CN108603942A - 能够管理电荷共用的x射线检测器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种适用于检测X射线的装置。在一个示例中，该装置包括：X射线吸收层(110)，其包括第一像素和第二像素；以及控制器(338)。该控制器(338)被配置成用于确定单个X射线光子产生的载流子被第一像素和第二像素收集。所述控制器(338)还被配置成用于基于第一像素检测到的第一电压和第二像素检测到的第二电压确定该单个X射线光子的能量。第一电压和第二电压由该单个X射线光子引起。

Description

能够管理电荷共用的X射线检测器
【技术领域】
本公开内容涉及X射线检测器，尤其涉及能够管理电荷共用的X射线检测器。
【背景技术】
X射线检测器可以是用于测量X射线的通量、空间分布、光谱或其他性质的设备。
X射线检测器可用于许多应用。一个重要的应用是成像。X射线成像是放射摄影技术，可以用于揭示组成不均匀和不透明物体(例如人体)的内部结构。另一个重要应用是元素分析。元素分析是就一些材料的元素组成来分析它的样本的过程。
早期的X射线检测器包括照相底片和照相胶片。照相底片可以是具有感光乳剂涂层的玻璃底片。
在20世纪80年代，出现了光激励萤光板(PSP板)。PSP板可包含在它的晶格中具有色心的萤光材料。在将PSP板暴露于X射线时，X射线激发的电子被困在色心中，直到这些电子受到在板表面上扫描的激光光束的激励。在激光扫描板时，被捕获的激发电子发出光，其被光电倍增管收集。收集的光转换成数字图像。
另一种X射线检测器是X射线图像增强器。在X射线图像增强器中，X射线首先撞击输入萤光体(例如，碘化铯)并且被转换成可见光。然后，可见光撞击光电阴极(例如，包含铯和锑复合物的薄金属层)并且促使电子发射。发射电子的数量与入射X射线的强度成比例。发射电子通过电子光学器件投射到输出萤光体上并且促使该输出萤光体产生可见光图像。
闪烁体的操作与X射线图像增强器有些类似之处在于，闪烁体(例如，碘化钠)吸收X射线并且发射可见光，然后，所发射的可见光可以被适用于可见光的图像感测器检测到。
半导体X射线检测器可以将X射线直接转换成电信号，从而提供比前代X射线检测器更好的性能。半导体X射线检测器可包括半导体层，其在感兴趣波长吸收X射线。当X射线光子被半导体层吸收时，会产生多个带电载流子(例如，电子和空穴)。如本文使用的，术语“带电载流子”、“电荷”和“载流子”可互换使用。半导体X射线检测器可具有多个像素，这些像素可以独立确定X射线的局部强度和X射线光子能。X射线光子产生的带电载流子可在进入像素的电场下被扫过。如果单个X射线光子产生的带电载流子被超过一个像素收集(“电荷共用”)，半导体X射线检测器的性能可受到负面影响。在确定X射线光子能量的应用(例如，元素分析)中，因为X射线光子的能量通过其产生的电荷量来确定，电荷共用对于准确的光子能量测量尤其成问题。
【发明内容】
本文公开的教导涉及用于X射线检测的方法、***和装置。更特定地，本教导涉及具备电荷共用管理的X射线检测的方法、***和装置。
在一个示例中，公开了一种适用于检测X射线的装置。该装置包括：X射线吸收层，该X射线吸收层包括第一像素和第二像素；和控制器。该控制器被配置成用于确定单个X射线光子产生的载流子被第一像素和第二像素收集。该控制器还被配置成用于基于第一像素检测到的第一电压和第二像素检测到的第二电压确定单个X射线光子的能量，其中该第一电压和第二电压由单个X射线光子引起。
根据实施例，控制器进一步被配置成用于获得第一电压的绝对值和第二电压的绝对值的总和。控制器进一步被配置成用于基于该总和确定单个X射线光子的能量。
根据实施例，第一像素与由第一电压充电的第一电容器关联；第二像素与由第二电压充电的第二电容器关联；并且通过串联连接第一电容器和第二电容器并且测量跨串联连接的电容器的电压来获得总和。
根据实施例，通过使第一电压的绝对值和第二电压的绝对值数值相加来获得总和。
根据实施例，装置包括计数器，该计数器被配置成用于记录X射线吸收层吸收的X射线光子的数目，其中如果总和等于或超过预定阈值，控制器被配置成用于促使计数器记录的数目增加一。
根据实施例，在第一电压的变化率和第二电压的变化率大致为零时确定单个X射线光子的能量。
根据实施例，如果第一电压和第二电压在相同时段开始改变，控制器被配置成用于确定单个X射线光子产生的载流子被第一像素和第二像素收集。
根据实施例，如果第一电压的绝对值和第二电压的绝对值在相同时段达到第一阈值，控制器被配置成用于确定单个X射线光子产生的载流子被第一像素和第二像素收集。
根据实施例，基于以下中的至少一种方式将X射线光子分配给第一像素和第二像素中的一个像素来形成图像：第一电压和第二电压的比较；以及两个像素的相对位置。
根据实施例，装置包括像素阵列。
本文公开了这样的***，该***包括上文描述的装置和X射线源。该***被构造成用于对人的胸部或腹部进行X射线放射摄影。
本文公开了这样的***，该***包括上文描述的装置和X射线源。该***被构造成用于对人的口腔进行X射线放射摄影。
本文公开了一种货物扫描或非侵入式检查(NII)***，该***包括上文描述的装置和X射线源。该货物扫描或非侵入式检查(NII)***被构造成用于基于背散射X射线来形成图像。
本文公开了一种货物扫描或非侵入式检查(NII)***，该***包括上文描述的装置和X射线源。该货物扫描或非侵入式检查(NII)***被构造成用于使用透射通过被检查物体的X射线来形成图像。
本文公开了全身扫描器***，该***包括上文描述的装置和X射线源。
本文公开了一种X射线电脑断层摄影(X射线CT)***，该***包括上文描述的装置和X射线源。
本文公开了一种电子显微镜，该电子显微镜包括上文描述的装置、电子源和电子光学***。
本文公开了这样的***，该***包括上文描述的装置。该***被构造成用于测量X射线源的剂量。
本文公开了这样的***，该***包括上文描述的装置。该***是X射线望远镜或X射线显微镜，或为被配置成进行***摄影、工业缺陷检测、显微放射摄影、铸件检查、焊缝检查或数字减影血管摄影的***。
在另一个示例中，公开了一种方法。该方法包括：确定单个X射线光子产生的载流子被第一像素和第二像素收集；从第一像素检测第一电压；从第二像素检测第二电压；以及基于第一电压和第二电压确定单个X射线光子的能量，其中第一电压和第二电压由单个X射线光子引起。
根据实施例，该方法进一步包括：获得第一电压的绝对值和第二电压的绝对值的总和，其中第一电压和第二电压由单个X射线光子引起；以及基于该总和确定单个X射线光子的能量。
根据实施例，第一像素与由第一电压充电的第一电容器关联；第二像素与由第二电压充电的第二电容器关联；并且通过串联连接第一电容器和第二电容器并且测量跨串联连接的电容器的电压来获得总和。
根据实施例，通过使第一电压的绝对值和第二电压的绝对值数值相加来获得总和。
根据实施例，该方法进一步包括如果总和等于或超过预定阈值，则使入射到包括第一像素和第二像素的X射线吸收层的X射线光子的计数增加一。
根据实施例，在第一电压的变化率和第二电压的变化率大致为零时确定单个X射线光子的能量。
根据实施例，如果第一电压和第二电压在相同时段开始改变，确定单个X射线光子产生的载流子被第一像素和第二像素收集。
根据实施例，如果第一电压的绝对值和第二电压的绝对值在相同时段达到第一阈值，确定单个X射线光子产生的载流子被第一像素和第二像素收集。
根据实施例，基于以下中的至少一种方式将X射线光子分配给第一像素和第二像素中的一个像素来形成图像：第一电压和第二电压的比较；以及两个像素的相对位置。
本文公开了适用于相衬X射线成像(PCI)的***，该***包括：上文描述的装置、第二X射线检测器和间隔物。装置和第二X射线检测器通过间隔物而隔开。
根据实施例，装置和第二X射线检测器被配置成同时分别捕获物体的图像。
根据实施例，第二X射线检测器等同于装置。
本文公开了适用于相衬X射线成像(PCI)的***，该***包括上文描述的装置。装置被配置成移到物体(其暴露于距该物体不同距离的入射X射线)并且捕获其图像。
另外的优势和新颖特征将部分地在接下来的描述中阐述，并且部分地将在检查下文和附图时对本领域技术人员变得明显或可通过产生或操作示例而获悉。本教导的优势可通过实践或使用在下文论述的详细示例中阐述的方法论、工具和组合的各种方面而实现和得到。
【附图说明】
图1A示意性地示出了根据实施例的检测器的横截面图；
图1B示意性地示出了根据实施例的检测器的详细横截面图；
图1C示意性地示出了根据实施例的检测器的备选的详细横截面图；
图2A示意性地示出了根据实施例的半导体X射线检测器的一部分的示范性俯视图；
图2B示出了根据实施例的半导体X射线检测器中的示范性像素阵列；
图3A示出了根据实施例的半导体X射线检测器的两个相邻电子***的部件图；
图3B示出了根据实施例的在出现电荷共用时半导体X射线检测器的两个相邻电子***的部件图，其中标记了开关位置；
图4A示意性地示出了根据实施例的在未出现电荷共用时流过暴露于X射线的X射线吸收层的二极管的电极或电阻器的电触点的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)，电流由入射到X射线吸收层的X射线光子产生的载流子引起；
图4B示意性地示出了根据实施例的在出现电荷共用时流过两个相邻电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。每个电极可以是暴露于X射线的X射线吸收层的二极管或电阻器的电触点。电流由入射到X射线吸收层的X射线光子产生的载流子引起；
图5A示意性地示出了根据实施例的在采用图4A中示出的方式操作的电子***中噪音(例如，暗电流)引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)；
图5B示意性地示出了根据实施例的在采用图4B中示出的方式操作的电子***中噪音(例如，暗电流)引起的流过两个相邻电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)；
图6示意性地示出了根据实施例的在出现电荷共用并且检测到的电压数值相加时流过暴露于X射线的X射线吸收层的两个相邻电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)，电流由入射到X射线吸收层的X射线光子产生的载流子引起。在本公开内容中，数值相加可以是电压的数值信号相加(即，在电压转换成数字信号后)。
图7示意性地示出了根据实施例在采用图6中示出的方式操作的电子***中流过两个相邻电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)，其中至少一个电流由噪音(例如，暗电流)引起；
图8A图示了根据实施例的将在多个像素处引起电荷共用的X射线光子分配给像素中的一个像素来形成图像的各种示例；
图8B示出了可以实现图8A的策略的电路的示例。
图9A示出了根据实施例的适用于基于***(例如图3A和图3B中的像素1的电子***121)检测X射线的方法的流程图；
图9B示出了根据实施例的适用于基于***(例如图3A和图3B中的像素2的电子***121)检测X射线的方法的流程图；
图9C示出了根据实施例的确定电荷共用的出现并且组合共用X射线光子在相邻像素上产生的电压的方法的流程图；
图10示意性地示出了根据实施例的适用于相衬X射线成像(PCI)的***；
图11示意性地示出了根据实施例的适用于相衬X射线成像(PCI)的***；
图12示意性地示出了根据实施例的适合于医学成像(例如胸部X射线放射摄影、腹部X射线放射摄影等)的***，其包括本文描述的半导体X射线检测器；
图13示意性地示出了根据实施例的适合于牙齿X射线放射摄影的***，其包括本文描述的半导体X射线检测器；
图14示意性地示出了根据实施例的货物扫描或非侵入式检查(NII)***，其包括本文描述的半导体X射线检测器；
图15示意性示出了根据实施例的另一个货物扫描或非侵入式检查(NII)***，其包括本文描述的半导体X射线检测器；
图16示意性地示出了根据实施例的全身扫描器***，其包括本文描述的半导体X射线检测器；
图17示意性地示出了根据实施例的X射线电脑断层摄影(X射线CT)***，其包括本文描述的半导体X射线检测器；
图18示意性地示出了根据实施例的电子显微镜，其包括本文描述的半导体X射线检测器；以及
图19示意性地示出了根据实施例的辐射剂量计；
图20示意性地示出了根据实施例的元素分析仪。
【具体实施方式】
在下文的详细描述中，通过示例阐述了许多具体细节以便提供对相关教导的全面理解。然而，本教导可在没有这样的细节的情况下实践，这对于本领域技术人员应是明显的。在其他实例中，以相对高的层级，在没有细节的情况下描述众所周知的方法、规程、部件和/或电路，以避免不必要地掩盖本教导的各个方面。
当X射线光子被具有像素阵列的X射线检测器的半导体层吸收时，产生多个带电载流子(例如，电子和空穴)并且它们可在朝向电路的电场下被扫过以用于测量这些带电载流子。载流子沿电场方向漂移并且在所有方向上扩散。载流子轨迹的包络可以是大致圆锥形的形状。如果包络坐落在X射线检测器的两个或以上像素的边界上，出现电荷共用(在本教导中使用的“电荷共用”意指从单个X射线光子产生的载流子被两个或以上像素收集)。因为X射线光子的能量通过它产生的电荷量来确定，电荷共用会导致不准确的X射线光子测量。
在本教导中，当确定相邻像素共用单个光子产生的电荷时，例如在这些像素上的电压稳定后，在像素处检测到的电压相加。在一个示例中，电压可通过使用可以串联连接的物理电容器而相加。在另一个示例中，相邻像素中的每个像素读取它自己的电压并且将这些电压数值相加。然后，电压的相加总和可以用于准确测量被相邻像素共用的光子的能量。
在X射线检测器被配置成用于感测图像时，基于相邻像素的相对位置和/或相邻像素的电压比较，光子可分配给相邻像素中的一个像素来形成图像。
图1A示意性地示出了根据实施例的半导体X射线检测器100。该半导体X射线检测器100可包括X射线吸收层110和电子层120(例如，ASIC)，该电子层120用于处理或分析入射X射线在X射线吸收层110中产生的电信号。在实施例中，半导体X射线检测器100不包括闪烁体。X射线吸收层110可包括半导体材料，例如矽、锗、砷化镓、碲化镉、碲锌镉或其组合。半导体对于感兴趣的X射线能量可具有高的品质衰减系数。
如在图1B中的检测器100的详细横截面图中示出的，根据实施例，X射线吸收层110可包括由第一掺杂区111，第二掺杂区113的一个或多个离散区114形成的一个或多个二极管(例如，p-i-n或p-n)。第二掺杂区113可通过本征区112(可选)而与第一掺杂区111分离。离散部分114通过第一掺杂区111或本征区112而彼此分离。第一掺杂区111和第二掺杂区113具有相反类型的掺杂(例如，区111是p型并且区113是n型，或区111是n型并且区113是p型)。在图1B的示例中，第二掺杂区113中的每个离散区114与第一掺杂区111和本征区112(可选)一起形成二极管。即，在图1B中的示例中，X射线吸收层110具有多个二极管，其具有第一掺杂区111作为共用电极。第一掺杂区111还可具有离散部分。
在X射线光子撞击X射线吸收层110(其包括二极管)时，X射线光子可被吸收并且通过许多机制产生一个或多个带电载流子。一个X射线光子可产生10至100000个带电载流子。带电载流子可在电场下向二极管中的一个电极漂移。该场可以是外部电场。电触点119B可包括离散部分，其中每个离散部分与离散区114电接触。在实施例中，单个X射线光子产生的带电载流子可以被两个不同的离散区114共用。
如在图1C中的检测器100的备选详细横截面图中示出的，根据实施例，X射线吸收层110可包括具有半导体材料(例如矽、锗、砷化镓、碲化镉、碲锌镉或其组合)的电阻器，但不包括二极管。半导体对于感兴趣的X射线能量可具有高的品质衰减系数。
在X射线光子撞击X射线吸收层110(其包括电阻器但不包括二极管)时，它可被吸收并且通过许多机制产生一个或多个带电载流子。一个X射线光子可产生10至10万个带电载流子。带电载流子可在电场下向电触点119A和119B漂移。该场可以是外部电场。电触点119B包括离散部分。在实施例中，单个X射线光子产生的带电载流子可以被两个不同的触点119B共用。
电子层120可包括电子***121，该电子***121适合于处理或解释入射到X射线吸收层110上的X射线光子产生的信号。电子***121可包括例如滤波网路、放大器、积分器和比较器等模拟电路或例如微处理器等数字电路和内存。电子***121可包括像素共用的部件或专用于单个像素的部件。例如，电子***121可包括专用于每个像素的放大器和在所有像素之间共用的微处理器。电子***121可通过通孔131电连接到像素。通孔之间的空间可用填充材料130填充，其可使电子层120到X射线吸收层110的连接的机械稳定性增加。在不使用通孔的情况下使电子***121连接到像素的其他接合技术是可能的。
图2A示出具有4×4阵列的离散区114的设备100的一部分的示范性俯视图。在这些离散区114中的一个离散区的足迹周围入射的X射线光子产生的带电载流子基本上未与这些离散区114中的另一个离散区共用。围绕离散区114的区域210叫作与该离散区114关联的像素，由其中入射的X射线光子产生的带电载流子基本上全部(超过95％，超过98％的或超过99％)流向离散区114。即，在X射线光子在像素内部撞击时，这些带电载流子中不到5％，不到2％或不到1％的带电载流子流到像素外。像素可采用任何适合的阵列来组织，例如方形阵列、三角形阵列和蜂窝状阵列。像素可具有任何适合的形状，例如圆形、三角形、方形、矩形和六角形。像素可以是独立可定址的。
相似地，当图2A中的4×4阵列指示图1B中的电触点119B的离散部分的阵列时，在电触点119B的这些离散部分中的一个离散部分的足迹周围入射的X射线光子产生的带电载流子基本上未与电触点119B的这些离散部分中的另一个离散部分共用。围绕电触点119B的离散部分的区域叫作与电触点119B的离散部分关联的像素，其中由其中入射的X射线光子产生的带电载流子基本上全部(超过95％，超过98％或超过99％)流向电触点119B的离散部分。即，在X射线光子在像素内部撞击时，这些带电载流子中不到5％、不到2％或不到1％的带电载流子流到与电触点119B的一个离散部分关联的像素外。像素可采用任何适合的阵列来组织，例如方形阵列、三角形阵列和蜂窝状阵列。像素可具有任何适合的形状，例如圆形、三角形、方形、矩形和六角形。像素可以是独立可定址的。
如在图2A中示出的，与两个相邻离散区114关联的两个像素210(例如，210-1和210-2)可以叫作两个相邻像素(在本教导中使用的“相邻像素”意指这样的像素，其彼此接近以使由单个光子产生的载流子可被这些像素共用)。
图2B示出了根据实施例在半导体X射线检测器中的示范性像素阵列。当X射线光子撞击阵列时，它可被吸收并且导致产生多个带电载流子。这些载流子可在各种方向上移动，例如沿电场方向漂移以及在所有方向上扩散。在图2B中，每个圆(例如220，230)代表光子产生的带电载流子的传输区域的足迹(在本教导中使用的“传输区域”意指光子产生的载流子传输进入的空间)。
如在图2B中示出的，传输区域可坐落在像素内部(例如传输区域220)，或在相邻像素的边界上(例如传输区域230)。
如上文论述的，当传输区域坐落在两个或以上相邻像素的边界上时，出现可引起能量测量问题的电荷共用。电荷共用还可引起光子数目计数错误。在实施例中，X射线检测器中的电子***121仍可以准确测量X射线光子的能量，即使对X射线光子产生的载流子出现电荷共用也如此。
根据实施例，两个相邻像素不必共用边界，但可以彼此接近以使由单个光子产生的载流子可被两个像素共用。即，电荷共用可在相邻像素上出现，即使相邻像素没有共用的边界也如此。
像素的尺寸可以通过设计，基于制造工艺来确定。如在图2B中示出的，当对应光子围绕像素中心撞击时，每个像素的尺寸设计成相同并且足以覆盖传输区域。如果像素的尺寸太小，例如比传输区域小，则会一直发生电荷共用。另一方面，如果像素的尺寸太大，多个光子很可能同时撞击像素，这会对准确的X射线检测和图像产生造成困难。
图3A示出根据实施例的半导体X射线检测器的两个相邻像素中的两个电子***121的部件图。在该示例中，图3A中的像素1和像素2是半导体X射线检测器的两个相邻像素。如在图3A中示出的，像素1的电子***121被配置成用于处理来自像素1中的二极管310的电极的信号；并且像素2的电子***121被配置成用于处理来自像素2中的二极管320的电极的信号。
在该示例中，像素1的电子***121可包括电容器模块319、一个或多个采样电容器316、多个控制开关318和数据处理模块330。如在图3A中示出的，电容器模块319电连接到二极管310的电极或电触点。电容器模块319被配置成从电极收集带电载流子。电容器模块319可以包括放大器的反馈电路中的电容器。如此配置的放大器叫作电容跨阻放大器(CTIA)。CTIA通过防止放大器饱和而具有高的动态范围并且通过限制信号路径中的带宽来提高信噪比。来自电极的带电载流子在一段时间(“整合期”)(例如如在图4A中示出的，在t0与t1之间或在t1与t2之间)内可在电容器上累积。在整合期终止后，对电容器电压采样，然后由重置开关315将其重置。电容器模块319可以包括直接连接到电极的电容器。
在未出现电荷共用时，多个控制开关318闭合以使来自前端(二极管和放大器)的电压对一个或多个采样电容器316中的每个采样电容器充电。
像素2的电子***121可包括与像素1的电子***121相同的结构。如在图3A中示出的，像素2的电子***121可包括电容器模块329、一个或多个采样电容器326、多个控制开关328和数据处理模块330。电容器模块329电连接到二极管320的电极或电触点。与电容器模块319相似，电容器模块329被配置成从电极收集带电载流子。电容器模块329可以包括CTIA的反馈电路中的电容器。来自电极的带电载流子在一段时间(“整合期”)(例如如在图4A中示出的，在t0与t1之间或在t1与t2之间)内可在电容器上累积。在整合期终止后，对电容器电压采样，然后由重置开关325将其重置。电容器模块329可以包括直接连接到电极的电容器。
在未出现电荷共用时，多个控制开关328和一个或多个采样电容器326可分别采用与多个控制开关318和一个或多个采样电容器316相同的方式工作。在多个控制开关328闭合时，以来自前端(二极管和放大器)的电压对一个或多个采样电容器316中的每个采样电容器充电。
图3A中的两个电子***121都可包括数据处理模块330，其可包括用于解释和处理来自电子***121上游的信号的下游电路。
根据实施例，数据处理模块330包括第一电压比较器331、第二电压比较器332、计数器338、电压计334和控制器336。
第一电压比较器331被配置成将电压(例如，电极或二极管310或320的电压)与第一阈值比较。二极管可以是由第一掺杂区111、第二掺杂区113中的一个离散区114以及本征区112(可选)形成的二极管。备选地，第一电压比较器331被配置成将电触点(例如，电触点119B的离散部分)的电压与第一阈值比较。第一电压比较器331可被配置成直接监测电压，或通过对在一段时间内流过二极管或电触点的电流进行积分来计算电压。第一电压比较器331可由控制器336可控地启动或停用。第一电压比较器331可以是连续比较器。即，第一电压比较器331可被配置成被连续启动，并且连续监测电压。被配置为连续比较器的第一电压比较器331使***121错过由入射X射线光子产生的信号的机会减少。被配置为连续比较器的第一电压比较器331在入射X射线强度相对高时尤其适合。第一电压比较器331可以是钟控比较器，其具有较低功耗的益处。被配置为钟控比较器的第一电压比较器331可导致***121错过由一些入射X射线光子产生的信号。在入射X射线强度低时，错过入射X射线光子的机会因为两个连续光子之间的时间间隔相对长而较低。因此，被配置为钟控比较器的第一电压比较器331在入射X射线强度相对低时尤其适合。第一阈值可以是一个入射X射线光子可在二极管或电阻器中产生的最大电压的5-10％、10％-20％、20-30％、30-40％或40-50％。最大电压可取决于入射X射线光子的能量(即，入射X射线的波长)、X射线吸收层110的材料和其他因素。例如，第一阈值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。
第二电压比较器332被配置成将电压(例如，电极或二极管310或320的电压)与第二阈值比较。第二电压比较器332可被配置成直接监测电压，或通过对一段时间内流过二极管或电触点的电流进行积分来计算电压。第二电压比较器332可以是连续比较器。第二电压比较器332可由控制器336可控地启动或停用。在停用第二电压比较器332时，第二电压比较器332的功耗可以是启动第二电压比较器332时的功耗的不到1％、不到5％、不到10％或不到20％。第二阈值的绝对值大于第一阈值的绝对值。如本文使用的，术语实数X的“绝对值”或“模数”|x|是X的非负值而不考虑它的符号。即，第二阈值可以是第一阈值的200％-300％。第二阈值可以是一个入射X射线光子可在二极管或电阻器中产生的最大电压的至少50％。例如，第二阈值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二电压比较器332和第一电压较器331可以是相同部件。即，***121可具有一个电压比较器，其可以在不同时间将电压与两个不同阈值比较。
第一电压比较器331或第二电压比较器332可包括一个或多个运算放大器或任何其他适合的电路。第一电压比较器331或第二电压比较器332可具有高的速度以允许***121在高的入射X射线通量下运行。
计数器338被配置成记录到达对应的二极管或电阻器的X射线光子的数目。计数器338可以是软件部件(例如，电脑存储器中存储的数目)或硬件部件(例如，4017IC和7490IC)。
控制器336可以是例如微控制器和微处理器等硬件部件。控制器336可被配置成在第一电压比较器331确定电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值(例如，电压的绝对值从第一阈值的绝对阈值以下增加到等于或超过第一阈值的绝对值的值)时启动时间延迟。在这里使用绝对值，是因为电压可以是负的或正的，其取决于是使用二极管的阴极还是阳极的电压或使用哪个电触点。控制器336可被配置成在第一电压比较器331确定电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值的时间之前，保持停用第二电压比较器332、计数器338和第一电压比较器331的运行不需要的任何其他电路。时间延迟可在电压变稳定(即，电压的变化率大致为零)之前或之后终止。短语“电压的变化率大致为零”意指电压的时间变化小于0.1％/ns。短语“电压的变化率大致为非零”意指电压的时间变化是至少0.1％/ns。
控制器336可被配置成在时间延迟期间(其包括开始和终止)启动第二电压比较器。在实施例中，控制器336被配置成在时间延迟开始时启动第二电压比较器。术语“启动”意指促使部件进入运行状态(例如，通过发送例如电压脉冲或逻辑电平等信号，通过提供电力等)。术语“停用”意指促使部件进入非运行状态(例如，通过发送例如电压脉冲或逻辑电平等信号，通过切断电力等)。运行状态可具有比非运行状态更高的功耗(例如，高10倍、高100倍、高1000倍)。控制器336本身可被停用直到在电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值时第一电压比较器331的输出才启动控制器336。
如果在时间延迟期间，第二电压比较器332确定电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值，控制器336可被配置成促使计数器338记录的数目增加一。
控制器336可被配置成促使电压计334在时间延迟终止时测量电压。控制器336可被配置成使电极连接到电接地，以便重置电压并且使电极上累积的任何载流子放电。在实施例中，电极在时间延迟终止后连接到电接地。在实施例中，电极在限定的复位时期内连接到电接地。控制器336可通过控制重置开关315或325将电极连接到电接地。该开关可以是晶体管，例如场效应晶体管(FET)。
在实施例中，***121没有模拟滤波器网路(例如，RC网路)。在实施例中，***121没有模拟电路。
电压计334可将它测量的电压作为模拟或数字信号反馈给控制器336。
当在像素1和像素2上未出现电荷共用时，两个电子***121可独立运行并且处理从它们的二极管(310或320)的相应对应电极产生的信号。当在像素1和像素2上未出现电荷共用时，多个控制开关318闭合以使来自前端(二极管和放大器)的电压反映在采样电容器上并且被数据处理模块330测量。相同电压也可通过数据处理模块330与阈值比较(例如，使用第一电压比较器331和/或第二电压比较器332)。
在未出现电荷共用时，在电压的变化率大致变成零后，电压与X射线光子产生的载流子数量成比例，该数量与X射线光子的能量有关。然而，当在像素1和像素2上出现电荷共用时，由图3A中的两个电子***121中的任一个电子***测量到的电压不足以估计X射线光子产生的载流子的数量。因此，在出现电荷共用时，需要某一方法来估计X射线光子的能量。在一实施例中，可存在连接像素1和像素2的两个电子***121的公共开关340。该公共开关340可用于使来自两个像素的采样电容器316和326串联。公共开关340的详细使用将于图3B中描述。
图3B示出根据实施例的半导体X射线检测器的两个相邻电子***的部件图，其中标记了开关位置。与图3A相似，图3B中的像素1和像素2是半导体X射线检测器的两个相邻像素。图3B中的像素1和像素2的电子***121分别具有与图3A中的像素1和像素2的电子***121相同的结构。另外，图3B中的开关位置根据电子***121的不同运行阶段来标记，这将在下文详细描述。
在该示例中，单个X射线光子可撞击两个相邻像素上的共同边界或两个相邻像素之间的区域，并且从而导致产生带电载流子并且将其传输到两个像素内。在该情况下，二极管310和320中的每个二极管可具有一部分带电载流子所引起的电压增加。
在该示例中，两个电子***121在不同阶段下运行：阶段1(Φ1)、阶段2(Φ2)和阶段3(Φ3)。用Φ1标记的开关仅在阶段1期间闭合。用Φ2标记的开关仅在阶段2期间闭合。用Φ3标记的开关仅在阶段3期间闭合。用Φ1,2标记的开关在阶段1和阶段2期间闭合。用Φ1，3标记的开关在阶段1和阶段3期间闭合。
两个像素准备检测光子时处于阶段1，其中除公共开关340以外的所有开关闭合。两个电子***121可通过彼此直接通信或通过控制X射线检测器的所有像素的中央控制器而合作。基于它们的合作，例如在它们看到载流子同时或在相同时段改变二极管310和320的电压时，两个***121可以确定在两个像素上出现电荷共用。因为两个像素在阶段1中(其中除公共开关340以外的所有开关闭合)，来自前端(二极管和放大器)的电压反映在这两个电子***121中的每个电子***中的采样电容器上。
因为这两个像素中的一个像素所测量的电压只可以代表X射线光子的一部分能量，可将两个电压相加在一起来估计该光子的能量。然后，两个电子***121进入阶段2来进行使两个电压相加。
根据实施例，在阶段2中，用Φ2和Φ1,2标记的开关闭合，而其他开关断开。如在图3B中示出的，像素1中的采样电容器和像素2中的采样电容器在阶段2中串联连接，使得横跨这两个串联连接电容器的电压等于相同X射线光子所激发的两个二极管的两个电压总和。这两个采样电容器中的一个采样电容器的正极连接到另一采样电容器的负极，从而将它们相应的电压相加在一起，即，横跨两个串联连接的电容器的电压的绝对值等于相同X射线光子所激发的两个二极管的两个电压的绝对值总和。
在阶段2期间，这两个像素中的一个像素(例如像素1)中的数据处理模块330可以测量该总和的绝对值并且将它与阈值比较，如果总和的绝对值等于或超过阈值则确定吸收到的光子的数目增加一。光子的能量也可以基于电压总和来测量。在超过两个像素上出现电荷共用的情况下，超过两个采样电容器(每个采样电容器来自一个像素)可以串联连接来获得用于测量X射线光子的能量的总和电压。
根据另一个实施例，在阶段2中，代替连接采样电容器，两个数据处理模块330可彼此通信以使相同X射线光子所激发的两个二极管的两个电压数值相加。两个像素之间的通信可以经由中央控制器、总线或任何其他适合的通信方式。在该情况下，在任一个像素中都不需要采样电容器；并且也不需要公共开关340。
在测量能量后，两个像素可进入阶段3，其中用Φ1,3标记的开关闭合，并且其他开关断开。在阶段3期间，电容器电压由重置开关315或325重置。根据实施例，两个像素可同时或在不同时间重置它们的电压。因此，两个像素可同时或在不同时间进入阶段3。
在阶段3后，两个像素可再次进入阶段1，从而，它们做好测量下一个入射光子的准备。
图4A示意性地示出了根据实施例的在未出现电荷共用时流过暴露于X射线的X射线吸收层的二极管的电极或电阻器的电触点的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)，电流由入射到X射线吸收层的X射线光子产生的载流子引起。当在两个像素上未出现电荷共用时，电极可以是如在图3A和图3B中示出的二极管310或320。
电极的电压可以是电流对时间的积分。如上文论述的，像素准备检测X射线光子时处于阶段1中。在阶段1期间，在时间t0，X射线光子撞击二极管或电阻器，载流子开始在二极管或电阻器中产生，电流开始流过二极管的电极或电阻器，并且电极或电触点的电压的绝对值开始增加。在时间t1，第一电压比较器331确定电压的绝对值等于或超过第一阈值V1的绝对值，并且控制器336启动时间延迟TD1并且控制器336可在TD1开始时停用第一电压比较器331。如果控制器336在t1之前被停用，在t1启动控制器336。在TD1期间，控制器336启动第二电压比较器332。如这里使用的术语在时间延迟“期间”意指开始和终止(即，结束)及其之间的任何时间。例如，控制器336可在TD1终止时启动第二电压比较器332。如果在TD1期间，第二电压比较器332确定在时间t2电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值，控制器336促使计数器338记录的数目增加一。在时间te，X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110。在时间ts，时间延迟TD1终止。在图4A的示例中，时间ts在时间te后；即TD1在X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110之后终止。从而电压的变化率在ts时刻大致为零。控制器336可被配置成在TD1终止时或在t2时刻或中间的任何时间停用第二电压比较器332。
控制器336可被配置成促使电压计334在时间延迟TD1终止时测量电压。在实施例中，在电压的变化率在时间延迟TD1终止后大致变成零之后，控制器336促使电压计334测量电压。当未出现电荷共用时，该时刻的电压与X射线光子产生的载流子的数量成比例，该数量与X射线光子的能量有关。控制器336可被配置成基于电压计334测量的电压确定X射线光子的能量。确定能量的一个方式是通过使电压装仓。计数器338对于每个仓可具有子计数器。在控制器336确定X射线光子的能量落在仓中时，控制器336可促使该仓的子计数器中记录的数目增加一。因此，***121能够检测X射线图像并且能够分辨每个X射线光子的X射线光子能量。
在TD1终止后，控制器336在复位期RST将电极连接到电接地以允许电极上累积的载流子流到地面并且使电压重置。在TD1终止后并且在重置期RST之前，像素可结束阶段1并且进入阶段3。由于在该示例中没有电荷共用，像素不需要使电压相加的阶段2。
在RST之后，***121再次进入阶段1并且准备检测另一个入射X射线光子。暗含地，在图4A的示例中的***121可以应对的入射X射线光子的速率受限于1/(TD1+RST)。如果第一电压比较器331被停用，控制器336可以在RST终止之前的任何时间启动它。如果控制器336被停用，可在RST终止之前启用它。
图4B示意性地示出了根据实施例的在出现电荷共用时流过两个相邻电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。每个电极可以是暴露于X射线的X射线吸收层的二极管或电阻器的电触点。电流由入射到X射线吸收层的X射线光子产生的载流子引起。当在两个像素上出现电荷共用时，两个电极可以是如在图3A和图3B中示出的二极管310和320。
每个电极的电压可以是对应电流对时间的积分。如上文论述的，两个像素(像素1和像素2)准备检测X射线光子时处于阶段1。在阶段1期间，在时间t0，X射线光子撞击在两个相邻像素(其包括两个二极管310和320或两个电阻器)的边界附近或其之间的区域，载流子开始在二极管或电阻器中产生，电流开始流过二极管的电极或电阻器，并且每个电极或电触点的电压的绝对值开始增加。然后，两个像素确定在两个像素处出现电荷共用。
根据实施例，如果这两个电压的绝对值开始增加的时间点相差小于指定量(例如，10μs、1μs、100ns或10ns)，认为在这两个像素之间出现电荷共用。
如在图4B中示出的，由于传输进入两个像素的载流子的数量可能不同，两个像素可具有不同的电压和/或电流增加率。因此，在阶段1期间，两个电压可在不同时间达到第一阈值V1。在一个实施例中，两个电压中的一个在阶段1期间未达到第一阈值V1。在一个实施例中，两个电压中的至少一个在阶段1期间达到第二阈值V2。
在另一个实施例中，两个像素独立确定光子是否撞击它们。如果一个像素上的电压达到V1，确定该像素上的电压是否在一定延迟内超过V2。如果两个像素上的电压大概同时(即，在指定时间差内)超过V2，认为在这两个像素之间出现电荷共用。
在另一个实施例中，两个像素独立确定光子是否撞击它们。如果像素的电压大概同时(即，在指定时间差内)达到V1，并且至少一个像素的电压在一定延迟内达到V2，认为在这两个像素之间出现电荷共用。
在实施例中，V2可以设置为对应于入射X射线光子的能量的1/2至1/4的值。
在实施例中，当像素的电压视具体情况开始上升或达到V1或达到V2时，像素可设置指示该事实的指示符。逻辑电路可基于该时间差确定相邻像素的指示符之间的时间差并且确定是否出现电荷共用以及在哪些像素之间出现电荷共用。
在实施例中，当像素的电压超过V2并且任意相邻像素的电压到该时间为止已经达到V1时，可以认为已经出现电荷共用。
如上文论述的，当在两个像素处出现电荷共用时，在两个像素中的一个像素处测量的电压无法代表X射线光子的能量。因此，如果确定在两个像素处出现电荷共用，在电压稳定后在这些像素上测量的电压之和可用于推算X射线光子的能量。当电压的变化率在持续一定时间(例如1ms或0.1ms)内大致为零(例如，变化率小于1％/ns)时，像素处的电压稳定。对于共用单个光子产生的电荷的两个像素，它们的电压可以大概同时稳定。
阶段1可在两个像素处的电压稳定时或稳定后结束。在图4B的示例中，在时间te，X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110。如此，每个像素处的电压的变化率可在te后大致为零。在这里，在te后的时间ts，阶段1结束并且两个像素进入阶段2。
在阶段2期间，在像素2处检测的电压通过电容器串联连接或通过数值相加而加到在像素1处检测的电压。如果在阶段2期间，像素1的第二电压比较器332确定相加电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值，像素1的控制器336促使像素1的计数器338记录的数目增加一。
像素1的控制器336可被配置成促使像素1的电压计334在阶段2期间测量相加电压。在实施例中，像素1的控制器336促使像素1的电压计334在阶段2期间电压的变化率大致变成零后测量相加电压。当在像素1和像素2处出现X射线光子引起的电荷共用时，该时刻的相加电压与X射线光子产生的载流子的数量成比例，该数量与X射线光子的能量相关。像素1的控制器336可被配置成基于像素1的电压计334测量的电压来确定X射线光子的能量。确定能量的一个方式是通过使电压装仓。像素1的计数器338对于每个仓可具有子计数器。在像素1的控制器336确定X射线光子的能量落在仓中时，像素1的控制器336可促使该仓的子计数器中记录的数目增加一。因此，即使出现电荷共用，***121也能够检测X射线图像并且能够分辨每个X射线光子的能量。
在获得相加电压后，两个像素可结束阶段2并且进入阶段3。在阶段3期间，每个控制器336在复位期RST将电极连接到电接地以允许电极上累积的载流子流到地面并且使电压重置。
在RST之后，每个***121再次进入阶段1并且准备检测另一个入射X射线光子。
图5A示意性地示出了根据实施例的在采用图4A中示出的方式运行的电子***中噪音(例如，暗电流)引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。电极可以是如在图3A和图3B中示出的二极管310或320。在阶段1期间，在时间t0，噪音开始。如果噪音未大到足以促使电压的绝对值超过V1的绝对值，控制器336未启动第二电压比较器332。如果在时间t1噪音大到足以促使电压的绝对值超过如由第一电压比较器331确定的V1的绝对值，控制器336启动时间延迟TD1并且控制器336可在TD1开始时停用第一电压比较器331。在TD1期间(例如，在TD1终止时)，控制器336启动第二电压比较器332。在TD1期间，噪音不太可能大到足以促使电压的绝对值超过V2的绝对值。因此，控制器336未促使计数器338记录的数目增加。在时间te，噪音结束。在时间ts，时间延迟TD1终止。控制器336可被配置成在TD1终止时停用第二电压比较器332。如果在TD1期间电压的绝对值未超过V2的绝对值，控制器336可未被配置成促使电压计334测量电压。
在TD1终止后，像素因为它未确定出现电荷共用而结束阶段1并且进入阶段3。在阶段3期间，控制器336在复位期RST使电极连接到电接地以允许电极上由于噪音而累积的载流子流到地面并且使电压重置。因此，***121在噪音抑制方面可非常有效。
图5B示意性地示出了根据实施例的在采用图4B中示出的方式运行的电子***中噪音(例如，暗电流)引起的流过两个相邻电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。在该示例中，在阶段1期间，噪音在相同时间t0或在相同时段内在两个相邻像素(像素1和像素2)处开始。从而，两个像素如在图4B的过程中那样合作。
如上文论述的，阶段1可在两个像素处的电压的变化率大致为零后结束。在图5B的示例中，在时间te，噪音结束。如此，每个像素处的电压变化率可在te后大致为零。在这里，在te后的时间ts，阶段1结束并且两个像素进入阶段2。
在阶段2期间，在像素2处检测的电压通过电容器串联连接或通过数值相加而加到在像素1处检测的电压。在该示例中，像素1的控制器336在像素1确定出现电荷共用后、在两个像素的电压稳定后或在阶段2开始后启动第二电压比较器332。噪音不太可能大到足以促使相加电压的绝对值超过V2的绝对值，其中在两个相邻像素处同时具有两个噪音的概率已经非常低。因此，像素1的控制器336未促使像素1的计数器338记录的数目增加。每个控制器336可被配置成在阶段2结束时停用第二电压比较器332。如果在阶段2期间电压(或相加电压)的绝对值未超过V2的绝对值，每个控制器336可被配置成不促使电压计334测量电压。
在获得相加电压后，两个像素可结束阶段2并且进入阶段3。在阶段3期间，每个控制器336在复位期RST将电极连接到电接地以允许电极上由于噪音而累积的载流子流到地面并且使电压重置。因此，***121在抑制噪音方面非常有效，即使为了潜在电荷共用管理而启动电压相加也如此。
根据另一个实施例，在两个像素处是否出现电荷共用可使用电压的绝对值等于或超过第一阈值V1的绝对值的时间来确定。如果两个电压的绝对值在相同时段(例如，10μs、1μs、100ns或10ns)内达到第一阈值，可认为在两个像素处出现电荷共用。该决策策略在光子在指定像素内部撞击时可有助于抑制相邻像素处的并发噪音。
图6示意性地示出了根据实施例的在出现电荷共用并且所检测的电压数值相加时流过暴露于X射线的X射线吸收层的两个相邻电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)，电流由X射线吸收层上入射的X射线光子产生的载流子引起。当在两个像素上出现电荷共用时，两个二极管可以是图3A和图3B中示出的二极管310和320。
每个电极的电压可以是对应电流关于时间的积分。如上文描述地，当两个像素(像素1和像素2)准备检测X射线光子时处于阶段1。在阶段1期间，在时间t0，X射线光子撞击在两个相邻像素(其包括两个二极管310和320或两个电阻器)的边界附近或其之间的区域中，载流子开始在二极管或电阻器中产生，电流开始流过二极管的电极或电阻器，并且电极或电触点的两个电压中的每个的绝对值开始增加。然后，两个像素确定在两个像素处出现电荷共用。
根据实施例，两个电压的绝对值在两个不同时间(例如，在相同时段内的t01和t02)开始增加。例如，相同时段可以是10μs、1μs、100ns或10ns。如果是这样的话，两个像素确定在两个像素处出现电荷共用。
如图6所示，由于传输进入两个像素的载流子的数量可能不同，两个像素可具有不同的电压和/或电流增加率。因此，在阶段1期间，两个电压可在不同时间达到第一阈值V1。
如上文描述地，如果在两个像素处出现电荷共用，在电压稳定后在这些像素上测量到的电压总和可用于得到X射线光子的能量。
阶段1可在两个像素处的电压稳定时或稳定后结束。在图6的示例中，在时间te，X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110。如此，每个像素处的电压的变化率可在te后大致为零。在这里，在te后的时间th，阶段1结束。
在该示例中，在像素2处检测到的电压例如经由中央控制器或总线而加到在像素1处检测到的电压。中央控制器或总线可独立于开关318、328、340运行。如此，阶段2可以是非常短的时段或在电压稳定后可以是与阶段3和/或阶段1重叠的时段。如果在阶段2期间，像素1的第二电压比较器332确定相加电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值，像素1的控制器336促使像素1的计数器338记录的数目增加一。
在获得相加电压后，两个像素可结束阶段2并且进入阶段3。在实施例中，两个像素可在阶段1后直接进入阶段3，其中阶段2包括其中进行的数值电压相加并且在电压稳定后与阶段3和/或阶段1具有重叠。
在阶段3期间，每个控制器336在复位期RST将电极连接到电接地以允许电极上累积的载流子流到地面并且使电压重置。
在RST之后，每个***121再次进入阶段1并且准备检测另一个入射X射线光子。如果第一电压比较器331被停用，控制器336可以在RST终止之前的任何时间启动它。如果控制器336被停用，可在RST终止之前启动它。
图7示意性地示出了根据实施例的在采用图6中示出的方式运行的电子***中由噪音(例如，暗电流)引起的流过两个相邻电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。
在该示例中，在阶段1期间，噪音在相同时间t0或在相同时段内在两个相邻像素(像素1和像素2)处开始。从而，两个像素如在图6的过程中那样合作。
如上文描述地，阶段1可在两个像素处的电压稳定时或稳定后结束。在图7的示例中，在时间te，噪音结束。如此，每个像素处的电压的变化率可在te后大致为零。在这里，在te后的时间th，阶段1结束。
在该示例中，在像素2处检测到的电压例如经由中央控制器或总线而加到在像素1处检测到的电压。中央控制器或总线可独立于开关318、328、340运行。如此，阶段2可以是非常短的时段或在电压稳定后可以是与阶段3和/或阶段1重叠的时段。噪音不太可能大到足以促使相加电压的绝对值超过V2的绝对值，在两个相邻像素处同时具有两个噪音的概率已经非常低。因此，像素1的控制器336未促使像素1的计数器338记录的数目增加。如果在阶段2期间电压(或相加电压)的绝对值未超过V2的绝对值，每个控制器336可被配置成不促使电压计334测量电压。
在获得相加电压后，两个像素可结束阶段2并且进入阶段3。在实施例中，两个像素可在阶段1后直接进入阶段3，其中阶段2包括其中进行的数值电压相加并且在电压稳定后与阶段3和/或阶段1具有重叠。
在阶段3期间，每个控制器336在复位期RST将电极连接到电接地以允许电极上由于噪音而累积的载流子流到地面并且使电压重置。因此，电子***121在抑制噪音方面可非常有效，即使为了潜在电荷共用管理而启动电压相加并且该电压相加以数值表示也如此。
图8A图示了根据实施例的将在多个像素处引起电荷共用的X射线光子分配给其中一个像素形成图像或测量X射线光子的能量的各种示例。如上文描述地，在两个或以上相邻像素处出现X射线光子引起的电荷共用时，可在相邻像素中的一个选定像素处进行电压相加，并且可将X射线光子分配给选定像素或由选定像素测量X射线光子的能量。在一个实施例中，可基于与用于选择像素来进行电压相加的策略不同的策略将X射线光子分配给像素。对于非成像应用，将光子分配给哪个像素无关紧要。
图8A图示选择相邻像素中的一个像素以用于进行电压相加或用于分配X射线光子的策略。如图8A所示，当传输区域810坐落于跨四个相邻像素的位置处时，选择左上像素815。当传输区域820坐落在垂直相邻的两个相邻像素的边界上时，选择上像素825。当传输区域830坐落在水平相邻的两个相邻像素的边界上时，选择左像素835。当传输区域840坐落于跨三个像素(左下、右下和右上)的位置处时(如图8A所示)，选择左下像素845。如此，图8A中示出的策略偏好左像素胜于右像素、偏好上像素胜于下像素并且偏好左下像素元胜于右上像素。根据实施例，选择相邻像素中的一个像素的不同策略可基于相邻像素的相对位置的不同偏好。根据实施例，选择相邻像素中的一个像素的不同策略可基于相邻像素上的电压稳定后在这些像素处检测的电压的绝对值的比较。例如，可选择具有检测的电极电压的最高绝对值的像素。
图8B示出可以实现图8A的策略的电路的示例。
图9A示出根据实施例的适用于基于***(例如图3A和图3B中的像素1的电子***121)检测X射线的方法的流程图。在902处，确定电极电压开始增加所在的时间t0。电极可以是暴露于X射线的二极管或电阻器的电触点。在904处，将该时间t0与相邻像素的时间t0比较。在905处，确定是否出现电荷共用，例如通过确定像素1的时间t0和相邻像素的时间t0是否在相同时段(例如10μs、1μs、100ns或10ns)内。如果出现电荷共用，过程移到910。否则，如果未出现电荷共用，过程移到906。
在906处，例如使用第一电压比较器331将暴露于X射线的二极管的电极或电阻器的电触点的电压的绝对值与第一阈值V1比较。在907处，如果电压的绝对值不等于或不超过第一阈值的绝对值，过程回到步骤906。如果在907处电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值，例如在一定时间延迟后或电压稳定后，过程继续到步骤908。在908处，例如使用第二电压比较器332将电压的绝对值与第二阈值比较。然后，过程移到913。
在910处，确定像素1和相邻像素处的电压稳定，例如通过确定每个像素处的电压变化率在一段时间(例如1ms或0.1ms)内大致为零。在912处，获取像素1和相邻像素处的电压的绝对值的总和。在914处，例如使用第二电压比较器332将总和电压的绝对值与第二阈值比较。然后，过程移到915。
在915处，如果电压的绝对值或电压的总和不等于或不超过第二阈值的绝对值，过程前往步骤920。如果电压的绝对值或电压的总和等于或超过第二阈值的绝对值，过程继续到步骤916。在916处，例如使用控制器336来促使计数器338中记录的数目增加一。在918处，例如使用控制器336基于电压或总和电压确定X射线光子能量。每个能量仓中可有一个计数器。在测量X射线光子能量后，光子能量所属的仓的计数器可以增加一。方法在步骤918后前往步骤920。在920处，例如通过使二极管的电极或电阻器的电触点连接到电接地，使电压重置为电接地。在920后，过程可回到902。
图9B示出根据实施例的适合于基于***(例如图3A和图3B中的像素2的电子***121)检测X射线的方法的流程图。在1002处，例如使用第一电压比较器331将暴露于X射线的二极管的电极或电阻器的电触点的电压的绝对值与第一阈值V1比较。在1003处，如果电压的绝对值不等于或不超过第一阈值的绝对值，过程回到步骤1002。如果在1003处电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值，过程继续到步骤1004。
在1004处，确定电极的电压达到第一阈值V1时的时间t1。在1006处，将该时间t1与相邻像素的时间t1比较。在1007处，确定是否出现电荷共用，例如通过确定像素2的时间t1和相邻像素的时间t1是否在相同时段(例如10μs、1μs、100ns或10ns)内。如果出现电荷共用，过程移到1020。在1020处，确定像素1和相邻像素处的电压稳定，例如通过确定每个像素处的电压变化率在一段时间(例如1ms或0.1ms)内大致为零。在1022处，通过将电容器串联连接或通过数值相加，将像素2的电压的绝对值发送到相邻像素用于电压相加。在1022后，过程回到1002。
否则，如果在1007处未出现电荷共用，例如在一定时间延迟后或电压稳定后，过程移到1008。在1008处，例如使用第二电压比较器332将电压的绝对值与第二阈值比较。在1009处，如果电压的绝对值不等于或不超过第二阈值的绝对值，过程前往步骤1014。如果在1009处电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值，过程继续到步骤1010。在1010处，例如使用控制器336促使计数器338中记录的数目增加一。在1012处，例如使用控制器336基于电压确定X射线光子能量。每个能量仓可有一个计数器。在测量X射线光子能量后，光子能量所属的仓的计数器可以增加一。方法在步骤1012后前往步骤1014。在1014处，例如通过使二极管的电极或电阻器的电触点连接到电接地，使电压重置到电接地。在1014后，过程可回到1002。
图9C示出根据实施例的确定电荷共用的出现以及组合共用X射线光子在相邻像素上产生的电压的方法的流程图。在该流程图中，存在在相邻像素之间传递的若干信号。信号“RESET”告知接收它的像素重置其电压和任何存储信号。像素发送到相邻像素的信号“NV1”告知相邻像素该像素上的电压是V1或更高。像素发送到相邻像素的信号“COMBINE”告知相邻像素将其电压组合到该像素的电压。
半导体X射线检测器100可用于相衬X射线成像(PCI)(也称为相敏X射线成像)。PCI包含至少部分使用由物体引起的X射线束的相移(其包括相移的空间分布)来形成该物体的图像的技术。获得相移的一个方式是将阶段变换成强度变化。
PCI可以结合断层摄影技术来获得物体的折射率的实部的3D分布。与常规的基于强度的X射线成像(例如，放射摄影)相比，PCI对物体中的密度变化更敏感。PCI对于对软组织成像尤其有用。
根据实施例，图10示意性地示出了根据实施例的适合于PCI的***1900。***1900可包括至少两个X射线检测器1910和1920。这两个X射线检测器1910中的一者或两者是本文描述的半导体X射线检测器100。X射线检测器1910和1920可通过间隔物1930而隔开。间隔物1930可吸收非常少的X射线。例如，间隔物1930可具有非常小的品质衰减系数(例如，<10cm2g-1、<1cm2g-1、<0.1cm2g-1或<0.01cm2g-1)。间隔物1930的品质衰减系数可以是均一的(例如，间隔物1930中每两个点之间的变化小于5％、小于1％或小于0.1％)。间隔物1930可促使通过间隔物1930的X射线的相位改变相同数量。例如，间隔物1930可以是气体(例如，空气)、真空室，可包括铝、铍、矽或其组合。
***1900可以用于获取由被成像物体1960引起的入射X射线1950的相移。X射线检测器1910和1920可以同时捕获两个图像(例如，强度分布)。由于X射线检测器1910和1920被间隔物1930分开，两个图像离物体1960的距离不同。可例如使用基于菲涅耳衍射积分的线性化的演算法从两个图像确定相位。
根据实施例，图11示意性地示出了适合于PCI的***1800。该***1800包括本文描述的半导体X射线检测器100。该半导体X射线检测器100配置成移到物体1860(其暴露于离物体1860的不同距离处的入射X射线1850)并且捕获其图像。这些图像不一定被同时捕获到。可例如使用基于菲涅耳衍射积分的线性化的演算法从图像确定相位。
图12示意性地示出了这样的***，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。该***可用于医学成像，例如胸部X射线放射摄影、腹部X射线放射摄影等。***包括X射线源1201。从X射线源1201发射的X射线穿过物体1202(例如，例如胸部、肢体、腹部等人体部位)、由于物体1202的内部结构(例如，骨头、肌肉、脂肪和器官等)而不同程度地衰减并且被投射到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测X射线的强度分布来形成图像。
图13示意性地示出了这样的***，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。该***可用于医学成像，例如牙齿X射线放射摄影。***包括X射线源1301。从X射线源1301发射的X射线穿过物体1302(其是哺乳动物(例如人类)口腔的部分)。物体1302可包括上颚骨、颚骨、牙齿、下颚或舌头。X射线由于物体1302的不同结构而不同程度地衰减并且被投射到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测X射线的强度分布来形成图像。牙齿比龋齿、感染和牙周膜吸收更多的X射线。牙科患者接收到的X射线辐射的剂量通常是小的(对于全口系列是近似0.150mSv)。
图14示意示出货物扫描或非侵入式检查(NII)***，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。***可用于在例如海运集装箱、车辆、轮船、行李等传输***中检查和识别物品。***包括X射线源1401。从X射线源1401发射的X射线可从物体1402(例如，海运集装箱、车辆、轮船等)背散射并且被投射到半导体X射线检测器100。物体1402的不同内部结构可有差异地背散射X射线。半导体X射线检测器100通过检测背散射X射线的强度分布和/或背散射X射线光子的能量来形成图像。
图15示意性地示出了另一个货物扫描或非侵入式检查(NII)***，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。***可用于公交站和机场处的行李筛查。***包括X射线源1501。从X射线源1501发射的X射线可穿过行李1502，由于行李的内含物而有差异地衰减并且被投射到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测透射的X射线的强度分布来形成图像。***可揭示行李的内含物并且识别公共交通上禁用的物品，例如***、毒品、锋利武器、易燃物。
图16示意性地示出了全身扫描器***，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。该全身扫描器***可为了安全筛查目的来检测人体上的物体而不需物理脱衣或进行物理接触。全身扫描器***可能够检测非金属物体。全身扫描器***包括X射线源1601。从X射线源1601发射的X射线可从被筛查的人1602和其上的物体背散射，并且被投射到半导体X射线检测器100。物体和人体可有差异地背散射X射线。半导体X射线检测器100通过检测背散射X射线的强度分布来形成图像。半导体X射线检测器100和X射线源1601可配置成在线性或旋转方向上扫描人。
图17示意性地示出了X射线电脑断层摄影(X射线CT)***，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。X射线CT***使用电脑处理过的X射线来产生被扫描物体的特定区域的断层摄影图像(虚拟“切片”)。断层摄影图像在各种医学学科中可用于诊断和治疗目的，或用于缺陷检测、失效分析、计量、元件分析和逆向工程。X射线CT***包括本文描述的半导体X射线检测器100和X射线源1701。半导体X射线检测器100和X射线源1701可被配置成沿一个或多个圆形或螺旋形路径同步旋转。
图18示意性地示出了电子显微镜，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。该电子显微镜包括电子源1801(也叫作电子枪)，其被配置成发射电子。电子源1801可具有各种发射机制，例如热离子、光电阴极、冷发射或等离子体源。发射的电子经过可被配置成使电子成形、加速或聚焦的电子光学***1803。电子然后到达样本1802并且图像检测器可从其处形成图像。电子显微镜可包括本文描述的半导体X射线检测器100，用于进行能量色散X射线光谱分析(EDS)。EDS是用于样本的元素分析或化学表征的分析技术。当电子入射在样本上时，它们促使从样本发射特征X射线。入射电子可激发样本中原子的内壳层中的电子，从壳层逐出电子，同时在电子所在的地方形成电子空穴。然后，来自外部较高能量壳层的电子填充该空穴，并且较高能量壳层与较低能量壳层之间的能量差可采用X射线的形式释放。从样本发射的X射线的数量和能量可以被半导体X射线检测器100测量。
图19示意性地示出了辐射剂量计，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。该辐射剂量计能够测量来自辐射源1901的辐射(例如，X射线)的平均剂量率。辐射源1901可以是火山1910或******。辐射剂量计可包括腔1902，其包括空气或其他气体。通过气体的X射线将使气体电离，从而产生正离子和自由电子。进入的光子将创建与它的能量成比例的许多这样的离子对。与辐射剂量计关联的X射线检测器可以测量气体体积或一定数量的相互作用光子内的平均剂量率。尽管X射线检测器在非图像应用中通常是单像素检测器，也可以使用具有本文描述的多个像素、具备管理在相邻像素上可能出现的电荷共用的能力的X射线检测器100。
图20示意性地示出了元素分析仪，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。该元素分析仪测量器能够检测到物体(例如玩具)上感兴趣的一个或多个元素的存在。带电粒子(例如电子或光子)的高能射束或X射线束被引导到物体上。物体的原子被激发并且在元素特有的特定波长发射X射线。X射线检测器100接收发射的X射线并且基于发射的X射线的能量确定元素的存在。例如，X射线检测器100可被配置成检测Pb会发射的波长的X射线。如果X射线检测器100实际上从物体接收到这些波长的X射线，它可以告知存在Pb。这里描述的半导体X射线检测器100可具有其他应用，例如在X射线望远镜、X射线***摄影、工业X射线缺陷检测、X射线显微镜或显微放射摄影、X射线铸件检查、X射线无损检验、X射线焊缝检查、X射线数字减影血管摄影等中。可使用该半导体X射线检测器100来代替照相底片、照相胶片、PSP板、X射线图像增强器、闪烁体或另一个半导体X射线检测器。
由于本文公开了各种方面和实施例，其他方面和实施例对于本领域内技术人员将变得明显。本文公开的各种方面和实施例是为了说明目的而不意在为限制性的，其真正范围和精神由下列权利要求指示。

Claims (32)

1.一种适用于检测X射线的装置，包括：
X射线吸收层，该X射线吸收层包括第一像素和第二像素；以及
控制器，该控制器被配置成用于：
确定单个X射线光子产生的载流子被所述第一像素和所述第二像素收集；以及
基于所述第一像素检测到的第一电压和所述第二像素检测到的第二电压确定所述单个X射线光子的能量，其中所述第一电压和所述第二电压由所述单个X射线光子引起。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器进一步被配置成用于：
获得所述第一电压的绝对值和所述第二电压的绝对值的总和；以及
基于所述总和确定所述单个X射线光子的能量。
3.根据权利要求2所述的装置，其中：
所述第一像素与由所述第一电压充电的第一电容器关联；
所述第二像素与由所述第二电压充电的第二电容器关联；并且
通过串联连接所述第一电容器和所述第二电容器并且测量跨串联连接的所述第一电容器和所述第二电容器的电压来获得总和。
4.根据权利要求2所述的装置，通过使所述第一电压的绝对值和所述第二电压的绝对值数值相加来获得所述总和。
5.根据权利要求2所述的装置，所述装置进一步包括计数器，所述计数器被配置成用于记录所述X射线吸收层吸收的X射线光子的数目，其中如果所述总和等于或超过预定阈值，所述控制器被配置成用于促使所述计数器记录的数目增加一。
6.根据权利要求1所述的装置，其中在所述第一电压的变化率和所述第二电压的变化率大致为零时确定所述单个X射线光子的能量。
7.根据权利要求1所述的装置，其中如果所述第一电压和所述第二电压在相同时段开始改变，所述控制器被配置成用于确定单个X射线光子产生的载流子被所述第一像素和所述第二像素收集。
8.根据权利要求2所述的装置，其中如果所述第一电压的绝对值和所述第二电压的绝对值在相同时段达到第一阈值，所述控制器被配置成用于确定单个X射线光子产生的载流子被所述第一像素和所述第二像素收集。
9.根据权利要求1所述的装置，其中基于以下中的至少一种方式将所述X射线光子分配给所述第一像素和所述第二像素中的一个像素以形成图像：
所述第一电压和所述第二电压的比较；以及
所述第一像素和所述第二像素的相对位置。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置包括像素阵列。
11.一种***，其包括如权利要求1所述的装置和X射线源，其中所述***被构造成用于对人的胸部或腹部进行X射线放射摄影。
12.一种***，其包括如权利要求1所述的装置和X射线源，其中所述***被构造成用于对人的口腔进行X射线放射摄影。
13.一种货物扫描或非侵入式检查(NII)***，其包括如权利要求1所述的装置和X射线源，其中所述货物扫描或非侵入式检查(NII)***被构造成用于基于背散射X射线来形成图像。
14.一种货物扫描或非侵入式检查(NII)***，其包括如权利要求1所述的装置和X射线源，其中所述货物扫描或非侵入式检查(NII)***被构造成用于使用透射通过被检查物体的X射线来形成图像。
15.一种全身扫描器***，其包括如权利要求1所述的装置和X射线源。
16.一种X射线电脑断层摄影(X射线CT)***，其包括如权利要求1所述的装置和X射线源。
17.一种电子显微镜，其包括如权利要求1所述的装置、电子源和电子光学***。
18.一种***，其包括如权利要求1所述的装置，其中所述***被构造成用于测量X射线源的剂量。
19.一种***，其包括如权利要求1所述的装置，其中所述***是X射线望远镜或X射线显微镜，或其中所述***被构造成用于进行***摄影、工业缺陷检测、显微放射摄影、铸件检查、焊缝检查或数字减影血管摄影。
20.一种方法，其包括：
确定单个X射线光子产生的载流子被第一像素和第二像素收集；
从所述第一像素检测第一电压；
从所述第二像素检测第二电压；以及
基于所述第一电压和所述第二电压确定所述单个X射线光子的能量，其中所述第一电压和所述第二电压由所述单个X射线光子引起。
21.根据权利要求20所述的方法，所述方法进一步包括：
获得所述第一电压的绝对值和所述第二电压的绝对值的总和；以及
基于所述总和确定所述单个X射线光子的能量。
22.根据权利要求21所述的方法，其中：
所述第一像素与由所述第一电压充电的第一电容器关联；
所述第二像素与由所述第二电压充电的第二电容器关联；并且
通过串联连接所述第一电容器和所述第二电容器并且测量跨串联连接的所述第一电容器和所述第二电容器的电压来获得所述总和。
23.根据权利要求21所述的方法，其中通过使所述第一电压的绝对值和所述第二电压的绝对值数值相加来获得所述总和。
24.根据权利要求21所述的方法，所述方法进一步包括如果所述总和等于或超过预定阈值，则使入射到包括所述第一像素和所述第二像素的X射线吸收层的X射线光子的计数增加一。
25.根据权利要求20所述的方法，其中当所述第一电压的变化率和所述第二电压的变化率大致为零时，确定所述单个X射线光子的能量。
26.根据权利要求20所述的方法，其中如果所述第一电压和所述第二电压在相同时段开始改变，确定所述单个X射线光子产生的载流子被所述第一像素和所述第二像素收集。
27.根据权利要求21所述的方法，其中如果所述第一电压的绝对值和所述第二电压的绝对值在相同时段达到第一阈值，确定所述单个X射线光子产生的载流子被所述第一像素和所述第二像素收集。
28.根据权利要求20所述的方法，其中基于以下中的至少一种方式将所述X射线光子分配给所述第一像素和所述第二像素中的一个像素以形成图像：
所述第一电压和所述第二电压的比较；以及
所述第一像素和所述第二像素的相对位置。
29.一种适用于相衬X射线成像(PCI)的***，其包括：
如权利要求1所述的装置；
第二X射线检测器；以及
间隔物，其中所述装置和所述第二X射线检测器通过所述间隔物而隔开。
30.根据权利要求29所述的***，其中所述装置和所述第二X射线检测器被配置成用于同时分别捕获物体的图像。
31.根据权利要求29所述的***，其中所述第二X射线检测器等同于所述装置。
32.一种适用于相衬X射线成像(PCI)的***，所述***包括如权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置成用于移至物体并且捕获所述物体的图像，所述物体暴露于离所述物体不同距离的入射X射线。
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