用于X射线萤光的检测器的制作方法
【技术领域】
本文的公开涉及适合x射线萤光的检测器。
背景技术：
x射线萤光是从例如暴露于高能x射线或伽马射线的材料发射出的特征萤光x射线。如果原子暴露于具有大于电子电离势的光子能量的x射线或伽马射线，该原子内层轨道上的电子可被逐出，从而在内层轨道上留下空位。当原子外层轨道上的电子弛豫来填充内层轨道上的空位时，发射x射线(萤光x射线或二次x射线)。发射的x射线具有等于外层轨道与内层轨道电子之间的能差的光子能量。
对于指定原子，可能弛豫的数量受到限制。如在图1a中示出的，当l轨道上的电子填充k轨道上的空位(l→k)时，萤光x射线叫作kα。来自m→k弛豫的萤光x射线叫作kβ。如在图1b中示出的，来自m→l弛豫的萤光x射线叫作lα，等等。
分析萤光x射线谱可以识别样品中的元素，因为每个元素具有特征能量轨道。萤光x射线可以通过对光子能量分类(能量色散分析)或通过分离萤光x射线的波长(波长色散分析)来分析。每个特征能量峰的强度直接与样品中的每个元素的含量有关。
比例计数器或各种类型的固态检测器(pin二极管，si(li)、ge(li)、硅漂移检测器sdd)可在能量色散分析中使用。这些检测器基于相同原理：入射x射线光子使大量检测器原子电离，其中产生的载流子的数量与x射线光子的能量成比例。收集载流子并且对它们计数来确定入射x射线光子的能量并且重复这一过程以便对下一个入射x射线光子计数。在检测到许多x射线光子后，可通过对x射线光子的数目(作为它们能量的函数)计数来编制光谱。因为由一个入射x射线光子产生的载流子必须在下一个入射x射线光子撞击检测器之前被收集，所以这些检测器的速度受到限制。
波长色散分析典型地使用光电倍增器。从单色器选择入射x射线的单波长x射线光子并且将它们传入光电倍增器。光电倍增器在个别x射线光子经过时对它们计数。计数器是包含可被x射线光子电离的气体的腔。对导电腔壁和中心电极之间(典型地)充电+1700v，并且每个x射线光子跨该场触发脉冲式级联电流。信号被放大并且变换成累积数字计数。这些计数用于确定在所选的单波长的x射线的强度。
技术实现要素：
本文公开检测器，其包括：多个像素，每个像素配置成在一段时间内对其上入射的、能量落在多个仓中的x射线光子的数目计数；并且其中检测器配置成对所有像素所计数的具有相同能量范围的仓添加x射线光子数目。
根据实施例，检测器进一步配置成将添加的数目编制成为检测器上入射的x射线光子的光谱。
根据实施例，多个像素采用阵列设置。
根据实施例，像素配置成在相同时段内对x射线光子的数目计数。
根据实施例，像素中的每个包括模数转换器(adc)，其配置成使代表入射x射线光子能量的模拟信号数字化为数字信号。
根据实施例，像素配置成平行作业。
根据实施例，像素中的每个配置成测量它的暗电流。
根据实施例，像素中的每个配置成在每个x射线光子入射在其上之前或与之并发地测量它的暗电流。
根据实施例，像素中的每个配置成从其上入射的x射线光子的能量减去暗电流的贡献。
根据实施例，像素中的每个配置成通过测量电压增加阈值所花的时间来测量它的暗电流。
根据实施例，adc是逐次逼近寄存器(sar)adc。
根据实施例，检测器进一步包括：x射线吸收层，其包括电触点；第一电压比较器，其配置成将电触点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；控制器；多个计数器，每个与仓关联并且配置成记录像素中的每个所吸收的x射线光子的数目，其中x射线光子的能量落在仓中；其中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；其中控制器配置成确定x射线光子的能量是否落入仓内；其中控制器配置成促使与仓关联的计数器记录的数目增加一。
根据实施例，检测器进一步包括电容器模组，其电连接到电触点，其中该电容器模组配置成从电触点收集载流子。
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，控制器配置成使电触点连接到电接地。
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，x射线吸收层包括二极管。
如权利要求12所述的检测器，其中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。
本文公开用于测量x射线的能谱的方法，其包括：使具有多个像素的检测器暴露于x射线；对多个仓中的一个的每个像素确定x射线光子的数目，其中x射线光子的能量落在一个仓中；对所有像素的具有相同能量范围的仓添加数目。
根据实施例，确定数目包括扣除暗电流在每个像素中的贡献。
根据实施例，确定数目包括模数转换。
【附图说明】
图1a和图1b示意示出xrf的机制。
图2示意示出根据实施例适合xrf的检测器。
图3示意示出根据实施例对于检测器的框图。
图4a示意示出根据实施例的检测器的横截面图。
图4b示意示出根据实施例的检测器的详细横截面图。
图4c示意示出根据实施例的检测器的备选详细横截面图。
图5a和图5b各自示出根据实施例的检测器的电子系统的部件图。
图6示意示出流过电触点，由与该电触点关联的像素上入射的x射线光子产生的载流子引起的电流的时间变化(上曲线)和该电触点电压的对应时间变化(下曲线)。
图7示出根据实施例对于图3中的步骤151的示例流程图。
图8示意示出根据实施例由暗电流引起的电触点电压的时间变化。
【具体实施方式】
图2示意示出根据实施例适合xrf的检测器100。检测器具有像素150的阵列。阵列可以是矩形阵列、蜂窝状阵列、六边形阵列或任何其他适合的阵列。每个像素150配置成检测其上入射的x射线光子并且测量x射线光子的能量。例如，每个像素150配置成在一段时间内对其上入射的、能量落在多个仓中的x射线光子的数目计数。所有像素150可配置成在相同时段内对其上入射的、能量在多个仓内的x射线光子的数目计数。每个像素150可具有它自己的模数转换器(adc)，其配置成使代表入射x射线光子的能量的模拟信号数字化为数字信号。对于xrf应用，具有10位分辨率或更高的adc是有用的。每个像素150可配置成测量它的暗电流，例如在每个x射线光子入射在其上之前或与之并发。每个像素150可配置成从其上入射的x射线光子的能量减去暗电流的贡献。像素150可配置成平行作业。例如，在一个像素150测量入射x射线光子时，另一个像素150可等待x射线光子到达。像素150可不必独立可定址。
检测器100可具有至少100、2500、10000或以上的像素150。检测器100可配置成对所有像素150所计数的具有相同能量范围的仓添加x射线光子数目。例如，检测器100可添加像素150存储在能量从70kev到71kev的仓中的数目、添加像素150存储在能量从71kev到72kev的仓中的数目，等等。检测器100可将仓中的添加数目编制成为检测器100上入射的x射线光子的光谱。
图3示意示出根据实施例对于检测器100的框图。每个像素150可测量其上入射的x射线光子的能量151。x射线光子的能量151在步骤152中数字化(例如，通过adc)为多个仓153a、153b、153c…中的一个。仓153a、153b、153c…各自分别具有对应的计数器154a、154b和154c。当将能量151分配到仓内时，存储在对应计数器中的数目增加一。检测器100可添加存储在对应于像素150中具有相同能量范围的仓的所有计数器中的数目。例如，存储在所有像素150中的所有计数器154c中的数目可被添加并且存储在相同能量范围的全域计数器100c中。存储在所有全域计数器中的数目可编制成检测器100上入射的x射线的能谱。
图4a示意示出根据实施例的检测器100的横截面图。检测器100可包括x射线吸收层110和电子层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，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质量衰减系数。
如在图4b中的检测器100的详细横截面图中示出的，根据实施例，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。离散区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4b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4b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。
在x射线光子撞击x射线吸收层110(其包括二极管)时，x射线光子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。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2％、不到0.5％、不到0.1％或不到0.01％流向与余下载流子不同的离散区114中的一个)。围绕这些离散区114中的一个的足迹入射的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。与离散区114关联的像素150可以是围绕离散区114的区域，其中由在其中入射的x射线光子产生的载流子中的大致全部(超过98％、超过99.5％、超过99.9％或超过99.99％)流向离散区114。即，这些载流子中不到2％、不到1％、不到0.1％或不到0.01％流到像素外。
如在图4c中的检测器100的备选详细横截面图中示出的，根据实施例，x射线吸收层110可包括具有半导体材料(例如硅、锗、gaas、cdte、cdznte或其组合)的电阻器，但不包括二极管。半导体对于感兴趣的x射线能量可具有高的质量衰减系数。
在x射线光子撞击x射线吸收层110(其包括电阻器但不包括二极管)时，它可被吸收并且通过许多机制产生一个或多个载流子。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。场可以是外部电场。电触点119b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的两个不同离散部分共用(“大致未被共用”在这里意指这些载流子中不到2％、不到0.5％、不到0.1％或不到0.01％流向与余下载流子不同的离散部分中的一个)。围绕电触点119b的这些离散部分中的一个的足迹入射的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。与电触点119b的离散部分关联的像素150可以是围绕离散部分的区域，其中由在其中入射的x射线光子产生的载流子中的大致全部(超过98％、超过99.5％、超过99.9％或超过99.99％)流向电触点119b的离散部分。即，这些载流子中不到2％、不到0.5％、不到0.1％或不到0.01％流到与电触点119b的一个离散部分关联的像素外。
电子层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5a和5b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、多个计数器320(其包括计数器320a、320b、320c、320d…)、开关305、adc306和控制器310。
第一电压比较器301配置成将电触点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，并且连续监测电压。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射线光子可在电触点119b上产生的最大电压的1-5％、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”|x|是x的非负值而不考虑它的符号。即，|x|＝
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)。每个计数器320与能量范围的仓关联。例如，计数器320a可与70-71kev的仓关联，计数器320b可与71-72kev的仓关联，计数器320c可与72-73kev的仓关联，计数器320d可与73-74kev的仓关联。在adc306确定入射x射线光子的能量在计数器320关联的仓中时，计数器320中记录的数目增加一。
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阈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的操作中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)之后终止。短语“变化率大致为零”意指时间变化小于0.1％/ns。短语“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，并且x射线光子的能量落在与计数器320关联的仓中，控制器310可配置成促使计数器320中的一个记录的数目增加一。
控制器310可配置成促使adc306在时间延迟终止时使电压数字化并且基于电压来确定x射线光子的能量落在哪个仓中。
控制器310可配置成使电触点119b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，电触点119b在时间延迟终止后连接到电接地。在实施例中，电触点119b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而使电触点119b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。
adc306可将它测量的电压作为模拟或数字信号馈送给控制器310。adc可以是逐次逼近寄存器(sar)adc(也叫作逐次逼近adc)。在最终收敛于模拟信号的数字输出之前，saradc经由所有可能量化等级的二分查找来使模拟信号数字化。saradc可具有四个主要子电路：采样保持电路，用于采集输入电压(vin)；内部数模转换器(dac)，其配置成对模拟电压比较器供应等于逐次逼近寄存器(sar)的数字代码输出的模拟电压，该模拟电压比较器将vin与内部dac的输出比较并且向sar输出比较的结果，sar配置成向内部dac供应vin的逼近数字代码。sar可被初始化使得最高有效位(msb)等于数字1。将该代码馈入内部dac，其然后将该数字代码的模拟等同物(vref/2)供应到比较器内用于与vin比较。如果该模拟电压超出vin，比较器促使sar重定该位；否则，使位为1。然后sar的下一个位设置成1并且进行相同测试，从而继续该二分查找直到sar中的每个位被测试。所得的代码是vin的数字逼近并且最后在数字化结束时由sar输出。
系统121可包括电容器模组309，其电连接到电触点119b，其中电容器模组配置成从电触点119b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6中示出的，在t0至ts之间)内在电容器上累积。在整合期终止后，由adc306对电容器电压采样然后由重定开关将其重定。电容器模组309可以包括直接连接到电触点119b的电容器。
图6示意示出流过电触点119b，由与该电触点119b关联的像素150上入射的x射线光子产生的载流子引起的电流的时间变化(上曲线)和电触点119b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，载流子开始在像素150中产生，电流开始流过电触点119b，并且电触点119b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等待电压稳定来稳定。电压在时间te稳定，这时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。在时间te或te之后，控制器310促使adc306使电压数字化并且确定x射线光子的能量落在哪个仓中。控制器310然后促使对应于仓的计数器320记录的数目增加一。在图6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。如果无法轻易测量时间te，td1可以根据经验选择以允许有足够的时间来收集由x射线光子产生的基本上全部载流子，但td1不能太长，否则会有另一个入射x射线光子产生的载流子被收集的风险。即，td1可以根据经验选择使得ts根据经验在时间te之后。因为一旦达到v2，控制器310可忽视td1并且等待时间te，时间ts不一定在时间te之后。电压和暗电流对电压的贡献之间的差异的变化率从而在te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。
在时间te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adc306的输出来确定x射线光子的能量所落入的仓。
在td1终止或被adc306数字化后(以较迟者为准)，控制器310持续复位时期rst地使电触点119b连接到电接地以允许电触点119b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6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。
因为检测器100具有平行作业的许多像素150，检测器可以应对高得多的入射x射线光子速率。这是因为特定像素150上的入射率是整个像素阵列上的入射率的1/n，其中n是像素数目。
图7示出根据实施例的图3中的步骤151的示例流程图。在步骤701中，例如使用第一电压比较器301将暴露于x射线光子(例如，萤光x射线)的二极管或电阻器的电触点119b的电压与第一阈值比较。在步骤702中，例如用控制器310确定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不超出第一阈值的绝对值，方法回到步骤701。如果电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值，继续到步骤703。在步骤703中，测量t＝(t1-t0)。在步骤704中，例如使用控制器310来启动时间延迟td1。在步骤705中，例如使用第二电压比较器302来将电压与第二阈值比较。在步骤706中，例如使用控制器310来确定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不超出第二阈值的绝对值，方法回到步骤707。在步骤707中，使用t测量暗电流对电压的贡献。在示例中，确定t是否大于之前测量的最大t(tmax)。如果t之前未被测量，tmax＝0。如果t大于tmax，用t替换tmax(即，t变成新的tmax)。暗电流对电压的贡献处于v1/tmax的速率。如果如在该示例中的那样测量暗电流，在步骤709中暗电流的贡献是((tm-tr)·v1/tmax)，其中tr是最后的复位时期的结束。与该公开中的任何时间间隔类似，(tm-tr)可以通过计数脉冲(例如，计数时钟周期或时钟脉冲)来测量。在利用检测器100的每个测量之前，tmax可重定为零。可通过对在t1与t0之间的脉冲数目计数来测量t，如在图6和图8中示意示出的。使用t测量暗电流对电压的贡献的另一个方式包括提取t分布的参数(例如，t的预期值(texpected))并且估计暗电流对电压的贡献率(作为v1/texpected)。在步骤708中，例如通过使电触点119b连接到电接地，使电压重定为电接点。如果电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值，继续到步骤709。在步骤709中，在时间tm，在电压稳定后测量它，并且扣除暗电流对测量电压的贡献。时间tm可以是td1终止之后且rst之前的任何时间。在图3中的步骤152中将结果提供给adc。复位时期结束的时间(例如，电触点119b从电接地断开的时间)是tr。
图8示意示出根据实施例由暗电流引起的电触点119b的电压的时间变化。在rst后，电压由于暗电流而增加。暗电流越高，电压达到v1所花的时间越少(即t更短)。因此，t是暗电流的度量。暗电流不可能大到足以促使电压在td1期间达到v2但由入射x射线光子引起的电流很可能大到足以促使电压在td1期间达到v2。该差异可用于识别暗电流的效应。图8中的流程可在像素150测量一系列入射x射线光子时在每个像素150中实施，这将允许捕获暗电流的变化(例如，通过改变环境(例如温度)而引起)。
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。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！