專利名稱：具有多個電極系統(tǒng)的輻射探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括用于將入射輻射轉(zhuǎn)換為電信號的轉(zhuǎn)換器元件并且具有置于所述 轉(zhuǎn)換器元件上的電極的輻射探測器。另外，本發(fā)明涉及包括這樣的輻射探測器的檢查裝置 并且涉及用于制作這樣的輻射探測器的方法。
背景技術(shù)：
例如在諸如CT (計算機斷層攝影)掃描器的成像裝置中需要用于諸如X射線或 Y射線的高能輻射的輻射探測器。對于這些應(yīng)用，已在文獻中對基于光子計數(shù)譜CT的方 法進行了描述，其提供了新的可能性的很大潛力(Roessl, Proska :"K-edge imaging in x-ray computed tomography usingmulti-bin photon counting detectors", Phys. Med. Biol. 52(2007)4679-4696)。然而，這種方法對所應(yīng)用的輻射探測器的精確性和分辨率提出 了高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
基于這種情況，本發(fā)明的目的是提供一種輻射探測器，其特別適于譜CT中的應(yīng) 用，并且在光子計數(shù)應(yīng)用中提供高的精確性。這一目的通過根據(jù)權(quán)利要求1、權(quán)利要求13和權(quán)利要求14所述的輻射探測器，根 據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，以及根據(jù)權(quán)利要求15所述的檢查裝置實現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求中 公開了優(yōu)選實施例。根據(jù)其第一方面，本發(fā)明涉及用于對特別是如X射線或、射線的高能輻射的入射 (電磁)輻射進行探測的“第一”輻射探測器。該輻射探測器包括以下部件a)用于將入射輻射轉(zhuǎn)換為電信號的轉(zhuǎn)換器元件。所述轉(zhuǎn)換器元件可以由將要被探 測的入射輻射轉(zhuǎn)換為電信號，特別是轉(zhuǎn)換為電荷脈沖(例如，材料的導(dǎo)帶和相應(yīng)價帶中的 電子-空穴對)的任何適當?shù)闹苯愚D(zhuǎn)換材料制成。b)布置于前面提到的轉(zhuǎn)換器元件上的多個電極系統(tǒng)。典型地，將所述電極系統(tǒng)中 的每個定位于一些相關(guān)聯(lián)的緊湊區(qū)域中，其中，以規(guī)則方式(例如，柵格或矩陣圖案)使這 些具有電極系統(tǒng)的區(qū)域分布在轉(zhuǎn)換器元件的一側(cè)上。電極系統(tǒng)還由以下特征限定其每個 包括第一電極和分離的第二電極，在下面將所述第一電極稱為“主電極”，將所述第二電極 稱為“輔助電極”。所述主電極和所述輔助電極在設(shè)計上可以相同或相似，也可以不同或不 相似。不論如何，在操作輻射探測器的過程中其使用方式是不同的，這就是賦予其不同名稱 的原因。仍然為了這一原因，所述主電極和所述輔助電極在下面將有時被認為是相互“補 充”的。另外，應(yīng)該注意到，這些電極不必須具有緊湊的相連接的幾何結(jié)構(gòu)；實際上，更優(yōu)選 地，其由將在下面結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行解釋的多個子單元組成。c)獨立地與電極系統(tǒng)的前面提到的主電極和輔助電極中的每個相連接的讀出電 路。讀出電路包括用于將電勢施加到所連接的主電極和輔助電極的(模擬和/或數(shù)字)電 子部件。如其名稱所表示的，讀出電路還將能夠探測由上面提到的在轉(zhuǎn)換器元件中生成的電信號在這些電極中生成的次級電信號。在典型示例中，次級電信號為由轉(zhuǎn)換器元件中的 電荷脈沖在電極中引起的電荷或電荷位移。所描述的輻射探測器具有如下優(yōu)勢其允許對在多個電極系統(tǒng)的幫助下由入射輻 射在轉(zhuǎn)換器元件中生成的電信號進行評估。取決于電極系統(tǒng)的布置，可以實現(xiàn)空間分辨率 (如果電極系統(tǒng)布置為垂直于輻射入射)和/或譜分辨率(如果電極系統(tǒng)布置為與輻射入 射成一直線)。在第一種情況下，輻射探測器具有已知為“像素化”的設(shè)計，其中，像素對應(yīng) 于由探測器生成的投影圖像的不同像元。通過在每個電極系統(tǒng)中使用主電極和輔助電極，所描述的輻射探測器可以相當大 地改進信號探測的精確性。因此，特別地有可能降低在轉(zhuǎn)換器元件中生成的電信號的低能 拖尾。這使得輻射探測器特別適于光子計數(shù)譜CT中的應(yīng)用。本發(fā)明還涉及用于制作特別是上述那種輻射探測器的輻射探測器的方法。所述方 法包括如下步驟a)在轉(zhuǎn)換器元件上設(shè)置多個電極系統(tǒng)，使得每個電極系統(tǒng)包括主電極以及與該主 電極電隔離的輔助電極。b)將讀出電路獨立地連接到主電極和輔助電極。所述方法包括形成上述那種輻射探測器的普通形式的步驟。因此，參照上述描述 以獲得關(guān)于所述方法的細節(jié)、優(yōu)勢以及改進的更多信息。下面，描述涉及上面限定的輻射探測器和制作方法二者的本發(fā)明的各優(yōu)選實施 例。應(yīng)該注意，在這一背景中，如果針對“至少一個”電極系統(tǒng)、主電極和/或輔助電極對一 些特征進行解釋，則通常優(yōu)選地，這一特征針對所有電極系統(tǒng)、主電極和/或輔助電極而實 現(xiàn)。根據(jù)第一任選實施例，至少一個電極系統(tǒng)的主電極和輔助電極被布置在厚度為小 于例如大約lOym的公共平面層中，其中厚度優(yōu)選地小于5i!m。所述公共平面層可以特別 地被定位為與其上設(shè)置有電極的轉(zhuǎn)換器元件的表面相接觸。在公共薄層上布置主電極和輔 助電極確保這兩者相似地接入到轉(zhuǎn)換器元件的材料并且可以與轉(zhuǎn)換器元件的材料相似地 相互作用。如已經(jīng)提到的，電極系統(tǒng)被優(yōu)選地以(規(guī)則的或不規(guī)則的)一維或二維圖案布置 在轉(zhuǎn)換器元件的一側(cè)上。在二維圖案的情況下，電極系統(tǒng)可以被布置為垂直于輻射入射和 平行于輻射入射，從而允許所述輻射的空間分辨率和譜分辨率。特別優(yōu)選的實施例為，電極系統(tǒng)以六角形的二維圖案布置在轉(zhuǎn)換器元件上。這意 味著由每個電極系統(tǒng)覆蓋的區(qū)域為六角形，并且，所有這些六角形區(qū)域以蜂窩式圖案規(guī)則 布置。由于六角形中邊界長度與內(nèi)部面積的比率比在矩形/正方形中小，在六角形的布置 中，如相鄰像素間所共享的電荷的邊界偽影被降低。另外，與例如矩形棋盤形布置相比，這 一布置具有更高的各向同性(即，旋轉(zhuǎn)對稱性)?？梢砸愿鞣N各樣的幾何形狀實現(xiàn)主電極和輔助電極。根據(jù)一個特定實施例，至少 一個主電極和/或至少一個輔助電極包括多個平行條狀物。優(yōu)選地，這些條狀物在長度和 寬度上是相同或相似的，并且均勻地分布于矩形區(qū)域中。根據(jù)上述實施例的另一發(fā)展，至少一個電極系統(tǒng)的主電極和輔助電極二者都包括 這樣的平行條狀物，其中，主電極的條狀物和輔助電極的條狀物以交替方式布置。
在上述提到的平行條狀物的電極幾何結(jié)構(gòu)中，電極的種類在條狀物的方向上在電 極系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)(主電極或輔助電極)不改變，而在垂直于條狀物的方向上反復(fù)變化。根據(jù) 本發(fā)明的另一實施例，通過提供至少一個電極系統(tǒng)實現(xiàn)具有較高各項同性的設(shè)計，其中在 該電極系統(tǒng)內(nèi)，主電極和/或輔助電極在電極系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)的任意方向至少被中斷一次。最 優(yōu)選地，在電極系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)的任意方向上，存在主電極和輔助電極的交替。這樣的電極系統(tǒng) 可以通過分別構(gòu)成主電極和輔助電極的(小且緊湊的)子單元的適當分布實現(xiàn)。所述適當 分布可以例如包括隨機分布或者六角形圖案中的等邊三角形布置。另一示例為相互隔離的 方形子單元的棋盤式圖案(黑色區(qū)域構(gòu)成主電極而白色區(qū)域構(gòu)成輔助電極)。根據(jù)電極的另一可能的幾何結(jié)構(gòu)，至少一個主電極和/或至少一個輔助電極包括 具有多個空穴的電極區(qū)域。電極區(qū)域可以例如具有棋盤式幾何結(jié)構(gòu)，其中方形柵格(黑色 區(qū)域)在角處重疊且環(huán)繞空穴(白色區(qū)域)。之后可以將補充電極設(shè)置于所述空穴中。在本發(fā)明的特別優(yōu)選的實施例中，至少一個主電極和/或至少一個輔助電極包括 在公共平面中布置的多個子單元，所述公共平面通常由在其上布置電極的轉(zhuǎn)換器元件的表 面限定。上述條狀物為構(gòu)成電極的這樣的子單元的一個示例。主電極或輔助電極的上述子單元將通常被短路(即，電耦合)。為此，優(yōu)選地，每個 子單元帶有設(shè)置于在其中布置子單元的公共平面之上的接觸端點。在這一背景中，詞語“之 上”對應(yīng)于公共平面的與布置轉(zhuǎn)換器元件的一側(cè)相對的側(cè)。換句話說，轉(zhuǎn)換器元件被認為位 于公共平面“之下”。上述接觸端點的一個特定示例為子單元上的凸點球(bump ball)。這 樣的凸點球可以例如被用于將讀出電路直接耦合到轉(zhuǎn)換器元件上的電極系統(tǒng)。接觸端點的 另一特定示例為嵌入覆蓋子單元的隔離層的通孔(即，導(dǎo)電通道)。在優(yōu)選實施例中，構(gòu)成主電極或輔助電極的子單元通過連接元件相互耦合，該連 接元件離開子單元的公共平面一定距離而延伸。連接元件可以例如為在平行于子單元的公 共平面并離該公共平面一距離處延伸的平面中接觸上述通孔的金屬線。在不同于子單元的 平面的平面中布置連接元件具有以下優(yōu)勢這一連接對子單元的探測功能沒有電干擾。根據(jù)本發(fā)明的另一特別優(yōu)選的實施例，將隔離層設(shè)置于轉(zhuǎn)換器與至少一個主電極 和/或至少一個輔助電極之間。這樣的隔離層確保在轉(zhuǎn)換器元件與對應(yīng)的電極之間沒有電 荷交換，但是其并不限制經(jīng)由電場的(期望的)相互作用。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，至少一個主電極和/或至少一個輔助電極沿相關(guān) 聯(lián)的電極系統(tǒng)的兩個相對的側(cè)延伸。如果所述電極例如通過平行條狀物實現(xiàn)，則兩個平行 條狀物可以被布置在相關(guān)聯(lián)的電極系統(tǒng)的兩個最外面的相對的側(cè)。這樣，可以確保對稱的、 明確的電狀態(tài)在電極系統(tǒng)的邊界上占優(yōu)勢。在輻射探測器的制作方法中，至少一個主電極和/或至少一個輔助電極的設(shè)置可 以任意地包括以下子步驟a)將多個子單元設(shè)置于轉(zhuǎn)換器元件上的公共平面中；b)將至少一個接觸端點設(shè)置于每個子單元上；c)將連接元件設(shè)置于所述接觸端點上，使得所述子單元電耦合。利用這一程序，可以生產(chǎn)上述那種輻射探測器。因此，對于所述方法的更多細節(jié)， 參照上述說明。根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及用于對特別是如X射線或Y射線的高能輻射的入射(電磁)輻射進行探測的“第二”輻射探測器，該探測器包括如下部件a)轉(zhuǎn)換器元件，其用于將入射輻射轉(zhuǎn)換為電信號。b)電極系統(tǒng)，其被布置于上述轉(zhuǎn)換器元件上并且包括“主電極”和分離的“輔助電 極”。另外，主電極包括具有至少一個空穴且優(yōu)選地具有多個空穴的電極區(qū)域。c)讀出電路，其被獨立地連接到電極系統(tǒng)的上述主電極和輔助電極。主電極系統(tǒng)的電極區(qū)域可以例如具有棋盤式幾何結(jié)構(gòu)，其中方形柵格(黑色區(qū) 域)在角處重疊且環(huán)繞空穴(白色區(qū)域)。可以優(yōu)選地將補充電極設(shè)置于(一個或多個) 空穴中，這可以例如通過在主電極的整個電極區(qū)域(在中間隔離層上)延伸的層實現(xiàn)。根據(jù)第二方面的“第二”輻射探測器的優(yōu)勢在于其可以被設(shè)計為在電極區(qū)域的平 面中具有高對稱性，由此避免關(guān)于電信號的處理的任何方向偏置。除了其主電極的空間幾 何結(jié)構(gòu)，輻射探測器可以另外具有如根據(jù)本發(fā)明的第一方面的輻射探測器的設(shè)計特征。根據(jù)第三方面，本發(fā)明涉及用于對特別是如X射線或、射線的高能輻射的入射 (電磁)輻射進行探測的“第三”輻射探測器，該探測器包括如下部件a)轉(zhuǎn)換器元件，其用于將入射輻射轉(zhuǎn)換為電信號。b)電極系統(tǒng)，其被布置于上述轉(zhuǎn)換器元件上并且包括“主電極”和分離的“輔助電 極”。另外，主電極和/或輔助電極的設(shè)計應(yīng)該使得在電極系統(tǒng)的區(qū)域內(nèi)的每個方向上，主 電極和/或輔助電極至少被中斷一次。更優(yōu)選地，其被中斷多次。c)讀出電路，其被獨立地連接到電極系統(tǒng)的上述主電極和輔助電極。在“第三”輻射探測器中，在相應(yīng)電極系統(tǒng)的區(qū)域內(nèi)沒有主電極和輔助電極將沿著 其延伸而不被中斷的方向。因此，可以實現(xiàn)這樣的布置，其中主電極和/或輔助電極非常各 向同性地分布于電極系統(tǒng)的區(qū)域中，從而避免特定偏置方向的發(fā)生。特別地，在相鄰轉(zhuǎn)換器 元件中由電信號感生的電荷因此被更平均地分布于主電極和輔助電極之間。在“第三”輻射探測器的優(yōu)選實施例中，情況b)滿足主電極和輔助電極兩者。這 意味著，在電極系統(tǒng)的區(qū)域內(nèi)的任意方向上，這些電極中的每個都被中斷一次或者(優(yōu)選) 多次。根據(jù)“第三”輻射探測器的另一優(yōu)選實施例，在電極系統(tǒng)的區(qū)域中存在至少一個方 向，在該方向上存在一個電極(例如，主電極)的中斷部分，并且另一個電極(在該示例中 為輔助電極)被設(shè)置于所述中斷部分中。這意味著，當沿著電極系統(tǒng)的區(qū)域內(nèi)的所述方向 “行進”時，主電極和輔助電極至少交替橫貫一次。最優(yōu)選地，主電極和輔助電極的這樣的交 替發(fā)生多次和/或在電極系統(tǒng)的區(qū)域內(nèi)的每個方向上發(fā)生。在這樣的情況下，在主電極和 輔助電極之間實現(xiàn)感生電荷的高度均勻的分布。應(yīng)該注意到，可以將根據(jù)本發(fā)明的第一、第二和第三方面的輻射探測器的特征進 行組合。另外，本發(fā)明涉及用于利用輻射對對象(例如，患者)進行檢查的檢查裝置，所述 裝置包括上述那種(“第一”、“第二”或“第三”)輻射探測器。所述檢查裝置可以特別被應(yīng) 用為行李檢測裝置、材料測試裝置、材料科學(xué)分析裝置或醫(yī)學(xué)應(yīng)用裝置。所述檢查裝置尤其 可以選自包括下列的組X射線裝置(例如，熒光透視設(shè)備)、計算機斷層攝影(CT)成像系 統(tǒng)(最優(yōu)選地為光子計數(shù)譜CT成像系統(tǒng))、相干散射計算機斷層攝影(CSCT)成像系統(tǒng)、正 電子發(fā)射斷層攝影(PET)成像系統(tǒng)以及單光子發(fā)射計算機斷層攝影(SPECT)成像系統(tǒng)。


通過參考下文中描述的(一個或多個)實施例，本發(fā)明的這些和其他方面將變得 明顯并得以闡明。將結(jié)合附圖以示例的方式對這些實施例進行描述，在附圖中圖1以透視圖的形式示出了具有包括兩個共面柵格的電極系統(tǒng)的輻射探測器；圖2以頂視圖的形式示出了具有附接至電極系統(tǒng)的讀出電路的如圖1中所示的輻 射探測器；圖3以側(cè)視圖的形式示出了具有電極系統(tǒng)的二維陣列的輻射探測器；圖4以透視圖的形式示出了具有在一個表面上的電極系統(tǒng)的二維陣列的輻射探 測器；圖5到圖9示出了生產(chǎn)在升高的平面中具有結(jié)合墊的輻射探測器的連續(xù)步驟；圖10示出了具有結(jié)合墊的不同放置的圖9的輻射探測器的變型；圖11示出了具有棋盤式圖案的電極系統(tǒng)的頂視圖；圖12以側(cè)視圖的形式示出了具有電極系統(tǒng)的二維六角形陣列的輻射探測器，所 述電極由三角形子單元組成；圖13以側(cè)視圖的形式示出了具有電極系統(tǒng)的二維六角形陣列的輻射探測器，所 述電極由全圓或半圓組成。在附圖中，相同的附圖標記或相差100的整數(shù)倍的附圖標記表示相同或相似的部 件。
具體實施例方式現(xiàn)代X射線成像系統(tǒng)的一個趨勢為采用由于X射線管發(fā)射多色X射線譜的事實而 固有地可獲得的譜信息。長遠看來，通過基于直接轉(zhuǎn)換材料(例如，Cd[Zn]Te)的能量分辨 光子計數(shù)探測器能夠獲得譜信息。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)K邊緣成像，其被認為是具有對譜信息的 估計的CT系統(tǒng)的最有價值的臨床擴展。K邊緣成像將能夠?qū)崿F(xiàn)如結(jié)直腸清潔(“電子糞便 去除”)的重要應(yīng)用，并將提供鈣化斑塊和填充造影劑的脈管之間的高度改進的分離。光子計數(shù)探測器的成功的關(guān)鍵在于良好的譜分辨率，其主要受到兩個影響而降 低。第一，相鄰像素間所共享的電荷可以以共享信號觸發(fā)每個像素中的計數(shù)。沒有昂貴且緩 慢的符合電子器件，不能夠獲取初始光子能量；探測器的譜響應(yīng)具有所謂的“低能拖尾”，其 意味著特定數(shù)量的所測得光子能量引起在零和初始光子能量之間的或多或少的隨機能量。 第二，電子通常比空穴快得多。電子器件通常適于電子的快速收集，而剩余的空穴仍然在收 集陽極上電容性地感生電荷，這引起譜響應(yīng)中的加寬的光電峰。為了克服這些缺點，使用若干理念。一個理念為使用小像素，對此，“小像素效應(yīng)” 減小了空穴的不希望的電荷被感生的區(qū)域。結(jié)果，譜響應(yīng)示出了較銳利的光電峰，然而，由 于較小像素引起相鄰像素間所共享的較大電荷，低能拖尾被增強。在改進的理念中，陽極被 減小為由帶負電荷的所謂的操縱電極圍繞的更小的區(qū)域。在一方面，帶更多負電荷的操縱 電極將電子引導(dǎo)到小的電極區(qū)域，這良好地減小了相鄰像素間所共享的電荷。在另一方面， 操縱電極接收了不希望的感應(yīng)空穴電荷的大部分，從而使得光電峰也變得銳利。然而，操縱 理念也具有其他缺點，這是由于相對高的電壓需要被施加于操縱電極和陽極之間，這引起高的漏電流并由此提高了噪聲水平。上述技術(shù)不足以對加權(quán)電勢進行定位——由此引起低能拖尾——尤其在薄的探 測器層的情況下，這是由于所述技術(shù)需要處理探測器像素中的非常高的計數(shù)率，所述探測 器像素面向直接射束或者在靠近直接射束的掃描對象之后；作為在薄的探測器層中降低計 數(shù)率的結(jié)果，脈沖堆積也被降低。對于所擴展的Alvarez-Macovsky分解方法(參照上述 Roessl等人)，進一步減小低能拖尾從而改進K邊緣分量的測量結(jié)果是非常重要的。因此，這里提議使用具有例如共面柵格的電極系統(tǒng)，用于與讀出電子器件相結(jié) 合來限定輻射探測器的像素化陽極，所述讀出電子器件測量源自收集電極和非收集電極 (柵格)的信號間的差異。在文獻中僅與體探測器相聯(lián)系對共面柵格進行了描述(參照 Luke “Single-polarity charge sensing inionization detectors using coplanar electrodes，，，Appl Phys Lett 1994 ；He 等人“Coplanar grid patterns and their effect on energy resolution of CdZnTedetectorsNIMA 1998)。共面柵格主要由薄的 條狀物組成，其中，每隔一個的條狀物(“偶數(shù)”以及“奇數(shù)”條狀物)被電連接，從而使得 兩個柵格形成梳狀結(jié)構(gòu)。如果電壓(低于用于操縱電極理念的電壓)被施加到兩個柵格之 間，電子被從帶更多負電荷的柵格排斥出，并被帶更多正電荷的柵格收集。帶更多負電荷的 柵格為“非收集”柵格，而帶更多正電荷的柵格為“收集”柵格。由于電容性電荷耦合，剩余 的空穴在兩個柵格感生出電荷。然而，由于兩個柵格為剩余的空穴提供基本相等的區(qū)域，兩 個柵格的電容性感生信號基本相同。如果每個柵格感生的電流通過兩個不同的電子通道測 量，其可以被相互減去。結(jié)果，在對不同信號進行積分之后，純電子電荷信號還存在，而由空 穴感生的電荷被抵消。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的用于輻射探測器100的方法。應(yīng)該注意到， 在該表示中，僅僅示出了一個單一的體素V，盡管探測器具有大量這樣的體素V。輻射探測 器100包括下述部件-轉(zhuǎn)換器元件130，例如，如31、66、6&48、取1、〔211(碲鋅鎘)和/或CdTe的直接 轉(zhuǎn)換材料的立方體塊，在該轉(zhuǎn)換器元件中將入射X射線X轉(zhuǎn)換為電信號。該信號將通常由 傳導(dǎo)帶中的電荷組成，該傳導(dǎo)帶可以在電場的影響下移動。通過向轉(zhuǎn)換器元件的相對的側(cè) (在圖中為頂面和底面)施加不同的電勢在轉(zhuǎn)換器元件130中生成這樣的電場E。-電極系統(tǒng)ES(僅示出了其中的一個)，其每個由兩個分離的電極111、121組成。 這些電極在下面將被稱為“主電極” 111 (或“收集電極”，參照其電子收集性能)和“輔助電 極” 121 (或“非收集電極”)。在所示出的示例中，主電極或收集電極由多個平行條狀物111組成。類似地，輔助 電極或非收集電極由多個平行條狀物121組成，所述條狀物121被布置為平行于上述主電 極的條狀物111并與之相交替。主電極的條狀物111在一個末端被連接元件112電連接； 類似地，輔助電極的條狀物121在相對末端被連接元件122電連接。在使用輻射探測器的過程中，(通常)將主電極111和輔助電極121作為陽極，對 應(yīng)的陰極被置于轉(zhuǎn)換器元件130的相對側(cè)(在圖中為底側(cè))。-讀出電路140，其在圖中僅示意性地示出，并且電連接到主電極和輔助電極。在讀出電路140中，在收集電極111和非收集電極121上感生的信號的差異被讀 出。因此，在差分信號中，任何所捕獲電荷(無論正電荷或負電荷)的感生信號消失。另外，減法僅需要與陽極側(cè)非常接近并且因此實際上僅在收集電極111上感生電荷的電荷真 正地對所測信號有貢獻。假設(shè)僅僅捕獲空穴，該方法提供了一種設(shè)備，其僅測量電子的信 號，從而消除在例如Cd[Zn]Te中空穴的非常低的可動性的不利影響，并因此消除了作為結(jié) 果的空穴捕獲的較高風險。然而，要當心所測脈沖的總噪聲的增加，其可能由于從兩個模擬 信號中減去不相關(guān)噪聲而發(fā)生。實現(xiàn)如圖1中的設(shè)備的困難在于提供電極系統(tǒng)ES的非常小的共面柵格結(jié)構(gòu)，從而 使得包括必要間隙的、在彼此之后平行放置的共面柵格的所有條狀物所覆蓋的距離不大于 大約1mm。這一約束主要由下列給出保持由電極系統(tǒng)ES限定的探測器體素大小的需要， 以及轉(zhuǎn)換器元件130的材料的厚度要小到足以使得探測器體素V中的計數(shù)率仍然被限制。 如果對若干探測器層進行設(shè)計(如下面結(jié)合圖4所描述的)，這一大小的探測器體素體積仍 然導(dǎo)致可接受的計數(shù)率，從而使得同樣在直接射束中，僅僅頂部探測器層的體素經(jīng)歷一計 數(shù)率，該計數(shù)率如此之高以致發(fā)生飽和(即，直接轉(zhuǎn)換材料或讀出電子器件中的任一個都 不能將獨立脈沖相分離，并且能量分辨光子計數(shù)不再可能)。滿足上述要求的直接方法為圖1的設(shè)計，其中，收集電極的各個條狀物111與已經(jīng) 在轉(zhuǎn)換器材料上的金屬連接元件112相連接，并且對于非收集柵格的各個條狀物121是類 似的。然而，將各個條狀物111、121相連接的金屬結(jié)構(gòu)112、122在某種程度上削弱了“理 想”操作，這是由于在這些結(jié)構(gòu)上也可以感生出電荷。特別地，如果電荷堆積于互連的金屬 結(jié)構(gòu)112或122之上的體素V的邊緣，則當電荷仍然遠離陽極側(cè)時，在收集電極和非收集電 極上感生的信號已經(jīng)有很大不同，正如圖1中所示。因此，即使離陽極的距離很大時，堆積 于探測器體素V的邊緣的電荷將引起收集電極和非收集電極之間的非零差分信號，這是應(yīng) 該被避免的。因此這里提議優(yōu)選地僅將獨立的平行條狀物設(shè)置于轉(zhuǎn)換器體材料上，并經(jīng)由無論 如何必須與電極相結(jié)合的讀出電子器件提供互連。這在圖2中以輻射探測器200的頂視圖 的形式更詳細地示出。示出了轉(zhuǎn)換器材料230的兩個體素V，主電極211和輔助電極221設(shè) 置于這兩個體素之上，而陰極235在其后側(cè)。每個獨立的電極條狀物211、221經(jīng)由凸點球 213與讀出ASIC(專用集成電路)的結(jié)合墊相結(jié)合，并在讀出ASIC 240內(nèi)互連(參照圖的 右手側(cè))。另外，在讀出電路240上提供外部結(jié)合墊B以用于進一步的連接。應(yīng)該注意到，為了清晰的緣故，在圖2中以及在其后的附圖中，主/輔助電極的附 圖標記211、221等僅繪在單個的有代表性的子單元上，而“電極”實際上為所有相關(guān)聯(lián)的子 單元的集合。所示出的連接機制的替代方案可以為在轉(zhuǎn)換器材料上的2層金屬化處理(一層用 于連接電極條狀物而另一層用于提供結(jié)合墊)，在下面結(jié)合圖5到圖9將此描述為本發(fā)明的 另一實施例。其具有的優(yōu)勢在于即使較薄(并且也可能較小)的條狀物(相鄰條狀物之間 的距離較小)也可以被設(shè)置于直接轉(zhuǎn)換材料上。對于該方法，必須留心的是，Cd[Zn]Te僅 允許相對低的處理溫度(≤170°C )。圖2的實施例意味著對于每個條狀物211、221，在讀出電子器件ASIC240上需要結(jié)合墊。圖3以探測器300的電極系統(tǒng)ES的側(cè)視圖的方式示出了對應(yīng)的電極幾何結(jié)構(gòu)，所述電極系統(tǒng)ES包括主電極311和輔助電極321的條狀物(該探測器可以例如以水平照射模 式使用，其中，X射線將從y方向入射)。假設(shè)條狀物寬度w為大約50 y m (且例如其長度L為 達到1謹)并且條狀物距離d為大約40. 9 iim，在給定1謹(1謹=llX50iim+llX40. 9iim) 的像素節(jié)距的情況下，能夠(以所要求的隔行方式)設(shè)置六個非收集輔助電極321以及五 個收集主電極311。以這樣的組合，每個像素(像素每個均由一個電極系統(tǒng)ES所覆蓋的區(qū)域限定)由 非收集輔助電極321的最外面的條狀物封閉，以提供相鄰像素的一些解耦合。應(yīng)該注意到， 可以保持用于結(jié)合的所得到的節(jié)距適度(即，甚至大于^.gym+SOiim)，這是由于用于連 接收集電極的條狀物的結(jié)合墊可以在不同的條狀物之間被交錯排列，即，不需要像用于非 收集電極的那些那樣在相同的線上(從而為每個結(jié)合墊提供更多空間)。為了提高結(jié)合率， 對于每個電極條狀物，可以提供多于一個結(jié)合墊。在操作期間，與收集主電極相比，非收集輔助電極在較低的電勢上，以便以這樣的 方式改變轉(zhuǎn)換器材料體內(nèi)的電場，使得電荷被操縱向著收集電極條狀物并被驅(qū)動遠離非收 集電極條狀物。因此，優(yōu)選地使隔離層或鈍化層位于非收集輔助電極和轉(zhuǎn)換器材料體之間，而收 集電極必須具有與體材料的足夠的(導(dǎo)電)電接觸，從而可以經(jīng)由收集電極的金屬將轉(zhuǎn)換 器材料內(nèi)生成的電荷排出。鈍化層的另一優(yōu)勢在于可能使非收集電極的各個條狀物短路。 因此，對于非收集電極，僅需要一個凸點球連接。鈍化層的另一優(yōu)勢在于對電極設(shè)計的幾何約束較少。例如，收集電極可以具有如 在圖11中所示出的棋盤圖案。圖4示出了由限定——在多板邊接組合中的板上——具有四個像素P的體素V的 共面電極柵格結(jié)構(gòu)構(gòu)成的電極系統(tǒng)ES的示例性布置，其中，每個像素P具有四層。這里像 素大小為b(=lmm)X “板的厚度r”。在輻射入射方向，所述層具有11 = 500 y m、12 = 800 ii m、13 = 800 u m, 14 = 900 u m 的遞增厚度。以圖4的探測器400的尺寸，對直接射束照射的最大計數(shù)率進行模擬。對于兩個 較低的層，計數(shù)率遠低于lOMcps (對于90kVp、400mA，帶有射束整形器)。從而在直接射束 照射中，仍然有可能估計單個光子的能量，這是由于材料和讀出電子器件應(yīng)該能夠應(yīng)對這 一范圍內(nèi)的計數(shù)率。通過容納飽和層，即使頂層處于飽和狀態(tài)并且不對數(shù)據(jù)估計有貢獻，仍 然能夠估計入射譜。對于較高的管電壓(例如，150kVp)，需要不同的層設(shè)計，例如，層厚度為2000iim、 1000iim、500iim和500 y m(沿輻射入射方向)以確保至少兩層在直接射束中經(jīng)歷低 于lOMcps的計數(shù)率。替代方案可以為例如每層為500 ym的八層(假設(shè)像素大小為 1000 umX 1000 um)。圖5到圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的輻射探測器500的連續(xù)的制作步 驟。在這一設(shè)計中，兩層結(jié)構(gòu)方法被用于限定單個電極系統(tǒng)或像素的共面柵格結(jié)構(gòu)。這是 以這樣的方式進行的，使得第一層限定形成收集(主)電極和非收集(輔助)電極的兩組 平行條狀物，而在第二層進行相同電極的條狀物之間的連接，所述連接也提供用于結(jié)合讀 出ASIC的結(jié)合墊。由于現(xiàn)在僅必須留心轉(zhuǎn)換器材料上的光刻處理的限制，有可能限定更薄的條狀物
11以及更短的條間距，例如，距離為5 y m的10 P m薄的條狀物，這進一步改進了所得到的加權(quán) 電勢，并有助于達到收集電極和非收集電極之間所需的電勢差的進一步減少。在所提到的 尺寸的情況下，六個非收集條狀物和五個收集條狀物可以例如被布置成大約150 X 150 u m2 大小的像素(即，可以達到與上述具有1mm節(jié)距的像素示例中相同數(shù)量的收集條狀物和非 收集條狀物)。這使得限定甚至小于所提到的1 X 1mm2的像素成為可能，這尤其對于X射線探 測器是有利的，所述探測器最常用于投影成像并由此需要不大于150 u mX 150 y m乃至 100 umX 100 u m的像素節(jié)距。假定500 y m厚的CdTe (這可容易地獲得)，看起來有可能設(shè) 計具有這樣小的像素的探測器。圖5到圖9示出了用于在如Cd[Zn]Te的直接轉(zhuǎn)換材料上用兩層金屬處理建立單 個像素的光刻步驟的可能順序。圖5示出了在轉(zhuǎn)換器元件530體上的用于非收集電極的鈍化525的設(shè)置。為簡單 起見，下面的附圖僅示出轉(zhuǎn)換器元件530的表面。圖6示出了直接在體材料530的頂部上的收集電極條狀物511的設(shè)置。圖7示出了在鈍化條狀物525的頂部上的非收集電極條狀物521的設(shè)置。圖8示出了用金屬對通孔513和523的填充(嵌入這些通孔的介電材料未示出)。圖9示出了分別連接條狀物511和521的連接線512、522的設(shè)置。另外，其示出 了所需的兩個結(jié)合墊扎和民。的設(shè)置，在下一步驟(未示出)中，讀出電路可以被連接至所 述結(jié)合墊。在像素節(jié)距為150 ym的情況下，結(jié)合墊節(jié)距將在(可行的)75 y m的范圍內(nèi)。對 于lOOym節(jié)距的像素，可能需要使用如在圖10中所示的用于輻射探測器600的替代布置， 其中，結(jié)合墊B。和Bn。被定位于電極系統(tǒng)的斜對角上。已經(jīng)提到，除了條狀物幾何結(jié)構(gòu)的其他電極設(shè)計也是可能的。這樣的設(shè)計可以例 如有助于由在靠近電極系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器元件中生成的空穴所感生的電荷在主電極和輔助電 極之間更對稱地分布。另外，替代設(shè)計可以允許主電極和輔助電極之間的較低電壓差，由此 降低噪聲。在圖11中示出了用于探測器700的替代電極系統(tǒng)ES的一個示例。在這個設(shè)計中， 收集主電極711在電極區(qū)域中以棋盤圖案延伸，其在圖中由對應(yīng)于金屬墊的黑色方塊表示 并具有小的重疊。在圖中，淺色方塊對應(yīng)于“間隙”，即電極區(qū)域中的(內(nèi)部)空穴G。在這 些空穴中，轉(zhuǎn)換器塊730的表面沒有被主電極覆蓋。通過鈍化層725上的鄰接的金屬面可以 實現(xiàn)相補充的非收集電極721，例如，在設(shè)置于主電極711和轉(zhuǎn)換器塊730的表面之上的苯 并環(huán)丁烯(BCB)層上。然而，為了降低電容并使鈍化層的電擊穿的風險最小化，非收集電極 也可以以空穴為特征。這些空穴優(yōu)選地定位于收集主電極的金屬化區(qū)域之上。鈍化層725 僅需要用于收集主電極711的通孔(和結(jié)合墊)的一個開口(未示出)，這在考慮凸點結(jié)合 處理的有限產(chǎn)率的情況下對于探測器制作是有益的。這一解決方案的獨特優(yōu)勢在于如下事 實柵格結(jié)構(gòu)不僅聚焦于一個方向(例如，垂直于上述實施例的條狀物)，而且聚焦于兩個 方向。由此，與對應(yīng)的條狀物節(jié)距相比，方塊間的節(jié)距可以更大。盡管輻射探測器700將優(yōu)選地包括多個如上述設(shè)計中的這樣的電極系統(tǒng)，其可以 僅包括一個圖11中示出的單個電極系統(tǒng)ES。
12
在圖12中示出的輻射探測器800為使用非條狀物電極幾何結(jié)構(gòu)的另一示例。如 上述設(shè)計中的，輻射探測器800包括轉(zhuǎn)換器元件830，在其上以規(guī)則圖案布置多個電極系統(tǒng) ES。在所示出的示例中，每個電極系統(tǒng)ES填充像素P的六角形區(qū)域，所述六角形像素P組 合成蜂窩式棋盤形布置。另外，每個電極系統(tǒng)ES包括主電極811和輔助電極821。主電極和輔助電極每個 均由等邊三角形形式的子單元(子陽極)組成，這些子單元以交替方式布置以填充電極系 統(tǒng)ES的六角形區(qū)域。由此，與圖1-圖10的條狀物幾何結(jié)構(gòu)相比，輻射探測器800達到了 較高程度的旋轉(zhuǎn)對稱性。該圖僅示意性地表示了每個像素P的主電極811和輔助電極821與讀出電路840 的連接。如之前的實施例中的，讀出電子器件840測量源自主(收集)子陽極和輔助(非 收集)子陽極的信號之間的差異。主子陽極811被保持在例如GND電勢，而輔助子陽極821 被保持在負電勢(通常不如陰極的電勢低)，從而確保電場將電子從轉(zhuǎn)換器元件的幾乎整 個體積引導(dǎo)到收集子陽極。輻射探測器800中的電極系統(tǒng)ES為更普遍的設(shè)計原理的一個示例，所述設(shè)計原理 的特征為以下事實在電極系統(tǒng)ES的區(qū)域(xy平面)內(nèi)的每個方向，主電極和/或輔助電 極被中斷一次或(優(yōu)選地)多次。特別地，輻射探測器800為主電極811和輔助電極821 二者在每個方向具有多次中斷的示例。相反，圖11中的輻射探測器700為僅輔助電極721 在每個方向被反復(fù)中斷的示例。由于電容性感生電荷在收集子陽極和非收集子陽極之間分布得更加均勻，可以有 利地將具有上述特征的圖案化電極結(jié)構(gòu)與柵格結(jié)構(gòu)相比較。這意味著收集子陽極和非收集 子陽極的信號之間的差異被最小化(理想地到零)，并且光電峰將變得更加銳利。另外，六 角形像素形狀可以減少相鄰像素間所共享的電荷，由此降低低能拖尾?？梢允褂?金屬層處理或通過將其在讀出ASIC上互連使主電極811的三角形收 集子單元相互連接，如上所述地將所述讀出ASIC結(jié)合到材料上。由于屬于收集子陽極和非收集子陽極的等邊三角形的頂點相互之間非常靠近，圖 12中所示出的設(shè)計可能在頂點的鄰域中引起非常高的電場。這可以通過以輕微地增加非金 屬化區(qū)域為代價使用圓形頂點(未示出)來減輕。假定六角形像素P的面積為1mm2，三角 形面積將為大約lmm2/24 = 41700 y m2，三角邊將為219. 3 y m，而間隙寬度為在20 y m的范 圍內(nèi)。在避免高電場強度的方法中，僅可以使用圓形形式的子單元。由于這可以引起對 對稱性的一些干擾，可以使用圓形或者半圓形形式的子單元，其中，將半圓形例如隨機布 置，這是由于其輕微地干擾六角形對稱性。在圖13中示出的輻射探測器900中實現(xiàn)了這樣 的實施例。該探測器與探測器800的相同之處在于其包括布置于轉(zhuǎn)換器元件930上的六角 形電極系統(tǒng)ES (組成像素P)。然而，主電極911和輔助電極921的子單元具有圓形和隨機 分布的半圓形的形式。盡管在圖12和圖13中示出了多個電極系統(tǒng)ES，電極系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)計也可以被應(yīng) 用到僅具有單個電極系統(tǒng)的輻射探測器中。所描述的探測器設(shè)計特別適合于光子計數(shù)譜CT。探測器響應(yīng)于在20和140keV之 間的醫(yī)學(xué)相關(guān)能量范圍中的每個能量的低能拖尾越短，基于光子計數(shù)的能量分辨譜CT系統(tǒng)的性能越好。為了達到這一點，在這里提議使用共面電極柵格來限定像素化陽極。對于 每個像素，共面電極方法需要形成由收集電極和非收集電極生成的信號之間的(模擬)差
B. 升。另外，本發(fā)明可以被應(yīng)用于預(yù)期良好的能量分辨率的使用能量分辨計數(shù)探測器的 所有X射線探測系統(tǒng)，尤其用于醫(yī)學(xué)成像和醫(yī)學(xué)計算機斷層攝影。最后指出，在本申請中，詞語“包括”不排除其他元件或步驟，“一”或“一個”不排 除多個，并且單個處理器或其他單元可以實現(xiàn)若干裝置的功能。本發(fā)明存在于每個新穎的 特征特性特征，以及這些特性特征的每個組合。另外，權(quán)利要求中的附圖標記不應(yīng)該被理解 為限制其范圍。
權(quán)利要求
一種輻射探測器(100-900)，包括a)轉(zhuǎn)換器元件(130-930)，其用于將入射輻射(X)轉(zhuǎn)換為電信號；b)多個電極系統(tǒng)(ES)，其被布置在所述轉(zhuǎn)換器元件上，每個電極系統(tǒng)包括主電極(111-911)以及與所述主電極電隔離的輔助電極(121-921)；c)讀出電路(140-940)，其被獨立地連接到所述主電極和所述輔助電極，以用于向它們施加電勢。
2.一種用于制作輻射探測器(100-900)的方法，所述方法包括如下步驟a)在轉(zhuǎn)換器元件(130-930)上設(shè)置多個電極系統(tǒng)(ES)，使得每個電極系統(tǒng)包括主電極 (111-911)以及與所述主電極電隔離的輔助電極(121-921)。b)將讀出電路(140-940)獨立地連接到所述主電極和所述輔助電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器(100-900)或者根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法， 其特征在于，至少一個電極系統(tǒng)(ES)的所述主電極(111-911)和所述輔助電極(121-921)被布置在厚度為例如小于大約10 ym的公共平面層上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器(800-900)或根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法， 其特征在于，所述電極系統(tǒng)(ES)在所述轉(zhuǎn)換器元件(830-930)上以二維六角形圖案布置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器(100-600)或根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，至少一個主電極(111-611)和/或輔助電極(121-621)包括多個平行條 狀物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的輻射探測器(100-600)或方法，其特征在于，以交替方式布置這樣的主電極(111-611)和這樣的輔助電極(121-621) 的平行條狀物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器(100-900)或根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，至少一個主電極(111-911)和/或輔助電極(121-921)由布置于公共平 面中的多個子單元組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的輻射探測器(100-900)或方法，其特征在于，每個子單元帶有設(shè)置于所述公共平面之上的接觸端點(213、513、523、 613,623)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的輻射探測器(100-900)或方法，其特征在于，子單元通過在離所述子單元的所述公共平面一距離處延伸的連接元件 (512、522、612、622)相互電耦合。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器(100-900)或根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法， 其特征在于，隔離層(525、725)被設(shè)置于所述轉(zhuǎn)換器元件(130-930)和至少一個輔助電極(121-921)之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射探測器(100-900)或根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法， 其特征在于，至少一個主電極和/或輔助電極(121-921)沿對應(yīng)的電極系統(tǒng)的兩個相對的側(cè)延伸。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，至少一個主電極(111-911)和/或輔助電極(121-921)的設(shè)置包括如下步驟al)將多個子單元設(shè)置于所述轉(zhuǎn)換器元件(130-930)上的公共平面中；a2)在所述子單元中設(shè)置接觸端點(513、523、513、623)；a3)在所述接觸端點上設(shè)置連接元件(512、522、612、622)，使得所述子單元被電耦合。
13.一種輻射探測器(700)，其尤其根據(jù)權(quán)利要求1，其包括a)轉(zhuǎn)換器元件(730)，其用于將入射輻射轉(zhuǎn)換為電信號；b)電極系統(tǒng)(ES)，其被布置于所述轉(zhuǎn)換器元件上并且包括主電極(711)以及與所述主 電極電隔離的輔助電極(721)，其中，所述主電極(711)包括具有至少一個空穴(G)的電極 區(qū)域；c)讀出電路(740)，其連接到所述主電極和所述輔助電極，以用于向它們施加電勢。
14.一種輻射探測器(700、800、900)，其尤其根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求13，其包括a)轉(zhuǎn)換器元件(730、830、930)，其用于將入射輻射轉(zhuǎn)換為電信號；b)電極系統(tǒng)(ES)，其被布置于所述轉(zhuǎn)換器元件上并且包括主電極(711、811、911)以及 與所述主電極電隔離的輔助電極(721、821、921)，其中，在所述電極系統(tǒng)的區(qū)域中的每個方 向，將所述主電極(811，911)和/或所述輔助電極(721、821、921)中斷；c)讀出電路(740、840、940)，其被連接到所述主電極和所述輔助電極，以用于向它們 施加電勢。
15.一種用于利用輻射對對象進行檢查的檢查裝置，其包括根據(jù)權(quán)利要求1、權(quán)利要求 13或權(quán)利要求14所述的輻射探測器(100-900)。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括轉(zhuǎn)換器元件(530)和布置于所述元件上的多個電極系統(tǒng)(ES)的輻射探測器(500)，其中，每個電極系統(tǒng)包括連接到讀出電路的主電極(511)和輔助電極(521)。特別地，通過在公共平面中延伸的平坦、平行條狀物實現(xiàn)所述主電極和輔助電極，其中，所述條狀物在所述平面之上電連接。
文檔編號G01T1/36GK101858983SQ20101015643
公開日2010年10月13日 申請日期2010年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月6日
發(fā)明者C·博伊默, C·赫爾曼, K·J·恩格爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司