[发明专利]具有直接转换功能的Ｘ射线探测器和探测方法及应用

说明书

计算机断层照相术对其所使用的X射线探测器提出许多要求。这种元件应以高的灵敏度和强的抗干扰能力把X射线转换成电信号。其应具有大动态范围的接收灵敏度，而且电信号幅度与X射线强度之间应具有尽可能好的线性度。其时间响应特性应很快，而且测试信号应在大约1毫秒以后基本衰减掉。此外，要求探测器有高的长期稳定性。

到目前为止，计算机断层照相术所使用的X射线探测器都是利用不同的物理原理探测X射线。充气电离室是利用X射线对气体的电离特性。在电离气体中所产生的电荷可以直接测量。

按闪烁体原理工作的探测器利用某些晶体发光材料的发光特性，把X射线转换成可见光，使眼睛、光敏胶卷或者光探测器可以接受到。

将X射线直接转换或电信号，例如用单晶锗半导体材料制成的pn-二极管。事实上，早已提出了利用光伏效应直接检测X射线。

按电离室原理工作的X射线位置分辨探测器制造方法很昂贵，而且把X射线转换成电脉冲的效率很低。从而就使被检查身体的病人承受高剂量的射线。

就原理而言发光材料是很适用的，然而却需要花费昂贵的代价制成一定的结构。其它难题则是在连接闪烁体与所需的光电探测器时易出故障，此外还必须考虑在转换时电信号的损耗。

锗半导体二极管要求使用液氮制冷，因为锗禁带宽度较小导致高的热噪声。这种制冷装置特别是对于计算机X射线断层照相术不仅价格昂贵且使用不便，因为由分立的X射线探测器组成的阵列必须围绕透视人体转动。

为此，本发明提出了一种X射线探测器，它能以高效率把X射线转换成电信号、使位置分辨成为可能、容易制造、且能排除已知X射线探测器的上述缺点。

本发明提出一种探测X射线探测器其特征在于具有

-片状的晶态半绝缘半导体器件用作光敏电阻，此半导体器件选自GaAs，CdTe，CdSe，HgTe，CuInxGa_1-xSe2-2y S_2y(1≥X，Y≥0)；

-在半导体器件的相互对应的两个表面上有一对电极，紧靠电极的下方各有一层薄的高掺杂区；

-一个与电极相连接的恒定电压源用于在电极上施加恒定电压；

-一个测量装置用于探测流过光敏电阻的光电流。

在此探测器中，测量装置包括一个与光敏电阻电容耦合的高阻测量仪器，而且光敏电阻串联一个恒压源，和一个保护电阻，保护电阻大小与光敏电阻的暗电阻约同一数量级，电容与恒定电压源并联。

本发明的另一方面是一种X射线探测器的探测方法，其特征在于，

在此方法中，调整半导体器件使其电极与入射X射线平行，在电极上施加约8至30V的恒定电压，而且在半导体器件上产生的光电流由一个与光敏电阻并联并经电容耦合的测量仪器测定，所述X射线为斩波X射线，并且光敏电阻在室温下工作。

本发明的再一方面是探测器应用在计算机X射线断层照相仪的探测器阵列中。

某些化合物半导体与锗相比具有较有利的核电荷比，从而对X射线有较强的吸收。它们可以制成优质和高纯度的单晶材料。特别是在单晶半导体材料中由于吸收X射线产生的载流子具有最长的寿命和最高的迁移率。因此可以保证在所加的电场中绝大多数载流子在复合之前被分开并且在电极两端作为可测电流读出。对于所建议的半导体材料，X射线的吸收和直接高效率地转换成电信号能给出大于10³高信噪比。这些化合物半导体与锗相比有较大的禁带宽度，还可使本发明的探测器在室温下工作。

半导体材料内部是高纯的并且最好是补偿掺杂的，然而在电极下都有浅的高掺杂层，此高掺杂层保证了半导体和电极之间良好的欧姆接触，从而保证在整个半导体材料内有一均匀的、恒定的电场。因此与电场区有限的肖特基-接触或者pn结相比有可能获得较高的载流子漂移-收集效率，因为前两种结构有无电场区，在这些区域内只有低速的载流子扩散运输。此外，在这种半导体材料中以光伏原理工作时短的少子寿命是起关键作用的。

电阻率典型值p＝10⁷～10⁹ Ohm cm的半绝缘半导体以光敏电阻形式应用之所以特别有利是因为它们几乎不含有可带电杂质，从而没有载流子使内部电场发生变化或者导致持续的电荷补偿效应。

本发明的探测器的另一重要特点是使用恒定电压源。这种电压源之所以特别重要是因为被测信号与光敏电阻的电极之间所加电压有关。电压的变化有可能导致测试信号的变化，从而使噪声增大，也就是说可使独立应用的信/噪比变坏。