圖8B示意性地示出相對於圖8A的各種電壓波形的例子，例如“S1”，“S2”，“上”，“下”以及“t_charge”。在這個例子中，第一電壓波形S1的上升沿850，早於第二電壓波形S2的上升沿860出現。如圖8B的底部所示，電路的結果輸出，即t_charge，包括方波波形，其寬度可表示為“△t1”，其表示第一電壓波形S1的上升沿850與第二電壓波形S2的上升沿860之間的時間差。如上所述，時間差△t1可以進一步與閾值相比較，其可以是例如10μs，1μs，100ns，10ns等，當時間差△t1在閾值內時，確定發生電荷共享。否則，確定不發生電荷共享。
圖8C示意性示出相對於圖8A的各種電壓波形的另一個例子，例如“S1”，“S2”，“上”“下”以及“t_charge”。在這個實例中，第一電壓波形S1的上升沿870，比第二電壓波形S2的上升沿880晚出現。如圖 8C的底部所示，電路的結果輸出，即t_charge，包括方波波形，其寬度可表示為“△t2”，其表示第一電壓波形S1的上升沿870與第二電壓波形S2的上升沿880之間的時間差。如上所述，時間差△t2可以進一步與閾值相比較，其可以是例如10μs，1μs，100ns，10ns等，當時間差△t2在閾值內時，確定發生電荷共享。否則，確定不發生電荷共享。
圖9A示出除了圖8A中的電路之外能夠集體實施圖7的方法的電路的例子。所述電路是輸出信號v_charge，其是第一電壓波形S1的上升沿與第二電壓波形的上升沿之間的時間差的函數。所述電路進一步輸出決定信號out，其表示是否發生電荷共享(基於對信號v_charge和預定參考電壓v_ref的比較)。
在這個例子中，該電路包括逆變器910，電流源920，P溝道場效應管(P-FET)930，N溝道場效應管(N-FET)940，電容器950，以及比較器960。
逆變器910類似於圖8A所示的第一非門812和第二非門814。逆變器910接收並反轉信號t_charge。具體地，當所述信號t_charge為低電壓，即“0”時，逆變器910輸出高電壓，即“1”。或者，或此外，當信號t_charge為高電壓，即“1”時，逆變器910輸出低電壓，即"0"。
電流源920被連接到電源VDD，並提供恒定電流，例如，由I代表。所述P-FET 930具有三個端口，包括柵極(“G”)，源極(“S”)和漏極(“D”)。當所述P-FET930的柵極與源極之間的電壓，即，VPGS小於閾值電壓VPT，所述P-FET930導通。因此，所述源可被認為與所述漏極短接。否則，關閉P-FET930。因此，可以認為所述源與所述漏極斷開。為簡化起見，當P-FET930的柵極具有低電壓(“0”)時，可以認為P-FET930導通，並且當P-FET930的柵極具有高電壓(“1”)時，P-FET930可以被認為是斷開。
N-FET940具有三個端口，包括柵極(“G”)，源極(“S”)，和漏極(“D”)。如所示，N-FET 940的柵極連接到P-FET 930的柵極，以及逆變器910的輸出。P-FET930的漏極連接到N-FET940的漏極，其相對於地面的電壓表示為如圖9A所示的v_charge。當N-FET940的柵極和源極之間的電壓VNGS大於閾值電壓VNT，N-FET940導通。因此，源極可被認為與漏極短接。否則，斷開N-FET940。因此，源極可被認為與漏極斷開。如圖9A所示，在本例中，N-FET940的源極接地。為簡單起見，當N-FET940的柵極具有高電壓(“1”)時，N-FET940可被認為導通。當N-FET940的柵極具有低電壓(“0”)時，N-FET940可被認為斷開。
當P-FET930導通且N-FET940斷開時，電容器950可被充電，從而產生v_charge正電壓。在這個例子中，電壓v_charge的正的部分與時間成比例。v_charge的峰值與由t_charge表示的對應的方波的寬度成比例，並可表示為：
Figure 107100840-A0305-02-0043-1
其中v_charge_peak表示v_charge電壓的峰值，I表示來自電流源的恒定電流，△t表示方形波形t_charge的寬度，C表示電容器950的電容。
當斷開P-FET930並且導通N-FET940時，電容器950可被放電，從而導致v_charge的零電壓。
比較器960比較v_charge和預定參考電壓v_ref，並最後產生決定信號out，其可包括高電壓("1")(當v_charge的對應部分大於預定參考電壓v_ref時)，並且也可包括低電壓("0")(當v_charge的對應部分小於預定參考電壓時v_ref時)。在實施例中，預定參考電壓可以是任何正電壓。進一步，可以基於決定信號out確定是否發生電荷共享。當決定信號out在所有時刻具有低電壓("0")，確定發生電荷共享。否則，確定不發生電荷共享。
在操作中，當t_charge具有低電壓時("0")時，逆變器910的輸出具有高電壓(“1”)。於是P-FET930被斷開，並且N-FET940被導通。結果，只要t_charge保持在低電壓("0")，電容器950放電。由於電容器950接地，v_charge具有低電壓("0")。因此，信號out具有低電壓("0")。或者，當t_charge具有高電壓時("1")，逆變器910的輸出具有低電壓("0")。於是，P-FET930被接通，N-FET940被斷開。結果，只要t_charge保持在高電壓("1")，電容器950由電流源920充電。信號v_charge線性增加，直到t_charge從高電壓(“1”)轉變為低電壓(“0”)。v_charge的峰值與方波波形的寬度(被表示為t_charge)成比例。
在任一種情況下，將v_charge電壓與預定閾值電壓v_ref進行比較，於是輸出決定信號out。當v_charge電壓小於預定閾值電壓v_ref時，決 定信號out具有低電壓("0")。當v_charge電壓大於預定閾值電壓v_ref時，決定信號out具有高電壓(“1”)。進一步，基於決定信號out，可確定是否發生電荷共享。當決定信號out一直具有低電壓(“0”)時，確定發生電荷共享。否則，確定不發生電荷共享。
圖9B示意性地示出關於圖9A的各種波形的例子。如所示，當t_charge從低電壓(“0”)轉換到高電壓(“1”)時，v_charge信號隨著時間線性增長。當t_charge從高電壓(“1”)轉換到低電壓(“0”)時，v_charge返回到零。當v_charge大於預定參考電壓v_ref時，對應的決定信號out具有高電壓("1")。否則，其具有低電壓("0")。如上文所述，可以確定在這種情況下不發生電荷共享。
圖9C示意性地示出關於圖9A的各種波形的另一個例子。不同於圖9B，v_charge一直低於預定參考電壓v_ref。結果，對應的決定信號out一直具有低電壓("0")。如上所述，可以確定在這種情況下發生電荷共享。
半導體X射線檢測器100可用於相襯X射線成像(PCI)(也稱為相敏X射線成像)。PCI包括至少部分地使用由那個物體引起的X射線光束的相移(包括相移的空間分布)形成物體的圖像的技術。一個獲得相移的方法是將相位變換為強度的變化。
PCI能與斷層攝影技術相結合來獲得物體折射率的實數部分的三維分布。PCI比傳統的基於強度的X射線成像(例如，輻射照相術)對物體中的強度分布更敏感。PCI對軟組織進行成像特別有用。
根據實施例，圖10示意性地示出適於PCI的系統1900。系統1900可包括至少兩個X射線檢測器1910和1920。兩個X射線檢測器1910中的全部或一個是本文所述的半導體X射線檢測器100。X射線檢測器1910和1920可以由間隔件1930隔開。間隔件1930對X射線可以具有非常小的吸收。例如，間隔件1930可以具有非常小的質量衰減系數(例如，<10cm2g-1，<1cm2g-1，<0.1cm2g-1，或<0.01cm2g-1)。間隔件1930的質量衰減系數可以是均勻的(例如，間隔件1930中每兩個點之間的變化小 於5%，小於1%或小於0.1%)。間隔件1930可對穿過間隔件1930的X射線的相位產生相同總量的變化量。例如，間隔件1930可以是氣體(例如，空氣)，真空室，可包括鋁，鈹，矽或其組合。
系統1900可用於獲得被成像物體1960引起的入射X射線1950的相移。X射線檢測器1910和1920可以同時捕獲兩幅圖像(即，強度分布)。由於X射線檢測器1910和1920由間隔件1930隔開，所述兩幅圖像與所述物體1960的距離不同。所述相位可以從所述兩幅圖像中確定，例如，使用基於菲涅耳衍射積分的線性化的算法。
根據實施例，圖11示意性地示出適於PCI的系統1800。系統1800包括在此描述的半導體X射線檢測器100。半導體X射線檢測器100被配置為移動到距暴露於入射X射線1850的物體1860的不同距離處並捕獲其圖像。圖像可不必同時被捕獲。該相位可以從圖像確定，例如使用基於菲涅耳衍射積分的線性化的算法。
圖12示意性地示出了包括本文所述的輻射檢測器100的系統。該系統可用於醫學成像，例如胸部X射線照相，腹部X射線照相等。系統包括X射線源1201。從X射線源1201發射的X射線穿透物體1202(例如，人體部位如胸部，肢體，腹部)，被物體1202的內部結構(例如，骨骼，肌肉，脂肪，器官等)不同程度衰減，並且被投影到半導體X射線檢測器100。半導體X射線檢測器100通過檢測X射線的強度分布而形成圖像。
圖13示意性地示出包括本文所述的半導體X射線檢測器100的系統。該系統可用於醫療成像，例如牙科X射線照相。該系統包括X射線源1301。從X射線源1301發射的X射線穿透物體1302，其是哺乳動物(例如，人)的嘴巴的部分。物體1302可包括上頜骨，腭骨，牙齒，下頜或舌。X射線被物體1302的不同結構不同程度衰減，並被投射到半導體X射線檢測器100。半導體X射線檢測器100通過檢測X射線的強度分布形成圖像。牙齒 比齲牙，感染，牙周韌帶更多地吸收X射線。牙科患者接收的X射線輻射的劑量典型地是小的(對全嘴系列約0.150mSv)。
圖14示意性地示出包括本文所述的半導體X射線檢測器100的貨物掃描或非侵入性檢查(NII)系統。該系統可用於檢查和識別例如集裝箱，車輛，船舶，行李等運輸系統中的貨物。該系統包括X射線源1401。從X射線源1401發射的輻射可以從物體1402(例如，集裝箱，車輛，船舶等)背散射並被投影到半導體X射線檢測器100。物體1402的不同內部結構可以不同地背散射所述輻射。半導體X射線檢測器100通過檢測背散射X射線的強度分布和/或背散射X射線光子的能量來形成圖像。
圖15示意性地示出包括本文所述的半導體X射線檢測器100的另一貨物掃描或非侵入性檢查(NII)系統。該系統可用於公共運輸站和機場的行李篩選。該系統包括X射線源1501。從X射線源1501發射的X射線可穿透行李1502，被行李的內容不同地衰減，並被投射到半導體X射線檢測器 100。所述半導體X射線檢測器100通過檢測透射X射線的強度分布而形成圖像。該系統可以揭示行李的內容，並識別在公共交通上禁止的物品，例如槍支，毒品，鋒利武器，易燃物。
圖16示意性地示出包括本文所述的半導體X射線檢測器100的全身掃描系統。全身掃描系統可以為了安全篩選目的檢測人身體上的物體，不需要物理地移去衣物或進行物理接觸。全身掃描系統能檢測非金屬物體。全身掃描系統包括X射線源1601。從X射線源1601發射的輻射可從被篩選的人1602和其身上的物體背散射，並被投射到輻射檢測器100。所述物體和所述人體可以不同地背散射輻射。半導體X射線檢測器100通過檢測背散射X射線的強度分布來形成圖像。輻射檢測器100和X射線源1601可被配置為沿直線或旋轉方向掃描人。
圖17示意性地示出包括本文所述的半導體X射線檢測器的X射線計算機斷層攝影(X射線CT)系統。X射線CT系統使用計算機處理的X射線來產生被掃描對象的特定區域的斷層圖像(虛擬“切片”)。斷層圖像可用於各種醫學學科中的診斷和治療目的，或用於探傷，故障分析，計量，組裝分 析和反向工程。X射線CT系統包括在此描述的半導體X射線檢測器100和X射線源1701。輻射檢測器100和X射線源1701可被配置成沿一個或多個圓形或螺旋路徑同步旋轉。
圖18示意性地示出包括本文描述的半導體X射線檢測器100的電子顯微鏡。電子顯微鏡包括被配置為發射電子的電子源1801(也稱為電子槍)。電子源1801可具有各種發射機制，例如熱離子，光電陰極，冷發射或等離子體源。被發射的電子通過電子光學系統1803，其可被配置為影響、加速或聚焦電子。然後電子到達樣品1802，並且圖像檢測器可從那裏形成圖像。電子顯微鏡可以包括本文所述的輻射檢測器100，用於進行能量色散X射線分光鏡檢查(EDS)。EDS是用於樣品的元素分析或化學表征的分析技術。當電子入射到樣品上時，可從樣品發射特征X射線。入射電子可以激發樣品中的原子的內殼中的電子，從所述殼中將其排出，同時在所述電子原先的位置形成電子空穴。來自外部的高能殼層的電子填充所述空穴，較高能量殼層 與較低能量殼層之間的能量差可以按X射線的形式釋放。通過半導體X射線檢測器100可以測量從樣品發射的X射線的數量和能量。
圖19示意性地示出包括本文所述的半導體X射線檢測器100的輻射劑量儀。輻射劑量儀能夠測量輻射的平均劑量率(例如，來自輻射源1901的X射線)。輻射源1901可包括火山1903或原子彈爆炸。輻射劑量儀可包括室1902，其包括空氣或其它氣體。經過氣體的X射線將使其電離，產生正離子和自由電子。入射光子將產生與其能量成比例的多個這樣的離子對。與輻射劑量儀相關聯的X射線檢測器可以測量在氣體容量上的平均劑量率或交互作用的光子數量。雖然在非圖像應用中的X射線檢測器通常是單個圖元檢測器，本文描述的具有多個圖元、具有管理在相鄰圖元上可出現的電荷共享的能力的X射線檢測器100也可以被使用。
圖20示意性地示出包括本文所述的半導體X射線檢測器100的元素分析儀。元素分析儀能夠檢測在諸如玩具的物體上的一個或多個感興趣的元件的存在。高能量的帶電粒子束(諸如電子或質子，或X射線束)被引導到物 體上。物體的原子被激發並在特定波長處發射X射線(其是元素的特征)。X射線檢測器100接收所述被發射的X射線並基於所述被發射的X射線的能量確定所述元素的存在。例如，X射線檢測器100可被配置為檢測位於鉛發射的波段的X射線。如果X射線檢測器100從物體上確實接受到在這些波段的X射線，就能知道鉛存在。本文描述的半導體X射線檢測器100可具有其它應用，比如在X射線望遠鏡，X射線乳房攝影，工業X射線缺陷檢測，X射線顯微或微成像，X射線鑄造檢查，X射線無損檢測，X射線焊接檢查，X射線數位減影血管攝影等中。使用該半導體X射線檢測器100適合於代替攝影板，攝影膠片，PSP板，X射線圖像增強器，閃爍體或另一個半導體X射線檢測器。
盡管本文公開各種方面和實施例，其它方面和實施例對於本領域內技術人員將變得明顯。本文公開的各種方面和實施例是為了說明目的而不意在為限制性的，其真正範圍和精神由下列權利要求指示。
810:第一D型觸發器
812:第一非門
814:第二非門
815:第二D型觸發器
820:延遲元件
830:NAND門
840:異或(XOR)門
S1:第一電壓波形
S2:第二電壓波形
t_charge:信號
VDD:電源

Claims (31)

  1. 一種適用於X射線檢測的儀器，其包括：X射線吸收層；第一圖元(pixel)和第二圖元；以及控制器，其被配置(configured)為：確定由X射線光子於該X射線吸收層中產生的載流子是否被該第一圖元和該第二圖元收集，並且在確定該等載流子由該第一圖元和該第二圖元收集之後，復位(reset)與由該第一圖元和該第二圖元收集的該等載流子相關聯的信號而不讀取該等信號。
  2. 如請求項1之儀器，其中復位該等信號包括將該等信號的每一個值復位為零或刪除(erase)該等信號。
  3. 如請求項1之儀器，其中與由該第一圖元和該第二圖元收集的該等載流子相關聯的該等信號包括：由該第一圖元收集的該等載流子之第一部分產 生的第一電壓以及由該第二圖元所收集的該等載流子之第二部分產生的第二電壓。
  4. 如請求項3之儀器，其中該第一圖元與具有該第一電壓的第一電容器相關聯，並且該第二圖元與具有該第二電壓的第二電容器相關聯。
  5. 如請求項3之儀器，其中確定由該X射線光子產生的該等載流子是否被該第一圖元和該第二圖元收集包括：確定與該第一電壓和該第二電壓相關聯的特徵，並且其中該特徵是在閾值內或大於該閾值。
  6. 如請求項5之儀器，其中該特徵是：該第一電壓的上升沿或下降沿與該第二電壓的上升沿或下降沿之間的時間差，或其函數。
  7. 如請求項1之儀器，其中，該儀器包括圖元陣列。
  8. 如請求項1之儀器，其中該控制器包括第一D型觸發器(D-type flip-flop,DFF)以及第二DFF，其中與該第一圖元相關聯的第一電壓波形被輸入到該第一DFF，並且與該第二圖元相關聯的第二電壓波形被輸入到該第二DFF。
  9. 如請求項8之儀器，其中該控制器進一步被配置為基於來自該第一DFF的第一輸出信號以及來自該第二DFF的第二輸出信號而產生第一信號，並且其中該第一信號表示該第一電壓波形的上升沿或下降沿與該第二電壓波形的上升沿或下降沿的時間差。
  10. 如請求項9之儀器，其中基於該第一輸出信號和該第二輸出信號產生的信號被回饋為該第一DFF和該第二DFF的輸入。
  11. 如請求項9之儀器，其中該控制器進一步包括N溝道場效應電晶體(N-FET)，P溝道場效應管(P-FET)和電容器。
  12. 如請求項11之儀器，其中該控制器進一步被配置為基於該第一信號產生第二信號，其中該第二信號的峰值與該第一電壓波形的上升沿或下降沿與該第二電壓波形的上升沿或下降沿的該時間差成比例。
  13. 一種包括請求項1之儀器和X射線源的系統，其中該系統被配置為對人體胸部或腹部進行X射線照相。
  14. 一種包括請求項1之儀器和X射線源的系統，其中該系統被配置為對人的嘴巴進行X射線照相。
  15. 一種包括請求項1之儀器和X射線源的貨物掃描或非侵入性檢查(non-intrusive inspection,NII)系統，其中該貨物掃描或非侵入性檢查(NII)系統被配置為基於背散射X射線形成圖像。
  16. 一種包括請求項1之儀器和X射線源的貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統，其中該貨物掃描或非侵入性檢查(NII)系統被配置為基於穿過被檢查的物體的X射線形成圖像。
  17. 一種包括請求項1之儀器和X射線源的全身掃描系統。
  18. 一種X射線電腦斷層掃描(computed tomography,CT)系統，其包括請求項1之儀器和X射線源。
  19. 一種電子顯微鏡，包括請求項1之儀器、電子源和電子光學系統。
  20. 一種包括請求項1之儀器的系統，其中該系統被配置為測量X射線源的劑量。
  21. 一種包括請求項1之儀器的系統，其中該系統為X射線望遠鏡，或X射線顯微鏡，或其中該系統被配置為進行乳房攝影，工業缺陷檢測，微成像，鑄造檢查，焊接檢查，或數位減影血管攝影。
  22. 一種適用於相襯X射線成像(phase-contrast X-ray imaging,PCI)的系統，該系統包括：如請求項1之儀器；第二X射線檢測器；以及間隔件，其中該儀器和該第二X射線檢測器被該間隔件隔開。
  23. 如請求項22之系統，其中該儀器和該第二X射線檢測器被配置為分別同時捕獲物體的圖像。
  24. 如請求項22之系統，其中該第二X射線檢測器與該儀器相同。
  25. 一種適用於相襯X射線成像(PCI)的系統，該系統包括請求項1之儀器，其中該儀器被配置為移動到距暴露於入射X射線的物體不同距離並拍攝其圖像。
  26. 一種用於檢測X射線的方法，其包括：確定由X射線光子於X射線吸收層中產生的載流子是否被第一圖元和第二圖元收集；以及在確定該等載流子由該第一圖元和該第二圖元收集之後，復位與由該第一圖元和該第二圖元收集的該等載流子相關聯的信號而不讀取該等信號。
  27. 如請求項26之方法，其中復位該等信號包括將該等信號的每個值復位為零，或刪除該等信號。
  28. 根據請求項26之方法，其中與由該第一圖元和該第二圖元收集的該等載流子相關聯的該等信號包括：由該第一圖元收集的該等載流子之第一部分產生的第一電壓和由該第二圖元所收集的該等載流子之第二部分產生的第二電壓。
  29. 如請求項28之方法，其中該第一圖元與具有該第一電壓的第一電容器相關聯，該第二圖元與具有該第二電壓的第二電容器相關聯。
  30. 如請求項28之方法，其中確定由該X射線光子產生的該等載流子被該第一圖元和該第二圖元收集包括確定與該第一電壓和該第二電壓相關聯的特徵，其中該等特徵是在閾值內或大於該閾值。
  31. 根據請求項30之方法，其中該等特徵是：該第一電壓的上升沿或下降沿與該第二電壓的上升沿或下降沿之間的時間差，或其函數。
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