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专利名称：具有操纵电极的辐射探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种辐射探測器和用于探测辐射的方法，所述辐射的探測包括将入射辐射转换为由阳极的阵列探测的电信号。此外，本发明涉及包括这样的辐射探測器的检查装置，具体而言涉及光子计数能量分辨CT扫描器。
背景技术：
W09714060A1公开了ー种辐射探测器，包括在ー侧具有阴极而另ー侧具有阳极的阵列的半导体晶体。为降低測量信号的低能拖尾，阳极被设计为具有很小的面积并且被置于栅格状控制电极的单元格中，该栅格状控制电极能够被施加以负电势。

发明内容
基于此背景，本发明的目的是提供具有高精确度的辐射探測器，尤其是用在类似光谱CT的光子计数应用中的辐射探測器。此目的由根据权利要求1所述的辐射探測器、根据权利要求11所述的方法，以及根据权利要求13所述的检查设备实现。优选实施例在从属权利要求中公开。根据其第一方面，本发明涉及用于入射辐射，特别是如X射线或Y射线的高能辐射的探测的辐射探測器。所述辐射探測器包括下列部件:a)转换器元件，其用于将入射辐射转换为电信号。能够用将待探測的入射辐射变换为电信号，具体而言变换为电荷脉冲(例如，分别为材料的价带传导中的电子-空穴对)的任何合适的直接转换材料制作该转换器元件。b)电极的周期性的或准周期性的阵列，其被设置在前述转换器元件的第一侧面上。所述电极在下文中被称为“阳扱”因为在操作期间他们典型地被设定为比ー些參考电势更正的电势(贯穿本文，术语“电势”应指电的电势)。但是应当注意，此名称的使用不应排除将上述电极用于手头的应用所需的任何电势的可能性。c)至少两个电极，其设置成邻近两个不同的阳极的上述阵列，并且在下文中被称为“操纵电极”(steering electrode)。该操纵电极应当与邻近的阳极电绝缘,例如这能利用在阳极和操纵电极间设置合适的绝缘材料实现。最优选地，操纵电极被设置在转换器元件的与阳极相同的表面，在每个操纵电极和其相邻阳极间具有绝缘隙。此外，优选邻近阵列的每个阳极设置ー个操纵电极(不需要是不同的操纵电极)。d)控制单元，其与前述操纵电极连接以向他们施加不同电势。应当注意向操纵电极施加不同电势的能力不排除根据具体情况控制単元同样能够向操纵电极施加相同电势。在一个简单例子里，控制单元可能仅能够向操纵电极施加相同图样的电势(也许除了ー些共同偏移之外)，以使得两个具体操纵电极间总有相同的电压。在一些更精细的实施例中，控制单元可能适于向操纵电极施加能够在某些范围内设定或调整的独立电势。本发明还涉及用于辐射探測的方法，所述方法包括下列步骤:a)在转换元件中将入射辐射转换为电信号。
b)向设置于该转换器元件的第一侧面上的阳极的周期性的或准周期性的阵列施加第一电势。c)向邻近两个不同阳极设置的至少两个操纵电极施加不同的电势。本方法包括能够利用上述种类的辐射探测器执行的步骤的一般形式。因此，对于本方法细节的更多信息，參照关于辐射探測器的上述描述。上面定义的辐射探測器和方法包括了邻近阳极的操纵电极的应用，其中所述操纵电极可以被设置到不同电势。结果此方法显著地改进利用阳极阵列取得的测量的精确度，因为操纵电极的辅助电势能够被拟合到阳极中占主导的条件的空间差异，这是由晶体中的缺陷导致的。在下文中，将描述与上述辐射探測器和方法有关的本发明的各种优选实施例。通常，操纵电极和相关联的阳极的任何相邻或邻近的布置都是可能的。在优选的实施例中，设计至少ー个操纵电极以使得其围绕相关联的阳极。在这种情况下，操纵电极的电荷引导效应能够表现出高度対称性。优选以此方式设计所有操纵电极。在上述实施例的进ー步发展中，阳极被设置成相对于周围的操纵电极偏离中心。在这种情况下，能够为操纵电极和阳极的分离的电结合(contracting)获得更多的空间。如果阳极阵列中的每个阳极与不同的邻近的操纵电极关联，能够实现最高的操作灵活性。不过，可能允许至少一个操纵电极邻近两个或更多个阳极设置已经足够在粗略的空间尺度上改变操纵电极的电势。这两个或更多个相邻阳极则将在操作期间经历与操纵电极相同的电势。向多于ー个阳极分配一个操纵电极简化了辐射探測器的设计，特别是关于操纵电极所需的独立接触。根据本发明的另ー实施例，提供另外的电极，其将在下文被称为“栅格电极”并且其至少部分环绕至少ー个阳极以及其所关联的操纵电扱。优选地，栅格电极环绕该阵列的每个阳极及其相关联的操纵电极(如果存在)。由于通常単独地记录每个阳极的电信号，该阳极阵列的每个单元将通常对应于能够利用整个辐射探測器生成的图像的一个图像元或“像元”。从这个角度，栅格电极提供在辐射探測器的不同像元(阳极単元)间的分隔。因而，向栅格电极施加合适的电势能够帮助降低在相邻像元间的不希望的串扰并且改进探測程序的精确度。该栅格电极可以工作在与辐射探測器的一些其他部件，例如阳极，相同的电势。不过最优选地，栅格电极是独立的，即，能够向其施加単独的电势。可选地，能够由控制単元供应该栅格电极的电势。在辐射探測器的典型的实施例中，另外的电极设置干与阳极阵列的第一侧面相对的转换器元件的第二侧面上。由于其典型的工作在低于阳极电势的电势，下述将称此电极为“阴扱”。如上述所解释，此命名关于能够在辐射探測器的操作期间实际施加的电势方面不带有偏见。如果阴极和阳极工作在不同的电势，将在他们之间产生电�。�该电场能够将入射辐射在转换器元件内生成的电荷分别地移动向(ー个或多个)阳极和阴极。能够在实验中或鉴于ー些最优化标准根据理论考虑来确定(至少近似地)向给定操纵电极施加的电势。在阴极被设置在阳极阵列的对侧的实施例中，观察到当在该阴极和阳极间施加电压时，在(浮地的或未连接的)操纵电极中感生电势。在此情况下能够将向操纵电极主动地施加的电势选择为所述感生电势(例如，他们可以是所感生的电势的倍数)的函数。此方法基于这样的考虑:感生的电势间的差别反映配置的空间不均匀性，并且因此能够被用于合适对策的设计，即用于导出待向操纵电极施加的电势。在上述实施例的优选实现中，向操纵电极施加的电势能够与所感生的电势相差恒定的量。这样操纵电极容易地适用于，例如由直接转换材料中的晶体缺陷导致的，阳极阵列中电条件的空间差別。能够在阳极记录的电信号典型地是技术人员感兴趣的信号，因为他们提供了关于入射辐射的信息。优选地，关于入射辐射光子的能量对在阳极中生成的电信号进行计数和/或估计。后者是可能的，例如，通过确定典型地对应于入射光子所沉积的能量的电信号的振幅/积分。此外，本发明涉及用于利用辐射检查对象(例如患者)的检查装置，所述装置包括上面描述的那种辐射探測器。所述检查装置能够被具体应用以作为行李检查装置、材料测试装置、材料科学分析装置，或医学应用装置。该检查装置尤其能够选自下列组，该组包括X射线装置(例如荧光透射设备)、计算机断层摄影(CT)成像系统(最优选光子计数光谱CT成像系统)、相干散射计算机断层摄影(CSCT)成像系统、正电子发射断层摄影(PET)成像系统，以及单光子发射计算机断层摄影(SPECT)成像系统。


本发明的这些及其他方面将參照下文所述的(ー个或多个)实施例得到阐述并由此变得显而易见。这些实施例将以示例的方式參照所附附图得到描述，附图如下:图1示出具有与阳极的阵列相关联的多个操纵电极并且具有栅格电极的第一辐射探測器的示意透视图；图2示出具有多个操纵电极的第二辐射探測器的阳极阵列的顶部视图，该探測器不具有栅格电极；图3示出第三辐射探測器的阳极阵列的顶部视图，其中每个操纵电极与四个阳极相关联；图4示出第四辐射探測器的阳极阵列的顶部视图，其中阳极被偏离中心设置。在附图中相差100的整数倍数的相似參照数字指代相同或类似的部件。
具体实施例方式例如，在类似CT(计算机断层摄影)扫描器的成像装置中需要用于高能辐射(例如X射线或Y射线)的福射探测器。对于这些应用，在文献(Roessl, Proska: “K-edge imagingin X-ray computed tomography using mult1-bin pnoton counting detectors，.，Phys.Med.Biol.52 (2007)4679 - 4696)中已经描述了基于光子计数光谱CT的方法，其提供了大量潜在的新的可能性。在探測器对于在20和140keV间的医学相关能量范围内的每个光子能量的响应中的低能拖尾越�。�基于这样的光子计数的能量分辨率光谱CT系统的表现越好。降低低能拖尾的可能方式是小像元的使用(依靠小像元效应)以及使用靠近阳极的带负电的操纵电扱。一方面，带较多负电的操纵电极将电子向小阳极区域引导，这很好地降低在相邻像元间的电荷共享。另ー方面，操纵电极接管不希望诱发的空穴电荷中的大部分，以使得光电峰更尖鋭。操纵电极的概念在所制成的直接转换传感器样本中(甚至在具有Imm像元节距的Imm薄材料中)呈现了令人惊讶的好的光谱性能,薄材料在具有简单像元化的阳极设计并且没有操纵电极的情况下，将由于糟糕的加权电势给出非常糟糕的光谱性能。然而对于扩展的Alvarez-Macovsky的分解方式(參考上述的Roessl, Proska),进ー步降低低能拖尾从而改进K-边缘成分的測量结果是非常重要的。结果发现仅施加阴极电压，当在辐射探測器中阳极已经被设定为固定的较高电势(通常GND)时导致相当大的开路操纵电极电压。既然操纵电极是连贯金属化的(coherentmetallization)，其迫使所有像元中操纵电极电压具有相同值，这往往与施加阴极电压时通常构建的材料体积内部的实际空间电荷情况相矛盾。因而，可能迫使像元达到“其操纵电扱”的电势，其操纵电极的电势低于或高干“原本的”操纵电极电压，“原本的”操纵电极的电势是在此像元的操纵电极的金属化部不被强制到由邻近像元的操纵电极的金属化部指定的电势时，此像元将得到的电势。如在使用连贯操纵电极金属化部的实验中所示，施加比该开路电压更正的操纵电极电压至少在可能的电荷产生方面降低光谱性能，而利用连贯操纵电极金属化部，光电峰与低能拖尾关系相对所施加的操纵电极电压保持独立。因此提议设计分段的操纵电极——即提议提供多个操纵电极，以使得操纵电极电压能够在阳极侧的不同区域取得不同值。此外，为进一歩降低电荷共享的效应，提议额外的栅格，该额外的栅格将被安置在像元边界之间并且被例如强加GND电势，因此排出电子，这些电子不然将扩散到相邻像元。本文还描述了定义合理的操纵电极电压的策略。图1示意性地示出了根据上述原则设计的辐射探測器100。应当注意图像只示出了具有十二个像元的一小部分，而完整的探測器典型地包括数百或数千个这样的像元。探测器100包括下列部件:-转换器元件110，例如，类似S1、Ge、GaAs,HgI, CZT (碲锌镉)和/或CdTe的直接转换材料的长方体块，在其中将入射X射线X转换为电信号。该信号将通常由在导带内在电场的影响下移动的电荷组成。这样的电场E是利用向转换器元件的对立侧(附图中前侧和背侧)施加不同电势在转换器元件110中生成的。转换器元件的宽度和高度(X方向、z方向)典型地在约5mm至约20mm之间的范围内，而典型的深度，有时也称为厚度(y方向)，约为3mm。-规则的、周期性的阳极130阵列(在此示例中十二个)，该阳极阵列被布置在转换器元件110的前侧上。每个阳极130单独地在接触点131连接至控制单元150。在X射线探測器100的操作期间，控制単元150向所关联的阳极130施加适当的(正的或GND)电势并且探測并记录由到达这些阳极的电荷生成的信号。控制单元150能够优选包括用于脉冲计数和/或能量分辨评估的适当的计数器和/或鉴别器等(未示出)。这样的长方体的近似的体积对应于此阳极的体元V，S卩，来自该长方体的电信号到达阳极130。阳极侧上体元V的ニ维基础是“像元”P，该像元对应于由辐射探測器100生成的图像的图像元。-阴极120，该阴极被设置在转换器元件110的背侧上并且与控制単元150连接。在操作期间，控制単元150向此阴极施加负电势。因而在阴极和阳极间生成电场E。-多个操纵电极140，该多个操纵电极被布置在转换器元件110的前侧，以使得每个操纵电极140环绕ー个相关联(邻近)的阳极130。经由接触点141，每个操纵电极与控制单元150单独连接，控制单元150能够向所有的操纵电极140施加独立的不同的电势。操纵电极是分立的并且因而通过间隙与阳极以及彼此电绝缘。这些间隙的宽度d优选在30 y m和IOOiim之间的范围内。像元节距的典型值是约500 iim。图1显示出了导致每个具有其自有的操纵电极金属化部的像元P的操纵电极分段的最有利的情況。相比于连贯操纵电极金属化部的情况，此极端情况的特点在于阳极侧最大的总面积，阳极侧没有被金属覆盖。只要在相邻的操纵电极金属化部间的间隙d小(例如50 y m)，这就不会造成操纵电极的“屏蔽效应”方面的问题，据此最大化操纵电极的金属化部的面积是有优势的。为了能够为每个分段强加所定义的电HVstEI，除単独的阳极触点外，必须从与传感器相结合的衬底为每个像元提供操纵电极触点。除了加权电势，即便存在操纵电扱，电荷共享(通过电荷扩散)也是对低能拖尾带来贡献的重要效应，特别是在较小的像元的情况下。因此，在像元边界间的额外的栅格电极160允许排出电荷，所述电荷否则将扩散至(ー个或多个)相邻的像元，因而降低电荷共享的效应。能够为栅格电极160强加例如与阳极(即通常GND)相同的电势。需要对于此栅格的独立的接触，以保持其在所期望的电势。图2示出了辐射探測器200的阳极阵列的顶部视图，该辐射探測器200与探測器100不同，辐射探测器200中没有栅格电极。图3示出辐射探測器300的不同的实施例，其中每个像元P的四个阳极330共享ー个共同的操纵电极金属化部340。此处，个体操纵电极触点的数量降低到四分之一。任选地，能够如图1所示提供额外的栅格电极(未示出)，上述栅格电极以其所关联的四个阳极330环绕每个操纵电极部340。图4图示说明了与探測器200不同的辐射探測器400，其中阳极430被移动稍微偏离像元P的中心。因而能够増加在阳极触点431和操纵电极触点441间的距离，便于触点的制造。再次地，备选地，此实施例能够如图1中那样包括额外的栅格电极(未示出)。为很多不同的操纵电极电压VstEI确定适当的值的优选程序如下(參照图1):在向阴极120施加阴极电压之后，同时阳极保持固定的电势(通常为GND)，用于每个操纵电极140的开路电HVstEI (i)稳定到最終的恒定值，该恒定值通常情况下对不同的操纵电极是全都不同的。之后通过相对此开路值以共同的固定值来降低针对每个操纵电极
i的外部施加的操纵电极电压VstEI (i)，能够达到最优操作点。尽管已经鉴于在光子计数光谱X射线探测中的应用描述了本发明，所公开的概念不局限于此情況。具体而言，本发明能够应用于利用能量分辨率计数探測器而意图得到好的能量分辨率的所有X射线探测系统，尤其是在医学成像和医学计算机断层摄影术中。最后指出在本申请中术语“包括”不排除其他元件或步骤，量词“一”不排除多个，并且单一处理器或其他単元能够完成若干器件的功能。本发明在于每ー个特点特征以及每ー个特点特征的组合。此外，所述权利要求中的參照标记不应被理解为他们范围的限制。
权利要求
1.一种辐射探测器(100-400)，其包括: a)转换器元件(110)，其用于将入射辐射(X)转换为电信号； b)阳极(130-430)的周期性的或准周期性的阵列，其被设置在所述转换器元件(110)的第一侧面上； c)邻近两个不同的阳极设置的至少两个操纵电极(140-440)； d)控制单元(150)，其连接到所述至少两个操纵电极(140-440)，并且适于向所述至少两个操纵电极(140-440)施加不同的电势。
2.根据权利要求1所述的辐射探測器(100-400)， 其特征在于，至少ー个所述操纵电极(140-440)围绕邻近的阳极(130-430)。
3.根据权利要求1所述的辐射探測器(400)， 其特征在于，所述阳极(430)被设置成关于所述操纵电极(440)偏离中心。
4.根据权利要求1所述的辐射探測器(300)， 其特征在干，至少ー个操纵电极(340)被设置成邻近两个或更多个阳极(330)。
5.根据权利要求1所述的辐射探測器 (100)， 其特征在于，其包括栅格电极(160)，所述栅格电极(160)至少部分环绕至少ー个阳极(130)以及其关联的操纵电极(140)。
6.根据权利要求5所述的辐射探測器(100)， 其特征在于，所述栅格电极(160)至少部分环绕所述阵列的每个阳极(130)。
7.根据权利要求5所述的辐射探測器(100)， 其特征在于，能够向所述栅格电极(160)施加单独的电势。
8.根据权利要求1所述的辐射探測器(100-400)， 其特征在干，阴极(120)被设置在与所述阳极的阵列的第一侧面相对的所述转换器元件(110)的第二侧面上。
9.根据权利要求1所述的辐射探測器(100-400)， 其特征在于，向所述操纵电极(140-440)施加的电势是开路电压的函数，所述开路电压是当在操纵电极的相关联的阳极(130-430)和阴极(120)间施加电压时，在操纵电极(140-440)和相关联的阳极间得到的。
10.根据权利要求10所述的辐射探測器(100-400)， 其特征在干，向所述操纵电极(140-440)施加的电势与上述得到的开路电压相差恒定的量。
11.一种用于探测辐射的方法，其包括下列步骤: a)在转换器元件(110)中将入射辐射(X)转换为电信号； b)向在所述转换器元件(110)的第一侧面上的阳极(130-430)的周期性或准周期性的阵列施加第一电势； c)向邻近两个不同阳极设置的至少两个操纵电极(140-440)施加至少两个不同的电势。
12.根据权利要求11所述的方法， 其特征在于，关于所述入射辐射光子(X)的能量对在所述阳极(130-430)中生成的电信号进行计数和/或估计。
13.一种检查装置，具体而言，ー种光子计数能量分辨CT扫描器，其包括根据权利要求1所述的辐射探測器(100-400)。·
全文摘要
本发明涉及辐射探测器(100)和用于(例如X或γ)辐射探测的相关联的方法。所述探测器(100)包括转换器元件(110)，在所述转换器元件(110)中将入射光子(X)转换为电信号，并且所述探测器包括阳极(130)的阵列，所述阳极(130)的阵列用于在所述转换器元件(110)中生成电场(E)。至少两个阳极与两个操纵电极(140)相关联，能够由控制单元(150)向所述操纵电极施加不同电势。优选地，由一个操纵电极围绕每个单个阳极或每小组阳极。所述操纵电极(140)的电势能够被设定为当在所述阳极和阴极(120)间施加工作电压时在这些电极中感生的电势的函数。此外，可以提供栅格电极(160)，所述栅格电极至少部分环绕阳极(130)及他们的操纵电极(140)。
文档编号G01T1/24GK103097913SQ201180043788
公开日2013年5月8日 申请日期2011年9月7日 优先权日2010年9月13日
发明者C·赫尔曼, K·J·恩格尔, R·斯特德曼布克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司