TWI805631B - 用於x射線螢光的檢測器 - Google Patents

Abstract

本文所公開的是一種檢測器，包括：多個像素，每個像素配置成對某個時間週期之內入射到其上、其能量落入多個格中的X射線光子的數量進行計數；x射線吸收層；其中X射線吸收層包括像素的每個內的電氣觸點以及聚焦電極(其包圍電氣觸點，並且配置成向電氣觸點引導聚焦電極的範圍之內入射的X射線光子所生成的載荷子)；並且其中檢測器配置成相加全部像素所計數的相同能量範圍的格的X射線光子的數量。

Description

用於X射線螢光的檢測器

本文中的本公開涉及適合於X射線螢光的檢測器。

X射線螢光(XRF)是特性螢光X射線從材料的發射，其通過暴露於高能X射線或伽馬射線來激發。如果原子暴露於具有比電子的電離勢要大的光子能的X射線或伽馬射線，則原子的內層軌道上的電子被逐出，從而留下內層軌道上的空位。當原子的外層軌道上的電子鬆弛以填充內層軌道上的空位時，發射X射線(螢光X射線或二次X射線)。所發射X射線具有等於外層軌道與內層軌道電子之間的能量差的光子能。

對於給定原子，可能弛豫的數量受到限制。如圖1A所示，當L軌道上的電子鬆弛以填充K軌道(L→K)上的空位時，螢光X射線稱作K α。來自M→K弛豫的螢光X射線稱作K β。如圖1B所示，來自M→L弛豫的螢光X射線稱作L α，依此類推。

分析螢光X射線譜能夠識別樣本中的元素，因為每個元素具有特性能量的軌道。能夠通過分類光子的能量(能量擴散分析)或者通過分離螢光X射線的波長(波長擴散分析)，來分析螢光X射線。每個特性能量峰值的強度與樣本中的每個元素量直接相關。

比例計數器或者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)可用於能量擴散分析中。這些檢測器基於相同原理：入局X射線光子採用與入局X射線光子的能量成比例所產生的載荷子量來電離大量檢測器原 子。載荷子被收集和計數，以確定入局X射線光子的能量，並且該過程對下一個入局X射線光子重複進行。在許多X射線光子的檢測之後，可通過對作為其能量的函數的X射線光子的數量進行計數，來編制光譜。這些檢測器的速度受到限制，因為一個入局X射線光子所生成的載荷子必須在下一個入局X射線照射檢測器之前來收集。

波長擴散分析通常使用光電倍增器。單波長的X射線光子從入局X射線單色儀來選擇，並且被傳遞到光電倍增器中。光電倍增器在單獨X射線光子經過時對其計數。計數器是包含氣體(其是通過X射線光子可電離的)的室。中心電極相對傳導室壁以(通常)+1700V來充電，並且每個X射線光子觸發跨這個場的電流的脈衝型級聯。信號經過放大並且變換為累加數字計數。這些計數用來確定所選單波長的X射線的強度。

本文所公開的是一種檢測器，包括：多個像素，每個像素配置成對某個時間週期之內入射到其上、其能量落入多個格中的X射線光子的數量進行計數；x射線吸收層；其中X射線吸收層包括像素的每個內的電氣觸點以及聚焦電極(其包圍電氣觸點，並且配置成向電氣觸點引導聚焦電極的範圍之內入射的X射線光子所生成的載荷子)；並且其中檢測器配置成相加全部像素所計數的相同能量範圍的格的X射線光子的數量。

按照實施例，聚焦電極包括多晶矽、金屬或者金屬合金。

按照實施例，聚焦電極沒有與電氣觸點直接接觸。

按照實施例，聚焦電極包括採取柱形或柱狀形狀的分立電極。

按照實施例，分立電極沿多面或圓柱形管或錐體的表面來佈置。

按照實施例，聚焦電極包括採取多面或圓柱形管或錐體形狀的電極。

按照實施例，電氣觸點處於X射線吸收層的第一表面；其中聚焦電極在X射線吸收層的第一表面以及與第一表面相對的第二表面之間延伸。

按照實施例，聚焦電極與電氣觸點電隔離。

按照實施例，檢測器還配置成將相加數量編制為入射到檢測器上的X射線光子的光譜。

按照實施例，多個像素按照陣列來佈置。

按照實施例，像素配置成對相同時間週期之內的X射線光子的數量進行計數。

按照實施例，像素的每個包括模數轉換器(ADC)，其配置成將表示入射X射線光子的能量的模擬信號數位化為數字信號。

按照實施例，像素配置成並行地操作。

按照實施例，ADC是逐次近似寄存器(SAR)ADC。

按照實施例，檢測器還包括：第一電壓比較器，配置成將電氣觸點的電壓與第一閾值進行比較；第二電壓比較器，配置成將電壓與第二閾值進行比較；多個計數器，其各自與格關聯，並且配置成記錄像素之一所吸收的X射線光子的數量，其中X射線光子的能量落入格中；其中，控制器配置成從第一電壓比較器確定電壓的絕對值等於或超過第一閾值的絕對值的時間開始時間延遲；其中控制器配置成確定X射線光子的能量是否落入格中；控制器配置成使與格關聯的計數器所記錄的數值增加一。

按照實施例，檢測器還包括電容器模組，其電連接到電氣觸點，其中電容器模組配置成收集來自電氣觸點的載荷子。

按照實施例，控制器配置成在時間延遲開始或到期時啟動第二電壓比較器。

按照實施例，控制器配置成將電氣觸點連接到電接地。

按照實施例，電壓的變化率在時間延遲到期時基本上為零。

按照實施例，X射線吸收層包括二極體。

按照實施例，X射線吸收層包括矽、鍺、GaAs、CdTe、CdZnTe或者其組合。

按照實施例，檢測器沒有包括閃爍器。

本文所公開的是一種包括上述檢測器以及X射線源的系統，其中該系統配置成對人體胸腔或腹部執行X射線照相。

按照實施例，該系統包括上述檢測器以及X射線源，其中該系統配置成對人體口腔執行X射線照相。

本文所公開的是一種貨物掃描或者非侵入式檢查(NII)系統，包括上述檢測器以及X射線源，其中貨物掃描或者非侵入式檢查(NII)系統配置成使用後向散射X射線來形成圖像。

本文所公開的是一種貨物掃描或者非侵入式檢查(NII)系統，包括上述檢測器以及X射線源，其中貨物掃描或者非侵入式檢查(NII)系統配置成使用經過被檢查對象所透射的X射線來形成圖像。

本文所公開的是一種全身掃描器系統，包括上述檢測器以及X射線源。

本文所公開的是一種X射線電腦斷層掃描(x射線CT)系統，包括上述檢測器以及X射線源。

本文所公開的是一種電子顯微鏡，包括上述檢測器、電子源以及電子光學系統。

本文所公開的是一種系統，包括上述檢測器，其中該系統是X射線望遠鏡或X射線顯微鏡，或者其中該系統配置成執行乳房X射線照相、工業缺陷檢測、顯微射線照相、鑄件檢查、焊接檢查或數字減影血管造影。

100‧‧‧檢測器

100A、100B、100C‧‧‧計數器

110‧‧‧X射線吸收層

111‧‧‧第一摻雜區

112‧‧‧本征區

113‧‧‧第二摻雜區

114‧‧‧分立區

119A、119B‧‧‧電氣觸點

120‧‧‧電子層

121‧‧‧電子系統

130‧‧‧填充材料

131‧‧‧通孔

150‧‧‧像素

151‧‧‧x射線光子的能量

152‧‧‧步驟

153A、153B、153C‧‧‧格

154A、154B、154C‧‧‧計數器

301‧‧‧第一電壓比較器

302‧‧‧第二電壓比較器

305‧‧‧開關

306‧‧‧ADC

309‧‧‧電容器模組

310‧‧‧控制器

320‧‧‧多個計數器

320A、320B、320C、320D‧‧‧計數器

1101、1106、1107‧‧‧聚焦電極

RST‧‧‧復位期

t0、t1、t2、te、ts、tm、tr‧‧‧時間

TD1‧‧‧時間延遲

V1‧‧‧第一閾值

V2‧‧‧第二閾值

1201‧‧‧X射線源

1202‧‧‧對象

1301‧‧‧X射線源

1302‧‧‧對象

1401‧‧‧X射線源

1402‧‧‧對象

1501‧‧‧X射線源

1502‧‧‧行李

1601‧‧‧X射線源

1602‧‧‧人體

1701‧‧‧X射線源

1801‧‧‧電子源

1802‧‧‧樣本

1803‧‧‧電子光學系統

圖1A和圖1B示意示出XRF的機制。

圖2示意示出按照實施例、適合於XRF的檢測器。

圖3示意示出按照實施例的檢測器的框圖。

圖4A示意示出按照實施例的檢測器的截面圖。

圖4B示意示出按照實施例的檢測器的詳細截面圖。

圖4C示意示出按照實施例的檢測器的備選詳細截面圖。

圖5A和圖5B各示意示出按照實施例、包括聚焦電極的檢測器的截面圖。

圖6A和圖6B各示意示出按照實施例的聚焦電極和電氣觸點的頂視圖。

圖7A、圖7B和圖7C各示意示出按照實施例的聚焦電極。

圖8A和圖8B各示出按照實施例的檢測器的電子系統的組件圖。

圖9示意示出入射到與電氣觸點關聯的像素上的X射線光子所生成的載荷子所引起的流經電氣觸點的電流的時間變化(上曲線)以及電氣觸點的電壓的對應時間變化(下曲線)。

圖10示意示出按照實施例的系統，其包括本文所述的半導體X射線檢測器，適合於諸如胸腔X射線照相、腹部X射線照相等的醫療成像。

圖11示意示出按照實施例的系統，其包括本文所述的半導體X射線檢測器，適合於牙科X射線照相。

圖12示意示出按照實施例、包括本文所述的半導體X射線檢測器的貨物掃描或者非侵入式檢查(NII)系統。

圖13示意示出按照實施例、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者非侵入式檢查(NII)系統。

圖14示意示出按照實施例、包括本文所述的半導體X射線檢測器的全身掃描器系統。

圖15示意示出按照實施例、包括本文所述的半導體X射線檢測器的X射線電腦斷層掃描(X射線CT)系統。

圖16示意示出按照實施例、包括本文所述的半導體X射線檢測器的電子顯微鏡。

圖2示意示出按照實施例、適合於XRF的檢測器100。檢測器具有像素150的陣列。陣列可以是矩形陣列、蜂窩陣列、六邊形陣列或者任何其他適當陣列。每個像素150配置成檢測入射到其上的X射線光子，並且測量X射線光子的能量。例如，每個像素150配置成對某個時間週期之內入射到其上、其能量落入多個格中的X射線光子的數量進行計數。全部像素150可配置成對相同時間週期之內在能量的多個格內入射到其上的X射線光子的數量進行計數。每個像素150可具有其自己的模數轉換器(ADC)，其配置成將表示入射X射線光子的能量的模擬信號數位化為數字信號。對於XRF應用，具有10位解析度或更高的ADC是有用的。每個像素150可配置成例如在入射到其上的每個X射線光子之前或併發地測量其暗電流。每個像素150可配置成從入射到其上的X射線光子的能量來推斷暗電流的份額。像素150可配置成並行地操作。例如，當一個像素150測量入射X射線光子時，另一個像素150可等待X射線光子到達。像素150可以不必是單獨可尋址的。

檢測器100可具有至少100、2500、10000或者更多像素150。檢測器100可配置成相加全部像素150所計數的相同能量範圍的格的X射線光子的數量。例 如，檢測器100可相加從70KeV至71KeV的能量的格中存儲的像素150的數量，相加從71KeV至72KeV的能量的格中存儲的像素150的數量，依此類推。檢測器100可將格的相加數量編制為入射到檢測器100上的X射線光子的光譜。

圖3示意示出按照實施例的檢測器100的框圖。每個像素150可測量入射到其上的x射線光子的能量151。X射線光子的能量151在步驟152(例如由ADC)來數位化到多個格153A、153B、153C...其中之一。格153A、153B、153C...各自分別具有對應計數器154A、154B和154C。當能量151被分配到格中時，對應計數器中存儲的數值增加一。檢測器100可相加與像素150中的相同能量範圍的格對應的全部計數器中存儲的數量。例如，全部像素150中的全部計數器154C中存儲的數量可在相同能量範圍的全局計數器100C中相加和存儲。全部全局計數器中存儲的數量可編制為入射到檢測器100上的X射線的能譜。

圖4A示意示出按照實施例的檢測器100的截面圖。檢測器100可包括X射線吸收層110和電子層120(例如ASIC)，以用於處理或分析入射X射線在X射線吸收層110中生成的電信號。在實施例中，檢測器100沒有包括閃爍器。X射線吸收層110可包括半導體材料，例如矽、鍺、GaAs、CdTe、CdZnTe或者其組合。半導體對感興趣X射線能量可具有高質量衰減係數。

如圖4B中的檢測器100的詳細截面圖所示，按照實施例，X射線吸收層110可包括一個或多個二極體(例如p-i-n或p-n)，其通過第一摻雜區111以及第二摻雜區113的一個或多個分立區114所形成。第二摻雜區113可通過可選本征區112與第一摻雜區111分隔。分立區114通過第一摻雜區111或本征區112相互分隔。第一摻雜區111和第二摻雜區113具有相反類型的摻雜(例如，區域111為p型，而區域113為n型，或者區域111為n型，而區域113為p型)。在圖4B的示例中，第二摻雜區113的分立區114的每個形成具有第一摻雜區111和 可選本征區112的二極體。即，在圖4B的示例中，X射線吸收層110具有多個二極體，其具有作為共用電極的第一摻雜區111。第一摻雜區111還可具有分立部分。

當X射線光子照射X射線吸收層110(其包括二極體)時，X射線光子可被吸收，並且通過多個機制來生成一個或多個載荷子。X射線光子可生成10至100000個載荷子。載荷子可在電場下漂移到二極體之一的電極。該電場可以是外部電場。電氣觸點119B可包括分立部分，其每個與分立區114進行電接觸。在實施例中，載荷子可沿方向漂移，使得單個X射線光子所生成的載荷子基本上沒有由兩個不同分立區114所共用(“基本上沒有共用”在這裏表示這些載荷子的不到2%、不到0.5%、不到0.1%或者不到0.01%流動到分立區114中與載荷子的其餘部分不同的分立區114)。通過在這些分立區114之一的佔用面積周圍入射的X射線光子所生成的載荷子基本上沒有與這些分立區114的另一個共用。與分立區114關聯的像素150可以是分立區114周圍的一個區域，其中入射到其上的X射線光子所生成的基本上全部(超過98%、超過99.5%、超過99.9%或者超過99.99%)載荷子流動到分立區114。即，這些載荷子的不到2%、不到1%、不到0.1%或者不到0.01流動到像素之外。

如圖4C的檢測器的備選詳細截面圖所示，按照實施例，X射線吸收層110可包括半導體材料(例如矽、鍺、GaAs、CdTe、CdZnTe或者其組合)的電阻器，但是沒有包括二極體。半導體對感興趣X射線能量可具有高質量衰減係數。

當X射線光子照射X射線吸收層110(其包括電阻器但沒有包括二極體)時，它可被吸收，並且通過多個機制來生成一個或多個載荷子。X射線光子可生成10至100000個載荷子。載荷子可在電場下漂移到電氣觸點119A和119B。該電場可以是外部電場。電氣觸點119B包括分立部分。在實施例中，載荷子可沿方 向漂移，使得單個X射線光子所生成的載荷子基本上沒有由電氣觸點119B的兩個不同分立部分所共用(“基本上沒有共用”在這裏表示這些載荷子的不到2%、不到0.5%、不到0.1%或者不到0.01%流動到分立部分中與載荷子的其餘部分不同的分立部分)。通過在電氣觸點119B的這些分立部分之一的佔用面積周圍入射的X射線光子所生成的載荷子基本上沒有與電氣觸點119B的這些分立部分的另一個共用。與電氣觸點119B的分立部分關聯的像素150可以是分立部分周圍的一個區域，其中入射到其上的X射線光子所生成的基本上全部(超過98%、超過99.5%、超過99.9%或者超過99.99%)載荷子流動到電氣觸點119B的分立部分。即，這些載荷子的不到2%、不到0.5%、不到0.1%或者不到0.01流動到與電氣觸點119B的一個分立部分關聯的像素之外。

電子層120可包括電子系統121，其適合於處理或解釋入射到X射線吸收層110上的X射線光子所生成的信號。電子系統121可包括模擬電路(例如濾波器網路、放大器、積分器和比較器)或者數字電路(例如微處理器和記憶體)。電子系統121可包括像素所共用的組件或者專用於單個像素的組件。例如，電子系統121可包括專用於每個像素的放大器以及在全部像素之間共用的微處理器。電子系統121可通過通孔131電連接到像素。通孔之間的空間可填充有填充材料130，其可創建電子層120到X射線吸收層110的連接的機械穩定性。將電子系統121連接到像素而沒有使用通孔的其他接合技術是可能的。

圖5A和圖5B各示意示出按照實施例、包括聚焦電極的檢測器的截面圖。電氣觸點119B的每個可由聚焦電極1101所包圍。聚焦電極1101包括導電材料，例如多晶矽、金屬或金屬合金。電氣觸點119B處於X射線吸收層的兩個相對表面其中之一；聚焦電極在X射線吸收層的兩個相對表面之間延伸。

在使用期間，當與電氣觸點119B從X射線吸收層110所收集的載荷子相同的極性的電位(例如，在電氣觸點119B收集電子時為負電位)施加到聚焦電極1101時，電位生成電場，其向電氣觸點119B引導這些載荷子(其可通過在聚焦電極1101的範圍之內入射的X射線光子所生成)。聚焦電極可配置成限制這些載荷子的移動，並且將這些載荷子引導到電氣觸點119B。聚焦電極1101可採取諸如多面或圓柱形管或錐體之類的適當形式。按照如圖5A所示的實施例，聚焦電極1101採取圓柱形管的形式。按照如圖5B所示的實施例，聚焦電極1101採取圓柱錐體的形式，其中具有在更靠近電氣觸點119B的一端的更窄開口。在另一個實施例中，聚焦電極1101可採取環形或者一系列環形的形式。按照實施例，聚焦電極1101沒有與電氣觸點119B和119A直接接觸，並且與電氣觸點119B和119A電隔離。按照實施例，聚焦電極1101與電氣觸點119A直接接觸(並且因而具有與其相同的電位)，而與電氣觸點119B電隔離。

圖6A和圖6B各示意示出按照實施例的聚焦電極和電氣觸點的頂視圖。聚焦電極1101可以是具有相同大小的兩個開口的多面形管。開口的截面形狀可以是正方形。聚焦電極1101的開口的截面面積可大於聚焦電極1101所包圍的電氣觸點119B的截面面積。多個聚焦電極1101可按照陣列來佈置，使得每個聚焦電極1101包圍電氣觸點119B其中之一。如圖6A所示，可合併多個聚焦電極1101。備選地，如圖6B所示，多個聚焦電極1101可隔著某個距離來佈置。

圖7A、圖7B和圖7C各示意示出按照實施例的聚焦電極。圖7A示出圖6A中的聚焦電極1101的示例，其包括具有正方形形狀的兩個開口的多面形管。圖7B示出聚焦電極1106的示例，其包括具有圓形形狀的兩個開口的圓柱形管。如上所述，例如圖7A和圖7B所示的多面形管和圓柱形管也可以是錐形形狀，其中具有遠離電氣觸點119B的開口，其比接近電氣觸點119B的開口要大。圖7C 示出聚焦電極1107的示例，其包括採取柱形或柱狀的形狀，並且分立電極沿多面或圓柱形管或錐體的表面來佈置。

圖8A和圖8B各示出按照實施例的電子系統121的組件圖。電子系統121可包括第一電壓比較器301、第二電壓比較器302、多個計數器320(包括計數器320A、320B、320C、320D...)、開關305、ADC 306和控制器310。

第一電壓比較器301配置成將電氣觸點119B的分立部分的電壓與第一閾值進行比較。第一電壓比較器301可配置成直接監測電壓，或者通過對某個時間週期對流經二極體或電氣觸點的電流求積分來計算電壓。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可配置成連續被啟動，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降低系統121缺失入射X射線光子所生成的信號的機會。當入射X射線強度較高時，配置為連續比較器的第一電壓比較器301是特別適合的。第一電壓比較器301可以是定時比較器，其具有更低功率消耗的有益效果。配置為定時比較器的第一電壓比較器301可能使系統121缺失入射X射線光子所生成的信號。當入射X射線強度較低時，缺失入射X射線光子的機會較低，因為兩個連續光子之間的時間間隔較長。因此，當入射X射線強度較低時，配置為定時比較器的第一電壓比較器301是特別適合的。第一閾值可以是一個入射X射線光子可在電氣觸點119B上生成的最大電壓的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的材料和其他因素。例如，第一閾值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。

第二電壓比較器302配置成將電壓與第二閾值進行比較。第二電壓比較器302可配置成直接監測電壓，或者通過對某個時間週期對流經二極體或電氣觸點 的電流求積分來計算電壓。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。當停用第二電壓比較器302時，第二電壓比較器302的功率消耗可小於啟動第二電壓比較器302時的功率消耗的1%、5%、10%或20%。第二閾值的絕對值大於第一閾值的絕對值。如本文所使用的術語實數x的“絕對值”或“模量”|x|是x的非負值，而不考 慮其符號。即，

。第二閾值可以是第一閾值的 200%-300%。例如，第二閾值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二電壓比較器302和第一電壓比較器310可以是同一組件。即，系統121可具有一個電壓比較器，其能夠在不同時間將電壓與兩個不同閾值進行比較。

第一電壓比較器301或者第二電壓比較器302可包括一個或多個op-amp或者任何其他適當電路。第一電壓比較器301或第二電壓比較器302可具有高速度，以允許系統121在入射X射線的高通量下操作。但是，具有高速度常常以功率消耗為代價。

計數器320可以是軟體組件(例如電腦記憶體中存儲的數值)或硬體組件(例如4017 IC和7490 IC)。每個計數器320與能量範圍的格關聯。例如，計數器320A可與70-71 KeV的格關聯，計數器320B可與71-72 KeV的格關聯，計數器320C可與72-73 KeV的格關聯，計數器320D可與73-74 KeV的格關聯。當入射X射線光子的能量由ADC 306來確定為處於計數器320所關聯的格中時，計數器320中記錄的數值增加一。

控制器310可以是硬體組件，例如微控制器或者微處理器。控制器310配置成從第一電壓比較器301確定電壓的絕對值等於或超過第一閾值的絕對值(例如，電壓的絕對值從低於第一閾值的絕對值增加到等於或高於第一閾值的絕對 值的值)的時間開始時間延遲。在這裏使用絕對值，因為電壓可以為負或正，這取決於是二極體的陰極還是陽極的電壓或者使用哪一個電氣觸點。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過第一閾值的絕對值的時間之前保持停用第一電壓比較器301的操作不要求的第二電壓比較器302、計數器320和任何其他電路。時間延遲可在電壓變穩定、即電壓的變化率基本上為零之後到期。詞語“變化率基本上為零”表示時間變化小於0.1%/ns。詞語“變化率基本上為非零”表示電壓的時間變化至少為0.1%/ns。

控制器310可配置成在該時間延遲期間(包括開始和到期)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”表示使組件進入操作狀態(例如通過發送諸如電壓脈衝或邏輯電平之類的信號、通過提供電力等)。術語“停用”表示使組件進入非操作狀態(例如通過發送諸如電壓脈衝或邏輯電平之類的信號、通過切斷電力等)。操作狀態可具有比非操作狀態要高的功率消耗(例如高10倍、高100倍、高1000倍)。控制器310本身可停用，直到第一電壓比較器301的輸出在電壓的絕對值等於或超過第一閾值的絕對值時啟動控制器310。

控制器310可配置成在時間延遲期間、第二電壓比較器302確定電壓的絕對值等於或超過第二閾值的絕對值並且X射線光子的能量落入與計數器320關聯的格中時，使計數器320之一所記錄的數值增加一。

控制器310可配置成在時間延遲到期時使ADC 306數位化電壓，並且基於電壓來確定X射線光子的能量落入哪一格。

控制器310可配置成將電氣觸點119B連接到電接地，以便重置電壓，並且排放電氣觸點119B上累積的任何載荷子。在實施例中，電氣觸點119B在時間延遲到期之後連接到電接地。在實施例中，電氣觸點119B對有限重置時間週期 連接到電接地。控制器310可通過控制開關305將電氣觸點119B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沒有模擬濾波器網路(例如RC網路)。在實施例中，系統121沒有模擬電路。

ADC 306可將所測量的電壓作為模擬或數字信號來饋送給控制器310。ADC可以是逐次近似寄存器(SAR)ADC(又稱作逐次近似ADC)。SAR ADC在最終會聚於模擬信號的數字輸出之前經由經過全部可能的量化電平的二進位搜索來數位化模擬信號。SAR ADC可具有四個主要子電路：取樣和保持電路，獲取輸入電壓(Vin)；內部數模轉換器(DAC)，配置成為模擬電壓比較器供應等於逐次近似寄存器(SAR)的數字代碼輸出的模擬電壓；模擬電壓比較器，其將Vin與內部DAC的輸出進行比較，並且向SAR輸出比較結果；以及SAR，配置成向內部DAC供應Vin的近似數字代碼。SAR可初始化，使得最高有效位(MSB)等於數字1。這個代碼被饋入內部DAC，其然後將這個數字代碼(Vref/2)的模擬等效體提供到比較器中供與Vin的比較。如果這個模擬電壓超過Vin，則比較器使SAR重置這個位；否則此位保持為1。然後，SAR的下一位設置為1，並且進行相同測試，從而繼續進行這個二進位搜索，直到測試SAR中的每一位。所產生代碼是Vin的數字近似，並且最終由SAR在數位化結束時輸出。

系統121可包括電容器模組309，其電連接到電氣觸點119B，其中電容器模組配置成收集來自電氣觸點119B的載荷子。電容器模組能夠包括放大器的回饋路徑中的電容器。這樣配置的放大器稱作電容互阻抗放大器(CTIA)。CTIA通過阻止放大器飽和而具有高動態範圍，並且通過限制信號路徑中的帶寬來改進信噪比。來自電極的載荷子對某個時間週期(“積分週期”)(例如，如圖9所示，在tS與t0之間)在電容器上累積。在積分週期已經到期之後，電容器電壓由ADC 306來取樣，並且然後通過複位開關來複位。電容器模組309能夠包括直接連接到電氣觸點119B的電容器。

圖9示意示出入射到與電氣觸點119B關聯的像素150上的X射線光子所生成的載荷子所引起的流經電氣觸點119B的電流的時間變化(上曲線)以及電氣觸點119B的電壓的對應時間變化(下曲線)。電壓可以是電流相對時間的積分。在時間t0，X射線光子照射二極體或電阻器，載荷子在像素150中生成，電流開始流經電氣觸點119B，並且電氣觸點119B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過第一閾值V1的絕對值，以及控制器310開始時間延遲TD1，並且控制器310可在TD1開始時停用第一電壓比較器301。如果在t1之前停用控制器310，則在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。如這裏所使用的術語在時間延遲“期間”表示開始和到期(即，結束)以及它們之間的任何時間。例如，控制器310可在TD1到期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確定電壓的絕對值在時間t2等於或超過第二閾值的絕對值，則控制器310等待電壓的穩定開始穩定。當X射線光子所生成的全部載荷子漂移出X射線吸收層110時，電壓在時間te穩定。在時間ts，時間延遲TD1到期。在時間te或之後，控制器310使ADC 306數位化電壓，並且確定X射線光子的能量落入哪一格。控制器310然後使與格對應的計數器320所記錄的數值增加一。在圖9的示例中，時間ts在時間te之後，即，TD1在X射線光子所生成的全部載荷子漂移出X射線吸收層110之後到期。如果時間te不能容易地測量，則TD1能夠憑經驗來選擇成允許充分時間收集X射線光子所生成的基本上全部載荷子，但是不會過長而冒具有另一個入射X射線光子的風險。即，TD1能夠憑經驗選擇成使得ts憑經驗在時間te之後。時間ts不一定在時間te之後，因為控制器310可在達 到V2時則忽視TD1，並且等待時間te。電壓與暗電流對電壓的份額之間的差的變化率因而在te基本上為零。控制器310可配置成在TD1到期時或者在t2或者它們之間的任何時間停用第二電壓比較器302。

在時間te的電壓與X射線光子所生成的載荷子量(其涉及X射線光子的能量)成比例。控制器310可配置成基於ADC 306的輸出來確定X射線光子的能量落入哪一格。

在TD1到期或者ADC 306進行的數位化(更遲的無論哪一個)之後，控制器310對複位週期RST將電氣觸點119B連接到電接地，以允許電氣觸點119B上累積的載荷子流動到接地，並且重置電壓。在RST之後，系統121準備好檢測另一個入射X射線光子。隱含地，系統121能夠在圖9的示例中所操控的入射X射線光子的速率通過1/(TD1+RST)來限制。如果第一電壓比較器301已經停用，則控制器310能夠在RST到期之前的任何時間將它啟動。如果控制器310已經停用，則它可在RST到期之前被啟動。

因為檢測器100具有可並行操作的許多像素150，所以檢測器能夠操控入射X射線光子的高許多的速率。這是因為特定像素150上的入射速率是像素的整個陣列上的入射速率的1/N，其中N為像素的數量。

圖10示意示出包括本文所述半導體X射線檢測器100的系統。該系統可用於醫療成像，例如胸腔X射線照相、腹部X射線照相等。該系統包括X射線源1201。從X射線源1201所發射的X射線穿透對象1202(例如，人體部位，例如胸腔、肢體、腹部)，通過對象1202的內部結構(例如骨骼、肌肉、脂肪和器官等)不同程度地被衰減，並且投 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射線的強度分佈來形成圖像。

圖11示意示出包括本文所述半導體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所發射的X射線穿透對象1302，其是哺乳動物(例如人類)口腔的部分。對象1302可包括上頜骨、齶骨、牙齒、下頜骨或舌頭。X射線通過對象1302的不同結構不同程度地被衰減，並且投射到半導體X射線檢測器100。半導體X射線檢測器100通過檢測X射線的強度分佈來形成圖像。牙齒比蛀牙、感染、牙周膜要更多地吸收X射線。由牙科患者所接收的X射線輻射的劑量通常較小(對全口系列為大約0.150mSv)。

圖12示意示出包括本文所述的半導體X射線檢測器100的貨物掃描或者非侵入式檢查(NII)系統。該系統可用於檢查和識別運輸系統(例如集裝箱、車輛、船舶、行李等)中的商品。該系統包括X射線源1401。從X射線源1401所發射的X射線可從對象1402(例如集裝箱、車輛、船舶等)後向散射，並且投射到半導體X射線檢測器100。對象1402的不同內部結構可不同地後向散射X射線。半導體X射線檢測器100通過檢測後向散射X射線的強度分佈和/或後向散射X射線光子的能量來形成圖像。

圖13示意示出包括本文所述的半導體X射線檢測器100的另一個貨物掃描或者非侵入式檢查(NII)系統。該系統可用於公共交通車站和機場的行李檢查。該系統包括X射線源1501。從X射線源1501所發射的X射線可穿透一件行李1502，通過行李的內容以不同方式衰減， 並且投射到半導體X射線檢測器100。半導體X射線檢測器100通過檢測所透射X射線的強度分佈來形成圖像。該系統可展現行李的內容，並且識別對公共交通所禁止的商品(例如火器、麻醉劑、銳器、易燃品)。

圖14示意示出包括本文所述半導體X射線檢測器100的全身掃描器系統。全身掃描器系統可為了安檢而檢測人體上的對象，而無需物理上移開服裝或進行物理接觸。該全身掃描器系統可以能夠檢測非金屬對象。該全身掃描器系統包括X射線源1601。從X射線源1601所發射的X射線可從被檢查人體1602和其上的對象後向散射，並且投射到半導體X射線檢測器100。對象和人體可不同地後向散射X射線。半導體X射線檢測器100通過檢測後向散射的X射線的強度分佈來形成圖像。半導體X射線檢測器100和X射線源1601可配置成沿線性或旋轉方向來掃描人體。

圖15示意示出X射線電腦斷層掃描(x射線CT)系統。X射線CT系統使用電腦處理X射線來產生被掃描對象的特定區域的斷層掃描圖像(虛擬“層面”)。斷層掃描圖像可用於各種醫學學科中的診斷和治療目的或者用於瑕疵檢測、故障分析、度量衡、組合件分析和逆向工程。X射線CT系統包括本文所述的半導體X射線檢測器100以及X射線源1701。半導體X射線檢測器100和X射線源1701可配置成沿一個或多個圓形或螺旋路徑同步地旋轉。

圖16示意示出電子顯微鏡。電子顯微鏡包括電子源1801(又稱作電子槍)，其配置成發射電子。電子源1801可具有各種發射機構，例如熱離子、光電陰極、冷發射或等離子體源。所發射電子經過電子光 系統1803，其可配置成對電子進行整形、加速或聚焦。電子然後到達樣本1802，並且圖像檢測器可從其中形成圖像。電子顯微鏡可包括本文所述的半導體X射線檢測器100，以用於執行能量擴散X射線光譜(EDS)。EDS是用於樣本的元素分析或化學表徵的分析技術。當電子入射到樣本時，它們引起特性X射線從樣本的發射。入射電子可激發樣本的原子的內核層中的電子，從而在創建電子所在的電子空穴的同時將它從殼層中逐出。來自更高能量外殼層的電子然後填充空穴，並且更高能量殼層與更低能量殼層之間的能量的差可採取X射線形式來釋放。從樣本所發射的X射線的數量和能量能夠由半導體X射線檢測器100來測量。

這裏所述的半導體X射線檢測器100可得到其他應用，例如在X射線望遠鏡、X射線乳房X射線照相、工業X射線缺陷檢測、X射線顯微鏡或顯微射線照相、x射線鑄件檢查、X射線無損測試、X射線焊接檢查、X射線數字減影血管造影等。可適合使用這個半導體X射線檢測器100代替照相底板、膠片、PSP板、X射線圖像增強器、閃爍器或者另一個半導體X射線檢測器。

雖然本文公開了各個方面和實施例，但是其他方面和實施例將是本領域的技術人員清楚知道的。本文所公開的各個方面和實施例是為了便於說明而不是要進行限制，其中真實範圍和精神通過以下權利要求書來指示。

110‧‧‧X射線吸收層

119A、119B‧‧‧電氣觸點

120‧‧‧電子層

121‧‧‧電子系統

130‧‧‧填充材料

131‧‧‧通孔

1101‧‧‧聚焦電極

Claims (23)

1. 一種檢測器，包括：多個像素，每個像素配置成對某個時間週期之內入射到其上、其能量落入多個格中的X射線光子的數量進行計數；X射線吸收層；其中所述X射線吸收層包括所述每個像素內的電氣觸點以及聚焦電極，其包圍所述電氣觸點，並且配置成向所述電氣觸點引導所述聚焦電極的範圍之內入射的X射線光子所生成的載荷子；以及其中所述檢測器配置成相加全部所述像素所計數的相同能量範圍的所述格的X射線光子的所述數量。
2. 如申請專利範圍第1項之檢測器，其中，所述聚焦電極包括多晶矽、金屬或金屬合金。
3. 如申請專利範圍第1項之檢測器，其中，所述聚焦電極沒有與所述電氣觸點直接接觸。
4. 如申請專利範圍第1項之檢測器，其中，所述聚焦電極包括採取柱形或柱狀形狀的分立電極。
5. 如申請專利範圍第4項之檢測器，其中，所述分立電極沿多面或圓柱形管或錐體的表面來佈置。
6. 如申請專利範圍第1項之檢測器，其中，所述聚焦電極包括採取多面或圓柱形管或錐體的形狀的電極。
7. 如申請專利範圍第1項之檢測器，其中，所述電氣觸點處於所述X射線吸收層的第一表面；其中所述聚焦電極在所述X射線吸收層的所述第一表面以及與所述第一表面相對的第二表面之間延伸。
8. 如申請專利範圍第1項之檢測器，其中，所述聚焦電極與所述電氣觸點電隔離。
9. 如申請專利範圍第1項之檢測器，還配置成將所述相加數量編制為入射到所述檢測器上的所述X射線光子的光譜。
10. 如申請專利範圍第1項之檢測器，其中，所述多個像素按照陣列來佈置。
11. 如申請專利範圍第1項之檢測器，其中，所述像素配置成對相同時間週期之內的X射線光子的所述數量進行計數。
12. 如申請專利範圍第1項之檢測器，其中，所述像素的每個包括模數轉換器(ADC)，其配置成將表示入射X射線光子的所述能量的模擬信號數位化為數字信號。
13. 如申請專利範圍第1項之檢測器，其中，所述像素配置成並行地操作。
14. 如申請專利範圍第12項之檢測器，其中，所述ADC是逐次近似寄存器(SAR)ADC。
15. 如申請專利範圍第1項之檢測器，還包括：第一電壓比較器，配置成將所述電氣觸點的電壓與第一閾值進行比較；第二電壓比較器，配置成將所述電壓與第二閾值進行比較；控制器；多個計數器，各與格關聯，並且配置成記錄所述像素之一所吸收的X射線光子的數量，其中所述X射線光子的所述能量落入所述格中； 其中所述控制器配置成從所述電壓比較器確定所述電壓的絕對值等於或超過所述第一閾值的絕對值的時間開始時間延遲；所述控制器配置成確定X射線光子的能量是否落入所述格中；所述控制器配置成使與所述格關聯的所述計數器所記錄的所述數值增加一。
16. 如申請專利範圍第15項之檢測器，還包括電容器模組，其電連接到所述電氣觸點，其中所述電容器模組配置成收集來自所述電氣觸點的載荷子。
17. 如申請專利範圍第15項之檢測器，其中，所述控制器配置成在所述時間延遲開始或到期時啟動所述第二電壓比較器。
18. 如申請專利範圍第15項之檢測器，其中，所述控制器配置成將所述電氣觸點連接到電接地。
19. 如申請專利範圍第15項之檢測器，其中，所述電壓的變化率在所述時間延遲到期時基本上為零。
20. 如申請專利範圍第15項之檢測器，其中，所述X射線吸收層包括二極體。
21. 如申請專利範圍第15項之檢測器，其中，X射線吸收層包括矽、鍺、GaAs、CdTe、CdZnTe或者其組合。
22. 如申請專利範圍第1項之檢測器，其中，所述檢測器沒有包括閃爍器。
23. 一種包括如申請專利範圍第1項之檢測器以及X射線源的系統，其中，所述系統配置成對人體胸腔或腹部執行X射線照相。

Images