一种半导体辐射探测器

本发明属于半导体辐射探测领域，更具体地，涉及一种半导体辐射探测器，是一种能够应用于能谱分区的新型半导体辐射探测器，广泛适用于各种半导体材料构成的半导体辐射探测器。

背景技术：

辐射探测是指通过检测放射性高能粒子(包括x、γ光子，α、β粒子等)来获得信息的探测方式，其被广泛应用于医疗卫生、公共安全、军事以及各类高端制造行业，是现代社会中常见且重要的诊断、检测和监测技术。辐射探测器的应用之一就是进行多能谱的区分。不具有能谱区分能力的传统高能辐射探测器，使用的是连续辐射源，其各个能量段粒子在物质中的衰减能力不同(如低能谱段往往更易被吸收，高能段被吸收得少更易透过)，会产生“异物同影”的误判现象；在照射吸收能力更强的物质时，也会因射线能量分布的“高能偏移”产生硬化伪影现象。

随着相关技术的进一步发展，用以进行能谱区分的高能射线探测技术，也出现了几种不同的解决方案。以下以“双能谱区分的x射线探测”为例，列举解决这一问题的现有办法。此外，其他高能粒子在能谱区分领域也有相似解决方案：

①调节射线源，如双源探测、光源滤波、双kvp快速切换等。双源技术是使用两个不同的射线源进行探测，滤波是通过两种滤波材料对单一连续光源进行处理以获得两种能谱分布，双kvp快速切换是通过切换单一射线源的工作电压改变能谱形状得到两个不同的能谱。以上对于入射源的调节方案，可能会因为低能谱段的重叠现象，导致能谱区分度低下；也可能会因多次曝光，不可避免地成倍增大了辐射剂量。

②调节探测器结构，如光子计数器、双层闪烁体。光子计数型辐射探测器是目前能谱区分领域的主流方案，它通过光电效应捕获高能光子，被俘获的高能光子能量不同(光子能量多为kev、mev量级)，可以在探测器内部激发数目不同的电子(载流子激活能为ev量级)，因而收集到的电荷数目不同；同时，探测器和耦合电路集成，电路收集到的不同数目的电荷会在芯片内转换成不同大小的电压信号，经过阈值判断后落在不同道数的分析仪中，籍此将多能谱的能量进行了区分。以硅(si)，碲化镉(cdte)和碲锌镉(czt)为代表的光子计数器计数率高、阈值分区自由、能谱区分度高；但是光子计数探测器成本高、对材料性能要求苛刻，对大部分x射线的韧致辐射连续谱无能为力，适合应用在其他领域。而双层闪烁体探测器可以通过上、下层两种闪烁体材料分别吸收低能、高能射线，再分别发射不同的波长的荧光来表达连续能谱的低能、高能信息；在此基础上类推，也可以建立更多层的闪烁体复合结构进行更高分辨率的能谱区分，但光学串扰、宽发射峰以及多种高效闪烁体的材料集成等因素限制其进一步发展。

双能谱区分的x射线探测最主要应用之一为“双源ct”。目前，世界ct三大巨头中，philips公司推出的双层闪烁体探测器iqon已可以在临床上实现双源ct成像；simens的双源+双探测器方案，以及ge的单源80kvp/140kvp快速切换方案也都得到了验证。

在本发明中，将介绍一种新的半导体辐射探测器的结构设计方案。它为能谱区分的辐射探测器设计提供了一种备选方案，也降低了光电转换材料性能的要求(对比单光子计数模式)，极大地扩展了可应用于此领域的材料种类。

技术实现要素：

针对现有技术中高能粒子能谱区分技术方案的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种半导体辐射探测器，通过采用不同于现有技术中已有的能谱区分方案，利用不同能量的高能辐射粒子对于材料的穿透能力不同这一特点，通过设置位于不同位置的电极对，能够探测不同深度上的探测信号，从而能够实现能谱区分、应用于多能谱探测，相较于现有技术中单光子计数模式大大降低了光电转换材料性能的要求。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种半导体辐射探测器，其特征在于，该半导体辐射探测器包括至少2组电极对，该半导体辐射探测器中位于辐射响应区内的半导体材料，根据距辐射射线入射端面距离的不同被划分为多个厚度区域；其中，

每组电极对对应着某一个厚度区域，不同组电极对对应着不同的厚度区域；任意一组电极对中的正负电极，彼此之间能够通过相对应的厚度区域实现电连接；

该半导体辐射探测器能够利用不同能量粒子在半导体材料中衰减程度的不同，通过不同组电极对收集不同目标能量粒子的辐射响应信号，从而实现能谱区分，实现多能谱探测。

作为本发明的进一步优选，所述半导体材料为同质半导体材料；

优选的，自辐射射线入射端面出发，每组电极对的厚度依次增大，所对应的厚度区域的厚度也依次增大。

作为本发明的进一步优选，所述半导体材料为异质半导体材料；这些异质半导体材料沿垂直于辐射射线入射的方向依次分层排布；

优选的，自辐射射线入射端面出发，这些异质半导体材料的自身材料属性将能够对射线产生越来越强的衰减作用。

作为本发明的进一步优选，所述半导体材料优选自为卤化物钙钛矿材料、硅、碲锌镉、碲化镉。

作为本发明的进一步优选，所述半导体材料优选为多种卤化物钙钛矿材料，这些卤化物钙钛矿材料沿垂直于辐射射线入射的方向依次分层排布；

自辐射射线入射端面出发，这些卤化物钙钛矿材料中卤素位元素的原子序数平均值越来越大。

作为本发明的进一步优选，所述至少2组电极对为至少2组条状电极对。

作为本发明的进一步优选，所述电极对是通过绑线、激光打标加工或掩膜板蒸发加工制备得到的。

作为本发明的进一步优选，所述电极对还与若干对面电极相连，这些面电极用于向外引出这些电极对，并施加电压。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于利用了不同能量的高能辐射粒子对于探测器的穿透能力不同这一特点，通过收集不同深度的电极上的探测信号，进行多能辐射连续谱的细致区分。基于本发明得到的能谱区分的半导体辐射探测器，无需工作在单光子计数式下，在积分式下也具有能谱分辨能力。它可以在完成对已知辐射能谱的探测后，重建未知能谱；也可以在单次曝光下，同时进行多能信息采集或成像。

本发明只需要对探测器电极结构设计进行改进，即可实现高能射线的能谱区分，为高能粒子能谱区分提供了一个新型思路。本发明所基于的原理是利用了不同能量的高能辐射粒子对于材料的穿透能力不同这一特点，通过收集不同深度下不同位置上的电极的探测信号，实现能谱的区分。

以下结合物理模型与数学分析做进一步说明：

本发明原理是通过分析“代表不同位置处的电极对收集到的信号与不同能量辐射粒子的联系”的数学关系得到的。该种数学关系通过分析如图1所示的物理模型可得：

对于有m个电极对的探测器，形为a(e)的辐射能谱的高能粒子从前端面入射。将能谱a(e)分为n段，其中的每一段能谱ai代表了不同能量的类单色组分，ai被探测器材料吸收通过光电效应转换为电信号，i为[1,n]内的整数。已知衰减系数α、转换效率γ和收集效率ξ，l表示探测器的厚度，其中表示ai在j层电极的厚度范围内沉积的能量，j为[1,m]内的整数。因此，探测器在探测能谱a(e)时，可在第k层电极收集到的信号大小为ik，k为[1,m]内的整数，

对代表能谱信息的特征向量a＝an×1＝(a1,a2,...,ai,...,an)^t，其与电流信号i＝im×1＝(i1,i2,...,ik,...,im)^t的关系为im×1＝cm×n·an×1。即，对于衰减系数α、转换效率γ和收集效率ξ为定值的辐射探测器，有确定且唯一的转换矩阵cm×n满足上述的数学关系，这给本发明中涉及的新的能谱区分实现思路提供了理论基础。

能谱区分应用的关键参数是分辨率n，即能谱a(e)可以分割的数量。由上述数学分析可知，仅在cm×n存在逆矩阵时可以通过im×1求解得到an×1，即m＝n，cm×n是方阵，也就是说电极对的数量决定了能谱区分的能力与分辨率的大小(也正因如此，本发明中的半导体辐射探测器需使用至少2个电极对，以实现某能谱至少2分辨率的区别，即区分该能谱的低能与高能信息；当然，电极对的具体数目可根据实际需求灵活调整)。

未知能谱的探测/重建，是通过在已知的多个能谱上(能谱数≥m)各选取m个点，探测每一个能谱ai下的m个电极对的信号ik，以此求出转换矩阵cm×n的最优解信息，再探测该未知能谱的电信号i’＝i’m×1，从而得到未知的能谱信息a’＝a’m×1。该转换矩阵的求解与训练集(已知能谱)的数量相关，训练集越大，对于测试集(未知能谱)的求解越准确。该转换矩阵已经包含有衰减系数α、转换效率γ和收集效率ξ等信息，但无需具体求解这些物理参数。

基于本发明，多能探测/成像，即在一次曝光下，同时探测不同电极上的电信号。不同深度的电极的信号代表不同能量的辐射粒子，例如，高能辐射粒子对不同组织的穿透能力与组织密度直接相关，因此可得到不同密度的各个组织(骨、肌肉、脂肪等)在不同能量下的多组数据，以更好地区分与识别密度不同的各个组织。

基于本发明，可对半导体辐射探测器制备电极对结构，例如可以在与半导体辐射探测器的高能射线入射面相垂直的方向上，依次顺序制备多个电极对(如条状电极，或面对面的电极结构；并可优选留有引出/扎针探测的部分)。这多条电极在射线传播方向上的不同位置处依次顺序排列并进行信号收集。当高能射线入射探测器后，不同能量的粒子在不同的深度下衰减不同的程度，即不同位置处的电极可以收集到代表不同能量的辐射信号，如此在收集不同深度电极上的信号后，经过数学处理即可分析各个能量的信息。

基于本发明，有效扩展了多能谱半导体辐射探测器中半导体材料的种类，既可以是硅、碲锌镉、碲化镉等支持单光子探测的半导体材料，也可以是卤化物钙钛矿等工作在积分式电荷收集模式下的半导体材料，解除了现有技术只能是支持单光子探测的这一对探测器半导体材料种类的限制。以工作在积分式电荷收集模式的钙钛矿材料为例，钙钛矿材料灵敏度大、衰减能力强，但迁移率和暗电流等指标不满足单光子计数探测器的条件；而基于本发明，可以完成在原有的能谱区分方案中只有单光子计数型探测器才能实现的能谱区分功能，意义巨大。

本发明还优选对电极对的厚度进行设计，以使每一级电极对收集到的电信号大小相近，从而更好地说明不同能量信号在不同深度的衰减趋势，可以使第一级电极对(靠近辐射粒子入射端)最窄(也即最薄)，以后的电极对越来越宽(也即越来越厚)。此种电极对变宽的趋势，具体可依据探测器材料针对于辐射粒子的“能量-质量衰减系数”曲线确定。当然，若电极对采用等宽(即等厚)设计，也不影响本发明高能射线能谱区分这一功能的实现。

本发明可以应用于同质的辐射探测器，也可以应用于在深度方向非同质、层状堆叠结构的半导体探测器，例如卤化物钙钛矿作为探测器材料时，电极从浅(即靠近入射端)到深(即远离入射端)其对应的卤素元素由氯渐变为溴、再渐变为碘(即，卤化物钙钛矿材料中卤素位元素的原子序数平均值越来越大)，这样也可以在使每一级电极对收集到的电信号大小相近的基础上，缩小电极厚度设计上的差异。

附图说明

图1是多能x射线连续谱分解与探测原理的示意图；其中，低能射线穿透探测器深度浅，高能射线穿透深度深，不同深度的电极对所收集的信号代表了能谱中不同能量的粒子信息。

图2展示了mapbbr3材料对x射线的衰减作用，其中，图2中的(a)是mapbbr3对x射线的能量-质量衰减系数曲线，图2中的(b)是对范围内特定能量的x射线的厚度-透过(衰减)特性曲线。

图3展示了根据图2的结果进行电极设计的相关数据，其中，图3中的(a)是不同能量下的x射线在衰减相同比例时所需的厚度，图3中的(b)是由图3中的(a)计算得到的厚度并进行设计与加工的图案化的五电极结构示意图(这五组电极按导出的辐射响应区自上而下、从浅到深的位置依次记为1号电极、2号电极、3号电极、4号电极、5号电极，如图中的1、2、3、4、5所示)。

图4展示了有关钙钛矿mapbbr3探测器的实物，其中，图4中的(a)是部分激光打标的图案化电极的扫描电镜照片，图4中的(b)是图案化电极的实物照片，图4中的(c)是图4中的(a)中的电极金属元素的能量色散谱图片(从中可以看出，激光打标加工效果良好，沟道没有金属残余)，图4中的(d)是半导体辐射探测器的应用示意图。

图5是探测/重建未知x射线能谱的结果图；截止电压分别为45、55、65kv，图中圆点为重建时计算得到的数据值。

图6展示了单次曝光下的多能成像图片，其中，图6中的(a)是模拟人体组织样品的示意图(其左下角的插图为实物照片，游标卡尺的读数为55.03mm)，图6中的(b)是2号电极的成像图片，图6中的(c)是5号电极的成像图片。

图7对应的是将mapbbr3材料更换为非同质、卤素合金化钙钛矿材料后的新型半导体辐射探测器，其中，图7中的(a)为实施案例4异质半导体辐射探测器结构示意图，图7中的(b)是mapbcl3、mapbbr3、mapbi3对x射线的能量-质量衰减系数曲线对比。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

以下为具体实施例，将从半导体辐射探测器的探测原理、结构设计与样机展示等方面对本发明进行详细说明(本发明中的厚度维度均是指沿平行于辐射射线入射方向)。因为x射线的细分领域中，临床医学诊断的商业化程度较高、应用前景广泛，故本发明中的具体实施案例会聚焦于可应用在临床医学的多能x射线连续谱波段。

实施案例1：针对多能x射线连续谱的积分式钙钛矿mapbbr3辐射探测器的电极结构设计

由于高能辐射探测的特殊性，辐射探测器在制备时应根据能谱具体的能量范围、探测器材料的吸收系数来设计光电转换层的厚度及电极结构。此处以某多能x射线连续谱(30kv-70kv)作为待探测波段，钙钛矿mapbbr3作为探测器的光电转换材料，来进行具体的辐射探测器结构设计，其质量衰减系数如图2中的(a)所示。必须要说明的是，相比较czt、si等既可以工作在单光子计数模式也可以工作在积分模式下的探测器材料，仅可以工作在积分式的mapbbr3更可以体现本发明的巧妙设计，故此处以mapbbr3为例；其他材料在遵循本发明的思路进行结构设计时，同理。

考虑到mapbbr3作为探测器光电转换材料对多能x射线连续谱的吸收能力，以及对于该波段各能量的x射线的全吸收厚度(如图2中的(b)所示)，在遵循本发明前述理论推导的基础上，优选使该多能x射线连续谱下的各电极厚度的范围内收集到的电信号大小相近；这样在实际使用中能尽可能地保证各电极的信号大小数量级一致，横向比较时结果更加清晰，不产生各电极等厚时的电信号的数量级差异。进一步地，为使得该探测器适用于此波段的多能x射线连续谱的射线源，具有探测的普适性，将x射线连续谱定为30-70kv(0.017-0.041nm)范围内的方型谱。

在上述分析的基础上，现说明一个以30-70kv方型谱为多能x射线连续谱的五电极mapbbr3辐射探测器的设计流程。该探测器材料的能量-质量衰减系数曲线如图2中的(a)所示，对于连续谱范围内的每一个能量取值(单色光)，都有不同的质量衰减系数，即在不同深度下此单色光的衰减程度不同，但都按照1-e^-α(e)l的趋势衰减；以35kv、40kv、50kv、60kv、70kv的能量为例，其在mapbbr3内的衰减强度-厚度曲线如图2中的(b)所示。因为共有五组电极对，便分别取得某能量的x射线在衰减20％、40％、60％、80％和99.9％时的厚度。把连续谱范围内每一个能量对应的五个厚度值绘制出来，即可知每种单色光到达同样的衰减程度所需的厚度，如图3中的(a)。相邻两条曲线之间的差值，代表衰减同样比例的x射线所需的探测器厚度差，求解差值在该多能x射线连续谱范围内的积分平均值，即可得到五个厚度值：0.114、0.147、0.207、0.354、1.531mm(以图3中的(a)为例，可以先积分求解30kev～70kev范围内99.9％曲线与80％曲线之间的面积再除以(70-30)kev，即得到1.531mm；可以先积分求解30kev～70kev范围内20％曲线与x轴之间的面积再除以(70-30)kev，即得到0.114mm)，由此设计的厚度的五电极探测器，在探测30-70kv的x射线方型能谱时，将在五个电极的宽度内分别沉积相同能量的x射线。为方便加工，将上述厚度近似为：0.10、0.15、0.20、0.35、1.50mm，使用激光打标绘制该图案化电极，如图3中的(b)所示(电极所采用的材料可以是现有技术中已知的金属电极材料，如常用的金、铂等；当然，除了激光打标外，也可以采用现有技术中已知的其他工艺制备目标厚度的电极)。其中，标有数字1-5的区域表示五个电极的引出/扎针区域，图案化电极的实际有效部分仍为上中部的五个条状电极。

综上所述，即可加工得到一个双面五电极的mapbbr3半导体辐射探测器，它可以用于30-70kv范围内的多能x射线连续谱探测，进行能谱区分。具体实物如图4中的(b)所示，从图4中的(a)的扫描电镜图和图4中的(c)的能量色散谱图像中可以清晰地看出电极沟道和五电极的图案区域。该半导体辐射探测器的测试示意图如4中的(d)所示，在探测时应遮挡电极的引出区域，仅暴露五个条状电极。

实施案例2：半导体辐射探测器探测未知x射线能谱

使用上述半导体辐射探测器探测多个已知的多能x射线连续谱，可以计算得到转换矩阵cm×p，用以分析未知的多能x射线连续谱。比如经过长时间的放置或使用，已经不再准确且需要校准的球管，或者是需探测经过了某物体衰减后的x射线连续谱形状等等。对于此处的五电极半导体辐射探测器，使用工作在35、40、50、60、70kv下的au靶球管作为光源，提供已知的多能x射线连续谱训练集，使用工作在45、55、65kv下的au靶球管作为光源，提供未知的连续谱测试集。

首先使用半导体辐射探测器探测五个已知谱，得到五个探测信号i5×1，组成方阵i5×5＝(i1,i2,...,i5)，再在其连续谱上采样得到五个a5×1(采样方式可直接采用现有技术中的采样方式)，组成方阵a5×5＝(a1,a2,...,a5)，则可以经过矩阵运算得到转换矩阵c5×5。此时若探测某未知谱信号得到i’5×1，则可通过(c5×5)^-1·i’5×1＝a’5×1重建出其多能x射线连续谱的采样信号a’5×1。

从之前的分析中可以得到，能谱的分辨率取决于条状电极的数量，此处使用了五电极的辐射探测器，仅能分辨连续谱上的五个采样点，但依然可从图5的连续谱重建数据上，观察到清晰的截止电压(从上到下依次对应于测试集的45、55、65kv)，重建的数据反映了未知谱的信息。若增加条状电极的数量，就可以使得重建得到的能谱更清晰、更准确；理论上，条状电极无限多的时候，就可以还原此波段内的多能x射线连续谱。

实施案例3：半导体辐射探测器用于单次曝光下的多能成像

双能(甚至是多能)成像在实际应用中具有很高的价值，以双源ct成像为例，其低能成像结果和高能成像结果可以进行减影变换，帮助区分人体中的各种组织。此处以模拟人体组织的样品为例，说明上述半导体辐射探测器可以应用在此领域。

如图6中的(a)所示的模拟人体组织示意图，其中黑、灰、白三种颜色分别代表了密度高、中、低的三种材料，在样品中其对x射线的吸收分别趋近于骨头/骨髓、水/肌肉、脂肪三类有代表性的人体组织。该模拟人体组织样品的实际图像展示在图6中的(a)的左下角，仅通过肉眼无法判断组织的分布和堆叠情况。使用上述半导体辐射探测器对模拟人体组织样品成像，可以在单次曝光下从五个电极上得到五张图片。数字序号更小的电极含有更多的低能信息，低能x射线对低密度组织更灵敏；数字序号更大的电极含有更多的高能信息，高能x射线对高密度组织更灵敏。图6中的(b)是2号电极成像的图片，可以看到低密度材料和中密度材料的长条形边缘清晰；而图6中的(c)是5号电极成像的图片，可以看到中密度材料和高密度材料的圆形边缘清晰；其他序号的电极的成像图片略。

实施案例4：非同质的半导体辐射探测器

考虑到半导体材料对x射线的衰减正比于其原子序数，为增强本发明中的新型半导体辐射探测器对于不同能量射线粒子在深度上的区分性与对比性，现将同质的mapbbr3钙钛矿材料进行卤素元素的合金化调控。

利用mapbx3(x＝cl、br、i)的钙钛矿体系，进行晶种的生长，得到如图7中的(a)所示的非同质晶体。该晶体的卤素元素在射线入射的方向上，依次分别由cl、cl0.5br0.5、br、br0.5i0.5、i组成，有效原子序数越来越大、对x射线的衰减越来越强，在探测器中分别对应于五对条状电极。

这样可以缩小电极厚度设计上的差异，提升探测器的性能。具体地说，在实施案例1的设计中，mapbbr3的衰减系数如图2中的(a)所示，保持着类似于指数的下降趋势，即低能衰减快、高能衰减慢；而对比mapbcl3、mapbbr3和mapbi3的衰减系数，如图7中的(b)可知，mapbcl3在低能上的衰减更慢，而mapbi3在高能上的衰减更快，因此将mapbcl3作为探测器的入射端、将mapbi3作为探测器的尾端时，减缓了射线在探测器厚度上的指数型衰减趋势，有利于在各个电极上获得分布更为均匀的信号。

这种设计有利于缩小探测器厚度设计上的差异，适用于电极对数量极多的探测器设计。此时由于探测器的电极对数量极多，单个电极的厚度减小，入射端的窄电极容易达到加工尺寸的极限大小并制约电极对数量的增加，因此引入这种非同质的设计可进一步实现多电极对探测器的性能提升。

上述实施例仅为示例，本发明电极结构设计可灵活调整，其方案可以应用于单点探测器，也同样可以应用于线阵、面阵探测器。另外，激光打标加工电极仅为示例，条状电极的制备工艺不限于绑线、激光打标加工以及超精细掩膜板蒸发加工等各类电极加工工艺，具体工艺参数条件等可直接参照相关现有技术进行设置。

本发明中的半导体辐射探测器所探测的高能辐射粒子，可以是x射线、γ射线、中子、α粒子、β粒子等各类能量高、有一定的穿透深度、难以进行能量区分的高能粒子。上述实施例仅以卤化物钙钛矿材料为例，由于所有半导体辐射探测器材料都能够工作在积分式下，因此本发明适用于各种半导体材料构成的辐射探测器(如现有技术中已有的半导体辐射探测器材料，当然，也适用于czt、si等可以工作在单光子计数模式的半导体辐射探测器材料)。

另外，根据实际需求，基于本发明技术方案，技术人员也可以对上述实施例进行灵活调整；例如，若需设计一个探测器，使其专门探测某种靶材的球管，则可以变更30-70kv的方型能谱为该靶的蒙特卡洛模拟的x射线能谱(该谱除了韧致辐射的连续谱部分，尤其需注意靶材的特征谱，如应用于乳腺检测的钼靶特征谱线为kα＝0.071nm，kβ＝0.063nm)；不同应用场景下球管的靶材不同，其多能x射线能谱不同，探测器的结构设计也不尽相同，均可灵活调整。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。