[发明专利]直接转换光子计数探测器

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种直接转换光子计数探测器、一种成像系统和一种利用直接转换光子计数探测器来探测光子的方法。

背景技术

直接转换光子计数探测器在诸如天体物理或医学成像(例如计算机断层摄影(CT)、正电子发射断层摄影(PET)、单光子发射计算机断层摄影(SPECT)等)中的单光子探测的领域中是公知的。J.D.Eskin等人在1999年1月15日的Journal of Applied Physics，第85卷，第2号，第647-659页中公开了直接转换光子计数探测器。

直接转换光子计数探测器的大部分由直接转换材料(通常是单晶半导体)的层构成。入射辐射(例如X射线、γ射线)被直接转换材料吸收，并且由于光电相互作用而在直接转换材料中生成移动电子-空穴对。由于直接转换材料被置于一侧上的探测器阴极与相对侧上的探测器阳极之间，因此生成的电子沿施加的电场向探测器阳极移动，而生成的空穴沿相反方向向探测器阴极移动。接近的电子在探测器阴极中感生局部电荷。探测器阳极可以被细分成一系列电极像素或电极像素的网格。当电极像素中的每个都具有足够小的面积并且被独立地读出时，可以基于每个像素所感生的电荷来确定表示撞击每个电极像素的电子的计数的值。

电极像素面积越小，可探测的脉冲宽度越窄，并且可探测的光子通量率越高。然而，存在对减小电极像素面积的限制，最重要地是因为源于电荷共享的相邻电极像素之间的串扰。为了针对仍然相对较大的像素面积来获得更窄的脉冲，通常对独立的电极像素进行细分割，其中，电极像素面积的仅尽可能小的部分专用于电子或空穴收集。该面积通常被称作收集电极。收集电极被连接到信号放大器，并且根据放大信号来生成由收集电极收集到的入射电子或空穴的量的值。剩余电极像素面积专用于将入射电子 或空穴引导向到收集电极。这通常是通过在收集电极与剩余电极像素面积之间施加较高的电势差来实现的(例如收集电极为地电势，同时剩下的电极像素面积具有负电势)。与其中使用非细分割的像素面积来生成信号的配置相比，可探测脉冲宽度被大大减小。

当剩余电极像素面积仅专用于使电子或空穴向收集电极转向时，在本领域中其一般被称为转向电极。备选的配置是所谓的共平面网格。在该配置中，针对仍接近剩余电极像素面积附近的入射电子或空穴的量也感生出电流脉冲，与转向电极类似，所述剩余电极像素面积在排斥电势下操作，使得电子或空穴向收集电极转向。在这种情况下，排斥电极在本领域中被命名为非收集电极。与具有转向电极的配置相反，收集电极和非收集电极两者都被连接到信号放大器。任选地以加权的方式，将来自收集电极和非收集电极的放大信号彼此相减。接近的入射电子或空穴起初远离靶电极像素，并且相等量的信号被以电容的方式感应到收集电极和非收集电极中。作为信号减法的结果，信号彼此消除，除了在入射电子接近收集电极附近时。在此时，感生的信号变得彼此显著不同，并且在提供了电子或空穴仅由收集电极收集的情况下，可以生成相对较短的脉冲宽度作为将信号减法的结果。

尽管转向电极配置和共平面网格配置两者都设法减小脉冲宽度，但仍存在对进一步减小脉冲宽度的需要。这些配置固有的是，电荷在收集电极附近被俘获，这使探测器极化，引起电场变得扭曲。该效应特别地限制了转向电极配置的性能。对于共平面网格该效应较不严重，这是因为在该配置中电荷通常被分布在较大面积上。然而，在紧密相邻的收集电极与非收集电极之间需要相对较大的电势差(至少几十伏特)，以确保良好操作，设计、制作和操作共平面网格在技术上非常有挑战性，并且必须做出妥协以在将信号相减的同时克服收集电极与非收集电极之间的电势差。

美国专利申请US2007/290142A1公开了一种具有电极组件的光子检测器，所述电极组件具有中心读出电极以及被与所述中心读出电极相邻设置的一个或多个偏置控制部分。通过控制相对于中心读出电极的偏置控制部分的电压来获得可调节的有效面积。

Niraula等人在“Study of multi-electrodes structure in CdTe nuclear radiation detectors”，2004IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record，2004年10月16-22日，罗马，意大利，第7卷(2004)，第4523-4534页中公开一种具有多电极结构的核辐射探测器，所述多电极结构具有中心收集阳极、护环电极和引导电极。该探测器被偏置，使得中心阳极收集电子，而引导电极排斥电子并将它们引导向中心电极。