Детектор излучения с несколькими электродами на чувствительном слое
Изобретение относится к детектору излучения (200), в частности детектору рентгеновского излучения, который содержит, по меньшей мере, один чувствительный слой (212) для конверсии падающих фотонов (X) в электрические сигналы. Сущность изобретения заключается в том, что двухмерная матрица электродов (213) располагается на передней стороне чувствительного слоя (212), тогда как на ее задней стороне располагается противоэлектрод (211). Размер электродов (213) может изменяться в направлении излучения (у) для адаптации рабочей нагрузки счетных электродов. Кроме того, позиция электродов (213) относительно направления излучения (у) обеспечивает информацию об энергии зарегистрированных фотонов (X). Технический результат - упрощение конструкции устройства. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к детектору излучения, содержащему чувствительный слой для конверсии фотонов в электрические сигналы, имеющему несколько электродов на своей поверхности. Кроме того, оно относится к детектору рентгеновского излучения и системе формирования изображения, содержащей такой детектор излучения.
В US 2006/0033029 А1 раскрыт детектор излучения, содержащий стопку чувствительных слоев, например, кристаллов CeZnTe (CZT), с электродами на их передних и задних сторонах. В одной конкретной конструкции электроды имеют форму параллельных полосок, причем полоски на передней и задней стороне перпендикулярны друг другу. Излучение может падать на детектор как параллельно, так и перпендикулярно чувствительным слоям.
В FR 2705791 А раскрыт детектор рентгеновского излучения, содержащий блок для конверсии падающих рентгеновских фотонов в электрические заряды, причем блок имеет матрицу первых электродов на своей передней стороне и противоэлектрод на своей задней стороне. Сигналы первых электродов интегрируются по времени, и энергия падающих фотонов определяется на основании их глубины взаимодействия в блоке конверсии. Кроме того, высота первых электродов увеличивается в направлении излучения.
В US 5821540 А раскрыт детектор излучения, который содержит совокупность PIN диодов. Диоды могут размещаться один за другим в направлении излучения для определения энергии падающего излучения на основании его глубины взаимодействия.
В WO 00/17670 А раскрыт детектор излучения, который содержит совокупность полупроводниковых кристаллов для конверсии падающего излучения в электрические заряды, причем на сторонах кристаллов располагаются электроды для сбора зарядов.
В FR А 2792418 раскрыт детектор излучения, содержащий листы первого конверсионного материала, в которых падающее излучение преобразуется в частицы, способные ионизировать соседние листы полупроводника.
Исходя из этого, задачей настоящего изобретения является обеспечение альтернативной конструкции детектора, в которой желательно, чтобы конструкцию было проще изготавливать, и в частности, чтобы она была пригодна для использования в суммирующем детекторе.
Эта задача решается посредством детектора излучения по п.1, детектора рентгеновского излучения по п.12 и системы формирования изображения по п.13. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах.
Детектор излучения, отвечающий настоящему изобретению, можно использовать для количественной и/или качественной регистрации электромагнитного излучения, в частности рентгеновского излучения или гамма-излучения, в любой области применения. Он содержит следующие компоненты:
a) Апертуру для излучения, через которую могут входить фотоны излучения, подлежащие регистрации, причем фотоны распространяются, в среднем, в данном направлении излучения. Апертура для излучения может быть физической сущностью наподобие отверстия в затворе или может просто обозначать геометрическую область.
b) Чувствительный слой для конверсии фотонов, которые входят через вышеупомянутую апертуру для излучения в электрический сигнал, причем чувствительный слой имеет переднюю сторону и противоположную ей заднюю сторону, которые параллельны вышеупомянутому направлению излучения. Кроме того, передняя и задняя стороны, предпочтительно, параллельны друг другу. Чувствительный слой обычно является монолитной, монокристаллической или поликристаллической структурой, материал которой может, например, быть выбран из группы, состоящей из CZT, селена или PbO. Электрический сигнал, который генерируется падающими фотонами, обычно представляет собой электрический заряд, в частности электронно-дырочную пару.
c) Двухмерную матрицу индивидуально адресуемых электродов, которые расположены на передней стороне чувствительного слоя, причем, по меньшей мере, два из этих электродов имеют разные формы. По определению, электроды "двухмерной матрицы" располагаются в двух перпендикулярных направлениях один за другим. Поэтому матрица содержит, по меньшей мере, четыре электрода, расположенные по углам (произвольного) четырехугольника. Кроме того, термин "форма", по определению, должен включать в себя геометрическую форму и размер; таким образом также считается, что два квадратных электрода разного размера имеют разные формы. Обычно электроды имеют правильные формы, например прямоугольные, многоугольные или круглые, и размещены в правильном порядке, например в виде матрицы. Особенность состоит в том, что электроды "индивидуально адресуемы", т.е. на каждый электрод можно подать электрический потенциал независимо от других электродов, и что электрические сигналы (например, электрические заряды, возникающие на электродах) можно независимо собирать с каждого электрода. Наконец, следует заметить, что термины "передняя сторона" и "задняя сторона" произвольно связаны с двумя противоположными сторонами чувствительного слоя, и поэтому, без ограничения общности, можно потребовать, чтобы матрица электродов располагалась на передней стороне.
d) По меньшей мере, один противоэлектрод, который расположен на задней стороне чувствительного слоя. Как следует из его названия, противоэлектрод обычно подключен к противоположному выводу источника электрического питания относительно электродов на передней стороне чувствительного слоя. Во многих применениях противоэлектрод служит катодом, собирающим, например, дырки, генерируемые падающим излучением, тогда как электроды матрицы служат анодами, собирающими соответствующие электроны. Противоэлектрод обычно покрывает, по существу, всю заднюю сторону чувствительного слоя, хотя на задней стороне может существовать одно- или двухмерная матрица противоэлектродов.
Описанный детектор излучения имеет то преимущество, что он хорошо пригоден для счета фотонов, поскольку весь объем чувствительного слоя функционально делится на (по меньшей мере) столько чувствительных подобластей, сколько существует электродов в матрице электродов на передней стороне. Таким образом, скорость счета, на которой должен работать каждый из этих электродов, может ограничиваться легко регулируемыми значениями за счет придания электродам соответственно малых размеров. Дополнительное преимущество состоит в том, что расстояние между электродами матрицы и противоэлектродом можно поддерживать сравнительно малым, поскольку фотоны распространяются перпендикулярно этому расстоянию и поэтому не могут теряться из-за того, что расстояние сделано слишком малым. Возможность малого расстояния между электродами имеет преимущество в том, что можно добиться быстрых реакций с малой потерей фотонов и меньшим количеством артефактов, что существенно улучшает результаты измерения.
Согласно дополнительному усовершенствованию детектора излучения, по меньшей мере, два электрода на передней стороне чувствительного слоя имеют разную высоту, причем высота, по определению, измеряется в направлении излучения. В частности, высота может изменяться от электрода к электроду в направлении излучения. Таким образом, размер чувствительных подобластей в чувствительном слое, который определяется размером соответствующих электродов, можно оптимально адаптировать к условиям конверсии фотонов в направлении излучения.
В конкретном варианте осуществления вышеупомянутого подхода высота электродов на передней стороне чувствительного слоя увеличивается в направлении излучения. Такое увеличение учитывает тот факт, что количество фотонов в падающем пучке постоянно снижается в направлении излучения вследствие поглощения и конверсии; поэтому электроды в начале пути фотонов нужно настраивать на более высокие скорости счета, чем электроды, расположенные дальше в направлении излучения, которые соответственно могут быть крупнее.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, один электрод на передней и/или задней стороне чувствительного слоя подключен к схеме обработки сигнала, которая содержит, по меньшей мере, один усилитель для усиления сигнала, воспринятого электродом, по меньшей мере, один дискриминатор для подавления электрических импульсов, которые ниже соответствующего, заранее определенного порога, и/или, по меньшей мере, один счетчик импульсов для отсчета количества электрических импульсов, воспринимаемых электродов. Благодаря счетчику импульсов можно определить количество фотонов, преобразованных в чувствительной подобласти соответствующего электрода. Удобно использовать набор дискриминаторов с разными порогами для определения, находилась ли энергия преобразованного фотона в определенном диапазоне энергии, что позволяет производить измерения спектров. Предпочтительно, все электроды на передней стороне подключены к, по меньшей мере, одному соответствующему усилителю, дискриминатору и/или счетчику.
По меньшей мере, один электрод на передней или задней стороне чувствительного слоя может, в необязательном порядке, быть подключен к модулю оценивания, который способен связывать позицию электрода с энергией зарегистрированных фотонов. Этот подход использует тот факт, что локальная вероятность конверсии фотона в чувствительном слое зависит от энергии фотона; таким образом, высокоэнергичные фотоны обычно распространяются дальше вглубь чувствительного слоя, прежде чем подвергнутся конверсии, чем низкоэнергичные фотоны. Предпочтительно, все электроды на передней стороне подключены к модулю оценивания. Однако следует заметить, что информация о энергии, получаемая на основе глубины взаимодействия, предпочтительно используется только для проверки или дополнения некоторого другого (более точного и первичного) метода определения энергии, выполняемого модулем оценивания. Таким образом, высота импульса генерируемых электрических сигналов обычно будет дискриминироваться набором из нескольких дискриминаторов с разными порогами, которые связаны с каждым электродом матрицы электродов, для обеспечения первичной информации об энергии поглощенного фотона.
Существуют различные возможности осуществления контакта с электродами на передней стороне чувствительного слоя для их подключения к соответствующей электронике обработки сигнала. В предпочтительном варианте осуществления контактные линии располагаются на передней стороне чувствительного слоя, причем каждая из этих контактных линий ведет от одного конкретного края чувствительного слоя, именуемого ниже "соединительным краем", к одному из электродов. В этом случае не требуется никакого занимающего место дополнительного слоя между двумя чувствительными слоями в целях трассировки. Соединительный край предпочтительно располагается напротив края чувствительного слоя, который располагается вблизи апертуры для излучения, поскольку контактные линии и соответствующая электроника обработки в этом случае остаются в стороне от падающего излучения.
В дополнительном усовершенствовании вышеупомянутого подхода электроды на передней стороне имеют ширину, которая, по определению, измеряется параллельно соединительному краю, которая возрастает с их расстоянием от соединительного края. Таким образом, электроды занимают пространство на передней стороне, которое увеличивается по мере того, как контактные линии, начинающиеся на конце соединительного края, приближаются к соответствующему им электроду.
Хотя в вышеприведенном описании детектора излучения и его предпочтительных вариантов осуществления не делается предположений относительно количества чувствительных слоев (т.е. оно пригодно для конструкции даже с одним чувствительным слоем), предпочтительно, чтобы детектор излучения содержал совокупность чувствительных слоев с соответствующими электродами, изменяющими требуемые признаки, причем слои уложены один за другим в направлении от их передней стороны к их задней стороне. Благодаря такой стопке чувствительных слоев и соответствующих электродов можно создать сколь угодно большой чувствительный объем, отвечающий требованиям применения прибора.
Вышеупомянутая конструкция со стопкой чувствительных слоев предпочтительно содержит, по меньшей мере, два соседних чувствительных слоя, обращенные друг к другу своими передними сторонами или задними сторонами. Предпочтительно, все чувствительные слои всей стопки организованы парами соседних слоев, обращенных друг к другу передними или задними сторонами. Эта конструкция имеет преимущество в том, что электроды могут быть обобществлены между соседними чувствительными слоями (противоэлектрод может, например, располагаться между задними сторонами двух соседних, противоположно ориентированных чувствительных слоев).
Согласно дополнительному усовершенствованию конструкции стопки чувствительных слоев, изолирующий слой (для электрической изоляции электродов, связанных с разными чувствительными слоями), слой полупроводника, слой поглощения фотонов и/или слой с линиями, контактирующими с электродами, могут располагаться между двумя соседними чувствительными слоями. При наличии антирассеивающей решетки или аналогичного устройства упомянутые слои предпочтительно выровнены с ней для минимизации потери чувствительной области. Слой полупроводника, например слой КМОП (CMOS), можно использовать для контакта с электродами и для обеспечения схем обработки сигнала, например, усилителей, дискриминаторов и/или счетчиков для измерений высоты импульса на основании нескольких порогов. Слой с контактными линиями можно использовать для обеспечения индивидуального доступа к электродам без необходимости места для трассировки в плоскости передней стороны или задней стороны чувствительных слоев.
В вышеупомянутом варианте осуществления слой поглощения фотонов, в частности, можно использовать для поглощения фотонов флуоресценции, которые, в противном случае создавали бы перекрестную помеху между соседними пикселями. Поэтому предпочтительно, чтобы слой поглощения фотонов имел высокую поглощающую способность для таких фотонов флуоресценции, которые генерируются в соседнем чувствительном слое первичными фотонами, падающими на этот слой через апертуру для излучения. Это достигается, например, если граница K-полосы поглощения материала немного ниже энергии фотона флуоресценции. Примерами материалов, пригодных для слоя поглощения, являются Ag, Pd, Mo, и Zr.
Изобретение также относится к детектору рентгеновского излучения, содержащему детектор излучения вышеописанного вида, который чувствителен к рентгеновскому излучению. Кроме того, оно относится к системе формирования изображения, содержащей детектор излучения вышеописанного вида, в которой устройство формирования изображения может представлять собой, в частности, рентгеновский аппарат, СТ (КТ, компьютерный томограф), РЕТ (ПЭТ, позитрон-эмиссионный томограф), SPECT (однофотонный эмиссионный компьютерный томограф) или ядерное устройство формирования изображения.
Эти и другие аспекты изобретения следуют из и проиллюстрированы со ссылкой на вариант(ы) осуществления, описанные ниже. Эти варианты осуществления будут описаны в порядке примера с помощью прилагаемых чертежей, в которых:
фиг. 1 - схематический вид в перспективе однослойного детектора рентгеновского излучения, отвечающего настоящему изобретению, в котором размеры электродов изменяются в направлении y;
фиг. 2 - схематический вид в перспективе многослойного детектора рентгеновского излучения, отвечающего настоящему изобретению;
фиг. 3 - схематический вид сбоку многослойного детектора рентгеновского излучения, отвечающего настоящему изобретению, с промежуточными подложками;
фиг. 4 - схематический вид сбоку многослойного детектора рентгеновского излучения, отвечающего настоящему изобретению, с промежуточными слоями для поглощения фотонов флуоресценции;
фиг. 5 - предпочтительная трассировка электродов на передней стороне детектора рентгеновского излучения, отвечающего настоящему изобретению.
Одинаковые позиции или позиции, отличающиеся сотнями, обозначают на фигурах одинаковые или сходные компоненты.
Далее, настоящее изобретение будет описано применительно к иллюстративному детектору рентгеновского излучения, в частности детектору рентгеновского излучения, который можно использовать в медицинской системе формирования изображения, например КТ-сканере. Однако следует заметить, что изобретение не ограничивается этим применением, и его преимущества можно использовать в любой области, где требуется регистрация излучения.
Регистрация рентгеновского излучения все еще остается в сфере интенсивных исследований. Большие усилия сосредоточены в связи с этим на разработке детекторов с более коротким временем реакции, более высоким пространственным разрешением и, в особенности, с разрешением по энергии, дающим возможность регистрировать единичные события конверсии фотона.
Концепция, применяемая в настоящее время в компьютерной томографии (КТ) и рентгенографии с плоскими детекторами, предусматривает использование сцинтилляционного материала (например, CsI, CWO или GOS), наклеенного на фотодиод. Сцинтиллятор преобразует рентгеновское излучение в оптические фотоны (непрямая конверсия), которые проходят через слой клея и преобразуются в электрический сигнал в фотодиоде. В большинстве применений (например, КТ или плоских детекторах) эта концепция имеет недостатки, заключающиеся в большом времени реакции, проблемах послесвечения, а также в низком пространственном разрешении.
Напортив, материалы прямой конверсии (например, CZT, селен или PbO) обеспечивают концепцию, согласно которой рентгеновское излучение непосредственно преобразуется в электронно-дырочные пары. Результирующее облако носителей заряда затем дрейфует в электрическом поле порядка кВ/см к электродам на поверхностях конверсионного материала. Электрический импульс, генерируемый там, можно регистрировать и считать, причем высота импульса позволяет регистрировать энергию фотона. В целом, концепция прямой конверсии обеспечивает более короткое время реакции, более высокое пространственное разрешение и, в принципе, позволяет добиться разрешения по энергии, обеспечивающего регистрацию отдельного фотона.
В одном варианте конструкции детекторов прямой конверсии один электрод покрывает поверхность конверсионного материала (обычно ту поверхность, на которую падают рентгеновские фотоны), тогда как противоположная поверхность покрыта "пиксельной" матрицей электродов. В идеальном случае расстояние между пикселями (шаг) выбирается согласно предусмотренному применению с учетом размера облака зарядов, которое генерируется ионизационной лавиной, вызванной падающим рентгеновским фотоном. Обычно расстояние между пикселями (шаг) составляет 50-500 мкм.
Максимальная скорость счета детекторов прямой конверсии зависит от нескольких факторов, например средней длины дрейфа электронов. В связи с этим расстояние между электродами является важным параметром и должно быть как можно меньше. Однако необходима определенная высота конверсионного материала в направлении излучения для обеспечения достаточной тормозной способности в отношении фотонов и для обеспечения высокой квантовой эффективности детектирования. Например, детектор на основе CZT, применяемый в медицине, предположительно имеет высоту, по меньшей мере, 2 мм, что намного превосходит размеры облаков зарядов, генерируемых рентгеновскими фотонами. Генерируемым носителям заряда приходится дрейфовать на большое расстояние к электроду, что значительно увеличивает время реакции детектора, а также снижает квантовую эффективность детектирования (вследствие захвата и рекомбинации носителей заряда, приводящих к потере сигнала).
Кроме того, в зависимости от конверсионного материала существует определенная вероятность того, что носитель заряда встретит на своем пути локальную ловушку в материале. Ловушки представляют собой локальные дефекты в кристаллической структуре материала, которые могут "связывать" носители заряда на определенное время и затем освобождать их, что вызывает так называемый эффект "послесвечения". Послесвечение генерирует исторически-зависимый сигнал в более крупном временном масштабе (обычно порядка от мс до секунд), который крайне нежелателен в большинстве применений, особенно в КТ, которая работает в высоком динамическом диапазоне сигнала и получает проекционные изображения с высокой частотой кадров.
Как было отмечено выше, в компьютерной томографии желательно перейти к формированию изображения с высоким разрешением по энергии. Такого разрешения по энергии можно добиться, используя суммирующие детекторы совместно с материалом прямой конверсии. Установив определенное количество порогов, можно посчитать с помощью такого детектора количество фотонов в определенном диапазоне энергии. Однако ограничительным фактором для спектрально-измерительной электроники КТ, основанной на суммирующих детекторах, является очень высокая скорость счета, на которой пригодится работать электронике. Обычно один способ справиться с этой очень высокой скоростью счета состоит в уменьшении размера пикселя.
Еще один важный эффект, наблюдаемый в материалах прямой конверсии, называется K-флуоресценцией. Иногда входящий рентгеновский фотон взаимодействует, например, с материалом CZT таким образом, что генерируется другой фотон меньшей энергии. Этот фотон флуоресценции будет распространяться по CZT и где-то сгенерирует еще одно событие. Если фотон флуоресценции достигнет позиции в CZT вблизи другого анода, реакция детектора, скорее всего, будет интерпретирована неверно. Вместо одного фотона, будет зарегистрировано два фотона с меньшей энергией. Эту проблему можно решить путем увеличения ячеек детектора, поскольку это уменьшает вероятность того, что фотон флуоресценции может покинуть ячейку. Однако для решения проблемы скорости счета требуется, наоборот, уменьшать ячейку, поскольку ячейкам меньшего размера нужно считать меньше фотонов, и полную рабочую нагрузку счета можно разделить между большим количеством ячеек меньшего размера.
Настоящее изобретение обеспечивает конструкцию детектора прямой конверсии, которая позволяет решить вышеозначенные проблемы. Эта конструкция предусматривает новую конфигурацию размещения электродов на прямом конвертере, которая позволяет оптимально использовать возможности счета и повысить разрешение по энергии благодаря учету глубины поглощения фотонов в материале.
На фиг. 1 показан детектор 100 рентгеновского излучения согласно первому варианту осуществления вышеупомянутого подхода. Для простоты показан только один слой детектора 100, хотя он обычно содержит совокупность таких слоев (см. фиг. 2). Детектор 100 рентгеновского излучения содержит следующие компоненты:
1. Чувствительный слой 112 из конверсионного материала, например CZT, в котором рентгеновские фотоны X преобразуются в электронно-дырочные пары, которые затем можно регистрировать как электрические сигналы. Чувствительный слой 112 обычно имеет форму тонкой пластины в виде прямоугольного параллелепипеда с передней стороной F и задней стороной B.
2. Двухмерную матрицу индивидуально адресуемых электродов 113 (обычно служащих анодами), расположенных на передней стороне F чувствительного слоя 112. В показанном примере электроды 113 образуют матрицу из четырех строк (направление x) и четырех столбцов (направление y), причем электроды в строках имеют одинаковый размер, в то время как высота dy электродов увеличивается в каждом столбце сверху вниз (т.е. в направлении излучения y). В общем случае размеры dx и dy электродов 113 можно устанавливать произвольно в соответствии с необходимыми скоростями счета и дискретизацией энергии. Как показывают измерения, чем ближе к поверхности апертуры для излучения, тем выше скорости счета, которые можно наблюдать. Этот факт учитывается путем уменьшения размера электрод dy в верхней части чувствительного слоя 112. Фактический размер электродов 113 может определяться необходимой максимальной скоростью счета и необходимым спектральным разрешением.
Поскольку электроды 113 определяют пространственное разрешение устройства, ниже мы будем иногда называть их "пикселями".
3. Противоэлектрод 111, расположенный на задней стороне B чувствительного слоя 112, причем противоэлектрод обычно служит катодом.
4. Апертура 101 для излучения, которая просто обозначена здесь в виде прямоугольного отверстия, через которое X-излучение X может поступать в устройство и распространяться вглубь чувствительного слоя 112 в среднем направлении излучения y. В отличие от большинства обычных конструкций детектора, излучение X распространяется перпендикулярно электрическим полям, которые генерируются между электродами 113 на передней стороне F и противоэлектродом 111 на задней стороне B.
Преимуществом описанной геометрии является значительно меньшая длина дрейфа носителей заряда, которые распространяются горизонтально (в направлении z) между поверхностями F, B слоя, а не вертикально (в направлении y) через весь блок конверсионного материала. Таким образом, длину дрейфа можно сократить с коэффициентом G между 10 и 20, что обеспечивает следующие преимущества:
- сокращенное время реакции (с коэффициентом G, поскольку носители заряда движутся быстрее на электродах);
- сниженное послесвечение (с коэффициентом G, поскольку реже встречаются ловушки);
- повышенная квантовая эффективность детектирования (по причине уменьшения количества рекомбинаций электронов и дырок и потери сигнала вследствие захвата);
- повышенное пространственное разрешение (вследствие ограничения направления распространения и меньшей диффузии заряда);
- напряжение между электродами можно снизить с коэффициентом G, сохраняя ту же напряженность электрического поля.
Еще одно преимущество конструкции, показанной на фиг. 1, относится к структурированию электродов 113 в направлении излучения y. Как показывают измерения, поглощение падающих фотонов X в значительной степени зависит от энергии фотона и глубины y, на которую фотоны проникли в чувствительный материал. В частности, фотоны с более высокой энергией поглощаются очень глубоко в материале, тогда как фотоны с более низкой энергией взаимодействуют вблизи поверхности материала. Поэтому позиция y, в которой фотон X конвертируется/регистрируется в чувствительном слое 112, содержит неявную информацию об энергии этого фотона.
Ниже приведены типичные размеры детектора излучения 100, показанного на фиг. 1.
- Высота Dy чувствительного слоя 112 равна около 3 мм, что необходимо для того, чтобы иметь достаточную тормозную способность в направлении рентгеновского пучка.
- Толщина Dz чувствительного слоя 112 равна от около 0,1 мм до около 0,5 мм, что является компромиссом трех условий: (i) она должна быть как можно меньше, для снижения нагрузки скорости счета ячеек детектора; (ii) она должна быть как можно больше для ослабления проблемы флуоресценции; и (iii) она должна быть как можно больше для снижения общих трудовых и денежных затрат на производство.
- Длина Dx чувствительного слоя 112 должна уравновешивать необходимый размер детектора в направлении x и проблему изготовления субмодулей конверсионного материала. Детектор может делиться в этом направлении на субмодули меньшего размера.
- Длина dx электродов передней стороны 113 равна от около 0,1 мм до около 0,3 мм, что является компромиссом между разделением скорости счета (требуются малые электроды) и проблемой флуоресценции (требуются большие электроды).
- Высота dy электродов передней стороны 113 изменяется сверху вниз, причем самый верхний электрод должен быть как можно меньше для высоких скоростей счета, но не настолько малым, чтобы слишком сильно страдать от эффекта флуоресценции. Нижние электроды могут быть более крупными, поскольку вероятность поглощения быстро уменьшается в направлении y, равно как и требования к скорости счета. Предпочтительно иметь три-четыре электрода в направлении y.
На фиг. 2 показан многослойный детектор излучения 200, который содержит совокупность однослойных детекторов излучения наподобие показанных на фиг. 1, уложенных в стопку один за другим. Все электроды 213 на передней стороне отдельных чувствительных слоев 212 подключены линиями 221 к усилителю 222 (обычно предусилителю с формирователем сигнала) и дискриминатору 223. Все каналы (т.е. все электроды 213) обычно имеют один и тот же набор пороговых уровней, начиная с порога, установленного на уровне шума или значительно выше (примерно от 20 кэВ до 30 кэВ для КТ). Спектральная информация о зарегистрированном фотоне получается путем оценивания соответствующего электрического импульса, т.е. высота импульса определяется/дискриминируется на дискриминаторе 223 по отношению к совокупности данных порогов (это грубое определение лишь позволяет оценить, в какой из нескольких диапазонов попадает высота импульса). Кроме того, дополнительная информация об энергии фотона, в принципе, задается позицией y электрода 213, который обеспечил конкретный отсчет. Полная спектральная информация оценивается модулем 224 оценивания. Хотя глубина взаимодействия используется в этом подходе только в качестве дополнительного входного параметра, следует заметить, что ее, альтернативно, можно использовать в качестве единственной информации, связанной с энергией, для упрощения конструкции детектора (который использует, например, только один порог на электрод для подавления шума).
В многослойной конфигурации, наподобие показанной на фиг. 2, определенная часть чувствительной области (плоскости x-z) будет потеряна, поскольку требуется место для слоев электродов. Однако поскольку толщина слоев электродов (обычно около 5 мкм) мала по сравнению с толщиной Dz конверсионного материала (обычно более 50 мкм), потерянная область сравнительно невелика, и эта потеря с избытком компенсируется вышеперечисленными преимуществами.
Тот факт, что детектор 200 состоит из нескольких тонких слоев, может иметь преимущество в отношении использования поликристаллических материалов прямой конверсии, которые проще и дешевле производить (например, путем выпаривания), чем монокристаллические. Тонкие слои могут компенсировать пониженную подвижность носителей заряда в поликристаллических материалах, благодаря чему устройство регистрации достигает достаточно короткого времени реакции, что, в противном случае, было бы невозможно для поликристаллических материалов.
Задние стороны тонких пластин 212 материала прямой конверсии полностью покрыты катодами 211. Катоды собирают дырки, которые имеют для стандартных материалов прямой конверсии (например, CZT), в общем случае, более низкую подвижность и более короткое время жизни, чем электроны. На передних сторонах пластин матрица анодов 213 собирает, с пространственным разрешением, более быстро движущиеся электроны. Толщина конверсионного материала соответствует шагу анодов 213 и обычно составляет, например, порядка 100 мкм. Для обеспечения, дополнительно, эффекта малых пикселей (см., например, Barrett и др., Phys. Rev. Lett. 75, 156-159, (1995); Eskin и др., J. Appl. Phys., 85, 647-659 (1999)), более толстая пластина (например, в 4-10 превышающая по толщине шаг анода) может иметь преимущество при сохранении малого шага анодов.
В многослойном детекторе 200, показанном на фиг. 2, пары пластин собраны так, что пластины обращены друг к другу задними сторонами. Каждый такой двойной слой отделен от соседнего двойного слоя тонкой изолирующей фольгой 214. В этой геометрии спаренных пластин электроды одинакового потенциала помещаются вблизи друг друга с предотвращением емкостных эффектов. Изолирующая фольга для катодов 211 соседних двойных слоев не требуется.
Преимущества предложенной конструкции детектора можно рассматривать применительно к детектору с тем же компромиссным размером анода (скорость счета против флуоресценции) 0,3 мм и той же высотой конверсионного материала (3 мм). Традиционная конструкция имеет плотность ячеек 1/(0,3 мм) и среднюю длину дрейфа электронов около 2,5 мм. Большая длина дрейфа обусловлена тем, что вероятность поглощения гораздо больше в верхней части детектора, и средний оставшийся путь до анода велик. Предложенная здесь конструкция имеет плотность ячеек 4/(0,5 мм), если в направлении y можно разместить четыре анода. Средняя длина дрейфа составляет лишь 0,25 мм (половину толщины конверсионного материала). Предложенная конструкция обеспечивает в 2,4 раза более высокое разделение скорости счета благодаря ячейкам меньшего размера и на порядок более короткой длины дрейфа электронов.
На фиг. 3 показан вид сбоку многослойного детектора 300 наподобие показанного на фиг. 2. Многослойный детектор 300 содержит совокупность чувствительных слоев 312 с матрицей (разных размеров) электродов 313 на их передних сторонах и единым электродом 311, покрывающим их задние стороны, причем передние стороны/ задние стороны соседних чувствительных слоев обращены друг к другу. В отличие от фиг. 2, между передними сторонами двух соседних чувствительных слоев отсутствует слой изоляции, но присутствует подложка 314 (обычно полупроводник, например, кремний, стекло, керамика, печатная плата или какое-либо эквивалентное устройство). На подложках 314 расположены модули CZT 312, и они соединяют электроды 313 передней стороны с электроникой съема и оценивания сигналов (не показана).
На фиг. 4 показан схематический вид сбоку другого варианта осуществления многослойного детектора рентгеновского излучения 400, который можно выгодно комбинировать с вышеописанными вариантами осуществления и который содержит, как и раньше, стопку чувствительных слоев 412, покрытых на их задних сторонах общим катодом 411 и на своих передних сторонах матрицей анодов 413. Детектор 400 обеспечивает решение проблемы перекрестной помехи между соседними пластинами. Перекрестная помеха, обусловленная фотонами флуоресценции, ограничивает спектральные характеристики датчиков с шириной пикселя менее около 100-300 мкм. Для материалов чувствительного слоя с высоким Z, которые необходимы для регистрации жесткого рентгеновского излучения, флуоресценция, скорее всего, является процессом высвечивания атомов, которые подверглись первичному процессу взаимодействия. Перекрестная помеха с соседними пикселями, таким образом, свойственна детекторам рентгеновского излучения для КТ. Поскольку конструкции спектральных детекторов КТ предусматривают дополнительное деление пикселей (размером около 1×1 мм2) на подпиксели, перекрестная помеха между соседними пикселями приобретает особую важность. Поскольку размеры подпикселей следует выбирать как можно более малыми в детекторе рентгеновской КТ, нужно принять меры к дальнейшему сокращению минимального размера пикселя, т.е. для решения проблемы перекрестной помехи.
Детектор 400 решает вышеупомянутую проблему путем включения дополнительного слоя 414 поглощения, параллельного плоскости электродов. Материал этого слоя 414 поглощения оптимизирован для подавления фотонов флуоресценции из материала чувствительного слоя 412, например из Cd или Te в случае детектора на основе Cd(Zn)Te. Существует несколько вариантов конкретной реализации:
- Слой 414 поглощения может быть установлен в непосредственном контакте с общим электродом 411. В предельном случае слой поглощения может представлять собой утолщенный слой электрода, хотя в этом случае должны быть предприняты дополнительные меры для предотвращения отрыва толстого электрода.
- Изолирующий слой (не показан на фиг. 4) размещается между слоем 414 поглощения и общим электродом 411. Этот изолирующий слой может представлять собой, например, оксидированную поверхность поглощающего металлического слоя.
- Последний вариант можно реализовать посредством слоя поглощения, близкого к слою пикселированных электродов.
Для эффективного подавления фотонов флуоресценции граница K-полосы поглощения материала должна быть чуть ниже энергии фотона флуоресценции. В случае детекторов типа CdTe (с Z=48 и Z=50), материалы, пригодные для слоя поглощения 414 могут быть, например, Ag, Pd, Mo, Zr. Например, слой молибдена толщиной 100 мкм поглощает 93% фотонов с энергией 24 кэВ (KαCd) и 85% фотонов с энергией 28 кэВ (KαTe).
Чтобы поддерживать высокую геометрическую квантовую эффективность детектирования, слои 414 поглощения предпочтительно размещать в определенных позициях. Например, предпочтительно размещать слои 414 поглощения в плоскостях, которые аналогичны плоскостям, заданным ламелями 415 антирассеивающей решетки (ASG), расположенной перед детектором 400. Ламели 415 ASG отбрасывают тени, которые задают нечувствительную область детектора. Поэтому предлагается размещать края слоев 414 поглощения в этих нечувствительных областях, поскольку добавление новых слоев не приводит к увеличению активного объема детектора. Конечно, такое же выравнивание относительно ламелей 415 ASG выгодно осуществлять для других нечувствительных компонентов, например электродов 411, 413 или необязательных изолирующих слоев. Также следует заметить, что ламели 415 ASG задают апертуры 401, через которые может проникать рентгеновское излучение.
Для соединения отдельных электродов на передних сторонах чувствительных слоев возможны различные схемы трассировки для эффективного электрического соединения и съема сигналов посредством усилителей, дискриминаторов и дополнительных (счетных) электронных приборов, например:
- прямая связь, например, электроники на основе КМОП или другой электроники входного каскада с каждым электродом. Поскольку электроника КМОП сравнительно громоздка, она менее удобна для применений КТ, поскольку она требует слоя определенной толщины, что приводит к значительному снижению геометрической квантовой эффективности детектирования. Основным ограничением при этом является аспект взаимосоединения, поскольку формирование контактных площадок занимает значительное место. Однако могут быть пригодны другие методы соединения. Поэтому прямая связь является основным решением в применениях с большими размерами пикселей, например, при досмотре багажа.
- Вместо использования подложки КМОП в качестве прокладки можно использовать слой трассировки, что обеспечивает значительно более узкий зазор между пикселями. Слой трассировки также можно сделать двусторонним, что позволяет соединять между собой два пикселя с помощью одной и той же прокладки. В частности, этот подход может иметь преимущество в таких применениях, как досмотр багажа.
Элегантным решением проблемы соединения является схема трассировки без промежуточного слоя согласно конструкции, показанной на фиг. 5. Основная идея состоит в уменьшении размеров электродов передней стороны в направлении x, начиная с наибольшей ширины dx_a верхнего электрода 513a в самой верхней строке пикселей a. Это позволяет обеспечить структуру трассировки в вертикальном направлении y к дополнительной электронике обработки сигнала под нижними электродами 513d в нижней строке d пикселей. Конкретные позиция и распределение электродов 513a, 513b, 513c, 513d может, конечно, отличаться от иллюстративного варианта, показанного на фиг. 5. Заметим, что обычно требуется слой изоляции (не показан), в особенности, если аноды или катоды не обращены друг к другу.
Как показано на фиг. 1-4, дополнительный вариант осуществления может также предусматривать асимметрию размеров электродов 513 в направлении y. Этот подход возможен без потери эффективности сбора зарядов в детекторе благодаря тому, что прямая конверсия основана на электрических полях. При этом зазором между соседними пикселями можно пренебречь в отношении производительности вплоть до зазора размером около 100 мкм (что рассмотрено, например, в статье A.E. Bolotnikov и др. Nucl. Instr. and Meth. в Phys. Res. A 432 (1999) 326-331): при условии, что поверхность матрицы CZT является почти идеальным диэлектриком (т.е. незначительно проводит ток), поэтому для меньших пикселей и большем зазоре линии электрического поля все же заканчиваются на пикселе, но сильнее изгибаются. Заряды, таким образом, эффективно собираются на пикселе также из областей за пределами размера пикселя.
Изобретение можно применять к любой разновидности детектора рентгеновского излучения, для которого существенно сокращенное время реакции и низкое послесвечение (при сохранении пространственного разрешения), в частности в детекторах для компьютерной томографии (КТ). Это открывает возможность регистрировать отдельные фотоны в применениях высокой интенсивности, например КТ, с дополнительным обеспечением спектральной информации со всеми вытекающими преимуществами. Помимо регистрации рентгеновского излучения и КТ предложенная электроника отсчета с разрешением по энергии имеет преимущества во многих других применениях.
Наконец, следует указать, что в данной заявке термин "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, что употребление названия элемента в единственном числе не исключает наличия совокупности таких элементов, и что один процессор или другой блок может выполнять функции нескольких средств. Изобретение заключается в каждом признаке новизны и каждой комбинации признаков новизны. Кроме того, условные обозначения, приведенные в формуле изобретения, не следует рассматривать в порядке ограничения его объема.
1. Детектор излучения (100, 200, 300, 400, 500), содержащий
a) апертуру для излучения (101, 401), через которую могут проникать фотоны (X), распространяющиеся в среднем направлении излучения (у),
b) чувствительный слой (112, 212, 312, 412, 512) для конверсии фотонов (X), входящих через апертуру для излучения, в электрический сигнал, причем чувствительный слой имеет переднюю сторону (F) и заднюю сторону (В), которые параллельны направлению излучения (у),
c) двухмерную матрицу индивидуально адресуемых электродов (113, 213, 313, 413, 513), которые расположены на передней стороне (F) чувствительного слоя, причем, по меньшей мере, два электрода (113, 313) на передней стороне (F) имеют разные формы,
d) по меньшей мере, один противоэлектрод (111, 211, 311, 411), который расположен на задней стороне (В) чувствительного слоя, при этом соединительные линии располагаются на передней стороне (F), каждая линия ведет от одного соединительного края чувствительного слоя к одному электроду, и электроды имеют ширину, измеряемую параллельно соединительному краю, которая увеличивается с расстоянием от соединительного края, и
e) схему обработки сигнала, к которой подключен, по меньшей мере, один электрод (213) и которая содержит, по меньшей мере, один дискриминатор (223) и счетчик импульсов.
2. Детектор излучения (100, 300) по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, два электрода (113, 213, 313, 413) на передней стороне (F) имеют разную высоту (dy) при измерении в направлении излучения (у).
3. Детектор излучения (100, 300) по п.2, отличающийся тем, что высота (dy) увеличивается в направлении излучения (у).
4. Детектор излучения (100, 200, 300, 400, 500) по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один электрод (213) подключен к схеме обработки сигнала, которая содержит, по меньшей мере, один усилитель (222).
5. Детектор излучения (100, 200, 300, 400, 500) по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один электрод (213) подключен к модулю (224) оценивания, который связывает позицию электрода с энергией зарегистрированных фотонов (X).
6. Детектор излучения (100, 200, 300, 400, 500) по п.1, отличающийся тем, что он содержит совокупность таких чувствительных слоев (212, 312), которые уложены один за другим в направлении от их передней стороны (F) к их задней стороне (В).
7. Детектор излучения (100, 200, 300, 400, 500) по п.6, отличающийся тем, что он содержит, по меньшей мере, два соседних чувствительных слоя (212, 312), передние стороны (F) или задние стороны (В) которых обращены друг к другу.
8. Детектор излучения (100, 200, 300, 400, 500) по п.6, отличающийся тем, что изолирующий слой (214), слой полупроводника (314), слой (414) поглощения фотонов и/или слой с линиями, соединяющими электроды, располагается между соседними чувствительными слоями (212, 312, 412).
9. Детектор излучения (100, 200, 300, 400, 500) по п.8, отличающийся тем, что слой (414) поглощения фотонов является высокопоглощающим фотоны флуоресценции, генерируемые в чувствительном слое (412).
10. Детектор рентгеновского излучения, содержащий детектор излучения (100, 200, 300, 400, 500) по п.1.
11. Система формирования изображения, в частности рентгеновский аппарат, компьютерный томограф, позитрон-эмиссионный томограф, однофотонный эмиссионный компьютерный томограф или ядерное устройство формирования изображения, содержащая детектор излучения по п.1.
