CN1292096A - 光敏阵列电子传感器 - Google Patents

Abstract

一个光敏阵列电子传感器(1)包括一个安装在石墨基底(7)上的碘化铯CsI的平板(6),以便把高频电磁辐射(X－射线辐射)转换成低频辐射(为可见光领域中的辐射)。这说明:如果在一个石墨基底上生长CsI,那么与使用钆硫氢化物闪烁仪相比,可以获得一个具有较好分辨率和较高敏感度的传感器。在准备石墨的过程中,可进一步采取的防护措施是对石墨的表面较密地加以初涂。于是可以使用一层无定形碳(8)对其加以覆盖与或经过渗透(11)加以构造。这一密致化过程有助于传感器的均匀性。于是可通过一个合成树脂层(16)实现对CsI的保护,其中合成树脂层(16)与一个液态树脂层(17)相结合,用于与一个检测器(2)的光耦合。

Description

光敏阵列电子传感器

本发明涉及一种光敏阵列电子传感器。更具体地说，本发明涉及X-射线辐射传感器。本发明的目的旨在改进此类传感器的性能。

把射频逻辑图象增强式屏幕相对一个检测器加以设置，并在另一面上接收X-射线辐射，在X-射线电子传感器领域中这是一种为人们所熟悉的配置。同样，把闪烁仪用于把γ射线(或X射线)转换为可通过一个检测器加以检测的可见光辐射，在核医学领域中也是为人们所熟悉的。在放射学领域中，最普遍使用的检测器是具有电荷耦合器件(CCD)的目标或收集阵列的照相机。在核医学领域中，使用的也是由一系列光电倍增管组成的，并且与一个重心电子线路相连的装置。所有这些具有不能够直接检测X-射线的检测器的传感器均与闪烁仪相关联，闪烁仪的任务是把X-射线转换成近似可见光光谱的辐射。

进行这一转换所使用的材料(闪烁仪的材料)通常为钆硫氢化物。后者(硫氢化物)以一种薄沉淀物的形式加以使用，通常为50～300微米。这一沉淀物由这一材料的粉粒组成，这些粉粒由一种粘合剂粘合在一起。贯穿这一材料的整个厚度，沿所有方向的可见光的发射，导致了检测器(因而涉及传感器)的敏感度的损失，以及分辨能力的损失。

已提出过的一种建议是，在一个发光图象阵列检测器上沉淀一层含有钆硫氢化物的薄膜(可塑的)，后者(检测器)由一个硅集成电路组成。

以针形式掺杂铊的碘化铯CsI，与针的一种波导效应相结合，为更大的发光效率提供了一种良好的可供选择的方案，针的断面通常拥有3～6微米的维度。传统上，这种材料用于放射图象增强器，即把这种材料涂敷在一个输入屏幕上，这一屏幕通常由一个拱形的铝金属薄片组成。许多具体实现也是为人们所知的，这些具体实现中使用这样一种材料覆盖了一束光纤。这些针的方向垂直于支撑它们的支撑物的表面。针仅部分地相互结合在一起，因而它们可提供一个20％～25％的孔隙。这些充气的细孔与CsI的良好的折射率(1．78)相结合，能够为每个针中所发射的可见光子开辟通道，并给予更高的敏感度和分辨能力。

然而，与钆硫氢化物相比，CsI仍较难使用。特别是，在环境空气和常规湿度中CsI将迅速水合的缺点是人所共知的。对水的摄取，对使用传感器所获得的图象产生了破坏性的影响，这造成了最初的晕光效应。于是这一增湿效果不可逆转地破坏了针，结果是，损失了传感器的发光效率和分辨能力。需要加以注意的是，这一缺点不会在放射图象增强式显像管中遇到，因为CsI处于真空管中。

然而，尽管在针中存在很少量的铊，但铊具有很高的毒性。于是，CsI的弱机械固定导致粉尘和废物的产生，对致粉尘和废物的消除必须小心加以控制。在某些情况下，可通过在闪烁仪的表面上蒸发一层铝，实现对掺杂铊的CsI的钝化。

由于CsI的弱机械固定，必须把其沉淀于一个坚实的支撑物上。事实上，支撑物的弯曲导致了图象中的可视缺陷，而且这一支撑物通常必须经过(不变形)一个热处理，以可在300°的温度量级上扩散铊。

在放射图象增强器中，支撑物是由铝制成的。有时会与无定形碳结合，或甚至可由无定形碳加以替代，因为这种材料具有非常高的电阻。

在图象增强式显像管的结构的外部，铍上的碘化铯的沉淀一直为人们所关注，然而这种材料的缺点是过于昂贵。

本发明的目的是，通过在一个由加工过的石墨块组成的基底上的CsI层的生长，来解决这些问题。更可取的做法是，这一由加工过的石墨块组成的基底具有一个较浅的粗糙表面。在本发明中，建议所使用的石墨是一个其表面已经历过一个致密化处理步骤的基底，这一致密化处理步骤旨在消除基底中与石墨相关的自然孔隙。另外，最好对这一需较密打底的层加以研磨，以便使其具有一个较浅的粗糙面。此外，人们还发现，当在气体阶段加以沉淀时，CsI采用了一个完全有益的增长：对针有规律地加以分隔，于是所产生的闪烁仪的表面几乎是平的，而不管是否存在与石墨的粗糙度相关的缺陷。

如果基底的构成未经过致密化工序，那么在所生成的传感器中会出现敏感性上的差别。人们可能试图将其纠正，例如，如果石墨的表面是有条纹的(例如，具有平行线)，那么在传感器运行之后，在所获得的图象中，可对这些条纹的出现加以识别。通过软件的处理，纠正与各位置相关的敏感性方面的差别是可能的，特别是在核医学领域。在符合本发明的一个改进的方案中，人们通过密致化工艺与／或研磨工艺，限制了这一纠正的量值。

在所有情况中，石墨基底的存在，向在铊扩散期间出现的不均匀的扩展问题提供了解决方案。

就其拥有一个多孔的物理结构(与极致密的无定形碳不同)这一意义下，石墨(如在本发明中所了解到的)是一种不同于无定形碳的材料。可以使用金属工具对石墨进行加工，而对于无定形碳来说，几乎仅可使用镶饰了金刚石的工具对其进行加工。

这就是为什么在此处所关注的应用中，即在一个准备放置于一个阵列图象检测器之前的加工过的支撑物上的碘化铯的沉淀中，证明把一个石墨块做为支撑物是特别有益的原因所在。

通常，石墨的结构不仅是多孔的而且也是层状的。因此，进一步有利于对它的加工。与无定形碳不同，它的结构实质上是各向同性的。

就原理而论，石墨是通过在高温下压缩碳粉所获得的，而无定形碳是通过气态阶段(裂化)中的分解所产生的，即在一个起始支撑物上的一个较厚或较薄的涂层的生长达到高潮时分解产生的。因此，使用石墨很容易产生可加工的块材，而在诸如放射图象增强式输入屏幕的拱形表面等表面上产生无定形碳涂层似乎要容易一些。

因此，本发明的一个主题是光敏阵列电子传感器。这一光敏阵列电子传感器包括一个覆盖有闪烁仪的阵列图象检测器，闪烁仪用于把高频电磁辐射(通常为X-射线辐射)转换成低频辐射(通常为可见光领域中的辐射)，其特征是，闪烁仪包括一个碘化铯平板(faceplate)，由一个配置在接收高频辐射的一侧的石墨基底加以支撑。

本发明的另一个主题是一个用于构造传感器的工艺，其特征为：

-构造一个石墨基底，这一基底必须能够做为一个可支撑闪烁仪的支撑物；

-把石墨基底加以研磨；

-在气态阶段，把碘化铯沉淀在基底上；

-把碘化铯沉淀物与铊相掺杂；

-在气态阶段的真空状态下，把一个由合成树脂构成的层沉淀于碘化铯沉淀上；-把一层液态光耦合树脂沉淀于合成树脂层上；

-把一个检测器针对液态光耦合树脂层平敷；

通过阅读以下的描述及对本发明附图的考察，将可对本发明更好地加以理解。附图是在对本发明的说明完全未加限制的情况下给出的。这些图所描述的内容如下：

-图1：是对符合本发明的传感器结构的示意性描述；

-图2：是用于实现钝化碘化铯层的一个工艺的装置的图示；

根据本发明，图1描述了一个光敏电子传感器1。更可取的做法是，采用一个阵列传感器。传感器1包括一个其顶上覆盖有闪烁仪3的检测器2。这一传感器的目的是把X-射线辐射4或任何其它高频辐射(也可以是γ辐射)转换成低频辐射5。于是能够在可视光光谱内对低频辐射5进行发射，从而可通过检测器2对辐射5加以检测。检测器2可以是一个传统的检测器。在一个推荐的例子中，检测器2为CCD型，如以上所描述的。每一CCD设备阵列形成了一行检测点。并置的阵列用于形成一个阵列图象的各个行。

实质上，传感器包括一个由石墨基底7加以支撑的碘化铯平板6。基底配置在X-射线辐射得以接收的一侧。根据本发明，所使用的石墨最好为具有层状结构的石墨，并且是通过对碳粉的热压所获得的。这种类型的石墨的生产是比较便宜的，特别是加工的开销较为低廉的，因为可以使用金属工具对其进行加工，而基于无定形碳的材料的结构，只能使用镶饰金刚石的工具进行加工。

因此，所使用的材料取小型成块的薄层形式10，并一个位于一个之上端对端地加以堆叠。在一个例子中，基底7的厚度为500微米量级。在闪烁仪应为较大的情况下，增至800或2000微米是可能的。如果需要令其具有较小的规格，小至200微米是可能的，除了其较好的X-射线渗透性外，石墨还具有成块的优点，即可通过闪烁仪吸收其各个方向中的所发射的可见光辐射。这些可见光辐射更多地贡献于降低传感器的分辨能力，而不是增加传感器敏感性。在一个推荐的例子中，基底7的石墨的质量将是这样的：颗粒的大小--薄层的长度，将小于5微米，更可取的做法是为1或小于1微米的量级。实际上，可以发现，如果石墨的自然的各向异性是不可控制的，将会导致拥有20微米的颗粒。在这一情况下，CsI平板6的厚度的一致性质量是较差的，这将要求更多的软件纠正。

最好使用一层无定形碳8把基底7加以覆盖，以便使基底7具有一个致密化的表面。无定形碳层8(它的厚度为3～20微米量级)使填充出现在基底7(由于其所存在的孔隙)表面上的孔洞9成为可能。碳层8的原子不同于基底7中的原子，其中，在层7中，孔隙是较大的，且碳-石墨粒子是有方向的。无定形碳层8是一个非结构化的较密的层，即为非多晶的：原子一个在另一个的顶部无组织地聚集，例如，无定形碳的这一层在气态阶段的真空状态下沉淀在基底7上。

作为一个附加要求，或作为一个辅助手段，在碘化铯层6将必须生长的位置，应对石墨层7事前通过渗透加以致密化。例如，这样的渗透可通过覆盖准备使用一种有机树脂制成的胶片接收碘化铯的石墨基底7的表面得以实现。于是这一装置可承受极高的温度(1000°)。其效果是***树脂，在树脂中把碳原子同氢原子或从把它们结合在一起的其它结合体中分隔开来。于是，通过蒸发可自然地把杂质排除。高温效应也可使碳原子通过扩散迁移到基底7的孔隙空间11中。为了更进一步致密化基底的有效表面，可以对这一渗透操作重复多次，以便增加致密性。在一个例子中，这一操作运行了四次。

如上所说明的，所准备的石墨的表面不必过于合乎要求，因为在石墨的表面不十分合乎要求的情况下，对所获得的图象的实际校正可在图象获得之后由软件加以处理。这样做是完全可以接受的。在本发明中，使用一个研磨工具12实现对石墨表面的研磨，特别是在致密化之后。通常，研磨动作从基底7的顶层，即相应的层8略去除掉5～10微米的厚度。层8的沉淀可以发生在研磨之前也可以发生在研磨之后，这将导致一个0．2～0．4微米量级的粗糙度h，而未经研磨的自然的粗糙度H，特别是未加致密化的情况下，可能达到130微米，尤其是如果石墨的粒度为20微米量级时。

于是，通过传统方式中的动作使CsI得以生长。接下来获得针12，其断面的直径可以为3～6微米量级。针12的断面可以为各种尺寸，从图1中能够明显地看出这一点。在一个例子中，针12由一个1～3微米的间隔13互相随机地加以分隔，这一间隔使使用针12构造一个“变化的媒体表面”14成为可能。这一表面14的存在，与CsI的良好的折射率相结合，导致了针12的类似光纤的特性。换句话说，辐射的转换(出现在一个针12中的闪烁现象)产生了一个将被导向的辐射5。如果这一辐射的发射朝向检测器2，那么它会正常地通过反射点15从针12退出。另一方面，如果这一辐射5是倾斜的，那么它将不会在针12内反射出表面14，并最终通过反射点15退出。朝基底所发射的部分由后基底7加以吸收。在一个例子中，CsI的层6的厚度为100～300微米。通常它的测度为180微米。

接着以传统的方式对层6本身掺杂铊。

最后用一个钝化层16覆盖掺杂CsI的层6。与先有技术相比，在事前技术中钝化层16是一个硅树脂凝胶层，涉及钆硫氢化物，本发明主张，以透明的聚合合成树脂的形式产生钝化层16。这一聚合树脂拥有更加不易穿透的优点和防止粉尘从CsI或从铊挥发的优点，但也拥有不能产生一个完全光滑的外表面的缺点。于是，在本发明中，把钝化层16与一个液态树脂层17相结合，用于与检测器2的光耦合。在这一方式中，良好的铊蒸发不易穿透性能够在不损害传感器效率的情况下加以获得。

图2描述了一个可以用于产生钝化层16的装置。这一装置包括三个连接在一起的部件。在第一个部件18中，引入了用于产生树指的未经加工的材料。在一个推荐的例子中，这一材料是联-对亚二甲苯。在部件18中，在1乇(1毫米水银柱的压强)的压力和175°的温度下对这一材料加以气化。第一部件18与第二部件19相连，其中气化的材料得以气化析出。例如，在0．5乇的压力下可把联-对亚二甲苯气体加热到680°。承受这一压力，联-对亚二甲苯开始分解，并转换成单分子对亚二甲苯。于是可把准备好的对亚二甲苯在环境温度中和非常低的0．1乇的压力下引入第三个部件20，在此，它扩散到层6的针12上作为层16。于是，通过冷凝对对亚二甲苯重新加以结合，以形成一个多对亚二甲苯聚合物。这一冷凝导致了CsI层的孔隙空间上的一个桥路的生成，而无需渗透于这些间隙。

使用除以上所指定的树脂以外的一种合成树脂是可能的。然而，以上所指定的树脂具有一个优点：一方面，它能很好地附着在CsI上，另一方面，它允许在间隔13上构成桥路，而无需填充这些间隔。更可取的做法是，令所使用的树脂拥有一个1．78～1．45之间的折射率。因此，拥有低于CsI的折射率的折射率的树脂，通过与CsI的结合，可形成一个抗反射层。在一个例子中，层16拥有1～25微米的厚度。

于是，液态树脂层17在钝化层16上扩展(并保持在那里)，以便确保良好的光耦合。更可取的做法是，令这一树脂拥有低于1．45的折射率。例如，那些在构造液晶部件中所使用的那种类型。层17的厚度与层16的厚度为同一数量级。

然后，通过传统的机械装置把检测器2固定在基底7上。

Claims (10)

1．光敏阵列电子传感器，包括一个覆盖有一个闪烁仪(3)的阵列图象检测器(2)，用于把高频电磁辐射(4)(通常为X-射线辐射)转换成低频辐射(5)(通常为可见光领域中的辐射)，其特征是，闪烁仪包括一个碘化铯平板(6)，这一平板由一个配置在接收高频辐射一侧的石墨基底(7)加以支撑。

2．符合权力要求1的传感器，其特征为：闪烁仪的基底是由石墨加以构成的，石墨的粒度不足5微米，建议小于1或等于1微米。

3．符合权力要求1或2之一的传感器，其特征为：基底是由覆盖了一层无定形碳(8)的石墨加以构成的。

4．符合权力要求1～3之一的传感器，其特征为：基底是由渗透了碳的石墨加以构成的。

5．符合权力要求1～4之一的传感器，其特征为：通过一个由合成树脂构成的钝化层(16)把闪烁仪的平板与环境介质绝缘起来，更可取的做法是使用多对亚二甲苯型的树脂，它本身由一个液光耦合层(17)加以覆盖。

6．符合权力要求5的传感器，其特征为：钝化层的树脂的折射率在1．78～1．45之间，以便形成一个抗反射层。

7．符合权力要求1～6之一的传感器，其特征为：

-石墨基底的厚度为200～2000微米，典型地为500～800微米；

-碘化铯平板的厚度为100～300微米，典型地为180微米；以及

-树脂钝化层拥有1～25微米的厚度；

8．用于制造一个传感器的工艺过程，其特征为：

-构造一个石墨基底，这一基底必须能够做为一个闪烁仪的支撑物；

-对石墨基底加以研磨；

-在气态阶段，把碘化铯沉淀在石墨基底上；

-把碘化铯沉淀与铊相掺杂；

-在气态阶段的真空状态下，把一个由合成树脂构成的层沉淀在碘化铯沉淀上；-在合成树脂层上沉淀一个液体光耦合树脂层；

-针对液体光耦合树脂层平敷一个检测器。

9．符合权力要求8的工艺过程，其特征为：

-在研磨之前或之后，通过沉淀一层无定形碳对石墨的表面加以处理。

10．符合权力要求8或9的工艺过程，其特征为：在研磨以前通过渗透对石墨的表面加以处理。

Images