ДЕТЕКТОР И СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
DETECTOR AND METHOD OF DETECTING ELECTROMAGNETIC RADIATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к детекторным модулям.
Изобретение также относится к детекторным устройствам.
Кроме того, изобретение относится к способам детектирования электромагнитного излучения.
Далее изобретение относится к элементу программы.
Кроме того, изобретение относится к машиночитаемому носителю.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Рентгеновское исследование (визуализация) имеет важное значение во многих областях техники, включая использование в медицине.
Визуализация в медицине - это процесс, с помощью которого медики дают оценку исследуемой области тела человека, которую не видно извне. Визуализация может быть клинически мотивирована при постановке диагноза и исследовании болезни специфических пациентов. В качестве альтернативы она может быть использована в исследованиях для понимания процессов, происходящих в живых организмах. Множество способов, разработанных для визуализации в медицине, также имеет научное и промышленное применение.
В случае рентгеновских исследований зондом является рентгеновский луч, который в различной степени поглощается различными типами тканей, таких как костные, мышечные или жировые. После прохождения через тело исследуемого объекта передаваемый рентгеновский луч формирует интенсивный рисунок, показывающий внутреннюю структуру исследуемого объекта.
В настоящее время большинство продаваемых твердотельных (полупроводниковых) цифровых рентгеновских детекторов выполнены на плоской стеклянной пластине с тонкой пленкой электроники из аморфного силикона (a-Si) и сверху преобразующим рентгеновские лучи слоем. Это либо непрямой тип преобразования со сцинтиллятором сверху матрицы фотодиодов, либо прямой тип преобразования, использующий фотопроводник сверху матрицы электродов. Падающие рентгеновские лучи поглощаются преобразующим слоем и, генерируя заряды в каждом пикселе матрицы, создают цифровое изображение поглощения рентгеновских лучей.
Альтернативой тонкой пленке электроники на стекле является использование пластин из монокристаллического кремния для пиксельной электроники. Как указано выше, пиксели на фотодиодах или без них могут применяться либо для непрямого, либо для прямого преобразования рентгеновского излучения. Использование стандартных комплиментарных металлооксидных полупроводников (КМОП) процессов в монокристаллическом кремнии приводит в основном к созданию электронных цепей с меньшими помехами и большей функциональностью по сравнению с цепями a-Si пикселей (аморфного силикона). В случае детектора непрямого преобразования сцинтиллятор может быть либо приклеен, либо приращен непосредственно на Si пластине. Для материалов прямого рентгеновского преобразования имеется две возможности: либо соединение отдельно изготовленного слоя, например, с деформированными шариками, либо непосредственное нанесение на кремний. Пример КМОП детектора непрямого преобразования раскрыт в H.Mori, R.Kyuushima, K.Fujita, M.Honda. High Resolution and High Sensitivity CMOS PANEL SENSORS for X-Ray (Высокое разрешение и высокая чувствительность КМОП датчиков), IEEE 2001 Nuclear Science Symposium Conference Record, Vol.1, p.29-33 (2001).
Кроме того, можно сослаться на W.Zhao, G.DeCrescenzo, J.A.Rowlands. Investigation of lag and Ghosting in amorphous selenium flat-panel x-ray detectors, SPIE Medical Imaging Vol.4682, p.9-20, 2002.
Однако известные детекторы могут иметь чувствительность, не достаточную для специфических применений.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание достаточно чувствительного детектора.
Для решения поставленной задачи предложены детекторный модуль, детекторное устройство, способ детектирования электромагнитного излучения, элемент программы и машиночитаемая среда согласно независимым пунктам формулы изобретения.
Согласно варианту воплощения изобретения предложен детекторный модуль для детектирования электромагнитного излучения, содержащий преобразующий материал, предназначенный для преобразования падающего электромагнитного излучения в носители электрического заряда, накапливающий заряд электрод, предназначенный для накапливания преобразованных носителей электрического заряда, экранирующий электрод, предназначенный для формирования емкости совместно с накапливающим заряд электродом, и схему оценки, электрически связанную, по меньшей мере, частью (или полностью) с накапливающим заряд электродом и предназначенную для оценки электромагнитного излучения, исходя из накопленных носителей электрического заряда. Необязательно цепь оценки может быть электрически соединена (например, через омическое соединение) с экранирующим электродом.
Согласно другому примеру воплощения изобретения предложено детекторное устройство для детектирования электромагнитного излучения, содержащее множество соединенных между собой (например, соединенных в подобной матрице массив, имеющий ряды и столбцы) детекторных модулей, имеющих указанные выше функции.
Согласно еще одному примеру воплощения изобретения предложен способ детектирования электромагнитного излучения, содержащий преобразование падающего электромагнитного излучения в носители электрического заряда, накапливание преобразованных носителей электрического заряда на накапливающий заряд электрод, и оценку с помощью схемы оценки электромагнитного излучения, исходя из накопленных носителей электрического заряда, причем схема оценки может быть по выбору электрически соединена, по меньшей мере, с частью экранирующего электрода, предназначенного для формирования емкости с накапливающим заряд электродом.
Согласно еще одному примеру воплощения изобретения предложен машиночитаемый носитель, содержащий компьютерную программу для детектирования электромагнитного излучения, указанная программа при выполнении процессором предназначена для управления или осуществления способа, указанного выше.
Согласно еще одному примеру воплощения изобретения предложен элемент программ для детектирования электромагнитного излучения, который при выполнении процессором предназначен для управления или выполнения способа, имеющего указанные выше шаги.
Обработка данных для управления и/или оценки данных, которая может быть выполнена, может быть реализована компьютерной программой, то есть программным обеспечением или путем использования специальных оптимизирующих электронных схем, то есть аппаратных средств, или в гибридной форме, то есть с помощью программных компонентов и аппаратных компонентов.
В контексте данной заявки термин «электромагнитное излучение», в частности, может означать фотоны любой желаемой длины волны или частоты, к которым чувствителен преобразующий материал. В частности, электромагнитное излучение в γ диапазоне, рентгеновском диапазоне, в оптическом диапазоне и в ультрафиолетовом диапазоне может быть обозначено этим термином.
Термин «преобразующий материал» может, в частности, обозначать любой материал, который способен преобразовывать падающее электромагнитное излучение (например, конкретной частоты или частотного диапазона) в носители электрического заряда, такие как (отрицательно заряженные) электроны и/или (положительно заряженные) дырки проводимости. Примерами преобразующего материала для рентгеновского излучения являются селен, йодид меркурия, оксид свинца или CdTe. Выбор конвертирующего материала для специфического применения может быть выполнен в соответствии с электромагнитным излучением, к которому конвертирующий материал будет чувствителен.
Термин «схема оценки» может, в частности, обозначать любую подключенную проводами или интегрированную цепь, которая может содержать такие компоненты цепи, как транзисторы, сопротивления, омные сопротивления, емкости, индуктивные катушки, логические элементы, микропроцессоры и т.д. Схема оценки может оценивать электрический сигнал (сигнал заряда или сигнал напряжения, или сигнал тока), сформированный элементами детекторного модуля, и показывать количество (например, энергию) электромагнитного луча, попадающего на детекторный модуль или пиксель. Схема оценки может быть сформирована как интегрированная цепь, например, на и/или в монокристаллической подложке, такой как силиконовая пластина.
Термин «компенсация» может, в частности, обозначать схему или логическую схему, согласно которой опорный потенциал или экранирующий потенциал должен следовать входному сигналу на соответствующий уровень.
Термин «экранирующий электрод» может, в частности, обозначать электрод, который экранирует накапливающий заряд электрод от схемы оценки. Таким образом, экранирующий электрод может по меньшей мере частично электрически отсоединять накапливающий заряд электрод от схемы оценки так, чтобы относительно большие напряжения в схеме оценки не оказывали отрицательного влияния на точность датчика накапливающего заряд электрода.
Емкость, сформированная экранирующим электродом и накапливающим заряд электродом, может быть использована для преобразования сгенерированного количества электрического заряда в электрическое напряжение, служащее в качестве детекторного сигнала. Таким образом, значение емкости может иметь влияние на чувствительность. Путем экранирования накапливающего заряд электрода по отношению к схеме оценки нежелательное влияние, вызванное электрическими сигналами, проходящими по схеме оценки, которое может исказить точность накапливания заряда накапливающим заряд электродом, может быть подавлено или устранено.
В последовательности уложенных в стопку слоев детекторного модуля, реализованного в технологии интегрированных цепей, схема оценки может быть встроена в и/или предусмотрена на основании (нижнем слое) под экранирующим электродом, размещенным, в свою очередь, под накапливающим заряд электродом, размещенным под преобразующим материалом. Таким образом, экранирующий электрод может быть расположен между схемой оценки и накапливающим заряд электродом.
Согласно изобретению экранирующий электрод детекторного модуля может быть, по меньшей мере, частично электрически соединен (например, омически) со схемой оценки, что позволяет существенно снизить значение емкости, сформированной между экранирующим электродом и накапливающим заряд электродом. Посредством этого может быть значительно увеличена чувствительность детекторного модуля.
Чтобы понизить значение емкости, в примерном варианте воплощения изобретения можно использовать цепь с компенсирующей обратной связью для понижения эффективной емкости пикселя (которая может быть использована для интегрирования зарядов, генерированных путем взаимодействия рентгеновских лучей с чувствительным материалом прямого преобразования) и, следовательно, обеспечить более высокую чувствительность выходного напряжения к входящему заряду.
Путем разделения экранирующего электрода на два или более компонента (которые могут быть омически разъединены) и путем соединения одной части с компенсирующей цепью, а другой части с опорным потенциалом, эффективная емкость пикселя может быть выборочно отрегулирована, как удобно пользователю, между низким значением, обеспеченным частью экранирующего электрода, подключенной к компенсирующей цепи, и высоким значением, обеспеченным частью экранирующего электрода, подключенной к опорному потенциалу. Это дает возможность регулировки (шаговым или нешаговым образом) чувствительности детекторного модуля автоматически или пользователем. Для этой цели может быть предусмотрен управляемый переключатель или регулятор. С помощью такого переключателя возможно выборочно соединить каждую индивидуальную структуру электрода с опорным потенциалом или со схемой оценки. Возможность такого выбора, следовательно, может иметь влияние на эффективную емкость.
Однако согласно варианту воплощения оба компонента (заземленная часть и часть, соединенная со схемой оценки) могут быть эффективны по отношению к вкладу, вносимому в значение емкости. Когда часть электрода может быть соединена либо с компенсационной цепью, либо с опорным потенциалом, защита прерывается или становится непродолжительной, и емкость между пиксельным электродом и расположенной ниже электроникой становится эффективной. В практическом применении может быть выгодней соединять все компоненты экранирующего электрода с одним из (на выбор) потенциалов или компонентов. Таким образом, отсоединенный «плавающий» электрод в принципе возможен, но во многих случаях нежелателен.
Таким образом, может быть создан КМОП - рентгеновский детектор прямого преобразования с высокой чувствительностью. Воплощения изобретения относятся к рентгеновскому детектору, который использует прямое рентгеновское преобразование, комбинированное с КМОП пиксельными цепями.
Такая пиксельная цепь может обеспечить очень высокую чувствительность посредством цепи с компенсирующей обратной связью, которая может снизить эффективную емкость накапливающего заряд электрода.
Обычно размер пикселя в плоских рентгеновских детекторах может находиться в пределах от 150 до 200 микрометров за исключением маммографии и стоматологической рентгенографии, где обычный размер пиксела составляет меньше чем 100 микрометров. Может наблюдаться тенденция, когда пространственное разрешение должно быть увеличено в кардиологической, неврологической и сосудистой рентгеноскопии. Размер пикселя монокристаллического кремния может быть легко снижен до значения меньше 100 микрометров благодаря малым размерам элементов, что возможно благодаря технологии производства транзисторов и других электронных элементов.
Однако для детекторов непрямого преобразования пространственное разрешение может быть ограничено распространением света в сцинтилляторе. Во многих случаях толщина не может быть уменьшена для поддержания высокого значения рентгеновской абсорбции. Для того чтобы в полной мере эксплуатировать высокое разрешение детектора с маленькими пикселями, лучше подходит прямое рентгеновское преобразование. Материалы прямого преобразования, такие как селен, йодид меркурия, оксид свинца или CdTe, могут быть легко сделаны достаточно тонкими, чтобы абсорбировать более чем 80% рентгеновского излучения с качеством луча, типичным для медицинской визуализации. Может быть достигнуто очень высокое пространственное разрешение благодаря тому, что генерируемые носители заряда (электроны и/или дырки проводимости) могут перемещаться вдоль линий примененного поля подмагничивания, которое может располагаться перпендикулярно поверхности пиксельного электрода и обычно неструктурированного верхнего электрода. Один из примеров КМОП детектора прямого преобразования раскрыт в M.P.Andre et al., SPIE Medical Imaging Vol.3336, p.204 (1998).
Кроме пространственного разрешения, другим преимуществом КМОП детектора прямого преобразования является возможность преодоления ограничения фактора заполнения фотодиода в небольшом пикселе. В детекторе прямого преобразования металлический слой, окружающий всю площадь пикселя, может служить пиксельным электродом.
В случае стационарного рентгеновского детектора прямого преобразования почти вся поверхность пикселя может работать как накапливающий электрод. Такой электрод может быть частью емкости пиксела и может быть очень чувствительным как к входному заряду, так и к искажающим сигналам от находящейся ниже электроники. Поэтому экранирующий электрод, подключенный к опорному потенциалу, может быть расположен под накапливающим электродом, обеспечивая устойчивый второй электрод для конденсатора пикселя и предохраняя накапливающий заряд электрода от нежелательных искажающих сигналов.
Такое устройство накапливающего заряд электрода и экранирующего электрода может обеспечить формирование входной емкости. Величина этой емкости может определяться размером пикселя и соответствующим производственным процессом, используемым для формирования пикселя и часть больше желаемого, что приводит к слишком низкой чувствительности цепи.
В различных вариантах воплощения изобретения может быть использована цепь с компенсационной обратной связью, которая может понизить эффективную емкость пикселя (обыкновенно интегрируя заряды, сгенерированные благодаря взаимодействию рентгеновских лучей с чувствительным материалом прямого преобразования и, как следствие, может повысить чувствительность выходного напряжения по отношению к входящему заряду.
Благодаря разбиванию на части экранирующего электрода и соединению части компенсационной цепи с частью опорного потенциала, эффективная емкость пикселя может варьироваться между очень низким значением, обеспеченным только компенсационной цепью, и высоким значением, обеспеченным только опорным потенциалом на экранирующем электроде.
Различные варианты воплощения изобретения могут быть применены ко всем типам рентгеновских детекторов, использующих прямое рентгеновское преобразование и к электронике пикселя, особенно при использовании КМОП техники. КМОП особенно подходит для различных воплощений изобретения, поскольку достаточно исследовано и широко распространено. Однако варианты воплощения изобретения могут быть также использованы в других методиках.
Примерными областями для использования изобретения могут быть кардиососудистая рентгенография, общая рентгенография, маммография, неврологическая, ортопедическая и стоматологическая рентгенография.
Если поместить на сенсор преобразующий материал, реагирующий на инфракрасное излучение, может быть построено термическое визуализирующее устройство. Варианты воплощения изобретения могут быть, таким образом, использованы для различных диапазонов длин волн.
Варианты воплощения для медицинских рентгеновских систем могут применяться как для исследования человека, так и животных, т.е. изобретение может использоваться в ветеринарии.
Далее будут описаны варианты воплощения детекторного модуля (например, пикселя детекторного устройства). Однако эти варианты воплощения также применимы для самого детекторного устройства (например, матрицы, содержащей множество пикселов), для способа детекции, для элемента программы и для компьютерночитаемой среды.
Схема оценки может быть электрически (например, омически) соединена, по меньшей мере, с частью экранирующего электрода. Это позволит понизить значение емкости С, сформированной накапливающим заряд электродом и экранирующим электродом, что может сильно повлиять на чувствительность детектора или сенсора. Например, когда количество заряда Q генерируется преобразующим материалом, на который падает излучение, емкость С может оказывать влияние на преобразование этого заряда Q в напряжение U детектора. Как видно из простого уравнения CU=Q или U=Q/C, меньшее значение емкости С может вызывать большее напряжение заряда, тем самым увеличивая чувствительность.
По меньшей мере часть экранирующего электрода может быть электрически соединена с опорным потенциалом. Использование части экранирующего электрода может гарантировать, что значение емкости С не станет слишком маленьким, гарантируя также, что U не превысит порогового значения. Таким образом, заземленная часть экранирующего электрода может предотвратить превышение напряжения или перенасыщение схемы оценки.
Экранирующий электрод может содержать первую часть, электрически соединенную со схемой оценки, и вторую часть, электрически разъединенную со схемой оценки. Другими словами, экранирующий элемент может быть разделен на первую часть, которая подключена непосредственно к схеме оценки, которая сконфигурирована в компенсационной архитектуре. В противовес этому вторая часть может быть электрически (например, омически) разъединена со схемой оценки и также с первой частью экранирующего электрода. Таким образом, первая часть может создавать меньшую емкость, в то время как вторая часть большую. Исходя из этого, выборочно подключая посредством «вкл» и «выкл» первую часть и/или вторую часть к остальным компонентам детекторного модуля, можно регулировать эффективную емкость. Также возможно, чтобы защитный электрод был разделен на множество (более чем две) частей, это добавит, по меньшей мере, еще одну часть к первой и второй части. Эта процедура может улучшить возможности регулировки. Однако «плавающие» электроды могут быть нежелательны.
Вторая часть может быть электрически соединена с опорным потенциалом, например, с землей (Vss). Однако также возможно, что вторая часть может быть электрически соединена с верхним потенциалом (например, с питанием (Vdd)) интегрированной цепи.
Детекторный модуль может содержать регулировочный модуль для регулирования значения емкости, сформированной экранирующим электродом и накапливающим заряд электродом путем регулирования, по меньшей мере, одной из первой и второй частей. Такая регулировка может обеспечить возможность повышения гибкости использования детекторного модуля благодаря тому, что емкостью можно управлять любым удобным способом. Такая «регулировка» может включать в себя выборочное соединение или разъединение частей экранирующего электрода, регулируя размеры электрода и/или геометрию и/или соединение электрода со специфическим электрическим потенциалом или со специфическим компонентом цепи.
Схема оценки может быть сконфигурирована как цепь с компенсирующей обратной связью. Благодаря такой конфигурации чувствительность детекторного модуля может быть значительно увеличена с помощью того, что экранирующий электрод детекторного модуля сможет теперь быть соединен также со схемой оценки, чтобы увеличить функциональность системы.
Схема оценки может содержать переключающий элемент, который будет выборочно перезагружать накапливающий заряд электрод, используя сигнал управления, проходящий через перезагрузочную линию. Такой переключающий элемент может быть транзистором, в котором сигнал, поступающий в затвор транзистора (полевого типа), может служить как сигнал управления для управления состоянием проводимости транзистора. Согласно соответствующему управляющему сигналу переключающий элемент может быть проводимым или непроводимым, обеспечивая, таким образом, возможность сбрасывать детекторное состояние схемы оценки путем направления заряда, генерированного на предыдущем шаге детекции, например, на землю, или возвращая накапливающий заряд электрод к заданному электрическому потенциалу.
Схема оценки может дополнительно содержать буферный элемент (который может также выполнять функции усилителя), соединенный с накапливающим заряд элементом, и способный амортизировать потенциал накапливающего заряд электрода. Потенциал может таким образом быть «скопирован» или сохранен в буферном элементе для последующего анализа. Коэффициент усиления, формируемый буферным элементом, может быть близок к единице.
Например, буферный элемент может содержать транзистор-повторитель, в частности имеющий контакт массы, электрически соединенный с контактом источника. Такой транзистор-повторитель может соответствующим образом управляться полевым транзистором. В конфигурации, где контакт массы электрически соединен с контактом источника, точность детекции может быть также увеличена.
Как указано в предыдущем варианте воплощения схема оценки может дополнительно содержать еще один переключающий элемент, подключенный между буферным элементом и линией вывода данных и предназначенный для выборочного соединения или разъединения буферного модуля с линией вывода данных. Линия вывода данных может служить связью детекторного модуля с другими детекторными модулями детекторной матрицы детекторного устройства, причем сигнал результата детектирования передается от детекторного модуля в блок центрального управления через линию вывода данных.
Схема оценки может содержать нагрузочный элемент (например, резистор, который является омным нагрузочным элементом), соединенный по меньшей мере с частью экранирующего электрода. Путем соединения нагрузочного элемента в схему оценки операционная точка схемы оценки может быть существенным образом определена, позволяя, таким образом, увеличить точность системы. В качестве альтернативы сопротивлению может быть даже желательнее использовать источник (постоянного) тока.
Преобразующий материал может быть прямого типа. Другими словами, детекторный модуль может быть предназначен для прямого преобразования электромагнитного излучения в количество заряда. Преобразующий материал может быть расположен на накапливающем заряд электроде. Например, накапливающий заряд электрод может быть металлическим слоем в стэке полупроводников, который может, в свою очередь, быть окружен преобразующим материалом, нанесенным на металлический слой. Над преобразующим материалом может находиться разъем высокого напряжения.
Ниже будут рассмотрены другие примеры воплощения детекторного устройства. Однако эти воплощения также применимы к детекторному модулю, к способу, к программному элементу и к машиночитаемому носителю.
По меньшей мере часть детекторного устройства может быть сформирована как монолитно интегрированная цепь, в частности, по КМОП технологии. Таким образом, по меньшей мере, часть детектора может быть монолитно интегрирована в подложку, в частности, полупроводниковую подложку, точнее в кремниевую подложку. Однако варианты воплощения изобретения могут также быть применены в контексте групп III-V полупроводников, например, арсенид галлия. Такая монолитная интеграция может значительно уменьшить размеры детекторного модуля и может увеличить пространственное разрешение. Также пути обработки сигнала могут быть сохранены короткими в интегрированном решении, так что длина пути проводимости, из-за которой сигналы могут быть подвержены отрицательному влиянию помех, может быть снижена. Следовательно, такой монолитно интегрированный детектор может иметь особое преимущество.
Детекторное устройство может быть выполнено в виде по меньшей мере одной группы, состоящей из детекторного устройства, оптического детекторного устройства, инфракрасного детекторного устройства. Рентгеновское детекторное устройство может иметь возможность детектировать рентгеновские лучи, генерируемые источником рентгеновского излучения и пропущенные через и/или распределенные по исследуемому объекту. С помощью инфракрасного детекторного устройства может детектироваться инфракрасное излучение. Если преобразующий материал чувствителен к видимому свету, детекторное устройство может использоваться также как камера. Более того, если выбран прямой преобразующий материал, чувствительный к специфическому частотному диапазону электромагнитного излучения, почти любая желаемая частота излучения может стать доступной для детектирования.
Детекторное устройство может быть сконфигурировано как кардиососудистое устройство, неврологическое устройство, ортопедическое устройство, маммографическое устройство, устройство для стоматологической рентгенографии, устройство для проверки багажа, устройство для медицинского применения, устройство для тестирования материалов или как устройство для научного анализа материалов. Таким образом, детекторное устройство может быть использовано в любой области, в которой передача и абсорбция рентгеновского излучения или другого электромагнитного излучения может иметь место.
Аспекты, упомянутые выше, и другие аспекты изобретения раскрыты в примерах воплощения, описанных здесь и далее и объясненных со ссылками на эти примеры воплощения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение будет описано более детально на конкретных примерах воплощения, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает аппарат для компьютерной томографии как один из примеров воплощения детекторного устройства согласно изобретению;
фиг.2 - детекторный модуль согласно изобретению;
фиг.3 - детекторное устройство согласно изобретению;
фиг.4 - детекторный модуль детекторного устройства согласно изобретению;
фиг.5-8 - детекторные модули детекторных устройств согласно изобретению.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее со ссылками на фиг.1 будет описан аппарат 100 для компьютерной томографии, как пример воплощения изобретения.
Аппарат 100 для компьютерной томографии содержит детекторное устройство 123, сформированное из множества детекторных модулей 301, согласно изобретению. Детекторное устройство 123 будет рассмотрено более детально со ссылками на фиг.3. Детекторные модули 301 будут рассмотрены со ссылками на фиг.2 и более детально со ссылками на фиг.5-8.
Аппарат 100 для компьютерной томографии (фиг.1) представляет собой сканер лучей с расходящимся пучком. Сканер содержит антенну 101, которая может вращаться вокруг оси 102. Антенна 101 приводится в движение приводом 103. Источник 104 рентгеновского излучения, который может излучать полихромное или монохромное излучение.
Апертурная система 105 формирует луч, исходящий из источника 104 излучения, в луч 106 с расходящимся пучком. Луч 106 с расходящимся пучком направлен таким образом, что проходит через исследуемый объект 107, расположенный в центре антенны 101, то есть в исследуемом диапазоне сканера 100, и попадает на детектор 123. Как показано на фиг.1, детектор 123 расположен на антенне 101 напротив источника 104 излучения так, что поверхность детектора 123 покрыта лучом 106 с расходящимся пучком.
Детекторное устройство 123 содержит множество детекторных элементов или детекторных модулей 301, каждый из которых может детектировать рентгеновские лучи, которые проходят через исследуемый объект 107. В течение сканирования исследуемого объекта 107 источник 104 излучения, апертурная система 105 и детекторное устройство 123 вращаются вдоль антенны 101 в направлении, указанном стрелкой 116. Для вращения антенны 101 с источником 104 излучения апертурной системой 105 и детектором 123 привод 103 соединен с блоком 117 управления приводом, который соединен с блоком 118 вычисления.
Исследуемый объект 107 (фиг.1) является предметом багажа, который расположен на конвейерной ленте (не показана). В течение сканирования исследуемого объекта 107, пока антенна 101 вращается вокруг предмета багажа 107, конвейерная лента перемещает исследуемый объект 107 вдоль направления, параллельного оси 102 антенны 101. Благодаря этому, исследуемый объект 107 сканируется по спиралеобразному пути. Конвейерная лента может также быть остановлена во время сканирования, чтобы можно было измерить фрагменты сигнала. Вместо конвейерной ленты, например, в медицине, когда исследуемым объектом 107 является пациент, может быть использован двигающийся стол. Однако следует отметить, что во всех описанных случаях также возможно осуществление кругового сканирования, при котором нет перемещения в направлении, параллельном оси 102, а только вращение антенны 101 вокруг оси 102. Изобретение может быть реализовано с помощью конфигурации луча с расходящимся пучком. Чтобы генерировать первичный луч с расходящимся пучком, апертурная система 105 сконфигурирована в виде щелевого прицельного телескопа (коллиматора).
Детектор 123 соединен с блоком 118 определения. Блок 118 определения принимает результат детекции, то есть показания от детекторных элементов 301 детектора 123, и определяет результат сканирования на основе этих показаний. Кроме того, блок 118 взаимодействует с блоком 117 управления привода, чтобы координировать движение антенны 101 с приводами 103 и 120 конвейерной ленты.
Блок 118 определения может быть реализован в виде процессора для обработки показаний детекторных элементов 301 детектора 123.
Более того, как показано на фиг.1, фиксирующий модуль 118 может быть соединен с громкоговорителем 121, чтобы автоматически выводить предупреждающий звуковой сигнал в случае детектирования подозрительного материала в багаже 107.
Варианты воплощения детекторного устройства 123 могут быть использованы как альтернатива аппарату компьютерной томографии для любого желаемого технического применения, например, для рентгеновских систем двухмерной проекции.
Далее детекторный модуль 301 будет рассмотрен более детально со ссылками на фиг.2.
Детекторный модуль 301 предназначен для детектирования рентгеновских лучей и содержит материал 332 прямого преобразования, предназначенный для преобразования падающего электромагнитного излучения 106 в носители электрического заряда, а именно электроны и/или дырки проводимости.
Материал 332 прямого преобразования контактирует и затем электрически соединяется с накапливающим заряд электродом 331, предназначенным для накапливания преобразованных носителей электрического заряда. Это функциональное соединение обозначено стрелкой 251.
Экранирующий электрод 335 предназначен для формирования емкости с накапливающим заряд электродом 331. Другими словами, компоненты 331 и 335 содержат электропроводящие плоские части, которые расположены друг напротив друга, формируя, таким образом, емкость.
Схема 200 оценки является интегрированной цепью, которая электрически соединена (см. стрелку 252) с накапливающим заряд электродом 331 и которая предназначена для оценки электромагнитного излучения 106 (качественно и/или количественно), основываясь на накопленных носителях электрического заряда. Кроме того, схема 200 оценки электрически соединена с экранирующим электродом 335, связь обозначена стрелкой 253.
Экранирующий электрод 335 расположен между накапливающим заряд электродом 331 и схемой 200 оценки (не показано). Следовательно, экранирующий электрод 335 предохраняет накапливающий заряд электрод 331 от негативного влияния относительно высокого напряжения, возникающего в схеме 200 оценки.
Схема 200 оценки содержит цепь оценки, которая способна генерировать выходной сигнал 204, указывающий количество, энергию и т.д. электромагнитного излучения 106. Такой результирующий сигнал может поступать в процессор для дальнейшей обработки, интерпретации или вывода.
Далее со ссылками на фиг.3 будет рассмотрено детекторное устройство 123 как пример воплощения изобретения.
Детекторное устройство 123 может быть встроено в аппарат компьютерной томографии (как на фиг.1), в радиографическую систему или в любое техническое оборудование, в котором может быть использована рентгеновская детекция.
Стационарный твердотельный рентгеновский детектор 123 содержит матрицу 201 пиксельных ячеек 301 и подсоединенных линий цепей драйверов 202 и считывающих усилителей/мультиплексоров 203. Детекторный модуль 301' непрямого преобразования может использовать цепь, как показано на фиг.4.
Цепь содержит фотодиод 311, который можно переустанавливать на напряжение питания посредством переключающего устройства 312, которое управляется линией 321 перезагрузки. Это соединение также называется входной точкой А. Рентгеновские лучи или световая экспозиция понижают напряжение на входной точке А. В процессе считывания напряжение на этой точке копируется в буфер, то есть транзистор-повторитель 313, и попадает на линию 323 вывода данных с помощью считывающего переключателя 314, который активируется линией 322 управления. Обычный n-канальный транзистор-повторитель 313 может быть изготовлен с помощью стандартного КМОП процесса на эпитаксиальном слое и может иметь уровень около 0,8, поэтому сигнал от входной точки А копируется только при низком значении в линию 323 вывода данных, что переводит доступный сигнал в область помех.
Детектор 301 прямого преобразования согласно изобретению может использовать цепь, как показано на фиг.5.
В случае с рентгеновским детекторным модулем 301 прямого преобразования (фиг.5) фотодиод 311 (фиг.4) заменен накапливающим заряд электродом 331 и экранирующим электродом 334, который сначала соединен с опорным потенциалом 340. Накапливающий заряд электрод 331 может быть внедрен в верхний металлический слой выходного буферного стэка, а опорный электрод 334 в следующий ниже металлический слой. Материал 332 прямого преобразования соединен с накапливающим заряд электродом 331 и имеет также верхний контакт 333, который соединен с источником высокого напряжения.
in
Электроды 331 и 334 формируют большую часть входной емкости C, остальная часть приходится на соединения, кнопку перезагрузки 312 и транзистор-повторитель 313.
Функция цепи (фиг.5) не отличается от предыдущей на фиг.4, единственное различие состоит в том, что теперь заряды, накапливающиеся из материала 332 прямого преобразования, насыщают емкость пиксела и таким образом меняют напряжение на входной точке А.
Детектор прямого преобразования соответственно другому варианту воплощения изобретения показан на фиг.6.
Детекторный модуль 301 (фиг.6) для детектирования электромагнитного излучения содержит материал 332 прямого преобразования, предназначенный для преобразования подающего электромагнитного излучения непосредственно в носители электрического заряда.
Кроме того, детектор содержит накапливающий заряд электрод 331, предназначенный для накапливания и преобразования электрических зарядов. Имеется также верхний контакт 333, который подключен к источнику (HV) высокого напряжения.
Экранирующий элемент 335 электрически разъединен с накапливающим заряд электродом 331 и предназначен для формирования емкости с накапливающим заряд электродом 331.
Схема оценки сформирована из элементов 312-315 и будет рассмотрена ниже более подробно. Схема оценки омически соединена с накапливающим заряд электродом 331 и предназначена для оценки электромагнитного излучения, основываясь на накопленных носителях электрического заряда. Схема оценки 312-315 (фиг.6) электрически соединена также с экранирующим электродом 335.
Схема оценки содержит переключающий элемент 312, предназначенный для выборочного соединения или разъединения накапливающего заряда электрода 331 с опорным потенциалом в зависимости от значения управляемого сигнала, передаваемого перезагрузочной линией 321 на логическую схему терминала переключающего элемента 312. С помощью переключающего элемента 312 пиксель 301 может быть возвращен в исходное состояние для нового измерения.
Схема оценки может дополнительно содержать буферный элемент 313 в виде транзистора-повторителя 313. Буферный элемент 313 соединен с накапливающим заряд электродом 331 и предназначен для демпфирования носителей электрического заряда, накопленных накапливающим заряд электродом 331.
Дополнительный переключающий элемент 314 размещен в схеме оценки и соединен с буферным элементом 313 и с линией 323 вывода данных, и предназначен для того, чтобы выборочно соединять или разъединять буферный модуль 313 с линией 323 вывода данных. Для этой цели предусмотрена линия 322 управления, которая соединена с логической схемой терминала транзисторного переключателя 314, управляя таким образом проводит транзистор 314 или нет.
Далее схема оценки содержит элемент 315 нагрузки, соединенный с экранирующим электродом 335. Элемент 315 нагрузки имеет одно соединение с нулевым потенциалом 340.
На фиг.6 опорный электрод 334 замещен компенсационным электродом 335, который, в свою очередь, соединен с истоком транзистора-повторителя 313. По усмотрению элемент 315 нагрузки может использоваться для создания определенной операционной точки в процессе интеграции, но без этого элемента 315 схема все равно будет функционировать, если определенный ток будет использован в процессе считывания.
in
Также как напряжение на входной точке А меняется в течение экспозиции, напряжение на компенсационном соединении В будет зависеть от коэффициента усиления g транзистора-повторителя 313. Определенный заряд на входной точке будет создавать ту же разницу напряжения входной емкости C, как и в предыдущем случае, но благодаря соединению компенсационной точки В с входной точкой А, перепад напряжения входной точки А по отношению к опорному потенциалу будет больше, что приводит к меньшему значению эффективной входной емкости Ceff=Cin*(1-g).
Следовательно, компенсационная цепь может обеспечить большую чувствительность выходного напряжения по отношению к входящему заряду.
Еще одно усовершенствование может быть достигнуто посредством замены транзистора-повторителя 313 на устройство, которое имеет коэффициент усиления, очень близкий к 1,0. Такое устройство может быть транзистором-повторителем, в котором контакт массы соединен с контактом истока. В стандартных КМОП процессах - это обычно Р-канальный транзистор (фиг.7). Элемент 315 нагрузки подсоединен к истоку транзистора-повторителя 313.
Соединение контакта массы с истоком приводит к тому, что коэффициент усиления транзистора-повторителя 313 становится близким к 1,0, вызывая, таким образом, слишком большое понижение эффективной емкости, как объясняется выше.
В связи с этим чувствительность может быть значительно увеличена.
Цепь, соответствующая предпочтительному варианту воплощения изобретения, показана на фиг.8.
В этом случае экранирующий электрод содержит первую часть 335, электрически соединенную со схемой оценки, точнее, с элементом 315 нагрузки и с транзистором-повторителем 313. Наоборот, вторая часть экранирующего электрода 334 разъединена cj схемой оценки и соединена с нулевым потенциалом 340 (заземлена).
В этом варианте изобретение содержит много усовершенствований, таких как компенсация, использование буфера с коэффициентом усиления, близким к 1,0, и комбинация компенсируемого экранирующего электрода 335 и опорного электрода с фиксированным потенциалом 334 для увеличения чувствительности.
Если части опорного электрода могут быть подключены либо к опорному потенциалу, либо к компенсационной точке В, то чувствительность также можно выбирать в течение операции.
Цепь, показанная на фиг.8, частично защищает себя от утечки токов. Если кнопку 312 перезагрузки (n-MOS) использовать с отрицательным высоким напряжением на материале прямого преобразования, большая утечка тока вернется на кнопку перезагрузки, и ток будет возвращен к источнику питания.
Если используется положительное высокое напряжение, то p-MOS переключатель будет также сглаживать чрезмерное напряжение и защищать буфер.
Следует отметить, что термин «содержит» не исключает других элементов и функций, а единственное число не исключает множества. Также и элементы, описанные в разных воплощениях, могут быть скомбинированы.
Также нужно заметить, что ссылки в формуле изобретения не должны быть истолкованы как ограничение формулы изобретения.