[发明专利]多能量检测器

说明书

本说明书描述了改进的多能量辐射检测器。在一种实施方式中，由检测介质生成的信号在信号收集点直接转换为数字形式。这避免了对功率密集型高带宽放大器以及模数转换器的需求，因为它将传感装置和信号处理集成到同一硅基板上以减少系统中的部件数量。在一种实施方式中，单光子雪崩二极管(SPAD)被直接耦接到阈值检测器上以获得本质上低耗电、低噪声的检测器。

交叉引用

本说明书依赖于2015年3月4日提交的题为“多能量检测器”的美国专利临时申请号62/128293要求优先权。上面所述申请在此以全部引用的方式合并于此。

技术领域

本说明书通常涉及辐射能成像系统，更具体地涉及使用多种能量检测隐藏物和识别感兴趣的材料的系统。

背景技术

X射线成像广泛应用在各个领域，包括医学成像、安全检查和工业无损检测。尽管相同的方法适用于所有其他X射线检查领域，但以下讨论集中在安全检查上。

通过检测由被检查物体传输或从被检查物体散射的辐射来产生射线图像。存在的材料的密度、原子数以及总量决定了辐射的衰减程度，且因此决定了产生的射线图像的性质和类型。除了确定当X射线或伽马射线光子沿各种X射线路径行进时X射线或伽马射线光子的平均吸收之外，可以得到关于材料特征的信息。散射X射线的强度与散射X射线的材料的原子数(Z)有关。一般来说，对于小于25的原子序数，X射线背散射强度或X射线反射率随着原子序数的增加而减小。另一方面，具有高原子序数(Z>70)的材料的表征是X射线光谱的低端和高端的高衰减。因此，X射线图像主要根据物体内(比如，货物内)的各种材料的物品(items)的原子序数的变化来调制。

作为根据各种材料的原子序数的图像调制的结果，X射线成像系统生成带有暗区的图像很常见。虽然这些暗区可能表示存在危险材料，但这些暗区几乎没有关于危险的确切性质的信息。此外，由于物体叠加且可能混淆图像，所以现有的X射线系统产生的射线照片通常难以解释。因此，受过培训的操作人员必须学习和解释每幅图像，以给出是否存在感兴趣的目标(比如危险)的意见。当大量这种射线照片需要被解释时，例如在高流量运输点或港口，操作人员疲倦和注意力分散都会危及检测性能。即使使用自动化系统，当系统高吞吐量运行时，也很难遵守隐含要求以保持较低数量的虚假报警。

一种从X射线成像获得更多有用信息以及清晰度的方法是使用双能量系统来测量容器或行李中材料的有效原子序数。这里，X射线束分为两大类：低能量和高能量。通常这是通过使X射线束穿过优先响应于低能量X射线的第一薄(thin)X射线检测器来实现。然后，将过滤的光束传送到第二检测器，该第二检测器响应于向光谱的较高能量部分加权的过滤光束。然后，通过高能量信号和低能量信号之间的差异来确定有效原子序数。这对于在60kV至450kV范围内的X射线能量束尤其有效，在60至450kV范围内，被检查物体的线性衰减系数快速变化在低能量和高能量光谱区产生良好的对比。

一种替代技术每个成像像素使用一个X射线检测器，然而，随着时间变化，从源投射的光束质量发生变化。通常，这种技术在高能量检查系统(例如，4MV和6MV光束)中使用。由于有效原子序数现在是从光谱的高能量部分产生的，它能够比双能量、堆叠式检测器方法提供更多的物体的厚的区域的信息。

进一步的方法识别出，X射线束包括在不同的任意分散时刻与检测器材料相互作用的多个单个X射线光子。通过单独检测和处理各个相互作用的X射线光子，可以建立所有相互作用的X射线的能量谱，其中该谱包含许多离散的能量仓(energy bins)，通常在2到至少4个仓的范围内。然后，可以分析这种光谱的形状以确定被检查物体的有效原子序数。通常已知的检测系统使用闪烁体和半导体材料来产生这种辐射光谱。