专利名称：具有若干转换层的辐射探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括用于将入射光子转换成电信号的至少两个转换层的辐射探测器。
此外，本发明涉及包括这种辐射探测器的x射线探测器和成像系统。
背景技术：
US 7022996 B2公开了一种辐射探测器，其包括硅(Si)和CdZnTe (CZT)或CdTe转 换层的组合。通过这种构型，低能量辐射被具有较高分辨率的Si层吸收，而高能量辐射被 对于高能量辐射具有高探测效率的其他层吸收。这一辐射探测器特别适用于探测在几十eV 范围内具有高能量分辨率的Y辐射。 基于这种情况，本发明的一个目标是提供用于探测辐射特别是X辐射和Y辐射的 备选工具，其中期望这些工具可以被应用于谱分辨的成像系统。 这一 目标由根据权利要求1所述的辐射探测器、根据权利要求16所述的X射线探 测器和根据权利要求17所述的成像系统实现。优选实施例在从属权利要求中公开。
发明内容
根据本发明的辐射探测器可以用于定量和/或定性探测平均地沿着给定方向传 播的电磁辐射，特别是X辐射或Y辐射，该给定方向下面将被称为"主辐射方向"。该辐射 探测器包括以下部件 a)至少一个转换层，其在下面为了引用的目的将被称为"初级转换层"并且其对 于应被探测的光子具有低衰减系数。和初级转换层一起，提供一种能量分辨计数电子设备 (下面简称为"ERCE")，其用于对通过转换入射光子而在初级转换层中生成的电脉冲进行 计数并且根据所转换的光子的能量对这些脉冲进行分类(例如分类成给定数量的种类)。
—般地，"衰减系数"应该表达材料的固有衰减能力(不考虑其几何形状)。因此， 在穿过具有衰减系数P和厚度x的材料之后，辐射束的强度将下降e邓(-Px)倍。此外， 应该注意该衰减系数通常将依赖于入射辐射的能量E，即衰减系数的最完整表示对应于值 P (E)的谱；近似的单值可以由此获得，例如通过对该谱求平均。 该初级转换层一般将具有简单的几何形状，特别是立方体或大体平的片材，并且 它通常将由均匀的(纯的或复合的)材料组成。入射光子通常将在初级转换层中产生自由 电荷(例如电子_空穴对)，其可以通过所施加的电场和与ERCE耦合的相关联的电极而被 探测为电(电压或电荷)脉冲。 b)至少一个进一步的转换层，其在下面为了引用的目的将被称为"次级转换层"， 并且其和相关联的读出电子设备一起被提供，该相关联的读出电子设备用于通过转换入射 光子而在次级转换层中生成的电信号。任选地，该次级转换层和/或相关联的读出电子设 备可以在设计上分别等同于或类似于初级转换层和ERCE。然而，在下面将描述的本发明的 优选实施例中初级和次级转换层彼此不同。 通过利用对于入射光子具有低衰减系数即阻止本领的初级转换层，所描述的辐射探测器适用于必须处理入射光子的高计数率的应用。这种情况发生在例如谱计算机断层摄 影(CT)成像中，其中需要以普通材料制成的不现实的小尺度转换层以将计数率限制到可 行范围。通过应用具有低衰减系数的初级转换层，可以以实际可行的几何设计来限制计数率。 初级转换层的衰减系数的绝对值依赖于其所针对的特殊应用的需求。在本发明的 优选实施例中，初级转换层的衰减系数在20keV至150keV的能量范围内是硅的衰减系数的 0.5倍至大约4倍。更优选地，该衰减系数类似于Si的衰减系数。应该注意到，如果要探测 高能光子如X射线或Y射线，初级转换层的衰减系数将非常依赖于所述材料的原子数Z和 质量密度。 特别适用的材料是硅(Si)，其可以以低阻止本领将X射线和Y射线转换成电信 号(电子-空穴对)，其优势在于可以以低廉的价格获得并且与普通半导体电子设备兼容。 此外，以小的特征尺寸进行结构化对于Si来说也不成问题，并且与非常脆的CdTe或CZT相 反，该材料还是柔性的。 可能发生的是X辐射或Y辐射在K-荧光过程中在转换材料中生成次级光子。由 于所述光子在被探测到之前可能行进到其他探测器单元中，这会导致对应信号的空间起源 或能量的错误解释。因此优选初级转换层和/或次级转换层包括在20keV至150keV的能 量范围内不显示K-荧光的转换材料。作为替代或附加地，初级转换层和/或次级转换层可 以包括在所述20keV至150keV的能量范围内具有K-荧光的概率仅为20 %或更低的转换材 料。因此可以最小化不期望的串扰效应。 已经提到次级转换层可以与初级转换层具有不同的设计。因此次级转换层对于要 探测的光子特别地可以具有高衰减系数或阻止本领。因此希望它被应用于入射光子通量已 经被(多个)初级转换层降低到较低值的位置处。附加地或作为替代，次级转换层的高阻 止本领可以被用于捕获尽可能多的剩余光子(在通过(多个)初级转换层后剩下的)从而 不损失任何辐射。 在前述情况中，次级转换层的衰减系数特别地可以类似于GaAs、 CZT、 CdTe、 Csl、 CWO和/或GOS的衰减系数或更高。 次级转换层可以进一步任选地包括具有高原子数Z和高质量密度的材料。适当材 料的具体示例包括GaAs、 CZT、 CdTe、 Csl、 CWO和GOS。 已经提到初级转换层的具体目的是限制直接转换层和相关联的ERCE必须处理的 计数率。在这方面，初级转换层的尺度和/或形状优选是这样的，使得对于要探测的入射光 子的给定的最大强度，直接转换层和ERCE所面对的计数率仍然低于给定的最大计数率，例 如低于大约10百万计数每秒(Mcps)。应该注意到该计数率依赖于初级转换层暴露于入射 光子束的横截面以及转换层相对于所述光子的主传播方向的厚度。由于初级转换层的低衰 减系数，这些尺度可以保持在对于如谱CT的典型应用的可行限制之上。
关于初级和次级转换层的相对布置，这些层例如可以相对于入射光子的主传播方 向侧对侧地设置。然而，在优选实施例中，初级转换层和次级转换层在主辐射方向上彼此堆 叠。因此入射光子将被两个不同的转换层串行地处理。 在前述情况下，特别优选的是辐射探测器被设计为在其操作过程中初级转换层先 于次级转换层被光子穿过(在这一实施例中给定术语"初级"和"次级"的含义)。在这一
5背景下应该注意，光子原则上可以从任何方向照射到辐射探测器上。然而，辐射探测器通常 将具有附加部件，如遮光器、抗散射栅格、电子电路、外壳以及因为对于本领域技术人员来 说是显而易见的而未明确提及的其他部件，其中这些部件通常以这样的方式布置，使得其 仅对从相对于探测器的特定进入方向将光子照射到该探测器上有意义。因此如果入射光子 的主辐射方向与所述进入方向一致，则光子将首先碰撞到初级转换层上且然后(如果未被 转换)碰撞到次级转换层上。如果主辐射方向垂直于这些层(如附图所示)，则通常如此。 所描述的碰撞顺序的优势在于原始(高)数量的光子将首先碰到初级转换层，在其中由于 低衰减系数，仅有一小部分的光子受到影响，从而对于相关联的电子设备来说计数率仍然 易于处理。到达次级转换层的光子通量将被降低到这样的水平，在该水平下，相对于相关联 的电子设备必须处理的最终计数率来说该层的较高衰减系数不再成问题(而是相反地构 成优势)。 在本发明的另一种修改中，辐射探测器包括具有各自的ERCE的多个初级转换层， 其沿着主辐射方向彼此堆叠。因此每个独立的初级转换层可以保持为较小，以便将光子的 相关联的计数率限制到易于处理的值。 在前述设计的进一步发展中，不同的初级转换层具有不同的厚度，优选在主辐射 方向上厚度递增。因此，初级转换层的敏感体积可以适应于预期光子通量(其在主辐射方 向上连续减小)。 在本发明的另一个实施例中，辐射探测器包括具有相关联的读出电子设备的多对 次级转换层，其在主辐射方向上彼此堆叠。同样地，这种分层设计可以用于限制每个独立的 次级转换层必须处理的计数率。 与(多个)次级转换层相关联的读出电子设备任选地可以由能量分辨计数电子设 备(在设计上类似于或等同于初级转换层的ERCE)实现。能量分辨计数特别地可以与例如 CZT转换层结合使用。 在另一个实施例中，次级转换层的读出电子设备可被设计为对在次级转换层中生 成的电信号积分。这一方法特别适用于结合例如G0S转换层使用，因为G0S是用在已知能 量积分CT扫描器中的已被证明的材料。因此，在这种实施例中，(多个)能量分辨计数层 可以被制成是可移除的，从而基于GOS的常规扫描器和能量积分读出电子设备可以结合或 不结合能量分辨计数层使用，每个能量分辨计数层具有其各自的ERCE。
本发明还涉及X射线探测器，该X射线探测器包括对X射线敏感的上述类型的辐 射探测器。此外，本发明涉及包括上述类型的辐射探测器的成像系统，其中所述成像装置特 别地可以为X射线、CT(计算机断层摄影)、PET(正电子发射断层摄影)、SPECT(单光子发 射计算机断层摄影)或核成像装置。 前述成像系统特别地可以包括重建器，其例如由具有相关联的软件的数字数据处 理硬件实现，并且其耦合到ERCE和读出电子设备以便评估已经被光子穿过的对象的能量 相关衰减系数。这种重建器特别地可以用于谱CT中的辐射探测器应用，以便区分X射线材 料的例如光电系数、Compton系数和/或K-边缘系数。 本发明的这些和其他方面将通过参考后面描述的(多个)实施例而变得明显且得 以阐明。将借助于附图以示例的方式描述这些实施例。
在附图中 图1示意性示出具有Si和GOS材料的组合的X辐射探测器的分层结构；
图2示意性示出具有Si和CZT材料的组合的X辐射探测器的分层结构。
在附图中相差100的整倍数的一个或多个相似的参考数字指示相同或类似的部 件。
具体实施例方式"谱CT"被认为具有革新当前CT系统的潜能，这是以如下方式进行的由X射线管 生成并穿过扫描对象的多色X射线束中包含的谱信息被用于提供新的诊断关键信息。用于 谱CT成像系统的使能技术是探测器，其可以提供对击中扫描对象后面的探测器的光子的 能量谱的足够准确的评估。由于探测器也暴露于直接射束以进行图像重建，见到直接射束 的探测器像素中的光子计数率是巨大的(每秒每咖2大约109个光子，即1000Mcps每mm2)。 然而，预期读出电子设备能够处理不超过10Mcps。为了限制计数率，有可能将探测器的传 感器部分(其中X射线光子相互作用并生成电荷脉冲，其进一步被读出电子设备评估)子 结构化(sub-structure)成小的子像素(例如300 y mX 300 y m)以及若干不同的传感器层 (三维子结构化)，其中传感器层中的每个子像素具有其自身的能量分辨读出电子设备通 道，该通道具有针对每一能量的子通道。 作为用于谱CT的传感器材料，CZT或CdTe由于其相对高的X射线阻止本领而 受到关注(大约3mm厚的CZT被认为足以完全替代当前所用的G0S闪烁体)。然而，这 一高阻止本领在某种程度上也是不利的为了将传感器层内的子像素的最大计数率限制 到大约lOMcps以便辅助读出电子设备通道仅很少见到脉冲堆积，第一传感器层(具有 300iimX300iim的像素)将需要显著低于100iim的厚度。由于CZT的脆性，能否加工出这 么薄的CZT层是个问题。此外，由于小得多的纵横比(厚度/ "横向扩展")，小像素效应的 优点在低于100 m厚度的这些非常薄的层中丧失。 为了解决上述问题，建议例如硅的具有低阻止本领的材料用作谱CT的传感器材 料，有可能与也在计数模式下使用的CZT或CdTe相结合，或者甚至与能量积分GOS层相结 合。由于Si的低原子数Z = 14， X射线衰减比CZT或CdTe的情况要小得多。因此，为实 现不高于lOMcps的计数率，能量分辨计数探测器中由Si制成的堆叠探测器的顶层的层厚 度为1.7mm左右。顶层下面的转换层的厚度甚至可以顺序地逐层增加。因此，由以若干层 Si作为直接转换材料构成的谱CT探测器可以容易地被加工。Si的进一步优势在于它比 CZT更便宜，更易于加工(甚至可能在标准CMOS实验室中)，并且几乎没有K-荧光串扰， 因为K-边缘能量低于2keV且荧光产率(即发生与K-荧光相互作用的频率的测量值)仅 为4. 1 % (例如参见L Tlustos， Performance and limitations of high granularity single photonprocessing X_ray imaging detectors, Ph. D thesis, Wien Technical University, 2005， pp.10ff)。 图1示出辐射探测器100的特别有前途的方案，该辐射探测器使用"初级转换层" 的堆叠101和"终止的(finishing)"能量积分"次级转换层"102，这些层在入射X射线X 的主辐射方向z上彼此叠置。初级转换层由多个(此处为6个)Si层lOla-lOlf实现，每个Si层下面是分别具有(至少部分)能量分辨计数电子设备(ERCE)llla-lllf的相关联 的(像素化)电极。使ERCE靠近传感器是有利的，因为来自传感器的模拟信号被转换成数 字信号而无需通过较长的距离。所有这些独立的ERCE被耦合到更高层级的中央电子电路 121以便进一步评估。应该注意到，在以高通量X射线束照射能量分辨计数读出芯片(以标 准CMOS加工)的试验测试中，未观测到由于CMOS芯片中X射线的直接转换而导致的虚假 计数。 次级转换层102由GOS层和位于其下面的相关联的光电二极管阵列112实现，该 光电二极管阵列被耦合到读出电子设备122。这种设计是特别有吸引力的，因为能量分辨计 数Si层可以被用作很多当前CT探测器中所用的能量积分GOS探测器的"顶上"附加设备 (add-on)。 初级转换层的厚度A z在主辐射方向z上从顶到底增加，以便补偿剩余X射线束
的递减的强度并提供所有初级转换层中的大致相等的计数率。为了处理大约9X108个光
子/(s，mm2)的入射X射线通量，具有以下厚度的转换层可能是合适的(即保持计数率低
于腦cps): 层 厚度 101a 1. 7mm 101b 2. 1mm 101c 2.6mm 101d 3. 3mm 10 le 4. 5mm 101f 6. 6mm 1021. 4mm 图2示出X辐射探测器200的备选实施例，其由初级转换层的堆叠201和次级转 换层的堆叠202组成。如上所述，初级转换层是具有位于其下的相关联的电极和ERCE部件 211a-211f的Si层201a-201f，电极和ERCE部件被耦合到中央评估电路221。在主辐射方 向z上，初级转换层后面是具有位于其下的相关联的电极212a、212b的若干(此处为2个) CZT次级转换层202a和202b，电极212a、212b也被耦合到中央评估电路221。因此次级转 换层也允许对入射X射线光子X的能量分辨计数，但是它们对于在穿过整个初级转换层的 堆叠201后到达的降低通量的光子来说具有更高的阻止本领。 为了处理大约9X 108个光子/(s mm2)的入射X射线通量，具有以下厚度的转换 层可能是合适的(即保持计数率低于10Mcps):层厚度201a1. 7mm201b2. 1mm201c2. 6mm201d3. 3mm201e4. 5mm201f6. 6mm202a0. 4mm
202b 2. 6mm 从"几何"串扰的视角来看，有利的是使得整个传感器尽可能薄。
从谱CT已知的是，可以通过标准最大似然性方法来完成将辐射探测器100或200 所测量的投影数据分解成光电系数/Compton系数/K-边缘系数，其中对于能量分辨计数层 假设Poisson分布模型，而对于能量积分层，其测量值在统计学上相互独立于计数层中的 测量值，因此使用Gaussian分布。 尽管相对于具有能量分辨率的计算机断层摄影的主要应用在上面描述了本发明， 但其他应用也可以包括具有能量分辨率的投影成像或可能得益于能量分辨X射线光子计 数的任何其他应用。 最后指出，在本申请中，术语"包括"并不排除其他元件或步骤，"一"或"一个"并 不排除多个，单个处理器或其他单元可以实现若干装置的功能。本发明存在于每一个和各 个新颖的特有特征和特有特征的每一个和各个组合中。此外，权利要求中的参考标记不应 被解读为限制其范围。
权利要求
一种用于探测沿主辐射方向(z)传播的光子(X)的辐射探测器(100、200)，其包括a)对于所述光子具有低衰减系数的至少一个“初级”转换层(101a-101f，201a-201f)以及用于通过转换入射光子而在所述初级转换层中生成的电脉冲的相关联的能量分辨计数电子设备ERCE(111a-111f，121；211a-211f，221)；b)至少一个“次级”转换层(102，202a-202b)以及用于通过转换入射光子而在所述次级转换层中生成的电信号的相关联的读出电子设备(112，122；212a-212b，221)。
2. 如权利要求1所述的辐射探测器(100,200)，其特征在于对于在20keV至150keV的能量范围内的X射线光子(X)和/或Y光子，所述初级转 换层(101a-101f，201a-201f)的衰减系数是硅的大约0. 5倍至4倍。
3. 如权利要求1所述的辐射探测器(100,200)，其特征在于 所述初级转换层(101a-101f，201a-201f)和/或所述次级转换层包括材料硅。
4. 如权利要求1所述的辐射探测器(100,200)，其特征在于所述初级转换层(101a-101f，201a-201f)和/或所述次级转换层(102， 202a-202b)包 括转换材料，该转换材料在20keV至150keV的能量范围内不显示K-荧光。
5. 如权利要求1所述的辐射探测器(100,200)，其特征在于所述初级转换层(101a-101f，201a-201f)和/或所述次级转换层(102， 202a-202b)包 括转换材料，该转换材料在20keV至150keV的能量范围内具有K-荧光的概率为20%或更 低。
6. 如权利要求1所述的辐射探测器(100,200)，其特征在于所述次级转换层(102，202a-202b)对于所述光子(X)具有高衰减系数，特别是与GaAs、 CZT、 CdTe、 Csl、 CWO和/或GOS的衰减系数类似或更高的衰减系数。
7. 如权利要求1所述的辐射探测器(100,200)，其特征在于所述次级转换层(102，202a-202b)包括具有高原子数Z和高质量密度的材料，优选为 材料GaAs、 CZT、 CdTe、 Csl、 CWO和/或GOS。
8. 如权利要求1所述的辐射探测器(100,200)，其特征在于所述初级转换层(101a-101f，201a-201f)的尺度和形式是这样的，使得对于给定最大 通量的入射光子(X)，所述直接转换层和/或所述ERCE(llla-lllf，121 ;211a-211f ， 221) 所面对的计数率低于给定的最大计数率，特别是低于10Mcps。
9. 如权利要求1所述的辐射探测器(100,200)，其特征在于所述初级转换层(101a-101f，201a-201f)和所述次级转换层(102， 202a-202b)在所述 主辐射方向(z)上堆叠。
10. 如权利要求1所述的辐射探测器(100,200)，其特征在于其被设计为，在其操作期间，所述初级转换层(101a-101f，201a-201f)先于所述次级 转换层(102，202a-202b)被光子(X)穿过。
11. 如权利要求1所述的辐射探测器(100,200)，其特征在于其包括在所述主辐射方向(z)上堆叠的多个初级转换层(101a-101f，201a-201f)和相 关联的ERCE(llla-lllf ;211a-211f)。
12. 如权利要求9所述的辐射探测器(100，200)，其特征在于不同的初级转换层(101a-101f，201a-201f)具有不同的厚度(Az)，优选在所述主辐射方向(z)上厚度递增。
13. 如权利要求1所述的辐射探测器(200)，其特征在于其包括在所述主辐射方向(z)上堆叠的多个次级转换层(202a-202b)和相关联的读出电子设备(212a-212b)。
14. 如权利要求1所述的辐射探测器(200)，其特征在于所述次级转换层(202a-202b)的所述读出电子设备是能量分辨计数电子设备(212a-212b，221)。
15. 如权利要求1所述的辐射探测器(100)，其特征在于所述次级转换层(102)的所述读出电子设备(122)对在所述次级转换层中生成的所述电信号积分。
16. —种X射线探测器，其包括如权利要求1所述的辐射探测器(100,200)。
17. —种成像系统，特别是X射线、CT、PET、SPECT或核成像装置，其包括如权利要求1所述的辐射探测器(100,200)。
18. 如权利要求17所述的成像系统，其特征在于其包括与所述ERCE(llla-lllf，121 ;211a-211f ， 221)和所述读出电子设备(112,122 ;212a-212b，221)耦合的重建器，用于估计已经被所述光子穿过的对象的能量相关衰减系
全文摘要
本发明涉及特别用于X射线(X)和γ射线的辐射探测器(100)，其包括以下部件的组合(a)对于光子具有低衰减系数的至少一个初级转换层(101a-101f)以及(b)对于光子具有高衰减系数的至少一个次级转换层(102)。在优选实施例中，初级转换层(101a-101f)可以由与相关联的能量分辨计数电子设备(111a-111f，121)耦合的硅层实现。次级转换层(102)可以例如由与能量分辨计数电子设备或积分电子设备耦合的CZT或GOS实现。利用具有低阻止本领的初级转换层允许构建用于谱CT的堆叠式辐射探测器(100)，其中将这些层的计数率限制为可行的值，而无需不现实的薄层。
文档编号G01T1/20GK101796429SQ200880105812
公开日2010年8月4日 申请日期2008年9月5日 优先权日2007年9月7日
发明者C·博伊默, C·蔡特勒, C·赫尔曼, R·斯特德曼布克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司