本公开涉及X射线检测器，特别涉及半导体X射线检测器。
背景技术：
X射线检测器可以是用于测量X射线的通量、空间分布、光谱或其他性质的设备。
X射线检测器可用于许多应用。一个重要应用是成像。X射线成像是放射摄影技术并且可以用于揭示组成不均匀和不透明物体(例如人体)的内部结构。
早期用于成像的X射线检测器包括照相底片和照相胶片。照相底片可以是具有感光乳剂涂层的玻璃底片。尽管照相底片被照相胶片取代，由于它们所提供的优越品质和它们的极端稳定性而仍可在特殊情形中使用它们。照相胶片可以是具有感光乳剂涂层的塑胶胶片(例如，带或片)。
在20世纪80年代，出现了光激励萤光板(PSP板)。PSP板可包含在它的晶格中具有色心的萤光材料。在将PSP板暴露于X射线时，X射线激发的电子被困在色心中直到它们受到在板表面上扫描的雷射光束的激励。在镭射扫描板时，捕获的激发电子发出光，其被光电倍增管收集。收集的光转换成数码图像。与照相底片和照相胶片相比，PSP板可以被重复使用。
另一种X射线检测器是X射线图像增强器。X射线图像增强器的部件通常在真空中密封。与照相底片、照相胶片和PSP板相比，X射线图像增强器可产生即时图像，即不需要曝光后处理来产生图像。X射线首先撞击输入萤光体(例如，碘化铯)并且被转换成可见光。可见光然后撞击光电阴极(例如，包含铯和锑复合物的薄金属层)并且促使电子发射。发射电子数量与入射X射线的强度成比例。发射电子通过电子光学器件投射到输出萤光体上并且促使该输出萤光体产生可见光图像。
闪烁体的操作与X射线图像增强器有些类似之处在于闪烁体(例如，碘化钠)吸收X射线并且发射可见光，其然后可以被对可见光合适的图像感测器检测到。在闪烁体中，可见光在各个方向上传播和散射并且从而降低空间分辨率。使闪烁体厚度减少有助于提高空间分辨率但也减少X射线吸收。闪烁体从而必须在吸收效率与解析度之间达成妥协。
半导体X射线检测器通过将X射线直接转换成电信号而在很大程度上克服该问题。半导体X射线检测器可包括半导体层，其在感兴趣波长吸收X射线。当在半导体层中吸收X射线光子时，产生多个载流子(例如，电子和空穴)并且在电场下，这些载流子被扫向半导体层上的电触点。现有的半导体X射线检测器(例如，Medipix)中需要的繁琐的热管理会使得具有大面积和大量像素的检测器难以生产或不可能生产。
技术实现要素：
本文公开适合于检测X射线的装置，其包括：X射线吸收层，其包括电极；第一电压比较器，其配置成将电极的电压与第一阈值比较；第二电压比较器，其配置成将电压与第二阈值比较；计数器，其配置成记录X射线吸收层所吸收的X射线光子的数目；控制器；其中该控制器配置成从第一电压比较器确定电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值的时间启动时间延迟；其中控制器配置成在该时间延迟期间(其包括开始和终止)启动第二电压比较器；其中控制器配置成如果第二电压比较器确定电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值则促使计数器记录的数目增加一。第一电压比较器和第二电压比较器可以是相同部件。在电压比较器确定电压的绝对值是否等于或超出阈值的绝对值时，电压比较器不一定比较绝对值。相反，在电压和阈值两者都为负时，电压比较器可比较电压的实际值与阈值；在电压等于阈值或比阈值负得更多时，电压的绝对值等于或超出阈值的绝对值。
根据实施例，装置进一步包括电连接到电极的电容器模组，其中该电容器模组配置成从电极收集载流子。
根据实施例，控制器配置成在时间延迟开始或终止时启动第二电压比较器。根据实施例，控制器配置成在时间延迟开始时或期间停用第一电压比较器。根据实施例，控制器配置成在时间延迟终止或在第二电压比较器确定电压绝对值等于或超出第二阈值的绝对值时停用第二电压比较器。
根据实施例，装置进一步包括电压表并且控制器配置成在时间延迟终止时促使电压表测量电压。
根据实施例，控制器配置成基于在时间延迟终止时测量的电压值来确定X射线光子能量。
根据实施例，控制器配置成使电极连接到电接地。该电接地可以是虚接地。虚接地(也称为“虚地”)是维持在稳态参考电势而未直接连接到参考电势的电路的节点。
根据实施例，电压变化率在时间延迟终止时大致为零。
根据实施例，电压变化率在时间延迟终止时大致为非零。
根据实施例，X射线吸收层包括二极管。
根据实施例，X射线吸收层包括硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合。
根据实施例，装置不包括闪烁体。
根据实施例，装置包括像素阵列。
本文公开这样的系统，其包括上文描述的装置以及X射线源，其中该系统组态成进行对人的胸部或腹部进行X射线放射摄影。
根据实施例，系统包括上文描述的装置以及X射线源，其中系统组态成对人的口腔进行X射线放射摄影。
本文公开货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括上文描述的装置以及X射线源，其中该货物扫描或非侵入式检查(NII)系统组态成使用背散射X射线形成图像。
本文公开货物扫描或非侵入式检测(NII)系统，其包括上文描述的装置以及X射线源，其中该货物扫描或非侵入式检查(NII)系统组态成使用透射通过所检查物体的X射线形成图像。
本文公开全身扫描器系统，其包括上文描述的装置以及X射线源。
本文公开X射线电脑断层摄影(X射线CT)系统，其包括上文描述的装置以及X射线源。
本文公开电子显微镜，其包括上文描述的装置、电子源和电子光学系统。
本文公开这样的系统，其包括上文描述的装置，其中该系统是X射线望远镜或X射线显微镜，或其中系统组态成进行乳房摄影、工业缺陷检测、显微放射摄影、铸件检查、焊缝检查或数字减影血管造影。
本文公开这样的方法，其包括：从X射线吸收层的电极的电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值的时间启动时间延迟；在该时间延迟期间(包括其开始和终止)启动第二电路；如果电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值，使X射线吸收层上入射的X射线光子的计数增加一。
根据实施例，方法进一步包括使电极连接到电接地。
根据实施例，方法进一步包括在时间延迟终止时测量电压。
根据实施例，方法进一步包括基于时间延迟终止时的电压值确定X射线光子能量。
根据实施例，电压变化率在时间延迟终止时大致为零。
根据实施例，电压变化率在时间延迟终止时大致为非零。
根据实施例，启动第二电路是在时间延迟开始或终止的时候。
根据实施例，第二电路配置成将电压的绝对值与第二阈值的绝对值比较。
根据实施例，方法进一步包括在时间延迟开始时停用第一电路。
根据实施例，第一电路配置成将电压的绝对值与第一阈值的绝对值比较。第一电路和第二电路可以是相同电路。
本文公开适合于相衬X射线成像(PCI)的系统，该系统包括：上文描述的装置、第二X射线检测器、间隔物，其中装置和第二X射线检测器被间隔物隔开。
根据实施例，装置和第二X射线检测器配置成分别同时捕捉物体的图像。
根据实施例，第二X射线检测器等同于装置。
本文公开适合于相衬X射线成像(PCI)的系统，该系统包括：上文描述的装置，其中装置配置成移到物体(暴露于离该物体不同距离的入射X射线)并且捕捉其图像。
【附图说明】
图1A示意示出根据实施例的半导体X射线检测器。
图1B示出根据实施例的半导体X射线检测器100。
图2示出根据实施例、图1A中的检测器的一部分的示范性顶视图。
图3A和图3B各自示出根据实施例、图1A和图1B中的检测器的电子系统的部件图。
图4示意示出根据实施例流过暴露于X射线的X射线吸收层的二极管的电极或电阻器的电触点的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)，电流由X射线吸收层上入射的X射线光子产生的载流子引起。
图5示意示出根据实施例在采用图4中示出的方式操作的电子系统中噪声(例如，暗电流)引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。
图6示意示出根据实施例在电子系统操作来检测处于较高速率的入射X射线光子时流过暴露于X射线的X射线吸收层的电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)，电流由X射线吸收层上入射的X射线光子产生的载流子引起。
图7示意示出根据实施例在采用图6中示出的方式操作的电子系统中噪声(例如，暗电流)引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。
图8示意示出根据实施例在采用图6中示出的方式(其中RST在te之前终止)操作的电子系统中由X射线吸收层上入射的一系列X射线光子产生的载流子引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。
图9A示出根据实施例适合使用系统(例如在图4中示出的所述操作的电子系统)检测X射线的方法的流程图。
图9B示出根据实施例适合使用系统(例如在图6中示出的所述操作的电子系统)检测X射线的方法的流程图。
图10示意示出根据实施例适合于相衬X射线成像(PCI)的系统。
图11示意示出根据实施例适合于相衬X射线成像(PCI)的系统。
图12示意示出根据实施例适合于医学成像(例如胸部X射线放射摄影、腹部X射线放射摄影等)的系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图13示意示出根据实施例适合于牙齿X射线放射摄影的系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图14示意示出根据实施例的货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图15示意示出根据实施例的另一个货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图16示意示出根据实施例的全身扫描器系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图17示意示出根据实施例的X射线电脑断层摄影(X射线CT)系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
图18示意示出根据实施例的电子显微镜，其包括本文描述的半导体X射线检测器。
【具体实施方式】
图1A示意示出根据实施例的半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100可包括X射线吸收层110和电子器件层120(例如，ASIC)，用于处理和分析入射X射线在X射线吸收层110中产生的电信号。在实施例中，半导体X射线检测器100不包括闪烁体。X射线吸收层110可包括半导体材料，例如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合。半导体对于感兴趣的X射线能量可具有高的品质衰减系数。X射线吸收层110可包括由第一掺杂区111、第二掺杂区113的一个或多个离散区114形成的一个或多个二极管(例如，p-i-n或p-n)。第二掺杂区113可通过本征区112(可选)而与第一掺杂区111分离。离散部分114通过第一掺杂区111或本征区112而彼此分离。第一掺杂区111和第二掺杂区113具有相反类型的掺杂(例如，区111是p型并且区113是n型，或区111是n型并且区113是p型)。在图1A中的示例中，第二掺杂区113的离散区114中的每个与第一掺杂区111和本征区112(可选)一起形成二极管。即，在图1A中的示例中，X射线吸收层110具有多个二极管，其具有第一掺杂区111作为共用电极。第一掺杂区111还可具有离散部分。
图1B示出根据实施例的半导体X射线检测器100。该半导体X射线检测器100可包括X射线吸收层110和电子器件层120(例如，ASIC)，用于处理或分析入射X射线在X射线吸收层110中产生的电信号。在实施例中，半导体X射线检测器100不包括闪烁体。X射线吸收层110可包括半导体材料，例如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合。半导体对于感兴趣的X射线能量可具有高的品质衰减係数。X射线吸收层110可不包括二极管但包括电阻器。
在X射线光子撞击X射线吸收层110(其包括二极管)时，它可被吸收并且通过许多机制产生一个或多个载流子。一个X射线光子可产生10至100000个载流子。载流子可在电场下向二极管中的一个的电极漂移。电场可以是外部电场。电触点119B可包括离散部分，其中的每个与离散区114电接触。在实施例中，载流子可在多个方向上漂移使得单个X射线光子产生的载流子大致未被两个不同离散区114共用(“大致未被共用”在这里意指这些载流子中不到5％、不到2％或不到1％流向与余下载流子不同的离散区114中的一个)。在实施例中，单个X射线光子产生的载流子可以被两个不同离散区114共用。图2示出具有4×4阵列的离散区114的设备100的一部分的示范性顶视图。在这些离散区114中的一个的足迹内入射的X射线光子产生的载流子大致未与这些离散区114中的另一个共用。即，这些载流子中不到5％、不到2％或不到1％流到一个离散区的足迹外。通过测量流入每个离散区114中的漂移电流或离散区114中的每个电压的变化率，可确定离散区114的足迹内吸收的X射线光子的数量(其与入射X射线强度有关)和/或其能量。从而，入射X射线强度的空间分布(例如，图像)可通过单独测量到离散区114阵列中的每个的漂移电流或测量离散区114阵列中的每个的电压的变化率来确定。离散区114中的每个的足迹可叫作像素。这些像素可采用任何适合的阵列来组织，例如方形阵列、三角形阵列和蜂窝状阵列。像素可具有任何适合的形状，例如圆形、三角形、方形、矩形和六角形。像素可以是独立可定址的。
在X射线光子撞击X射线吸收层110(其包括电阻器而非二极管)时，它可被吸收并且通过许多机制产生一个或多个载流子。一个X射线光子可产生10至100000个载流子。载流子可在电场下向电触点119A和119B漂移。电场可以是外部电场。电触点119B可包括离散部分。在实施例中，载流子可在多个方向上漂移使得单个X射线光子产生的载流子大致未被电触点119B的两个不同离散区部分共用(“大致未被共用”在这里意指这些载流子中不到5％、不到2％或不到1％流向与余下载流子不同的离散部分中的一个)。在实施例中，单个X射线光子产生的载流子可以被电触点119B的两个不同离散部分共用。在电触点119B的这些离散部分中的一个的足迹内入射的X射线光子产生的载流子大致未与电触点119B的这些离散部分中的另一个共用。即，这些载流子中不到5％、不到2％或不到1％流到电触点119B的一个离散部分的足迹外。通过测量流入电触点119B的离散部分中的每个的漂移电流或电触点119B的离散部分中的每个的电压的变化率，可确定电触点119B的离散部分的足迹内吸收的X射线光子的数量(其与入射X射线强度有关)和/或其能量。从而，入射X射线强度的空间分布(例如，图像)可通过单独测量到电触点119B的离散部分阵列中的每个的漂移电流或测量电触点119B的离散部分阵列中的每个的电压的变化率来确定。电触点119B的离散部分中的每个的足迹可叫作像素。这些像素可采用任何适合的阵列来组织，例如方形阵列、三角形阵列和蜂窝状阵列。像素可具有任何适合的形状，例如圆形、三角形、方形、矩形和六角形。像素可以是独立可定址的。
电子器件层120可包括电子系统121，其适合于处理或解释X射线吸收层110上入射的X射线光子产生的信号。电子系统121可包括例如滤波网路、放大器、积分器和比较器等模拟电路或例如微处理器等数字电路和内存。电子系统121可包括像素共用的部件或专用于单个像素的部件。例如，电子系统121可包括专用于每个像素的放大器和在所有像素之间共用的微处理器。电子系统121可通过通孔131电连接到像素。通孔之间的空间可用填充材料130填充，其可使电子器件层120到X射线吸收层110的连接的机械稳定性增加。在不使用通孔的情况下使电子系统121连接到像素的其他接合技术是可能的。
图3A和图3B各自示出根据实施例的电子系统121的部件图。该电子系统121可包括第一电压比较器301、第二电压比较器302、计数器320、开关305、电压表306和控制器310。
第一电压比较器301配置成将二极管300的电极的电压与第一阈值比较。该二极管可以是由第一掺杂区111、第二掺杂区113的离散区114中的一个和本征区112(可选)形成的二极管。备选地，第一电压比较器301配置成将电触点(例如，电触点119B的离散部分)的电压与第一阈值比较。第一电压比较器301可配置成直接监测电压，或通过使一段时间内流过二极管或电触点的电流整合来计算电压。第一电压比较器301可由控制器310可控地启动或停用。第一电压比较器301可以是连续比较器。即，第一电压比较器301可配置成被连续启动，或连续监测电压。配置为连续比较器的第一电压比较器301使系统121错过由入射X射线光子产生的信号的机会减少。配置为连续比较器的第一电压比较器301在入射X射线强度相对高时尤其适合。第一电压比较器301可以是钟控比较器，其具有较低功耗的益处。配置为钟控比较器的第一电压比较器301可导致系统121错过由一些入射X射线光子产生的信号。在入射X射线强度低时，错过入射X射线光子的机会因为两个连续光子之间的间隔相对长而较低。因此，配置为钟控比较器的第一电压比较器301在入射X射线强度相对低时尤其适合。第一阈值可以是一个入射X射线光子可在二极管或电阻器中产生的最大电压的5-10％、10％-20％、20-30％、30-40％或40-50％。最大电压可取决于入射X射线光子的能量(即，入射X射线的波长)，X射线吸收层110的材料和其他因素。例如，第一阈值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。
第二电压比较器302配置成将电压与第二阈值比较。第二电压比较器302可配置成直接监测电压，或通过使一段时间内流过二极管或电触点的电流整合来计算电压。第二电压比较器302可以是连续比较器。第二电压比较器302可由控制器310可控地启动或停用。在停用第二电压比较器302时，第二电压比较器302的功耗可以是启动第二电压比较器302时的功耗的不到1％、不到5％、不到10％或不到20％。第二阈值的绝对值大于第一阈值的绝对值。如本文使用的，术语实数x的“绝对值”或“模数”是x的非负值而不考虑它的符号。即，第二阈值可以是第一阈值的200％-300％。第二阈值可以是一个入射X射线光子可在二极管或电阻器中产生的最大电压的至少50％。例如，第二阈值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二电压比较器302和第一电压比较器301可以是相同部件。即，系统121可具有一个电压比较器，其在不同时间将电压与两个不同阈值比较。
第一电压比较器301或第二电压比较器302可包括一个或多个运算放大器或任何其他适合的电路。第一电压比较器301或第二电压比较器302可具有高的速度以允许系统121在高的入射X射线通量下操作。然而，具有高的速度通常以功耗为代价。
计数器320配置成记录到达二极管或电阻器的X射线光子的数目。计数器320可以是软件部件(例如，电脑内存中存储的数目)或硬件部件(例如，4017IC和7490IC)。
控制器310可以是例如微控制器和微处理器等硬件部件。控制器310配置成从第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值(例如，电压的绝对值从第一阈值的绝对值以下增加到等于或超过第一阈值的绝对值的值)的时间启动时间延迟。在这里因为电压可以是负的或正的而使用绝对值，这取决于是使用二极管的阴极还是阳极的电压或使用哪个电触点。控制器310可配置成在第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值的时间之前，保持停用第二电压比较器302、计数器320和第一电压比较器301的操作不需要的任何其他电路。时间延迟可在电压变稳定(即，电压的变化率大致为零)之前或之后终止。短语“电压的变化率大致为零”意指电压的时间变化小于0.1％/ns。短语“电压的变化率大致为非零”意指电压的时间变化是至少0.1％/ns。
控制器310可配置成在时间延迟期间(其包括开始和终止)启动第二电压比较器。在实施例中，控制器310配置成在时间延迟开始时启动第二电压比较器。术语“启动”意指促使部件进入操作状态(例如，通过发送例如电压脉冲或逻辑电平等信号、通过提供电力等)。术语“停用”意指促使部件进入非操作状态(例如，通过发送例如电压脉冲或逻辑电平等信号、通过切断电力等)。操作状态可具有比非操作状态更高的功耗(例如，高10倍、高100倍、高1000倍)。控制器310本身可被停用直到第一电压比较器301的输出电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值时才启动控制器310。
如果在时间延迟期间第二电压比较器302确定电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值，控制器310可配置成促使计数器320记录的数目增加一。
控制器310可配置成促使电压表306在时间延迟终止时测量电压。控制器310可配置成使电极连接到电接地，以便使电压重定并且使电极上累积的任何载流子放电。在实施例中，电极在时间延迟终止后连接到电接地。在实施例中，电极持续有限复位时期地连接到电接地。控制器310可通过控制开关305而使电极连接到电接地。开关可以是晶体管，例如场效应晶体管(FET)。
在实施例中，系统121没有模拟滤波器网路(例如，RC网路)。在实施例中，系统121没有模拟电路。
电压表306可将它测量的电压作为模拟或数字信号馈送给控制器310。
系统121可包括电容器模组309，其电连接到二极管300的电极或电触点，其中电容器模组配置成从电极收集载流子。电容器模组可以包括放大器的反馈路径中的电容器。如此配置的放大器叫作电容跨阻放大器(CTIA)。CTIA通过防止放大器饱和而具有高的动态范围并且通过限制信号路径中的频宽来提高信噪比。来自电极的载流子在一段时间(“整合期”)(例如，如在图4中示出的，在t0至t1或t1-t2之间)内在电容器上累积。在整合期终止后，对电容器电压采样然后由重定开关将其重定。电容器模组可以包括直接连接到电极的电容器。
图4示意示出由二极管或电阻器上入射的X射线光子产生的载流子引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极的电压的对应时间变化(下曲线)。电压可以是电流关于时间的整合。在时间t0，X射线光子撞击二极管或电阻器，载流子开始在二极管或电阻器中产生，电流开始流过二极管的电极或电阻器，并且电极或电触点的电压的绝对值开始增加。在时间t1，第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超出第一阈值V1的绝对值，并且控制器310启动时间延迟TD1并且控制器310可在TD1开始时停用第一电压比较器301。如果控制器310在t1之前被停用，在t1启动控制器310。在TD1期间，控制器310启动第二电压比较器302。如这里使用的术语在时间延迟“期间”意指开始和终止(即，结束)和中间的任何时间。例如，控制器310可在TD1终止时启动第二电压比较器302。如果在TD1期间，第二电压比较器302确定在时间t2电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值，控制器310促使计数器320记录的数目增加一。在时间te，X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110。在时间ts，时间延迟TD1终止。在图4的示例中，时间ts在时间te之后；即TD1在X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110之后终止。电压的变化率从而在ts大致为零。控制器310可配置成在TD1终止时或在t2或中间的任何时间停用第二电压比较器302。
控制器310可配置成促使电压表306在时间延迟TD1终止时测量电压。在实施例中，在电压的变化率在时间延迟TD1终止后大致变为零之后，控制器310促使电压表306测量电压。该时刻的电压与X射线光子产生的载流子的数量成比例，该数量与X射线光子的能量有关。控制器310可配置成基于电压表306测量的电压确定X射线光子的能量。确定能量的一个方式是通过使电压分仓。计数器320对于每个仓具有子计数器。在控制器310确定X射线光子的能量落在仓中时，控制器310可促使该仓的子计数器中记录的数目增加一。因此，系统121可能能够检测X射线图像并且可能能够分辨每个X射线光子的X射线光子能量。
在TD1终止后，控制器310在复位期RST使电极连接到电接地以允许电极上累积的载流子流到地面并且使电压重定。在RST之后，系统121准备检测另一个入射X射线光子。系统121在图4的示例中可以应对的入射X射线光子的速率隐式地受限于1/(TD1+RST)。如果第一电压比较器301被停用，控制器310可以在RST终止之前的任何时间启动它。如果控制器310被停用，可在RST终止之前启动它。
图5示意示出在采用图4中示出的方式操作的系统121中噪声(例如，暗电流、背景辐射、散射X射线、萤光X射线、来自相邻像素的共用电荷)引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极的电压的对应时间变化(下曲线)。在时间t0，噪声开始。如果噪声未大到足以促使电压的绝对值超出V1的绝对值，控制器310未启动第二电压比较器302。如果在时间t1噪声大到足以促使电压的绝对值超出如由第一电压比较器301确定的V1的绝对值，控制器310启动时间延迟TD1并且控制器310可在TD1开始时停用第一电压比较器301。在TD1期间(例如，在TD1终止时)，控制器310启动第二电压比较器302。在TD1期间，噪声不太可能大到足以促使电压的绝对值超出V2的绝对值。因此，控制器310未促使计数器320记录的数目增加。在时间te，噪声结束。在时间ts，时间延迟TD1终止。控制器310可配置成在TD1终止时停用第二电压比较器302。如果在TD1期间电压的绝对值未超出V2的绝对值，控制器310可配置成未促使电压表306测量电压。在TD1终止后，控制器310在复位期RST使电极连接到电接地以允许电极上由于噪声而累积的载流子流到地面并且使电压重定。因此，系统121在噪声抑制方面可非常有效。
图6示意示出使用系统121操作来检测处于比1/(TD1+RST)更高速率的入射X射线光子时由二极管或电阻器上入射的X射线光子产生的载流子所引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极的电压的对应时间变化(下曲线)。电压可以是电流关于时间的整合。在时间t0，X射线光子撞击二极管或电阻器，载流子开始在二极管或电阻器中产生，电流开始流过二极管的电极或电阻器的电触点，并且电极或电触点的电压的绝对值开始增加。在时间t1，第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超出第一阈值V1的绝对值，并且控制器310启动比时间延迟TD1还短的时间延迟TD2，并且控制器310可在TD2开始时停用第一电压比较器301。如果控制器310在t1之前被停用，在t1启动控制器310。在TD2期间(例如，在TD2终止时)，控制器310启动第二电压比较器302。如果在TD2期间，第二电压比较器302确定在时间t2电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值，控制器310促使计数器320记录的数目增加一。在时间te，X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110。在时间th，时间延迟TD2终止。在图6的示例中，时间th在时间te之前；即TD2在X射线光子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110之前终止。电压的变化率从而在th大致为非零。控制器310可配置成在TD2终止时或在t2或中间的任何时间停用第二电压比较器302。
控制器310可配置成从在TD2期间作为时间函数的电压推断在te的电压并且使用推断的电压来确定X射线光子的能量。
在TD2终止后，控制器310在复位期RST使电极连接到电接地以允许电极上累积的载流子流到地面并且使电压重定。在实施例中，RST在te之前终止。当RST在te之前终止时，RST后电压的变化率可因为X射线光子产生的所有载流子未漂移出X射线吸收层110而大致为非零。电压的变化率在te后大致变为零并且电压在te后稳定为残余电压VR。在实施例中，RST在te或te之后终止，并且RST后电压的变化率可因为X射线光子产生的所有载流子在te漂移出X射线吸收层110而大致为零。在RST后，系统121准备检测另一个入射X射线光子。如果第一电压比较器301被停用，控制器310可以在RST终止之前的任何时间启动它。如果控制器310被停用，可在RST终止之前启动它。
图7示意示出在采用图6中示出的方式操作的系统121中噪声(例如，暗电流、背景辐射、散射X射线、萤光X射线、来自相邻像素的共用电荷)引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极的电压的对应时间变化(下曲线)。如果噪声未大到足以促使电压的绝对值超出V1的绝对值，控制器310未启动第二电压比较器302。如果在时间t1噪声大到足以促使电压的绝对值超出如由第一电压比较器301确定的V1的绝对值，控制器310启动时间延迟TD2并且控制器310可在TD2开始时停用第一电压比较器301。在TD2期间(例如，在TD2终止时)，控制器310启动第二电压比较器302。在TD2期间噪声不太可能大到足以促使电压的绝对值超出V2的绝对值。因此，控制器310未促使计数器320记录的数目增加一。在时间te，噪声结束。在时间th，时间延迟TD2终止。控制器310可配置成在TD2终止时停用第二电压比较器302。在TD2终止后，控制器310在复位期RST使电极连接到电接地以允许电极上由于噪声而累积的载流子流到地面并且使电压重定。因此，系统121在噪声抑制方面可非常有效。
图8示意示出在采用图6中示出的方式(其中RST在te之前终止)操作的系统121中由二极管或电阻器上入射的一系列X射线光子产生的载流子所引起的流过电极的电流的时间变化(上曲线)和电极电压的对应时间变化(下曲线)。由每个入射X射线光子产生的载流子引起的电压曲线在该光子之前偏移了残余电压。残余电压的绝对值随每个入射光子而依次增加。当残余电压的绝对值超出V1时(参见图8中的虚线矩形)，控制器启动时间延迟TD2并且控制器310可在TD2开始时停用第一电压比较器301。如果在TD2期间在二极管或电阻器上没有其他X射线光子入射，控制器在TD2结束时在复位时期RST期间使电极连接到电接地，由此使残余电压重定。残余电压从而未促使计数器320记录的数目增加。
图9A示出适合使用系统(例如在图4中示出的所述操作的系统121)检测X射线的方法的流程图。在步骤901中，将暴露于X射线的二极管的电极或电阻器的电触点的电压与第一阈值比较，例如使用第一电压比较器301。在步骤902中，确定(例如，利用控制器310)电压的绝对值是否等于或超出第一阈值V1的绝对值。如果电压的绝对值不等于或超出第一阈值的绝对值，方法回到步骤901。如果电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值，继续步骤903。在步骤903中，启动(例如，使用控制器310)时间延迟TD1。在步骤904中，在时间延迟TD1期间(例如，在TD1终止时)启动(例如，使用控制器310)电路(例如，第二电压比较器302或计数器320)。在步骤905中，将电压与第二阈值比较(例如，使用第二电压比较器302)。在步骤906中，确定(例如，使用控制器310)电压的绝对值是否等于或超出第二阈值V2的绝对值。如果电压的绝对值不等于或超出第二阈值的绝对值，方法回到步骤910。如果电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值，继续步骤907。在步骤907中，促使(例如，使用控制器310)计数器320中记录的数目增加一。在可选步骤908中，测量(例如，使用电压表306)测量时间延迟TD1终止时的电压。在可选步骤909中，基于步骤908中测量的电压确定(例如，使用控制器310)X射线光子能量。每个能量仓中可存在计数器。在测量X射线光子能量后，光子能量所属的仓的计数器可以增加一。方法在步骤909后回到步骤910。在步骤910中，使电压重定到电接地，例如通过使二极管的电极或电阻器的电触点连接到电接地。例如在相邻像素共用从单个光子产生的载流子的大部分(例如，>30％)时，可省略步骤908和909。
图9B示出适合使用系统(例如在图6中示出的所述操作的系统121)检测X射线的方法的流程图。在步骤1001中，将暴露于X射线的二极管的电极或电阻器的电触点的电压与第一阈值比较，例如使用第一电压比较器301。在步骤1002中，确定(例如，利用控制器310)电压的绝对值是否等于或超出第一阈值V1的绝对值。如果电压的绝对值不等于或超出第一阈值的绝对值，方法回到步骤1001。如果电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值，继续步骤1003。在步骤1003中，启动(例如，使用控制器310)时间延迟TD2。在步骤1004中，在时间延迟TD2期间(例如，在TD2终止时)启动(例如，使用控制器310)电路(例如，第二电压比较器302或计数器320)。在步骤1005中，将电压与第二阈值比较(例如，使用第二电压比较器302)。在步骤1006中，确定(例如，使用控制器310)电压的绝对值是否等于或超出第二阈值V2的绝对值。如果电压的绝对值不等于或超出第二阈值的绝对值，方法回到步骤1010。如果电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值，继续步骤1007。在步骤1007中，促使(例如，使用控制器310)计数器320中记录的数目增加一。方法在步骤1007后回到步骤1010。在步骤1010中，使电压重定到电接地，例如通过使二极管的电极或电阻器的电触点连接到电接地。
半导体X射线检测器100可用于相衬X射线成像(PCI)(也称为相敏X射线成像)。PCI包含至少部分使用由物体引起的X射线束的相移(其包括相移的空间分布)来形成该物体的图像的技术。获得相移的一个方式是将相位变换成强度变化。
PCI可以与断层摄影结合来获得物体的折射率的实部的3D分布。与常规的基于强度的X射线成像(例如，放射摄影)相比，PCI对物体中的密度变化更敏感。PCI对软组织成像尤其有用。
根据实施例，图10示意示出适合于PCI的系统1900。该系统1900可包括至少两个X射线检测器1910和1920。这两个X射线检测器1910中的一个或两个是本文描述的半导体X射线检测器100。X射线检测器1910和1920可由间隔物1930隔开。该间隔物1930可具有非常少的X射线吸收。例如，间隔物1930可具有非常小的品质衰减係数(例如，<10cm2g-1、<1cm2g-1、<0.1cm2g-1或<0.01cm2g-1)。间隔物1930的品质衰减係数可是均一的(例如，间隔物1930中每两个点之间的变化小于5％、小于1％或小于0.1％)。间隔物1930可促使通过间隔物1930的X射线的相位改变相同数量。例如，间隔物1930可以是气体(例如，空气)、真空室，可包括铝、铍、硅或其组合。
系统1900可以用于获得由成像的物体1960引起的入射X射线1950的相移。X射线检测器1910和1920可以同时捕捉两个图像(即，强度分布)。因为X射线检测器1910和1920被间隔物1930分开，两个图像离物体1960的距离不同。相位可从例如基于菲涅耳衍射积分的线性化演算法的两个图像来确定。
根据实施例，图11示意示出适合于PCI的系统1800。该系统1800包括本文描述的半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100配置成移到物体1860并且捕捉其图像，该物体1860暴露于离物体1860不同距离的入射X射线1850。可不一定同时捕捉图像。相位可从例如基于菲涅耳衍射积分的线性化演算法的图像来确定。
图12示意示出这样的系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。该系统可用于医学成像，例如胸部X射线放射摄影、腹部X射线放射摄影等。系统包括X摄影源1201。从X射线源1201发射的X射线穿过物体1202(例如，例如胸部、肢体、腹部等人体部位)、由于物体1202的内部结构(例如，骨头、肌肉、脂肪和器官等)而衰减不同程度并且被投射到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测X射线的强度分布来形成图像。
图13示意示出这样的系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。该系统可用于医学成像，例如牙齿X射线放射摄影。系统包括X射线源1301。从X射线源1301发射的X射线穿过物体1302，其是哺乳动物(例如，人类)口腔的部分。物体1302可包括上颚骨、颚骨、牙齿、下颚或舌头。X射线由于物体1302的不同结构而衰减不同程度并且被投射到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测X射线的强度分布来形成图像。牙齿比龋齿、感染和牙周膜吸收更多的X射线。牙科患者接收的X射线辐射的剂量典型地是小的(对于全口系列是近似0.150mSv)。
图14示意示出货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。系统可用于在例如海运集装箱、车辆、轮船、行李等传输系统中检查和识别物品。系统包括X射线源1401。从X射线源1401发射的X射线可从物体1402(例如，海运集装箱、车辆、轮船等)背散射并且被投射到半导体X射线检测器100。物体1402的不同内部结构可有差异地背散射X射线。半导体X射线检测器100通过检测背散射X射线的强度分布和/或背散射X射线光子的能量来形成图像。
图15示意示出另一个货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。系统可用于公交站和机场处的行李筛查。系统包括X射线源1501。从X射线源1501发射的X射线可穿过行李1502件、由于行李的内含物而有差异地衰减并且被投射到半导体X射线检测器100。半导体X射线检测器100通过检测透射的X射线的强度分布来形成图像。系统可揭示行李的内含物并且识别公共交通上禁用的专案，例如枪支、毒品、锋利武器、易燃物。
图16示意示出全身扫描器系统，其包括本文描述的半导体X射线检测器100。该全身扫描器系统可为了安全筛查目的来检测人体上的物体而不物理脱衣或进行物理接触。全身扫描器系统可能够检测非金属物体。全身扫描器系统包括X射线源1601。从X射线源1601发射的X射线可从被筛查的人1602和其上的物体背散射，并且被投射到半导体X射线检测器100。物体和人体可有差异地背散射X射线。半导体X射线检测器100通过检测背散射X射线的强度分布来形成图像。半导体X射线检测器100和X射线源1601可配置成在线性或旋转方向上扫描人。
图17示意示出X射线电脑断层摄影(X射线CT)系统。X射线CT系统使用电脑处理的X射线来产生被扫描物体的特定区域的断层摄影图像(虚拟“切片”)。断层摄影图像在各种医学学科中可用于诊断和治疗目的，或用于缺陷检测、失效分析、计量、元件分析和逆向工程。X射线CT系统包括本文描述的半导体X射线检测器100和X射线源1701。半导体X射线检测器100和X射线源1701可配置成沿一个或多个圆形或螺旋形路径同步旋转。
图18示意示出电子显微镜。该电子显微镜包括电子源1801(也叫作电子枪)，其配置成发射电子。电子源1801可具有各种发射机制，例如热离子、光电阴极、冷发射或等离子体源。发射的电子经过电子光学系统1803，其可配置成使电子成形、加速或聚焦。电子然后到达样本1802并且图像检测器可从其处形成图像。电子显微镜可包括本文描述的半导体X射线检测器100，用于进行能量色散X射线光谱分析(EDS)。EDS是用于样本的元素分析或化学表征的分析技术。当电子入射在样本上时，它们促使从样本发射特征X射线。入射电子可激发样本中原子的内壳层中的电子、从壳层逐出电子，同时在电子所在的地方形成电子空穴。来自外部较高能量壳层的电子然后填充该空穴，并且较高能量壳层与较低能量壳层之间的能量差可采用X射线的形式释放。从样本发射的X射线的数量和能量可以被半导体X射线检测器100测量。
这里描述的半导体X射线检测器100可具有其他应用，例如在X射线望远镜、X射线乳房摄影、工业X射线缺陷检测、X射线显微镜或显微放射摄影、X射线铸件检查、X射线无损检验、X射线焊缝检查、X射线数字减影血管造影等中。可使用该半导体X射线检测器100来代替照相底片、照相胶片、PSP板、X射线图像增强器、闪烁物或另一个半导体X射线检测器。
尽管本文公开各种方面和实施例，其他方面和实施例对于本领域内技术人员将变得明显。本文公开的各种方面和实施例是为了说明目的而不意在为限制性的，其真正范围和精神由下列权利要求指示。