TWI769263B - Ｘ射線檢測器，用於檢測ｘ射線之方法，ｘ射線系統，ｘ射線貨物掃描或非侵入式檢查系統，ｘ射線全身掃描系統，ｘ射線計算機斷層掃描系統，以及電子顯微鏡 - Google Patents
Ｘ射線檢測器，用於檢測ｘ射線之方法，ｘ射線系統，ｘ射線貨物掃描或非侵入式檢查系統，ｘ射線全身掃描系統，ｘ射線計算機斷層掃描系統，以及電子顯微鏡 Download PDFInfo
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Abstract
本文公開包括下述各項的檢測器：多個圖元，保護環的多個區段，以及被配置為在一段時間內對入射在所述多個的每個圖元上並且其能量落入多個箱中的X射線光子進行計數的控制器。所述控制器被配置為檢測在圖元和保護環的區段之間的電荷共享。在檢測到電荷共享的情況下，所述控制器還被配置為忽略一個單光子。在沒有檢測到電荷共享的情況下，所述控制器被配置為：對於相同能量範圍的倉，將入射到所有圖元上的X射線光子數相加。所述檢測器可以將所有相加的數字編纂成入射其上的X射線光子的能譜。
Description
本發明涉及適用於X射線(例如，X射線熒光)的檢測器，特別是能夠檢測和處理在檢測器周邊的電荷共享的檢測器。
X射線螢光(XRF)是從被諸如暴露於高能X射線或伽馬射線激發的材料發出的特征螢光X射線。因為每個元素具有特征能量的軌道，通過分析樣品的螢光X射線，樣品中的元素可被識別。對於給定原子，可能弛豫的數量受到限制。如在圖1A中示出的，當L軌道上的電子弛豫填充K軌道上的空位(L→K)時，螢光X射線叫作Kα。來自M→K弛豫的螢光X射線叫作Kβ。如在圖1B中示出的，來自M→L弛豫的螢光X射線叫作Lα，等等。
螢光X射線可以通過對光子能量分類(能量色散分析)或通過分離螢光X射線的波長(波長色散分析)來分析。每個特征能量峰的強度直接與樣品中的每個元素的含量有關。
比例計數器或各種類型的固態檢測器(PIN二極體，Si(Li)、Ge(Li)、矽漂移檢測器SDD)可在能量色散分析中使用。這些檢測器基於相同原理：入射X射線光子使大量檢測器原子電離，其中產生的載荷子的數量與入射X射線光子的能量成比例。收集載荷子並且對它們計數來確定入射X射線光子的能量並且對下一個入射X射線光子重復該過程。在檢測到許多X射線光子後，可通過對X射線光子的數目(作為它們能量的函數)計數來編制光譜。
半導體X射線檢測器通過將X射線直接轉換成電信號。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，產生多個載荷子(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，或被圖元附近的保護環收集(“電荷共享”)，半導體X射線檢測器的性能可被負面影響。在X射線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。
本文公開包括下述各項的檢測器：多個圖元，其中，所述檢測器被配置為：在一時間段內，對入射在所述多個圖元的每個圖元上並且其能量落在多個箱的的X射線光子的數量進行計數；保護環，其包括多個區段，其中所述檢測器被配置為檢測由所述區段收集的載荷子；控制器，其被配置為檢測在所述多個圖元中的至少一個圖元與所述保護環的至少一個區段之間的電荷共享。
根據實施例，所述檢測器的多個圖元被布置在陣列中。
根據實施例，所述檢測器被配置為：基於由X射線光子產生的並且被每個圖元收集的載荷子，對X射線光子計數。
根據實施例，檢測器的保護環環繞所述多個圖元。
根據實施例，所述控制器被配置為：通過對從至少一個圖元檢測的電壓與從所述區段檢測的電壓在同一時間段開始變化的確定來檢測電荷共享。
根據實施例，控制器被配置為：當控制器檢測在至少一個圖元和至少一個區段之間的電荷共享時，忽略X射線光子的一個光子。
本文公開包括下述各項的方法：通過包括多個圖元以及包括多個區段的保護環的檢測器的圖元接收X射線光子；檢測圖元與保護環的區段之間的電荷共享；在檢測到電荷共享的情況下，忽略X射線光子；在沒有檢測到電荷共享並且X射線光子能量落入多個倉的一個倉時，將所述X射線光子計入到入射在所述圖元上、其能量在所述倉中的X射線光子數。
根據實施例，所述方法還包括：對每個圖元，確定入射到所述圖元上並且其能量在所述倉中的X射線光子數；以及確定對於所述多個圖元的總的數量。
本文公開包括任何上述檢測器以及X射線源的系統。該系統被配置為對人的胸部，腹部或人的牙齒進行X射線輻射照相。
本文公開：包括任何上述檢測器的系統。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***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。
本文公開：包括任何上述檢測器以及X射線源的貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統，其中，所述貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統被配置為基於背散射X射線形成圖像。
本文公開：包括任何上述檢測器以及X射線源的貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統，其中，所述貨物掃描或非侵入式檢查(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：包括任何上述檢測器以及X射線源的全身掃描系統。
本文公開：包括任何上述檢測器以及輻射源的計算機斷層掃描(X射線CT)系統。
本文公開包括任何上述檢測器、電子源和電子光學系統的電子顯微鏡。
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
115:保護環
119A:電觸點
119B:電觸點
120:電子層
121:電子系統
122:電子系統
130:填充材料
131:通孔
210:區域
211:保護環
212:保護環
220:傳輸區
230:傳輸區
310:二極體
315:開關
316:采樣電容器
318:控制開關
319:電容器模塊
325:開關
329:電容器模塊
330:數據處理模塊
331:第一電壓比較器
332:第二電壓比較器
338:計數器
334:電壓表
336:控制器
340:數據處理模塊
341:電壓比較器
344:電壓表
346:控制器
701:X射線源
702:物體
902:步驟
904:步驟
905:步驟
906:步驟
907:步驟
908:步驟
910:步驟
912:步驟
914:步驟
916:步驟
9011:X射線源
9012:物體
1001:X射線源
1002:行李
1101:X射線源
1102:人
1201:X射線源
1301:電子源
1302:樣品
1303:電子光學系統
RST:復位期
t0:時間
t01:時間
t02:時間
t1:時間
t2:時間
te:時間
th:時間
ts:時間
V1:第一閾值
圖1A和圖1B示意性地示出XRF的機制。
圖2A示意性地示出根據實施例的適於X射線的檢測器的截面圖。
圖2B示意性地示出根據實施例的檢測器的詳細橫截面視圖。
圖2C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3A示意性地示出根據實施例的檢測器的部分的俯視圖。
圖3B示意性地示出根據實施例的檢測器中圖元的陣列。
圖4示意性地示出：根據實施例，檢測器的圖元以及保護環的區段的的電子系統部件圖。
圖5A示意性示出：根據實施例，當不發生電荷共享時，流過暴露於X射線的X射線吸收層的二極體的電極或電阻器的電觸點的電流的時間變化(上曲線)(所述電流由入射在X射線吸收層上的X射線光子產生的載荷子引起)，以及相應的電極的電壓隨時間的變化(下曲線)。
圖5B示意性地示出：當在圖元與區段之間發生電荷共享時，流過圖元的電極和保護環的區段的電流的時間變化(上曲線)(所述電流由入射在X射線吸收層上的X射線光子產生的載荷子引起)，以及所述電極與所述區段的電壓對應的時間變化(下曲線)。
圖6示出：根據實施例，基於能檢測圖4中圖元和保護環的區段之間的電荷共享的系統的適於檢測X射線的方法的流程圖。
圖7示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的檢測器的系統，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8示意性地示出根據實施例的元素分析儀。
圖9示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的檢測器的貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統。
圖10示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的檢測器的另一貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統。
圖11示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的檢測器的全身掃描系統。
圖12示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的檢測器的X射線計算機斷層掃描(X射線CT)系統。
圖13示意性地示出：根據實施例，包括本文所述的檢測器的電子顯微鏡。
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。載荷子沿電場方向漂移並在所有方向擴散。載荷子軌道的包絡可以大致為圓錐形。如果包絡位於陣列的至少一個圖元和保護環的區段之間的
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至少一個圖元以及另外一個結構(例如另外一個圖元或保護環的區段)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確定。
在一個實施例中，當在圖元和保護環的區段之間發生電荷共享時，所述圖元的信號可被忽略。
圖2A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)，用於處理和分析入射X射線在X射線吸收層110中產生的電信號。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2B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2B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2B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。在實施例中，吸收層中的多個二極體被一個或幾個保護環115環繞，其中毗鄰離散區114的保護環具有離散區段。
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荷子。一個X射線光子可產生10至100000個載荷子。載荷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射線光子產生的載荷子能被離散區114的一個以及保護環115的區段共享。
如在圖2C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荷子。一個X射線光子可產生10至100000個載荷子。載荷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射線光子產生的載荷子能被電觸點119B的離散區的一個以及保護環115的區段共享。
電子層120可包括電子系統121和電子系統122，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、整合器和比較器，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。
電子系統122可包括類比電路，例如濾波網路、放大器、整合器和比較器，或數位電路，例如微處理器和記憶體。電子系統122可包括區段共用的
部件或專用於保護環單個區段的部件。例如，電子系統122可包括專用於每個區段的放大器和在所有區段之間共用的微處理器。電子系統122可通過通孔131電連接到區段。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122連接到圖元的其他接合技術是可能的。
圖3A示出具有離散區114陣列的儀器100的部分的頂視圖。在這些離散區114中的一個的足跡周圍入射的輻射光子產生的載荷子大致未與保護環的區段共用。在離散區114周圍的區域210中，大致所有(超過95%，超過98%或超過99%的)由入射於其上的X射線光子產生的載荷子流向離散區114，這個區域被稱作與離散區114相關聯的圖元。即，當X射線光子撞入所述圖元時，這些載荷子中不到5%、不到2%或不到1%流到該圖元外。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。圖元可獨立尋址，並且圖元陣列可由一個或幾個保護環(例如保護環211和212)環繞。保護環212可具有離散區段。
類似地，當圖3A中的陣列表示圖2C中的電觸點119B的離散部分的陣列時，由入射在電觸點119B的這些離散部分中的一個的足跡周圍的X射線
光子產生的載荷子基本上不與周圍的保護環共享。在電觸點119B離散區周圍的區域中，大致所有(超過95%，超過98%或超過99%的)由入射於其上的X射線光子產生的載荷子流向電觸點119B的離散區，這個區域被稱作與電觸點119B離散區相關聯的圖元。即，當X射線光子撞入所述圖元時，這些載荷子中不到5%、不到2%或不到1%流到與電觸點119B離散區相關聯的圖元外。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。圖元可獨立尋址，並且圖元陣列可由一個或幾個保護環(例如保護環211和212)環繞。保護環212可具有離散區段。
圖3B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。載荷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3B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”表示光子產生的載荷子被傳送進的空間)。
如圖3B所示，運輸區域位於圖元內(例如，傳輸區230)，或圖元與保護環的區段的邊界上(例如，傳輸區域220)。
如上所討論，當傳輸區域位於圖元和保護環的區段的邊界上時，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。在實施例中，即使X射線光子產生的載荷子出現電荷共享，X射線檢測器中包括121和122的電子系統仍能夠精確測量X射線光子能量。
基於制造過程，可以通過設計確定圖元的尺寸。如圖3B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4示出：根據實施例，半導體X射線檢測器的兩個電子系統-用於圖元的電子系統121以及用於保護環的區段的電子系統122的的部件圖。在這個例子中，如圖4所示，電子系統121被配置為處理來自圖元中的二極體300的電極的信號；並且電子系統122被配置為處理來自保護環的區段的信號。
在該示例中，電子系統121可包括電容器模塊319，一個或多個采樣電容器316，多個控制開關318，以及數據處理模塊330。如圖4所示，電容器模塊319被電連接到二極體300的的電極或電觸點。電容器模塊319被配置
成從電極收集載荷子。電容器模塊319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。來自電極的載荷子在一段時間(“整合期”)(例如，如在圖5中示出的，在t0至t1之間或在t1與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定開關315將其重定。電容器模塊319能包括直接連接到電極的電容器。
當不發生電荷共享時，多個控制開關318關閉，使得一個或多個采樣電容316中的每個都被來自前端(二極體和放大器)的電壓充電。
如圖4所示，電子系統122可包括電容器模塊329，以及數據處理模塊330。電容器模塊329與區段電連接。類似於電容器模塊319，電容器模塊329被配置為從所述區段收集載荷子。電容器模塊329可以包括放大器的回饋路徑中的電容器。來自電極的載荷子在一段時間(“整合期”)(例如，如在圖5A中示出的，在t0至t1之間或在t1與t2之間)內在電容器上累積。在整合期終止後，由重定開關325將電容重定。電容器模塊329能包括直接連接到電極的電容器。
圖4中的電子系統121和122可以分別包括數據處理模塊330和340，其可包括用於解釋和處理來自電子系統121和122的上遊信號的下遊電路。
根據實施例，數據處理模塊330包括第一電壓比較器331，第二電壓比較器332，計數器338，電壓表334和控制器336。
在沒有電荷共享的情況下，第一電壓比較器331被配置為將電壓(例如，電極或二極體300的電壓)到第一閾值比較。二極體可以是由第一摻雜區域111，第二摻雜區113的離散區114的一個，以及可選的本征區112形成。或者，電壓比較器331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331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331可由控制器336可控地啟動或停用。第一電壓比較器331可以是連續比較器。即，第一電壓比較器331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331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331在入射X射線強度相對高時尤其適合。第一電壓比較器331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331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331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上產生的最大電壓的1-5%、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332配置成將電壓(例如電極或二極體300的電壓)與第二閾值比較。第二電壓比較器332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。第二電壓比較器332可以是連續比較器。第二電壓比較器332可由控制器336可控地啟動或停用。在停用第二電壓比較器332時，第二電壓比較器332的功耗可以是啟動第二電壓比較器332時的功耗的不到1%、不到5%、不到10%或不到20%。第二閾值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，
。第二閾值可以是第一閾值的200%-300%。第二閾值可以是一個入射X射線光子在二極體或電阻器上產生的最大電壓的至少50%。例如，第二閾值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二電壓比較器332和第一電壓比
較器331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331或第二電壓比較器332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331或第二電壓比較器332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。
計數器338可被配置成記錄到達相應的二極體或電阻器的X射線光子的數目。計數器338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336可以是例如微控制器和微處理器等硬體部件。控制器336配置成從第一電壓比較器331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值以下增加到等於或超過第一閾值的絕對值)的時間啟動時間延遲。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336可配置成在第一電壓比較器331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332、計數器338和第一電壓比較器331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。短語“變化率大致為零”
意指電壓的時間變化小於0.1%/ns。短語“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336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336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336本身可被停用直到第一電壓比較器331的輸出在電壓的絕對值等於或超出第一閾值的絕對值時才啟動控制器336。
如果在時間延遲期間第二電壓比較器332確定電壓的絕對值等於或超出第二閾值的絕對值，控制器336可配置成促使計數器338記錄的數目增加一。
控制器336可配置成引起電壓表334在時間延遲終止時測量電壓。控制器336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荷子放電。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336可通過控制重置開
關315或325而使電極連接到電接地。開關可以是晶體管，例如場效應晶體管(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。
根據實施例，數據處理模塊340包括電壓比較器341，電壓表344和控制器346。
電壓比較器341被配置為監控電觸點(例如，保護環115的區段)的電壓。電壓比較器341可配置成直接監控電壓，或通過在一段時間內整合流經電觸點的電流來計算電壓。電壓比較器341可由控制器346可控地激活或停用。第一電壓比較器341可以是連續比較器。即，電壓比較器341可以被配置為連續啟動，並連續地監控電壓。電壓比較器341也可以是鐘控比較器。
當不發生電荷共享時，兩個電子系統121和122可以獨立運行並處理由其各自對應的源(圖元或保護環的區段)產生的信號。在對應於電子系統121的圖元上沒有電荷共享時，多個控制開關318關閉，使得來自前端(二極體和放大器)的電壓被反射到采樣電容器上並由數據處理模塊330測量。
數據處理模塊330(例如，使用第一電壓比較器331和/或第二電壓比較器332)可將同樣的電壓與閾值進行比較。
當不發生電荷共享時，在電壓變化率基本上變為零之後，電壓與由X射線光子產生的載荷子總量成比例，其與X射線光子能量相關。然而，當在電子系統121相對應的圖元與保護環的區段之間發生電荷共享時，圖4中的電子系統121測量的電壓不足以估計由X射線光子產生的載荷子的準確總量。
在一個例子中，單個X射線光子可擊中至少一個圖元與保護環的一個區段的公共邊界或在兩者之間的區域，從而引起載荷子的產生並且被同時傳輸到所述圖元和所述區段中。在這種情況下，電子系統121和122都可感知由載荷子的部分引起的電壓增加。
在這個例子中，兩個電子系統121和122在不同的階段運作：階段1(φ1)和階段3(φ3)。當圖元和區段準備檢測光子時，圖元和區段可以處於階段1。兩個電子系統121和122可以通過直接彼此通信或通過中心控制器控制X射線檢測器的所有圖元以及保護環的所有區段。基於它們的協作，例如當它們在同時或在同一時間段內發現載荷子的電壓變化時，兩個系統121和122可以確定在圖元和區段上出現電荷共享。
在實施例中，在檢測到電荷共享之後，控制器336可被配置為忽略一個X射線光子，然後計數器338不被增加。
在實施例中，在檢測到電荷共享並且電壓的變化率基本上為零之後，控制器336和346可被配置成將電極連接到電接地，以復位電壓並將電極上累積的任何載荷子放電，從而進入階段3。在時間延遲的期滿之後，電極在有限復位期連接到電接地。在階段3期間，控制器336和346可通過控制復位開關315和325將電極連接到電接地。開關可以是諸如場效應管(FET)的晶體管。
在階段3之後，圖元和保護環的區段可再次進入階段1，使得它們準備好測量下一次入射光子。
圖5A示意性地示出：根據實施例，當沒有出現電荷共享時，流過暴露於X射線的X射線吸收層的二極體的電極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射線光子產生的載荷子引起)的時間變化(上曲線)和對應的電極電壓的時間變化(下曲線)。當在圖元和保護環上不發生電荷共享時，電極是如圖4所示的二極體300。
電極的電壓可以是電流關於時間的整合。如上討論，當圖元準備檢測X射線光子時，其位於階段1。在階段1期間，在時間t0，X射線光子撞擊二極體或電阻器，載荷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331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336啟動時間延遲TD1並且控制器336可在TD1開始時停用第一電壓比較器331。如果控制器336在t1之前被停用，在t1啟動控制器336。在TD1期間，控制器336啟動第二電壓比較器332。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336可在TD1終止時啟動第二電壓比較器332。如果在TD1期間，第二電壓比較器332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336促使計數器338記錄的數目增加一。在時間te，X射線光子產生的所有載荷子漂移出X射線吸收層110。在時間ts，時間延遲TD1終止。在圖5A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荷子漂移出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336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332。
控制器336可配置成促使電壓表334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336促使電壓表334測量電壓。當沒有出現電荷共享時，該時刻的電壓與X射線光子產生的載荷子的數量成正比，其與X射線光子的能量有關。控制器336可配置成基於電壓表334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338對於每個倉可具有子計數器。在控制器336確定X射線光子的能量落在倉中時，控制器336可促使對於該倉的子計數器中記錄的數目增加一。因此，電子系統121可能夠檢測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336在復位期RST使電極連接到電接地以允許電極上累積的載荷子流到地面並且使電壓重定。在TD1終止之後並且在復位期RST之前，圖元可結束階段1並進入階段3。
在RST之後，電子系統121再次進入階段1並準備檢測另一個入射輻射光子。電子系統121在圖5A的示例中可以應對的入射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331被停用，控制器336可以在RST終止之前的任何時間啟動它。如果控制器336被停用，可在RST終止之前啟動它。
圖5B示意性地示出：根據實施例，當出現電荷共享時，流過暴露於X射線的X射線吸收層的兩個電極(一個來自圖元，並且一個來自保護環的區段)的電流(電流由X射線吸收層上入射的X射線光子產生的載荷子引起)的時間變化(上曲線)和對應的圖元的電觸點以及區段的電壓的時間變化(下曲線)。
每個電極的電壓可以是相應電流關於時間的整合。如上討論，當圖元和保護環的區段準備檢測X射線光子時，其位於階段1。在階段1期間，在時間t0，X射線光子撞擊圖元和保護環區段之間的邊界附近區域，載荷子開始被產生，電流開始流過圖元的電觸點和區段，並且電觸點和區段的電壓的絕對值開始增加。然後，在圖元和區段之間出現電荷共享。
根據實施例，兩個電壓的絕對值在兩個不同時間，例如t01和t02，其在同一時間段內，開始增加。例如，同一時間段可以是10μs，1μs，100ns或10ns。如果這樣，所述兩個圖元確定在圖元和保護環的區段處發生電荷共享。
如圖5B所示，因為傳輸載荷子的數量可以不同，圖元和保護環的區段可以具有不同的電壓和/或電流的增加速率。
階段1可以在圖元和保護環的區段處的電壓穩定時或之後結束。在圖5B的示例中，在時間te，由X射線光子產生的所有載荷子均從X射線吸收層110中移出。於是，每個圖元的電壓的變化率在te後可以基本為零。這裏，在te之後的th，階段1結束。
電壓穩定後，圖元和保護環的區段可以進入階段3。在階段3期間，控制器336和346在復位周期RST將電極連接到電接地，以允許累積在電極上的載荷子流向地並復位電壓。
RST後，系統121和122中的每個再次進入階段1，圖元和區段準備好檢測另一入射X射線光子。如果電壓比較器331或341已被停用，則控制器336或346能在RST期滿之前的任何時間將其激活。如果控制器336或346已經被停用，可以在RST期滿之前將其激活。
圖6示出：根據實施例，基於能檢測圖4中的圖元和保護環的區段之間的電荷共享的系統適於檢測X射線的方法的流程圖。在902，確定電極的電壓在時間t0開始增加。電極可以是暴露於X射線的圖元的二極體或電阻器的電觸點。在904，將時間t0與保護環的至少一個區段的相應值進行比較。在905，確定是否發生電荷共享，例如，通過檢測圖元1的時間t0和保護環的區段的時間+0是否在同一時間段內，例如10μs，1μs，100ns或10ns。
如果發生電荷共享，則過程移到916，否則，如果不發生電荷共享，則過程移到906。
在906，例如，使用第一電壓比較器331將暴露於X射線的二極體的電極或電阻器的電觸點的電壓的絕對值與第一閾值V1比較。在907，如果電壓的絕對值不等於或不超過第一閾值的絕對值，流程返回步驟906。在907，如果電壓的絕對值等於或超過第一閾值的絕對值，流程繼續到步驟908，例如在時間延遲之後或電壓穩定之後。在908，例如使用第二電壓比較器332，將電壓的絕對值為第二閾值比較。然後，流程移至910。
在910，如果電壓的絕對值不等於或不超過第二閾值的絕對值，流程進行到步驟916。如果電壓或和電壓的絕對值等於或超過第二閾值的絕對值，流程繼續到步驟912。在912，例如使用控制器336，計數器338中記錄的數目增加1。在914，例如使用控制器336，確定基於電壓的X射線光子能量。每個能量倉可以有計數器。測量X射線光子能量後，光子能量所屬的倉的計數器能被增加一。在步驟914後，該方法進入步驟916。在916，將電壓復位到電接地，例如通過將二極體的電極或電阻的電觸點連接到電接地。在916之後，流程可回到902。
圖7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。該系統可用於醫學成像，例如胸部X射線照相，腹部X射線照相，牙科X射線照相等。該系統包括X射線源701。X射線源701發出的X射線穿透物體702(例如，人體部位如胸部，肢體，腹部，嘴巴)，被物體702的內部結構(例如，骨骼，肌肉，脂肪，器官，牙齒等)不同程度的衰減，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8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素的存在。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***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。
圖9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式檢查(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9011。從X射線源9011發射的X射線可以從物體9012(例如，集裝箱，車輛，船舶等)背散射並被投射到半導體X射線檢測器100。物體9012的不同內部結構可以不同地背散射X射線。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10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式檢查(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1001。從X射線源1001發射的X射線可穿透行李1002，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11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1101。從X射線源1101發射的X射線可從被篩選的人1102和其身上的物體背散射，並被投射到半導體X射線檢測器100。所述物體和所述人體可以不同地背散射X射線。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。半導體X射線檢測器100和X射線源1101可被配置為沿直線或旋轉方向掃描人。
圖12示意性地示出包括本文所述的半導體X射線檢測器100的X射線計算機斷層掃描(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，以及X射線源1201。半導體X射線檢測器100和X射線源1201可被配置成沿一個或多個圓形或螺旋路徑同步旋轉。
圖13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1301(也稱為電子槍)。
電子源1301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1303，其可被配置為影響、加速或聚焦電子。然後電子到達樣品1302，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，其可引起從樣品發射特征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。
儘管本文公開各種方面和實施例，其他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。
114:離散區
119B:電觸點
210:區域
211:保護環
212:保護環
Claims (16)
- 一種X射線檢測器，其包括：多個圖元，其中所述檢測器被配置為：在一段時間內，對入射到所述多個圖元的每個圖元上並且能量落入多個倉的X射線光子進行計數；一保護環，其包括多個區段，其中所述檢測器被配置為檢測由所述區段收集的載荷子；一控制器，其被配置為檢測所述多個圖元中的至少一個圖元與所述保護環的至少一個區段之間的電荷共享。
- 如申請專利範圍1之檢測器，其中，所述多個圖元被布置在一陣列中。
- 如申請專利範圍1之檢測器，其中，所述檢測器被配置為：基於由所述X射線光子產生並由各圖元收集的載荷子，對所述X射線光子進行計數。
- 如申請專利範圍1之檢測器，其中，所述保護環環繞所述多個圖元。
- 如申請專利範圍1之檢測器，其中，所述控制器被配置為：通過對由所述至少一個圖元檢測的一電壓和由所述區段檢測的一電壓在一相同的時間段開始變化的確定來檢測電荷共享。
- 如申請專利範圍1之檢測器，其中，所述控制器被配置為：當所述控制器檢測所述至少一個圖元與所述至少一個區段之間的電荷共享時，忽略所述X射線光子中的一個光子。
- 一種用於檢測X射線之方法：由一檢測器的一圖元接收一X射線光子，該檢測器包括多個圖元以及包括多個區段的一保護環；檢測在所述圖元與所述保護環的一區段之間的電荷共享；當檢測到電荷共享時，忽略所述X射線光子；當沒有檢測到電荷共享並且X射線光子之一能量落入多個倉的一個倉時，將所述X射線光子計入到入射在所述圖元上且其能量在所述倉中的X射線光子之一數量。
- 如申請專利範圍7之方法，還包括：對於每個圖元，確定入射到所述圖元上且其能量在所述倉中的所述X射線光子的所述數量；確定對於所述多個圖元的一總數。
- 一種X射線系統，其包括申請專利範圍1之X射線檢測器和一X射線源，其中所述X射線系統被配置用於對人體，肢體，牙齒進行X射線照相。
- 一種X射線系統，其包括申請專利範圍1之X射線檢測器和一X射線源，其中，所述X射線系統配置為檢測X射線熒光(XRF)。
- 一種X射線系統，其包括申請專利範圍1之X射線檢測器，其中，所述X射線系統是一X射線望遠鏡，或一X射線顯微鏡，其中所述X射線系統被配置成進行***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。
- 一種X射線貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統，其包括申請專利範圍1的X射線檢測器和一X射線源，其中，所述X射線貨物掃描或非侵入式檢查系統被配置成基於背向散射X射線形成一圖像。
- 一種X射線貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統，其包括申請專利範圍1之X射線檢測器和一X射線源，其中，所述X射線貨物掃描或非侵入式檢查(NII)系統被配置成基於穿過被檢查的衣物體的X射線形成一圖像。
- 一種全身掃描系統，其包括申請專利範圍1之X射線檢測器和一X射線源。
- 一種X射線計算機斷層掃描(X射線CT)系統，其包括申請專利範圍1之X射線檢測器和一X射線源。
- 一種電子顯微鏡，其包括申請專利範圍1之X射線檢測器、一電子源和一電子光學系統。
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