ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ С НАГРЕВАТЕЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ
RADIATION DETECTOR WITH A HEATING DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к детектору излучения, содержащему нагревательное устройство и преобразующий элемент для преобразования падающего излучения в электрические сигналы. Кроме того, оно относится к способам функционирования детектора излучения и к аппарату для визуализации, содержащему упомянутый детектор излучения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В US 2013/248729 А1 раскрыт детектор излучения, который используется для обнаружения рентгеновского излучения в аппарате для компьютерной томографии (КТ) и содержит материал с прямым преобразованием, в котором падающие рентгеновские лучи преобразуются в электрические сигналы. Электрические сигналы считываются и обрабатываются специализированной интегральной схемой (ASIC), расположенной рядом с преобразующим элементом. Чтобы стабилизировать температуру преобразующего элемента и ASIC, в ASIC встроены нагревательные элементы, которые работают так, чтобы полная электрическая мощность детектора поддерживалась на неизменном уровне.
Кроме того, в US 2007/029496 А1, US 2003/043959 А1, US 2011/049381 А1 и US 2009/152472 А1 раскрыты детекторы излучения со средствами для нагревания преобразующего элемента. В DE 101 38913 А1 описан детектор излучения, в котором для нагревания или охлаждения матрицы датчиков и связанной с ней управляющей электроники используется элемент Пельтье.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Было бы выгодным предложить средства, позволяющие детектору излучения работать с повышенными точностью и устойчивостью.
Эта задача решается при помощи детектора излучения по п. 1, способа по п. 2 и аппарата для визуализации по п. 3 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно первому аспекту изобретение относится к детектору излучения для обнаружения падающего излучения, в частности, такого как рентгеновское или гамма-излучение. Детектор излучения содержит следующие компоненты:
- преобразующий элемент для преобразования падающего излучения в электрические сигналы;
- схему считывания для обработки упомянутых электрических сигналов; и
- нагревательное устройство для нагревания упомянутого преобразующего элемента, причем нагревательное устройство (пространственно) отделено от схемы считывания.
Кроме того, нагревательное устройство содержит элемент Пельтье, причем источник тепла упомянутого элемента Пельтье ориентирован к преобразующему элементу, а его теплоотвод ориентирован к схеме считывания.
2
2
Преобразующий элемент, как правило, будет содержать блок или тело из некоторого подходящего (однородного или неоднородного) основного материала, в котором падающие лучи преобразуются в электрические сигналы. Пригодными материалами для преобразования рентгеновских лучей в зарядовые сигналы являются, например, CdTe, CdZnTe (CZT), CdTeSe, CdZnTeSe, CdMnTe, InP, TlBr или HGI, либо другие «материалы с прямым преобразованием». Кроме того, преобразующий элемент обычно будет содержать электроды, посредством которых можно генерировать электрическое поле в основном материале и посредством которых можно считывать зарядовые сигналы. Путем подходящего пространственного расположения упомянутых электродов можно создать пикселированную структуру, которая делает возможным обнаружение падающего излучения с пространственным разрешением.
Схема считывания предназначена и разработана для считывания электрических сигналов, сгенерированных излучением в преобразующем элементе и для подходящей их (предварительной) обработки, например, путем усиления, фильтрации, объединения, классифицирования и/или подсчета как зарядовых импульсов. Схема считывания, в частности, может быть реализована при помощи ASIC. Больше информации о типичной конструкции преобразующего элемента и связанной с ними схемы считывания можно найти, например, в WO 2014/072939 А1.
Нагревательное устройство будет компонентом, который пространственно отделен от схемы считывания и который разработан и предусмотрен для генерации тепла, которое (по меньшей мере частично) забирается преобразующим элементом. В предпочтительном случае большая часть тепла или все тепло, сгенерированное нагревательным устройством, забирается преобразующим элементом, при этом тепло не достигает схемы считывания (без первоначального прохождения через преобразующий элемент) или ее достигает только незначительная часть тепла. Нагревательное устройство в предпочтительном случае будет представлять собой элемент или компонент, единственной функцией и назначением которого является генерация/рассеивание тепла. Кроме того, оно, в частности, может быть выполнено с возможностью избирательной и контролируемой генерации тепла, например, под управлением некоторого внешнего контроллера.
Согласно изобретению нагревательное устройство содержит элемент Пельтье. При использовании элемента Пельтье источник тепла можно создать в одном местоположении, а теплоотвод можно создать в другом местоположении с обеспечением электрического управления. Таким образом, как нагревание, так и охлаждение можно реализовать с использованием одного управляемого устройства. Помимо этого, источник тепла элемента Пельтье ориентирован к преобразующему элементу, а теплоотвод элемента Пельтье ориентирован к схеме считывания. Таким образом, охлаждение схемы считывания можно объединить с нагреванием преобразующего элемента.
Согласно второму аспекту изобретение относится к способу функционирования детектора излучения описанного выше типа. Способ содержит (по меньшей мере) следующие этапы, которые могут быть выполнены в указанной последовательности, в обратном порядке или, наиболее предпочтительно, одновременно:
- преобразование падающего излучения в электрические сигналы с помощью преобразующего элемента;
- активное нагревание преобразующего элемента до температуры по меньшей мере 50°С.
В предпочтительных вариантах осуществления этого способа температура, до которой нагревают преобразующий элемент, выше примерно 55°С, выше примерно 60°С, выше примерно 65°С, выше примерно 70°С или выше примерно 80°С.
Согласно третьему аспекту изобретение относится к еще одному способу функционирования детектора излучения описанного выше типа. Способ содержит (по меньшей мере) следующие этапы, которые могут быть выполнены в указанной последовательности, в обратном порядке или, наиболее предпочтительно, одновременно:
- преобразование падающего излучения в электрические сигналы с помощью преобразующего элемента;
- обработка упомянутых электрических сигналов в схеме считывания; и
- активное нагревание преобразующего элемента по существу без одновременного нагревания схемы считывания.
В этом контексте «по существу» означает, что предпочтительно более чем примерно 50%, более чем примерно 70% или более чем примерно 90% активно генерируемой тепловой энергии, достигает преобразующего элемента (и не достигает схемы считывания).
Нагревание преобразующего элемента по существу без нагревания схемы считывания может, например, быть достигнуто за счет подходящего расположения нагревательного устройства (например, ближе к преобразующему элементу, чем к схеме считывания) и/или за счет вставки подходящих температурных барьеров (изолирующих слоев).
Помимо этого, схему считывания предпочтительно одновременно охлаждают при помощи теплоотвода элемента Пельтье в детекторе излучения.
Способ, соответствующий третьему аспекту, может, в частности, быть объединен со способом, соответствующим второму аспекту, т.е., преобразующий элемент можно нагревать до температуры по меньшей мере примерно 50°С.
Детектор излучения и способы, соответствующие первому, второму и третьему аспектам изобретения, созданы на основе общего подхода, состоящего в том, чтобы активно нагревать преобразующий элемент без неизбежного сопровождающего нагревания связанной с ним схемы считывания. Этот подход основан на понимании того, что работа преобразующего элемента при более высоких температурах может оказать положительное влияние на точность и устойчивость сигнала, например, за счет уменьшения поляризации (т.е., возникновения поверхностного заряда, который ослабляет приложенное извне электрическое поле). Как следствие, можно найти оптимальный температурный диапазон для функционирования преобразующего элемента, в котором положительные эффекты нагревания (например, уменьшенная поляризация) и отрицательные эффекты (например, темновой ток) уравновешены. Как правило, этот температурный диапазон выше температурного диапазона, в котором схемы считывания работают с наивысшей точностью. Таким образом, предпочтительно, чтобы преобразующий элемент и схема считывания работали при разных температурах.
Это очень эффективным образом может быть достигнуто с помощью элемента Пельтье в детекторе излучения, который позволяет одновременно нагревать преобразующий элемент и охлаждать схему считывания.
Предпочтительные диапазоны рабочей температуры преобразующего элемента, например, составляют от примерно 50°С до примерно 60°С, от примерно 60°С до примерно 70°С или от примерно 70°С до примерно 80°С.
Кроме того, изобретение относится к аппарату для визуализации для создания изображений объекта, причем упомянутый аппарат содержит следующие компоненты:
- источник излучения для генерации излучения; и
- детектор излучения описанного выше типа для обнаружения упомянутого излучения, в частности, после взаимодействия излучения с некоторым объектом, например, после прохождения через тело пациента.
Аппарат для визуализации, в частности, может представлять собой рентгеновское устройство, например, флюороскопическое устройство, систему визуализации методом компьютерной томографии (КТ), например, систему визуализации методом спектральной КТ с подсчетом фотонов или систему визуализации методом компьютерной томографии с когерентным рассеянием (CSCT).
Далее будут рассмотрены различные предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, которые могут быть реализованы применительно к детектору излучения, аппарату для визуализации и/или способу описанных выше типов (даже если они описаны подробно только для одного из них).
Температура функционирования преобразующего элемента (на которую согласно изобретению можно активно влиять) в предпочтительном случае может быть выше температуры схемы считывания. Температура, до которой нагревается преобразующий элемент, в частности, может быть выше температуры схемы считывания примерно на более чем 10°С, примерно на более чем 20°С или примерно на более чем 30°С.
Можно по-разному обеспечить активное нагревание преобразующего элемента за и по-разному реализовать нагревательное устройство детектора излучения в дополнение к использованию источника тепла элемента Пельтье. Тепло, например, можно транспортировать в целевое место за счет принудительной конвекции среды, например, горячего воздуха. В предпочтительном варианте осуществления нагревание обеспечивают с использованием нагревательного устройства, которое содержит резистивные электрические линии или структуры (конфигурации). Электрический ток, протекающий по этим линиям/структурам, будет в результате генерировать тепло из-за омического сопротивления, которое рассеивается в окрестности. Преимуществом нагревательного устройства, состоящего из резистивных линий или содержащего их, является то, что его можно реализовать экономически выгодным образом, и то, что генерацией тепла можно легко управлять путем регулирования электрического тока.
Двумя основными конструктивными компонентами детектора излучения являются преобразующий элемент и схема считывания. Согласно предпочтительному варианту осуществления детектор излучения также содержит «дополнительный слой», который расположен рядом с поверхностью преобразующего элемента. В этом контексте термин «рядом» означает, что дополнительный слой находится близко к упомянутой поверхности, например, не более чем на расстоянии, соответствующем толщине преобразующего элемента. В предпочтительном случае между упомянутой поверхностью преобразующего элемента и дополнительным слоем нет никаких твердотельных компонентов, и дополнительный слой может даже (необязательно) контактировать с этой поверхностью. Как будет рассмотрено ниже со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, дополнительный слой можно плодотворно использовать для улучшения рабочих характеристик детектора излучения, в частности, что касается управления температурой в преобразующем элементе.
В необязательном дальнейшем развитии указанного выше варианта осуществления дополнительный слой содержит нагревательное устройство. Нагревательное устройство, например, может иметь форму и конфигурацию слоя и может представлять собой сам дополнительный слой или по меньшей мере его подслой. Что касается других конфигураций, например, если нагревательное устройство реализовано при помощи резистивных электрических линий или включает в себя эти линии, нагревательное устройство может быть интегрировано в дополнительный слой и/или может быть расположено на поверхности дополнительного слоя. В последнем случае предпочтительно располагать его на той поверхности дополнительного слоя, которая обращена к находящейся рядом поверхности преобразующего элемента. Тепло, созданное нагревательным устройством, в результате может непосредственно проходить через нее в преобразующий элемент.
Преобразующий элемент обычно имеет первую поверхность, которая обращена к схеме считывания, и вторую поверхность, обращенную в противоположном направлении. Указанный выше дополнительный слой может (необязательно) быть расположен рядом с упомянутой первой поверхностью, т.е., может быть расположен между преобразующим элементом и схемой считывания, либо может быть расположен рядом с упомянутой второй поверхностью. Помимо этого, детектор излучения может содержать два дополнительных слоя, причем один из них находится рядом с первой, а другой находится рядом со второй поверхностью преобразующего элемента. Дополнительный слой, находящийся рядом с первой поверхностью (т.е., расположенный между преобразующим элементом и схемой считывания), дает преимущество, заключающееся в тепловом отделении преобразующего элемента от схемы считывания, в результате чего разницу температур между ними легче поддерживать. Дополнительный слой, находящийся рядом со второй поверхностью дает преимущество, заключающееся в изолировании преобразующего элемента от окружающей среды, что уменьшает тепловые потери и способствует поддержанию высокой температуры преобразующего элемента. Кроме того, тепло, сгенерированное в таком дополнительном слое, могло бы достичь схемы считывания (что является нежелательным) только после первого прохождения через преобразующий элемент (что желательно). Как следствие, это тепло оптимальным образом направляется к его действительному месту назначения.
В другом варианте детектора излучения с дополнительным слоем этот слой может содержать электрические компоненты. В наиболее предпочтительном случае он может содержать простые электрические линии для электрического соединения компонентов друг с другом, в частности, межсоединения (которые по определению проходят в направлении по толщине слоя), посредством которых электроды (например, аноды) на поверхности преобразующего элемента соединены с выводами связанной с ним схемы считывания. В дополнение к этому или в качестве альтернативы дополнительный слой может содержать межсоединения или электрические линии для снабжения электрической энергией нагревательного устройства.
2
3
2
Дополнительный слой может (необязательно) состоять из единого, однородного материала, либо может иметь неоднородную структуру, состоящую, например, из стопки из нескольких подслоев. Предпочтительными материалами для единого слоя и/или для любого из уложенных в стопку подслоев являются, например, кремний, стекло, сапфир (AlO), кварц (SiO), AlN либо полимеры, такие как FR4, LTCC (низкотемпературная совместно обжигаемая керамика), полиамид или полиимид. Подходящие материалы могут выбираться в соответствии с их электрическими и/или тепловыми свойствами. Между нагревательным устройством и схемой считывания могут, например, быть помещены теплоизолирующие слои, либо между нагревательным устройством и преобразующим элементом могут быть помещены теплопроводящие слои. Помимо этого, электрическое нагревательное устройство, состоящее, например, из резистивных электрических линий, может в предпочтительном случае быть заделано между электроизолирующими подслоями.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения между нагревательным устройством и преобразующим элементом может быть расположен теплопроводящий материал, далее называемый «заполнителем». Заполнитель может термически перекрывать зазоры, которые могут иметься между преобразующим элементом и нагревательным устройством, например, обусловленные наличием электрических выводов. Заполнитель может, например, содержать полимеры, смолы и/или представлять собой заполнитель на основе эпоксидной смолы (предлагаемый на рынке, например, как Hysol, Ecobond, Epotek 301 или Delo 6823).
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
В дополнение к этому или в качестве альтернативы между преобразующим элементом и/или нагревательным устройством, с одной стороны, и схемой считывания, с другой стороны, может (необязательно) быть расположен теплоизолирующий материал, чтобы защитить схему считывания от нагревания. Изолирующий слой, в частности, может представлять собой указанный выше дополнительный слой или его подслой. Помимо этого, необходимо отметить, что в контексте настоящего изобретения материал считается «теплопроводящим», если он имеет теплопроводность выше примерно 50 Вт⋅м⋅К, предпочтительно выше примерно 100 Вт⋅м⋅К. Аналогичным образом, материал считается «теплоизолирующим», если он имеет теплопроводность ниже примерно 50 Вт⋅м⋅К, предпочтительно ниже примерно 30 Вт⋅м⋅К.
Детектор излучения может (необязательно) дополнительно содержать датчик температуры для определения температуры преобразующего элемента. Датчик температуры может, например, представлять собой термопару, установленную в контакте с преобразующим элементом, в результате чего его температуру можно измерять непосредственно, либо установленную на удалении от преобразующего элемента и предоставляющую информацию, на основе которой можно оценить температуру преобразующего элемента. В дополнение к этому или в качестве альтернативы, датчик температуры может содержать резистивную структуру, построенную аналогично нагревательному устройству, состоящему из резистивных линий/структур. Информация по температуре преобразующего элемента может быть использована различными путями, например, чтобы предотвратить перегрев преобразующего элемента.
Согласно следующему варианту реализации настоящего изобретения детектор излучения содержит контур управления для управления работой нагревательного устройства. Этот вариант может, в частности, быть объединен с указанным выше вариантом путем использования датчика температуры для создания замкнутого контура управления, при помощи которого температуру преобразующего элемента можно поддерживать в некотором целевом диапазоне.
Детектор излучения может дополнительно (необязательно) содержать охлаждающее устройство для избирательного охлаждения преобразующего элемента и/или схемы считывания. Охлаждающее устройство может, например, использовать циркуляцию воздуха для удаления излишнего тепла. Охлаждение схемы считывания особенно важно, так как высокие температуры приводят к появлению теплового шума.
Теплоотвод элемента Пельтье может, в частности, функционировать как такое охлаждающее устройство.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения станут очевидными из описанных далее вариантов его осуществления и будут объяснены с их использованием.
НА ЧЕРТЕЖАХ:
на Фиг. 1 приведено схематичное поперечное сечение аппарата для визуализации с детектором излучения, в котором между преобразующим элементом и схемой считывания расположен дополнительный слой с нагревательным устройством;
на Фиг. 2 приведен вид в перспективе дополнительного слоя с нагревательным устройством сверху;
на Фиг. 3 приведен схематичный вид сбоку детектора излучения, в котором дополнительный слой с нагревательным устройством расположен на преобразующем элементе;
на Фиг. 4 приведен схематичный вид сбоку детектора излучения, в котором преобразующий элемент помещен между двумя дополнительными слоями с нагревательными устройствами;
на Фиг. 5 приведено схематичное поперечное сечение аппарата для визуализации с детектором излучения, в котором между преобразующим элементом и схемой считывания в качестве дополнительного слоя расположен элемент Пельтье; и
на Фиг. 6 приведен схематичный вид сбоку детектора излучения, в котором преобразующий элемент помещен между двумя дополнительными слоями.
Идентичные или похожие компоненты обозначены на чертежах одними и теми же ссылочными номерами или ссылочными номерами, отличающимися на целые числа, кратные 100.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ
Детекторы рентгеновского излучения в том виде, как они, например, используются в аппаратах для визуализации методом компьютерной томографии (КТ), могут быть созданы с использованием материалов с прямым преобразованием (материалов DiCo), которые напрямую преобразуют фотоны падающего рентгеновского излучения в электрические сигналы (как правило, облако электрических зарядов). Материалы с прямым преобразованием (например, CdZnTe) демонстрируют снижение тенденции к поляризации (т.е., накоплению пространственного заряда, который ослабляет приложенное извне электрическое поле) при увеличении температуры основы. Благодаря влиянию, которое температура оказывает на освобождение захваченных зарядов, можно, таким образом, оптимизировать возникновение поляризационных артефактов, которые исчезают полностью или появляются только при более высокой интенсивности потока фотонов. Миграция или исчезновение поляризационных эффектов по меньшей мере частично перевешивает отрицательные эффекты работы при высоких температурах (например, увеличенный темновой ток).
Детектор с прямым преобразованием обычно собирают/устанавливают на схеме считывания ASIC, которая выделяет тепло, таким образом, увеличивая температуру преобразующего основного материала. Однако ASIC не может служить регулятором температуры, так как возникающее выделение тепла зависит исключительно от рабочей точки, задаваемой для получения адекватных электрических характеристик. За счет управления охлаждением (выделением тепла) самой ASIC можно обеспечить только ограниченное управление температурой, что оказывает только косвенное влияние на преобразующий основной материал.
Поэтому здесь предлагается в (значительной степени) «развязать» нагревание преобразующего материала и охлаждение ASIC.
Кроме того, для сопряжения датчиков, обеспечивающих прямое преобразование, со схемами считывания ASIC часто требуются интерпозеры (т.е. слои электрического интерфейса, обеспечивающие переход между соединениями), в частности, для получения 4-сторонних плиточных конфигураций. Материалы, служащие интерпозерами (и межсоединения), определяют транспортировку тепла через этот слой. Поэтому далее предлагается снабдить материал, служащий интерпозером (или, в более общем смысле, дополнительный слой), нагревательным устройством (например, содержащим резистивные проводники) с одной стороны (предпочтительно, со стороны, обращенной к материалу DiCo). Назначением этого нагревательного устройства является генерирование регламентированного количества тепла и контроль температуры.
На Фиг. 1 приведено схематичное сечение аппарата 1000 для визуализации, соответствующего первому предпочтительному варианту осуществления указанных выше основных объектов. Аппарат 1000 для визуализации может, например, представлять собой устройство для компьютерной томографии (КТ), в том виде, как это обычно известно в данной области техники. Оно содержит источник S излучения, например, рентгеновскую трубку, для испускания рентгеновских лучей Х, которые пропускаются через объект, изображение которого нужно создать, например, через тело Р пациента. После прохождения через объект рентгеновские лучи Х достигают детектора 100 излучения, где они обнаруживаются и преобразуются в сигналы, характеризующие проекционное изображение объекта с пространственным разрешением. В компьютере С, соединенном с детектором 100 излучения и источником S излучения, проекционные изображения и, в частности, трехмерные изображения объекта могут затем быть реконструированы в соответствии с известными принципами компьютерной томографии.
Компонентом, представляющим здесь конкретный интерес, является детектор 100 излучения. Этот детектор 100 содержит стопку из следующих компонентов, перечисленных снизу вверх в направлении z (которое антипараллельно основному направлению падения рентгеновских лучей):
1) Схема 120 считывания, содержащая ASIC 121, в которой обрабатываются электрические сигналы преобразующего элемента 110 (см. ниже), например, усиливаются, фильтруются, подсчитываются как импульсы и/или разделяются по энергии. Нижняя сторона схемы 120 считывания доступна для обеспечения ввода/вывода (например, через элементы TSV и охлаждения (не показано).
2) Слой 130, который в дальнейшем называется «дополнительным слоем» или «интерпозером», и который по существу состоит из электроизолирующей подложки 131, например, стеклянной пластины, с множеством электропроводящих линий или «межсоединений» 132, 136, идущих от ее нижней стороны к ее верхней стороне. С нижней стороны первые межсоединения 132 (по схеме «один с одним») соединены с выводами на верхней стороне схемы 120 считывания. Кроме того, обеспечены вторые межсоединения (два) 136 для подачи питания от схемы 120 считывания в нагревательное устройство 135 на верхней стороне интерпозера 130. Межсоединения 132, 136 могут, например, состоять из меди.
В показанном варианте дополнительный слой 130 предпочтительно представляет собой элемент Пельтье или содержит элемент Пельтье, причем источник 135' тепла этого элемента Пельтье ориентирован к преобразующему элементу 110, а его теплоотвод ориентирован к схеме 120 считывания.
На Фиг. 2 приведен вид в перспективе отдельно интерпозера 130, на котором можно лучше увидеть межсоединения или «пиксельные межкомпонентные соединения» 132 и контакты 136 питания для нагревательного устройства (резистивные проводники). На верхнюю поверхность интерпозера 130 могут быть нанесены (например, путем печати, литографии или плакирования) резистивные проводники 135. Контакты 136 питания могут быть также распределены в интерпозере с выходом к ASIC. Если говорить в общем, питание может быть обеспечено различными путями: а) обеспечивается/управляется ASIC (как показано на Фиг. 1), б) извне через узел ввода/вывода или в) извне, но с распределением посредством ASIC.
3) Если вернуться к Фиг. 1, детектор 100 дополнительно содержит преобразующий элемент 110, содержащий блок 111 из подходящего преобразующего материала, такого как CZT (CdZnTe), в котором падающие рентгеновские лучи преобразуются в электрические сигналы, в частности, облака зарядов. Облака зарядов перемещаются под действием электрического поля, которое создано между катодом 113 на верхней стороне преобразующего элемента 110 и матрицей анодов 112 на нижней стороне преобразующего элемента. Аноды 112 соединены (по схеме «один с одним») с первыми межсоединениями 132 интерпозера 130 и, как следствие, со связанными с ними пиксельными выводами схемы 120 считывания. Таким образом, сигналы, созданные падающими рентгеновскими лучами, могут быть обнаружены схемой 120 считывания, что является общеизвестным в данной области техники, например, путем подсчета импульсов с разделением по энергии.
-6
-1
2
3
2
2
2
3
Интерпозер 130, используемый для сопряжения преобразующего элемента 110 и схемы ASIC 120 считывания, может быть изготовлен из ряда различных материалов, предпочтительно – материалов, которые имеют низкую теплопроводность и/или коэффициенты теплового расширения которых совпадают с коэффициентами теплового расширения других компонентов детектора излучения. Возможные материалы для его подложки 131 содержат, например, Si, стекло (с типичным коэффициентом теплового расширения примерно 3,3 – 8,5⋅10⋅м⋅К), сапфир (AlO), кварц (SiO), AlN и полимеры, такие как FR4, LTCC, полиамид или полиимид. Во всех случаях можно нанести сетку из резистивных проводников (например, путем обработки тонких пленок), которая служит в качестве нагревательного устройства и генерирует тепло при протекании через нее электрического тока. Это особенно подходит для подложек 131 из кремния или стекла, весьма похоже на обогреватель заднего (и иногда также переднего) ветрового стекла в автомобилях («антизапотеватели») или устройства, используемые в технологии MEMS. Сетка 135 проводников (в варианте, показанном на Фиг. 2, – группа параллельных резисторов) может быть помещена на подложку 131 или в стопку слоев, таких как AlN, SiO или AlO. Во время работы детектора 100 излучения сетка 135 проводников может генерировать тепло и увеличивать температуру материала DiCo 111. Чтобы увеличить до максимума теплоперенос в материал DiCo 111, после сборки может быть использован материал-заполнитель (не показан), который обладает хорошей теплопроводностью.
2
3
2
Для электрической изоляции электрических проводников 135 может (необязательно) быть использован дополнительный подслой (не показан) с хорошей теплопроводностью (например, AlN). За счет обеспечения второго блокирующего тепло слоя (например, AlO, если требуется совпадение коэффициентов теплового расширения, или SiO с более низкой теплопроводностью) можно уменьшить тепловой поток через, например, медные межсоединения. Это будет обеспечивать лучшее тепловое разделение.
Током или напряжением, приложенным к резистивному проводнику 135, можно управлять для регулирования температуры поверхности, к которой прикреплена подложка DiCo 111.
Помимо этого, можно дополнительно управлять током или напряжением, приложенным к необязательному элементу Пельтье, включенному в интерпозер 130, для нагревания преобразующего элемента 110 и одновременно для охлаждения ASIC 120.
ASIC 120 может по-прежнему независимо охлаждаться с нижней ее стороны (не показано).
Для регулирования температуры резистивной сетки 135 в подложку 131 интерпозера может (необязательно) быть интегрировано устройство измерения температуры (например, термопара, не показана), чтобы обеспечить механизм обратной связи. В дополнение к этому или в качестве альтернативы для измерения температуры можно (необязательно) использовать проводники (не показаны), аналогичные проводникам нагревательного элемента 135, причем сигнал измерения может быть использован как обратная связь для нагревания или охлаждения. Информацию по температуре можно также сделать доступной таким же образом, что и в случае использования линий питания, имеющих вид сетки.
Интерпозер 130 обеспечивает пиксельное межкомпонентное соединение от преобразующего элемента 110 к ASIC 120. В примере, показанном на Фиг. 1, предполагается соединение 1:1. Однако также возможно перераспределение пиксельного соединения внутри подложки интерпозера.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения предлагается использовать подложку с межкомпонентными соединениями на катодной стороне материала DiCo. Поляризационные явления, как правило, возникают близко к катодной стороне материала DiCo. Это показывает, что может оказаться выгодным иметь источник тепла на катодной стороне. При такой конфигурации можно обеспечить лучшее развязывание нагревания преобразующего материала и охлаждения ASIC.
На Фиг. 3 приведен схематичный вид сбоку детектора 200 излучения, в котором реализована указанная выше идея. Сверху преобразующего элемента 210 расположен дополнительный слой 240 или «интерпозер» с резистивными проводниками 245 на его нижней стороне, например, блок CTZ. Кроме межсоединений 246, предназначенных для подачи электрической энергии в резистивные проводники 245, и контакта 242 высокого напряжения дополнительных межсоединений или линий не требуется.
Чтобы избежать поглощения фотонов рентгеновского излучения в дополнительном слое 240 выше катода 213, этот слой должен быть достаточно тонким и/или должен содержать материал с химическими элементами с низким атомным весом, например, Al. Проводники, как бы то ни было, будут иметь небольшой диаметр, чтобы сделать возможным нагревание. В качестве необязательного варианта, можно иметь множество нагревателей на одну плитку CZT, чтобы оптимизировать стабильность нагревания. Нагревательные устройства могут, например, покрывать только часть материала DiCo, делая возможным только локальное нагревание материала. Таким образом, поляризация на частях материала DiCo может быть уменьшена без увеличения темнового тока на других частях за счет обеспечения в них более низких температур.
Схема 220 считывания напрямую соединена (например, при помощи метода перевернутого кристалла) с анодами на нижней стороне преобразующего элемента 210. Не считая этого, схема 220 считывания и преобразующий элемент 210 могут по существу быть созданы идентичными схеме считывания и преобразующему элементу в первом детекторе 100 излучения, описанном выше.
Зазор, который может оставаться между резистивными проводниками 245 на нижней стороне дополнительного слоя 240 и катодом 213 на верхней стороне преобразующего элемента 210, может (необязательно) быть заполнен материалом-заполнителем 250, имеющим высокую теплопроводность.
В данном варианте осуществления детектора 200 излучения электрическое нагревательное устройство 245 расположено на граничной поверхности интерпозера, обращенной к преобразующему элементу 210. Электрическое нагревательное устройство также может быть расположено на верхней стороне интерпозера (не показано), в частности, если интерпозер изготовлен из материала с хорошей теплопроводностью, например, AlN. В качестве необязательного варианта, сверху такого нагревательного устройства мог бы быть нанесен блокирующий тепло слой, чтобы уменьшить тепловые потери в воздух.
На Фиг. 4 показан вариант осуществления детектора 300 излучения, который по существу представляет собой комбинацию первого и второго вариантов, показанных на Фиг. 1 и 3. Это означает, что между схемой 320 считывания и преобразующим элементом 310 расположен первый дополнительный слой 330, имеющий нагревательное устройство 335 на его верхней стороне, которая обращена к преобразующему элементу. Кроме того, сверху преобразующего элемента 310 расположен второй дополнительный слой 340 с нагревательным устройством 345 на его нижней стороне, обращенной к катоду преобразующего элемента. Опять же, зазор между катодом и нагревательным устройством может быть заполнен теплопроводящим заполнителем 350. Не считая этого, конструкция преобразующего элемента 310, первого дополнительного слоя 330 и схемы 320 считывания может быть аналогичной конструкции соответствующих элементов 110, 130 и 120 на Фиг. 1, и конструкция преобразующего элемента 310 и второго дополнительного слоя 340 могут быть аналогичными конструкции соответствующих элементов 210 и 240 на Фиг. 3.
Дополнительный слой 330 в предпочтительном случае может содержать элемент Пельтье, причем источник 335' тепла упомянутого элемента ориентирован к преобразующему элементу 310, а его теплоотвод ориентирован к схеме 320 считывания.
За счет расположения нагревательных устройств и дополнительных слоев 330, 340 с обеих сторон преобразующего элемента 310 можно снизить до минимума градиенты температур в основе.
Фиг. 4 дополнительно иллюстрирует наличие термопары 344, в данном случае реализованной во втором дополнительном слое 340, с использованием которой можно создать контур управления температурой в преобразующем элементе 310.
Для работы в качестве интерпозера между преобразующим элементом и схемой считывания (ASIC) может быть использован элемент Пельтье. Другими словами, дополнительные слои 130, 240, 330 и 340 могут представлять собой элементы Пельтье, при этом отдельные резистивные проводники могут (необязательно) быть исключены. Элемент Пельтье в типичном случае потребует включения пиксельных межкомпонентных соединений (таких как межсоединения 132 на Фиг. 1). Горячая сторона элемента Пельтье в предпочтительном случае будет установлена в контакте с анодной стороной преобразующего элемента, в то время как охлаждающая сторона элемента Пельтье будет находиться в контакте со схемой считывания.
Фиг. 5 иллюстрирует реализацию указанных выше аспектов для аппарата 1000' для визуализации, который является модификацией аппарата с Фиг. 1, и который содержит модифицированный детектор 100' излучения. Компоненты, которые идентичны компонентам, показанным на Фиг. 1, имеют те же ссылочные обозначения и не будут рассматриваться снова.
Интерпозер или дополнительный слой 130 детектора 100' излучения содержит элемент Пельтье (или является им), его источник 135' тепла ориентирован к преобразующему элементу 110 и работает как нагревательное устройство. Теплоотвод 137' этого элемента Пельтье ориентирован к схеме 120 считывания. Для подачи питания из схемы 120 считывания в элемент Пельтье могут быть обеспечены электропроводящие линии или «межсоединения» 136'. В отличие от варианта с Фиг. 1 нагревательное устройство не содержит дополнительных резистивных проводников.
На Фиг. 6 показан детектор 300' излучения, который по существу является комбинацией вариантов осуществления, показанных на Фиг. 5 и 3. Это означает, что между схемой 320 считывания и преобразующим элементом 310 расположен первый дополнительный слой 330, в котором теплоотвод 335' элемента Пельтье, служащего нагревательным устройством, расположен на его верхней стороне, которая обращена к преобразующему элементу. Помимо этого, сверху преобразующего элемента 310 расположен второй дополнительный слой 340 с нагревательным устройством 345 на его нижней стороне, обращенной к катоду преобразующего элемента. Другие компоненты детектора 300' излучения идентичны компонентам, показанным на Фиг. 3, 4 и 5, и имеют те же ссылочные обозначения.
Если подводить итог, было замечено, что материалы с прямым преобразованием (например, CdZnTe) демонстрируют сниженную тенденцию к поляризации при увеличении температуры основы. Благодаря влиянию, которое температура оказывает на освобождение захваченных зарядов, можно оптимизировать возникновение поляризационных артефактов, которые исчезают полностью или появляются только при более высокой интенсивности потока фотонов. Исчезновение поляризационных эффектов перевешивает отрицательные эффекты функционирования при высоких температурах (например, темновой ток). На основе этого предложен метод развязывания (в значительной степени) нагревания преобразующего материала и охлаждения ASIC. В некоторых вариантах осуществления детектора излучения для сопряжения датчиков с прямым преобразованием со схемами считывания ASIC требуются интерпозеры, в частности, для получения 4-сторонних плиточных конфигураций. Предлагается снабдить материал, служащий интерпозером, нагревательным устройством (например, резистивными проводниками), чтобы получить регламентированное нагревание.
Детекторы излучения, соответствующие изобретению, можно, например, применить для детекторов КТ, в частности, детекторов спектральной КТ на основе датчиков с прямым преобразованием.
Хотя изобретение проиллюстрировано и подробно описано с использованием чертежей и приведенного выше описания, такие иллюстрация и описание должны считаться иллюстративными или примерными и не накладывающими ограничений; изобретение не ограничивается рассмотренными вариантами его осуществления. На основе изучения чертежей, описания и пунктов приложенной формулы изобретения, специалистам в области техники будут очевидны другие изменения в рассмотренных вариантах, и они могут быть сделаны этими специалистами при реализации заявляемого изобретения на практике. В пунктах формулы изобретения термин "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, указание в единственном числе не исключает наличия множества. Один процессор или другой блок могут полностью выполнять функции нескольких элементов, указанных в пунктах формулы изобретения. Простой факт того, что определенные признаки указаны в несвязанных друг с другом зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что нельзя с выгодой использовать комбинацию этих признаков. Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе информации, например, оптическом носителе информации или твердотельном носителе информации, поставляемом вместе с другими аппаратными средствами или в качестве их части, но также может распространяться в других формах, например, через Интернет или при помощи других проводных или беспроводных систем связи. Любые ссылочные обозначения в пунктах формулы изобретения не должны восприниматься как ограничивающие их объем.