РЕНТГЕНОВСКИЙ ДЕТЕКТОР ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01T1/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к детектору для обнаружения высокоэнергетического излучения, к устройству обследования, содержащему такой детектор излучения, и к способу изготовления такого детектора излучения.

Уровень техники

Из US 5821539 A1 известен детектор излучения, содержащий материал прямого преобразования, в котором падающее высокоэнергетическое излучение преобразуется в подвижные электрические заряды (электроны и дырки). Для удаления зарядов, захваченных в материале преобразователя, помимо традиционных катода и анода, предусмотрен "инжекционный электрод". Упомянуто, что металлы электродных материалов могут диффундировать в соседний материал преобразователя, таким образом, создавая в нем отрицательное легирование.

В US 2008/001092 A1 раскрыт детектор излучения, в котором центральный анод окружен множеством "сетчатых электродов". На сетчатых электродах установлено промежуточное напряжение между напряжением на аноде и напряжением на соответствующем катоде. Таким образом, электроны, генерируемые в материале преобразователя, должны направляться к центральному аноду при ограниченной величине наведенного заряда.

В JP 1077969 A раскрыт детектор излучения, в котором площадь анода меньше, чем площадь соответствующего катода на противоположной поверхности преобразовательного элемента. Это должно давать концентрацию электрического поля вблизи анода в ходе эксплуатации.

Кроме того, однородное легирование материала преобразователя с использованием радиоактивных превращений под действием нейтронов описано в литературе (HALMAGEAN E ET AL: 21 July 1992 (1992-07-21), PROCEEDINGS OF THE SPIE - THE INTERNATIONAL SOCIETY FOR OPTICAL ENGINEERING USA, VOL. 1734, p. 287-294).

Раскрытие изобретения

На основании этого описания уровня техники задачей настоящего изобретения является обеспечение средств, позволяющих более надежно обнаруживать высокоэнергетическое излучение.

Эта задача решается за счет детектора излучения по п.1, устройства по п.12 и способа изготовления по п.13. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно своему первому аспекту, изобретение относится к детектору излучения для обнаружения высокоэнергетического излучения, т.е. (рентгеновских или γ) фотонов с энергией выше около 100 эВ. Детектор излучения содержит следующие компоненты:

a) "Преобразовательный элемент" для преобразования падающего высокоэнергетического излучения в зарядовые сигналы, например в электрон-дырочные пары в зоне проводимости, соответственно валентной зоне материала преобразователя.

b) По меньшей мере один первый электрод и по меньшей мере одну решетку со вторыми электродами, расположенными на разных сторонах вышеупомянутого преобразовательного элемента, в частности на его противоположных сторонах. Первый электрод будем в дальнейшем называть "катодом", а второй электрод - "анодом", имея в виду типичное относительное напряжение, под которым они работают. Однако эти термины не должны исключать другие режимы работы, т.е. настоящее изобретение должно предусматривать возможность подачи любого произвольного напряжения/полярности между "анодом" и "катодом". Кроме того, "решетка анодов" может содержать, в предельном случае, только один анод, хотя обычно она бывает выполнена из множества раздельных анодов. Катод и аноды могут генерировать электрическое поле в преобразовательном элементе при подаче на них напряжения (предпочтительно, одинакового напряжения между катодом и каждым анодом решетки).

Кроме того, преобразовательный элемент должен быть сконструирован с пространственной неоднородностью, благодаря которой напряженность вышеупомянутого электрического поля увеличивается в первой области вблизи анодной решетки и/или уменьшается во второй области на удалении от анодной решетки. Этот признак можно объяснить другими словами следующим образом: если бы преобразовательный элемент был однородным, напряжение, подаваемое между катодом и анодной решеткой, приводило бы к возникновению "стандартного" электрического поля в объеме, наполненном преобразовательным элементом. Заменяя этот однородный преобразовательный элемент преобразовательным элементом, имеющим неоднородную конструкцию согласно изобретению, "стандартное" электрическое поле увеличивается в первой области и/или уменьшается во второй области.

Неоднородность преобразовательного элемента, в частности, может касаться его (химического) состава, а также его формы; преобразовательный элемент может, например, содержать полости, влияющие на распределение поля. Наиболее предпочтительно, на напряженность поля оказывается такое влияние, что она оказывается выше в первой области, чем во второй области.

Описанный детектор излучения относится к способу обнаружения высокоэнергетического излучения, содержащему этапы, на которых:

a) подают напряжение между катодом и анодами решетки, причем упомянутый катод и упомянутая решетка располагаются на разных сторонах преобразовательного элемента.

b) делают электрическое поле, создаваемое вышеупомянутым напряжением, неоднородным, в частности, увеличивая его в первой области вблизи анодной решетки и/или уменьшая его во второй области на удалении от анодной решетки.

c) преобразуют падающее высокоэнергетическое излучение в преобразовательном элементе в зарядовые сигналы.

Описанный детектор излучения и способ основаны на использовании напряженности электрического поля в преобразовательном элементе, которое увеличивается по мере приближения к анодной решетке и/или уменьшается по мере удаления от нее. Исследования показывают, что это благотворно сказывается на точности регистрации падающих высокоэнергетических фотонов. В частности, импульсы заряда, генерируемые такими фотонами, заострены, что позволяет более надежно обнаруживать одиночные импульсы и увеличивать максимальную скорость счета, когда детектор используется для отсчета импульсов, как описано более подробно ниже.

В типичном варианте осуществления детектора излучения, каждый отдельный катод сопрягается с (правильной или неправильной) решеткой, содержащей множество анодов. Затем зарядовые сигналы, поступающие на разные аноды решетки, можно считывать по отдельности, что позволяет раздельно разрешать обнаружение падающего излучения.

Катод и решетка анодов, предпочтительно, будут покрывать участки, по существу, одинакового размера. Таким образом, можно реализовать типичную конструкцию, в которой преобразовательный элемент заключен между единым (большим) катодом и решеткой (малых) анодов. Обычно такая конструкция обеспечивает полностью однородное электрическое поле в преобразовательном элементе. Однако, в контексте настоящего изобретения, эта однородность нарушается за счет увеличения напряженности поля вблизи анодной решетки и/или его уменьшения на удалении от решетки.

В другом варианте осуществления изобретения, электрическое поле, которое генерируется в преобразовательном элементе напряжением между катодом и анодной решеткой, по существу, перпендикулярно катоду и/или анодной решетке. Такое электрическое поле генерируется, например, в вышеупомянутой слоистой конструкции, когда катод и анодная решетка одинакового размера располагаются на противоположных сторонах преобразовательного элемента кубоидной формы. Кроме того, этот вариант осуществления показывает, что настоящее изобретение, в основном, связано не с изменением направления электрического поля, а с изменением его величины.

Предпочтительно, электрическое поле, которое генерируется в преобразовательном элементе напряжением между катодом и анодной решеткой, проходит перпендикулярно плоскостям, образованным катодом, к анодной решетке, соответственно. Другими словами, электрическое поле должно быть однородным в плоскостях, параллельных катоду или анодной решетке.

В предпочтительном варианте осуществления, первая область вблизи решетки анодов покрывает, по существу, "соответствующие" зоны взвешенных потенциалов анода. "Взвешенный потенциал" рассматриваемого анода является нормированным электрическим потенциалом (нормированным электрическим потенциалом анода), в результате чего, если на упомянутый анод подан данный высокий потенциал (например, единичный), тогда как все остальные электроды (катод и другие аноды решетки, если имеются) остаются при потенциале заземления (ср. J.D. Eskin, H.H. Barrett, and H.B. Barber: "Signals induced in semiconductor gamma-ray imaging detectors", Journal of Applied Physics 85 (2), 647-659, 1999). По определению, взвешенный потенциал является безразмерной величиной и, таким образом, равен 1 на аноде пикселя и 0 на всех остальных электродах. Мы определяем "соответствующую зону взвешенного потенциала" для рассматриваемого анода как область, в которой взвешенный потенциал выше 0,5, предпочтительно выше 0,1. Как будет более подробно объяснено ниже, увеличение напряженности электрического поля в упомянутой зоне взвешенных потенциалов может положительно влиять на электрические импульсы, генерируемые детектором излучения.

Согласно изобретению, модификация напряженности электрического поля в первой области и/или второй области преобразовательного элемента достигается пассивными средствами, т.е. посредством надлежащей конструкции преобразовательного элемента. Эта конструкция может, в частности, содержать химический состав преобразовательного элемента. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, преобразовательный элемент содержит, например, (однородную) подложку, которая неоднородно легирована по меньшей мере одной легирующей примесью.

Концентрация вышеупомянутой легирующей примеси может, в частности, быть выше в первой области вблизи анодной решетки, чем во второй области, удаленной от нее. Альтернативно, концентрация легирующей примеси может быть выше во второй области на удалении от анодной решетки, чем в первой области вблизи этой решетки.

Концентрация легирующей примеси может, предпочтительно, быть однородной в первой области и/или во второй области. Кроме того, концентрация легирующей примеси в первой или во второй области может, в частности, быть равна нулю, в том смысле, что легирована, по существу, только одна из первой и второй области.

В предпочтительном варианте осуществления, упомянутая легирующая примесь может быть акцептором электронов (т.е. легирующей примесью с проводимостью p-типа). Легирование первой области вблизи анодной решетки таким акцептором электронов приводит, в ходе эксплуатации детектора излучения, к накоплению отрицательного пространственного заряда в этой первой области, что увеличивает локальную напряженность электрического поля. Однако согласно настоящему изобретению, легирующая примесь может быть донором (легирующей примесью с проводимостью n-типа). Это, например, может быть полезно, если пиксельный электрод призван собирать дырки вместо электронов, т.е. решетка пиксельных электродов является решеткой катодов, и противоположный электрод является анодом. Благодаря положительному пространственному заряду, напряженность электрического поля увеличивается по мере приближения к решетке катодов.

Легирующей примесью, может быть, в частности, химический элемент, выбранный из групп I, II, III, IV, V, VI и VII Периодической таблицы, например литий (Li), бериллий (Be), бор (B), углерод (C), азот (N), кислород (O) и фтор (F).

Подложка преобразовательного элемента, которая легирована легирующей примесью, может предпочтительно содержать полупроводящий материал, выбранный из группы, состоящей из чистых элементов IV группы (например, кремния (Si), селена (Se), или германия (Ge), полупроводящие соединения из типов I-VII (например, иодид натрия (NaI)), II-VI (например, теллурид кадмия (CdTe) или теллурид кадмия-цинка (Cd_xZn_1-xTe или CZT)), III-V (например, арсенид галлия (GaAs) или IV-VI (например, оксид свинца (PbO)). Наиболее предпочтительно, подложка состоит из полупроводника с высокой способностью поглощения рентгеновского или γ-излучения и высокими подвижностями зарядов, например CdTe и CZT.

Детектор излучения обычно содержит блок чтения для считывания зарядовых сигналов, генерируемых в преобразовательном элементе. Блок чтения обычно подключен к катоду и (по отдельности) к анодам анодной решетки. Кроме того, блок чтения, предпочтительно, адаптирован к спектрально разрешаемому отсчету импульсов, т.е. он может отсчитывать импульсы заряда, генерируемые (единичными) падающими фотонами и может определять интегральный заряд этих импульсов, который связан с энергией падающих фотонов. Спектральное разрешение и отсчет импульсов, в частности, пользуется благоприятными формами импульсов, генерируемых в детекторе излучения согласно настоящему изобретению.

Изобретение дополнительно относится к устройству обследования для обследования объекта (например, пациента) с помощью излучения, причем упомянутое устройство содержит детектор излучения вышеописанного вида. Устройство обследования, в частности, можно применять как устройство досмотра багажа, устройство испытания материалов, устройство научного анализа материалов, астрономическое устройство или устройство медицинского назначения. Устройство обследования, в частности, может быть выбрано из группы, состоящей из рентгеновского устройства (например, рентгеновского аппарата), системы компьютерной томографии (КТ) (наиболее предпочтительно, системы спектральной КТ на основе отсчета фотонов), системы компьютерной томографии на основе когерентного рассеяния (CSCT), системы позитрон-эмиссионной томографии (ПЭТ) и системы однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ).

Кроме того, изобретение относится к способу изготовления детектора излучения, причем упомянутый способ содержит этапы, на которых:

a) обеспечивают подложку, пригодную для преобразования высокоэнергетического излучения в зарядовые сигналы;

b) неоднородно легируют упомянутую подложку;

c) наносят катод и решетку анодов на разные стороны подложки.

Согласно описанному способу можно изготавливать детектор излучения вышеописанного вида. Таким образом, из вышеприведенного описания можно почерпнуть дополнительную информацию о деталях, преимуществах и модификациях этого способа. Например, легирующей примесью может быть акцептор электронов, и/или она может применяться в первой области вблизи анодной решетки.

Краткое описание чертежей

Эти и другие аспекты изобретения явствуют из и могут быть изучены со ссылкой на вариант(ы) осуществления, описанный(е) ниже. Эти варианты осуществления будут описаны в порядке примера с помощью прилагаемых чертежей, в которых:

фиг. 1 схематически демонстрирует вид в разрезе детектора излучения согласно уровню техники;

фиг. 2 схематически демонстрирует сравнимый вид в разрезе детектора излучения согласно настоящему изобретению;

фиг. 3 - диаграмма, демонстрирующая величину электрического поля в детекторах излучения, согласно фиг. 1 и 2;

фиг. 4 - диаграмма демонстрирующая формы импульса, полученные в детекторах излучения, согласно фиг. 1 и 2.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Детекторы рентгеновского и гамма-излучения с разрешением по энергии на основе материалов прямого преобразователя, например CdTe или CZT, может эффективно измерять энергии фотонов. Фиг. 1 схематически иллюстрирует вид сбоку такого традиционного детектора 10 излучения прямого преобразования. Детектор 10 с прямым преобразователем содержит "преобразовательный элемент" 2, т.е. блок полупроводникового материала, расположенный между катодом 1 и решеткой 4 анодов 3. Блок 5 чтения подает на эти электроды (высокое) напряжение. Падающий фотон X создает несколько пар электрон/дырка. После этого, электроны дрейфуют к решетке 4 анодных пикселей на "нижней" стороне, а дырки дрейфуют к катоду 1. Важно отметить, что уже в ходе дрейфа носителей заряда ток наводится в пиксельные аноды вследствие емкостной связи (а не, как может показаться на первый взгляд, во время поступления зарядов на собирающий анод). Токи в пиксельных анодах считываются и оцениваются блоком 5 чтения.

Импульс тока I_j(t), генерируемый в пикселе j носителем заряда, имеющим заряд q и траекторию через прямой преобразователь, аналитически вычисляется по формуле

,

где представляет градиент взвешенного потенциала (также известного как взвешенное поле) j-го пикселя в позиции заряда, и представляет вектор скорости заряда (ср. Eskin, выше). Формула указывает, что ток (т.е. высота импульса) тем больше, чем больше градиент взвешенного потенциала (т.е. чем ближе заряд к аноду) и чем быстрее движется заряд. На практике известно, что электроны вносят тем больший вклад в импульс тока, чем более они приближаются к аноду ("эффект малых пикселей", ср. Eskin, выше).

Помимо взвешенного потенциала, второй по значимости величиной является скорость электрона, когда он достигает анода. Имеется сильная связь с электрическим полем E в позиции электрона согласно

, где µ_e представляет подвижность электронов.

Как показано на фиг. 1, детекторы обычно выполнены в геометрии плоского конденсатора. Это означает, что электрическое поле E перпендикулярно плоскостям электродов в направлении z. В этом случае, вышеприведенные формулы можно упростить, и ток I_j(t), наведенный в j-й анод пикселя, выражается в виде

где r_z(t) представляет z-координату (или глубину) траектории электрон, и E_z(r_z(t)) представляет z-компоненту электрического поля в позиции заряда.

Обычно стремятся достичь наивысших возможных значений максимальной скорости счета. Максимальная скорость счета технически ограничена шириной электронных импульсов, поскольку вблизи максимальной скорости счета импульсы накладываются друг на друга с усилением (так называемый "эффект цепной реакции"). Уменьшение ширины импульса снижает вероятность возникновения цепной реакции и, таким образом, обеспечивает улучшенную спектральную характеристику. Кроме того, более острые импульсы (т.е. с меньшей шириной, но большей высотой импульса) можно обнаруживать более уверенно и, таким образом, повышать спектральное разрешение.

Таким образом, предлагается оптимизировать электрическое поле в преобразовательном элементе, в частности за счет особого профиля легирования акцепторов (т.е. легирующей примеси с проводимостью p-типа). При нанесении вблизи анодов ионизированные акцепторы будут создавать отрицательный пространственный заряд, который приводит к повышению электрического поля вблизи анодов. В результате, электроны ускоряются непосредственно перед входом в анод, что сокращает эффективно измеренную ширину пика и увеличивает высоту пика.

Фиг. 2 иллюстрирует детектор 100 излучения, сконструированный согласно вышеописанным принципам. Компоненты, идентичные показанным на фиг. 1, указаны ссылочными позициями, увеличенными на 100, и не подлежат повторному описанию.

Существенное отличие от детектора излучения, показанного на фиг. 1, состоит в том, что преобразовательный элемент 102 p-легирован акцепторами электронов в первой области R_d, которая проходит рядом с решеткой 104 анодов 103, тогда как вторая область R₀ на удалении от анодной решетки остается нелегированной. Первая область R_d покрывает приблизительно соответствующую зону взвешенных потенциалов φ пикселя (например, квалифицированную как зону, в которой ), тогда как вторая область R₀ покрывает остальной объем преобразовательного элемента 102. Отрицательно заряженные атомы легирующей примеси в легированной первой области R_d увеличивают напряженность локального электрического поля до значения E_d, которое выше напряженности электрического поля E₀ во второй области R₀ вблизи катода 101.

При более детальном исследовании можно предположить, что элемент 102 прямого преобразования имеет легирующую концентрацию ρ(z) акцепторов. Хотя можно предложить различные профили легирования, здесь рассмотрение ограничено прямоугольным профилем легирования, и это означает, что объем второй области R₀ на стороне катода не легирован, тогда как объем первой области R_d однородно p-легирован с уровнями акцептора очень близкими к уровню валентной зоны. При комнатной температуре большинство акцепторов отрицательно ионизируются, тогда как освобожденные свободные дырки удаляются после дрейфа в постоянном электрическом поле. Результирующее электрическое поле легко вычислить как интеграл функции ρ(z) в виде

где ε₀ε_r - диэлектрические постоянные материала, z=0 - позиция катода, z=z_anode - позиция анодной решетки и E₁ - постоянная интегрирования. Удовлетворяя дополнительным граничным условиям, заданным напряжением V_bias между катодом и анодом,

,

легко вывести, что результирующее электрическое поле остается однородным в нелегированном объеме R₀, но с более низкой абсолютной напряженностью E₀, чем в полностью нелегированном слое. Это показано в диаграмме на фиг. 3, которая демонстрирует напряженность E электрического поля в нелегированном материале (линия "S") и в материале, содержащем однородно p-легированный объем R_d вблизи анода (линия "D"). Однако в легированном слое электрическое поле E линейно возрастает. Если легированный объем проходит в объем, где имеется относительно сильный градиент взвешенного потенциала для каждого из пикселей, это приводит, во-первых, к замедлению дрейфа электронов в нелегированном объеме (что не имеет значения, поскольку в аноде, так или иначе, наводится лишь пренебрежимо малый ток), но, во-вторых, к ускорению электронов вблизи анода, что приводит к более острому импульсу тока, чем можно получить для однородного электрического поля. Это проиллюстрировано на фиг. 4, которая демонстрирует формы импульсов тока, соответствующие электрическим полям на фиг. 3.

Подход настоящего изобретения можно применять во всех разновидностях детекторов гамма- или рентгеновского излучения с разрешением по энергии, т.е. в детекторах для использования в приложениях медицинского формирования изображения (например, спектральной рентгеновской или спектральной КТ), приложениях промышленного формирования изображения для гарантии качества, сканирования багажа, астрономических и других детекторах для применения в научных целях.

Наконец, в настоящем документе указано, что термин "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, что употребление их наименований в единственном числе не исключает наличия их множества и что единичный процессор или другой блок может выполнять функции нескольких средств. Изобретение заключается в каждом отличительном признаке новизны и каждой комбинации отличительных признаков. Кроме того, ссылочные позиции в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничение ее объема.

Изобретение относится к детектору для обнаружения высокоэнергетического излучения. Детектор (100) излучения содержит преобразовательный элемент (102) для преобразования падающего высокоэнергетического излучения (X) в зарядовые сигналы, катод (101) и решетку (104) анодов (103), расположенные на разных сторонах преобразовательного элемента, для генерации электрического поля (Е₀, E_d) в преобразовательном элементе (102), при этом преобразовательный элемент (102) имеет пространственную неоднородность, за счет которой напряженность упомянутого электрического поля (Е₀, E_d) увеличивается в первой области (R_d) вблизи анодной решетки и/или уменьшается во второй области (R₀) на удалении от анодной решетки. Технический результат - повышение точности регистрации падающих высокоэнергетических фотонов. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Детектор (100) излучения, содержащий
a) преобразовательный элемент (102) для преобразования падающего высокоэнергетического излучения (X) в зарядовые сигналы,
b) катод (101) и решетку (104) анодов (103), расположенные на разных сторонах преобразовательного элемента, для генерации электрического поля (Е₀, E_d) в преобразовательном элементе (102),
при этом преобразовательный элемент (102) имеет пространственную неоднородность, за счет которой напряженность упомянутого электрического поля (Е₀, E_d) увеличивается в первой области (R_d) вблизи анодной решетки и/или уменьшается во второй области (R₀) на удалении от анодной решетки.

2. Детектор (100) излучения по п. 1,
отличающийся тем, что катод (101) и анодная решетка (104) покрывают участки, по существу, одинакового размера.

3. Детектор (100) излучения по п. 1,
отличающийся тем, что электрическое поле (Е₀, E_d) направлено, по существу, перпендикулярно плоскостям, образованным катодом (101) и/или анодной решеткой (104).

4. Детектор (100) излучения по п. 1,
отличающийся тем, что абсолютное значение электрического поля (Е₀, E_d) имеет ненулевой градиент, перпендикулярный к плоскостям, образованным катодом (101) и/или анодной решеткой (104).

5. Детектор (100) излучения по п. 1,
отличающийся тем, что первая область (R_d), по существу, покрывает соответствующую зону весового потенциала (φ) каждого пикселя, из которой существенная часть импульса тока наводится движением заряда.

6. Детектор (100) излучения по п. 1,
отличающийся тем, что преобразовательный элемент (102) содержит подложку, которая неоднородно легирована по меньшей мере одной легирующей примесью.

7. Детектор (100) излучения по п.6,
отличающийся тем, что концентрация упомянутой легирующей примеси в первой области (R_d) вблизи анодной решетки (104) больше, чем ее концентрация во второй области (R₀).

8. Детектор (100) излучения по п. 6,
отличающийся тем, что концентрация легирующей примеси однородна в первой области (R_d) и/или равна нулю во второй области (R₀).

9. Детектор (100) излучения по п.6,
отличающийся тем, что легирующей примесью является акцептор электронов.

10. Детектор (100) излучения по п. 6,
отличающийся тем, что подложка преобразовательного элемента (102) содержит материал, выбранный из группы, состоящей из Si, Ge, Se, GaAs, CdTe, CZT и PbO.

11. Детектор (100) излучения по п. 1,
отличающийся тем, что содержит блок (105) чтения для считывания зарядовых сигналов, генерируемых в преобразовательном элементе (102).

12. Устройство обследования, в частности рентгеновское устройство на основе отсчета фотонов с разрешением по энергии или сканнер компьютерной томографии, содержащее детектор (100) излучения по п. 1.

13. Способ изготовления детектора (100) излучения, в частности детектора излучения по п. 1, содержащий этапы, на которых
a) обеспечивают подложку (102), способную преобразовывать высокоэнергетическое излучение (X) в зарядовые сигналы,
b) неоднородно легируют упомянутую подложку,
c) наносят катод (101) и решетку (104) анодов (103) на разные стороны подложки.