能量分辨X射线成像设备和方法技术

提供了一种能量分辨X射线成像设备和一种用于电磁辐射成像的方法。该设备包括一个或多个像素，每个像素包括在行方向上延伸的布置成一行(206)的多个检测器单元(202)。该行(206)被配置为在该行(206)的一端的入射表面(208)处接收光子(204)，并且所接收的光子(204)在该行方向上穿透多个检测器单元(202)。同一行(206)的多个检测器单元(202)被配置为生成相应信号，所述信号基于光子(204)对检测器单元(202)的行(206)的穿透而共同指示光子(204)的能量分辨光谱轮廓。能量分辨光谱轮廓。能量分辨光谱轮廓。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】能量分辨X射线成像设备和方法


[0001]下面讨论的技术一般涉及能量分辨X射线成像，具体涉及用于提供能量分辨X射线成像的图像传感器的结构。

技术介绍

[0002]X射线技术在基础科学(例如，材料科学、分子生物学等)、安检、医学诊断成像等方面有着广泛的应用。X射线一般是指光子能量从102电子伏特(eV)至106eV，对应波长为100至10
‑3nm的一类电磁波。由于X射线光子的能量比外壳电子的能量高几个数量级，因此与红外光和可见光相比，X射线光子经历更小的光
‑
物质散射横截面，以致呈现更大的穿透深度。因此，X射线可用于无损结构/材料分析和医学成像。X射线检测器可用于将高能X射线光子转换为电信号。X射线检测器通常分为两大类：间接转换检测器和直接转换检测器。
[0003]间接转换检测器利用闪烁器将高能X射线光子转换为低能可见光光子的集合，然后将可见光光子与光检测器(诸如光电倍增管或CCD/CMOS/光电二极管)耦合成电信号。随着闪烁器(例如，CsI:TI、Gd2O2S:Eu等)和光耦合技术的进步，间接转换X射线检测器可以相当高效且具有成本效益。结合薄膜场效应晶体管(TFT)技术，平板间接转换检测器的大面积成像通常用于医学诊断中的X射线成像。然而，间接转换检测器时间响应慢，空间分辨率低，并且不具备能量分辨能力。
[0004]直接转换检测器通过包括光电吸收和康普顿散射在内的一系列过程来检测半导体中由X射线光子生成的电荷。在光电吸收中，入射的X射线光子以全部能量转移而将内壳电子踢出。当忽略从检测器体积逸出的特征X射线(也称为荧光线)时，光电效应导致入射光子能量的全部吸收。光电效应在高达200keV的能量范围内占主导地位。而在康普顿散射中，入射光子以部分能量转移而被外部电子散射，产生热电子或电子
‑
空穴对和较低能量的光子。该散射会在半导体中感应出电场并产生电信号。为了实现具有快速时间响应的直接转换检测器，该检测器需要具有紧凑的尺寸、高电荷迁移率和小的寄生电容。直接转换检测器可以将电信号转换为电压脉冲。类似于光子学中的光子计数的技术可用于通过脉冲轮廓监测X射线光子能量。当X射线光子在检测器中释放能量E时，生成的电子
‑
空穴对的数量如下：
[0005][0006]其中w是产生电子
‑
空穴对所需的材料相关平均能量。这种能量灵敏度对于高速半导体X射线检测器来说是独一无二的。理论上，与间接转换检测器相比，直接转换检测器的优点包括效率高、灵敏度高、尺寸紧凑、空间分辨率高、能量灵敏度高。
[0007]适用于X射线检测器的半导体包括例如硅(Si)、锗(Ge)、硒化物(Se)、碲化镉(CdTe)、Cd1‑
x
Zn
x
Te和碲化汞(HgTe)。每种材料在X射线横截面中具有不同的效率。在X射线能量远离内壳跃迁(荧光线)的非共振相互作用的情况下，光电效应的横截面可以近似为其中Z是材料的原子序数，以及E是X射线光子能量。通常，重原子比较轻的原子具有更强的X射线横截面，例如：就X射线横截面而言，HgTe(Z＝80,52)>CdTe(Z＝48,52)>Se
(Z＝34)>Ge(Z＝32)>Si(Z＝14)。尽管如此，具有更强的X射线横截面并不一定意味着HgTe在X射线检测方面优于Si，相反，每种半导体材料都具有其自身的优点和缺点。
[0008]通常，使用高横截面材料可以减小检测器的尺寸，从而由于寄生电容小而导致高空间分辨率和潜在的快速时间响应。检测器的整体性能(例如，检测率)主要受暗电流和时间响应引起的噪声水平的影响。例如，虽然HgTe具有高吸收系数和电荷迁移率，但HgTe的带隙小且制造工艺要求高。由于小带隙导致的高的暗电流使得基于HgT的检测器更适合低温应用。尽管在上述半导体中硅对X射线的吸收的横截面最小，但由于间接带隙相当大、载流子迁移率高、晶体质量出色以及成熟的装置制造技术所致的最低的暗电流使得硅适用于X射线检测应用，例如软X射线直接检测应用。用于高能辐射(如X射线)的直接转换半导体检测器可以具有各种结构，例如，PIN二极管结构(例如，硅：锂检测器)、电荷耦合装置(CCD)和漂移检测器。

技术实现思路

[0009]总的来说，本专利技术提供一种直接转换X射线检测方法和检测器结构，其可以实现具有高的效率和空间分辨率的能量分辨检测和成像。
[0010]本公开的一个方面提供一种用于电磁辐射成像的设备。该设备包括一个或多个像素，每个像素包括在行方向上延伸的布置成一行的多个检测器单元。该行被配置为在该行的一端的入射表面处接收光子，并且所接收的光子在该行方向上穿透该多个检测器单元。同一行的该多个检测器单元被配置为生成基于该光子对该检测器单元的行的穿透而共同指示该光子的能量分辨光谱轮廓的相应信号。
[0011]本公开的另一方面提供一种用于电磁辐射成像的方法。该方法在一个或多个像素处接收光子，每个像素包括在行方向上延伸的布置成一行的多个检测器单元。该方法在该行的一端的入射表面处接收光子，并且该光子在该行方向上穿透该多个检测器单元。该方法进一步在该多个检测器单元处生成相应信号，该相应信号基于该光子对该检测器单元的行的穿透而共同指示该光子的能量分辨光谱轮廓。
[0012]本公开的另一方面提供一种用于电磁辐射成像的设备。该设备包括在行方向上延伸的布置成一行的多个检测器单元。该多个检测器单元被配置为在该行的一端的入射表面处接收光子，并且所接收的光子在该行方向上穿透该多个检测器单元。该设备还包括用于在该多个检测器单元处生成相应信号的工具。该信号基于光子对该检测器单元的行的穿透而共同指示该光子的能量分辨光谱轮廓。
附图说明
[0013]图1是概念性地示出根据本公开的一方面的示例性X射线检测器结构的图。
[0014]图2示出了说明硅和锗中的能量相关光子吸收的两个图表。
[0015]图3是概念性地示出根据本公开的一方面的一维X射线检测器结构的图。
[0016]图4是概念性地示出根据本公开的一方面的二维X射线检测器结构的图。
[0017]图5是示出根据本公开的一方面的X射线检测的第一模拟结果的图。
[0018]图6是示出根据本公开的一方面的X射线检测的第二模拟结果的图。
[0019]图7是示出根据本公开的一方面的能量分辨X射线成像系统的图。
具体实施方式
[0020]下面结合附图公布的详细描述旨在作为对各种配置的说明，以及并不旨在代表能够实践本文中所描述概念的唯一配置。出于提供对各种概念的透彻理解的目的，该详细描述包括具体细节。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在某些情况下，以框图形式显示公知的结构和组件以避免模糊这些概念。虽然在本申请中通过对一些示例的说明来描述各个方面和实施例，但是本领域技术人员将理解，另外的实施方式和使用案例可以出现在许多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于电磁辐射成像的设备，包括：一个或多个像素，每个像素包括在行方向上延伸的布置成一行的多个检测器单元；其中，所述行被配置为在所述行的一端的入射表面处接收光子，所接收的光子在所述行方向上穿透所述多个检测器单元；以及其中同一行的所述多个检测器单元被配置为生成基于所述光子对所述检测器单元的所述行的穿透而共同指示所述光子的能量分辨光谱轮廓的相应信号。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述能量分辨光谱轮廓的能量分辨率基于包括在所述同一行中的检测器单元的数量。3.根据权利要求1所述的设备，还包括处理器，所述处理器被配置为基于所述相应信号和不同波长的所述光子的强度的线性方程组将所述相应信号转换为所述能量分辨光谱轮廓。4.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个检测器单元中的每一个被配置为基于所述检测器单元距所述入射表面的距离、所述光子的光谱轮廓、所述光子的强度以及所述检测器单元的尺寸来生成对应的信号。5.根据权利要求1所述的设备，其中所述同一行的所述多个检测器单元制造于同一衬底上。6.根据权利要求5所述的设备，其中所述同一行的所述多个检测器单元在基本上垂直于所述入射表面的方向上堆叠。7.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个检测器单元中的每一个包括半导体材料，所述半导体材料从由硅、锗、硒化物、碲化镉、碲化镉锌和碲化汞组成的组中选择。8.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个检测器单元包括电荷耦合装置(CCD)传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器，其被配置为生成与所检测到的所述光子的能量成比例的信号。9.一种用于电磁辐射成像的方法，包括：在一个或多个像素处接收光子，每个像素包括在行方向上延伸的布置成一行的多个检测器单元，所述光子在所述行的一端的入射表面被接收并沿所述行方向穿透所述多个检测器单元；以及在所述多个检测器单元处生成相应信号，所述相应信号基于所述光子对检测器单元的所述行的穿透而共同指示所述光子的能量分辨光谱轮廓。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述能量分辨光谱...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔晓冬，杨春雷，
申请(专利权)人：香港大学，
类型：发明
国别省市：