[发明专利]CsI(T1)晶体薄膜直接集成CCD的X射线阵列探测器

说明书

技术领域

该发明涉及X射线探测与成像领域。

背景技术

X射线的探测与成像使人类能够探知物体内部信息，已经广泛应用于医疗、工业检测等诸多方面。而数字X射线探测成像研究方兴未艾，结构精巧、体积小，高度集成的探测装置仍然着巨大的需求缺口。目前有关X射线的探测装置，其技术原理主要是将X射线转换成可见光信号或者电信号，见文献[1-5]。前者的转换材料主要是无机闪烁体[2][5]，如NaI；后者的传感材料如非晶硒[1]，可见光信号的读取器件主要有阵列光电二极管、CCD[3][4]、CMOS，通过优化的扫描与输出数字信号处理可以获得很高的图象质量与实时性能。但是X射线的辐射性使得对转换材料和传感元的屏蔽保护十分重要，在转换屏与荧光接收装置之间常用光纤锥连接，这样不仅附加了系统的插入与耦合损耗，且因此多数X射线探测装置结构复杂，体积庞大，不方便应用于移动检测与特殊环境场合。

[1]专利：X射线探测器，专利号03110679.X，中国

[2]专利：数字X射线图象探测器，专利号0220381.8，中国

[3]专利：数字化X射线机的多线阵探测器，申请号200310117321.1，中国

[4]专利：X射线探测器和具有X射线探测器的计算机断层造影设备，申请号200510087427.0，中国

[5]专利：X射线荧光全息层析成像装置，申请号02155046.8，中国

发明内容

本发明利用CsI(Tl)晶体作为能量转换材料，将X射线转换成可见荧光后直接耦合入抗辐射CCD进行探测，生成数字图象信号，实现对X射线强度剂量分布的实时成像，以完成被检测物体或直接X光源的结构、密度等信息的多维提取。本发明将转换材料CsI(Tl)晶体与CCD直接耦合，无须光纤或光锥导光，优化了探测器性能，在保证有较高信噪比、空间分辨率的前提下，使探测器具有厚度薄，结构简练，相对探测效率高，集成度高，方便灵活，机械强度较大的性能，具有极大应用潜力。

本发明探测器的组成结构见附图1和2。它包括CCD面元(1)、荧光增透膜(2)、CsI(Tl)晶体单元(3)、晶柱空气间隙(4)、顶层Al保护层(5)、侧面Al隔离层(6)、电荷转移通道(7)等部分。

附图说明：

附图1为探测器单元结构剖面图。1：CCD面元；2：荧光增透膜；3：CsI(Tl)晶体单元；4：晶柱空气间隙；5：顶层Al保护层；6：侧面Al隔离层；7：电荷转移通道

附图2为探测器接收面俯视图。本发明采用面阵CCD作荧光读出器件；CCD面元(1)、荧光增透膜(2)、CsI(Tl)晶体单元(3)，由于大小尺寸一致，故在俯视图中显示重叠；侧面Al隔离层(6)、电荷转移通道(7)的位置亦显示重叠；晶柱空气间隙(4)的位置随机，不便标识。

附图3为CsI(Tl)晶体单元剖面图。CCD面元为正方形，边长20～60μm；CsI(Tl)晶体单元形状尺寸与CCD面元一致，其厚度在50～100μm时，转换效率最高。

附图4为荧光增透膜剖面图。荧光增透膜为140nm左右厚度的SiON薄膜。

具体实施方式：

X射线源发出一定能量和剂量的X射线透过待测物体，形成被密度调制的载波X射线后，入射到探测器上，穿过起控制剂量与保护作用的Al层，与CsI(Tl)作用产生荧光，被下面的CCD接收，完成信号读取。

本发明将薄层CsI(Tl)晶体直接制作在经过增透处理的CCD单元面上，然后按照设计好的面阵CCD的版图光刻出沟道，使CsI(Tl)晶体只陈留在光敏面上，然后沉积Al膜于光刻的沟道内和CsI(Tl)晶体单元面的顶层上方，以达到控制辐射剂量、保护器件、隔离像元、防止荧光互窜产生交叉噪声。

本发明采用CsI(Tl)晶体作为转换材料因为：CsI(Tl)晶体的发光效率相对较高，对低能X射线的探测效果非常好，且它的荧光峰值波长为565nm，人眼最为敏感，与光接收CCD的光谱很匹配。CsI(Tl)独到的优点是：它可以生长成微晶柱结构，由此可以抑制荧光在转换屏中的横向扩展，有利于提高转换屏的调制传递函数MTF，因而使得探测器件有较高的极限分辨率。另外，CsI(Tl)晶体的潮解性较低，工作寿命比一般材料长；而且它容易加工，机械强度大，应用非常方便。

本发明中，Al作为CsI(Tl)分隔材料(包括衬底与壁)，因为Al的反射率比较高(理想值在0.9左右)，减小可见光的传输损耗。且在工艺上，对Al的各种处理技术非常纯熟，容易得到光滑的衬底与壁。