ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ С НАПРАВЛЯЮЩИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ
RADIATION DETECTOR WITH GUIDE ELECTRODES

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к детектору излучения и способу детектирования излучения, содержащему преобразование падающего излучения в электрические сигналы, которые детектируются массивом анодов. Кроме того, оно относится к прибору обследования, содержащему такой детектор излучения, в частности к компьютерному томографу с разрешением по энергии со счетом фотонов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
US 2007/290142 A1 раскрывает электродный узел для компьютерного томографа, в котором центральный считывающий анод окружен "участками управления смещением". Подавая на участки управления смещением напряжение, которое является отрицательным по отношению к напряжению считывающего анода, можно увеличить эффективную площадь считывающего анода. Аналогично, упомянутая эффективная площадь может быть уменьшена посредством подачи на участки управления смещением того же самого напряжения, как и на центральный считывающий анод.
US 2008/001092 A1 раскрывает подобное конструктивное исполнение, в котором центральный анод окружен множеством "сетчатых электродов". Напряжение сетчатых электродов устанавливается между напряжением анода и напряжением соответствующего катода. Поэтому электроны, генерируемые в материале преобразователя, направляются к центральному аноду, хотя величина индуцируемого заряда ограничена.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На основе этого уровня техники целью настоящего изобретения являлось предоставление детектора излучения, который обладает высокой точностью, в частности, в применениях со счетом фотонов, таких как спектральная КТ.
Эта цель достигается посредством детектора излучения по пункту 1 формулы изобретения, способу по пункту 11 формулы изобретения и прибору обследования по пункту 13 формулы изобретения. Предпочтительные варианты реализации раскрываются в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно своему первому аспекту изобретение относится к детектору излучения для детектирования падающего излучения, в частности излучения высокой энергии, такого как рентгеновские лучи или γ-лучи. Детектор излучения содержит следующие компоненты:
a) Элемент-преобразователь для преобразования падающего излучения в электрические сигналы. Элемент-преобразователь может быть изготовлен из любого соответствующего материала прямого преобразования, который преобразовывает подлежащее детектированию падающее излучение в электрические сигналы, в частности в импульсы электрических зарядов (например, электронно-дырочные пары в зоне проводимости или валентной зоне материала).
b) Периодический или квазипериодический массив электродов, который расположен на первой стороне вышеупомянутого элемента-преобразователя. Эти электроды будут в последующем называться "анодами", потому что во время работы они обычно устанавливаются на потенциал, который является более положительным, чем некоторый опорный потенциал (повсюду в этом тексте термин "потенциал" должен относиться к электрическим потенциалам). Однако следует отметить, что использование этого названия не должно исключать возможность работы упомянутых электродов с любым потенциалом, который может потребоваться для рассматриваемого применения.
c) По меньшей мере два электрода, которые расположены примыкающими к двум различным анодам вышеупомянутого массива и которые называются в последующем "направляющими электродами" (от англ. "steering electrodes"). Направляющие электроды должны быть электрически изолированы от примыкающих анодов, что может, например, быть достигнуто посредством расположения соответствующего изоляционного материала между анодами и направляющими электродами. Наиболее предпочтительно направляющие электроды расположены на той же поверхности элемента-преобразователя, что и аноды, с изолирующим промежутком между каждым направляющим электродом и примыкающим к нему анодом. Кроме того, предпочтительно имеется один направляющий электрод (не обязательно различный), расположенный примыкающим к каждому аноду массива.
d) Блок управления, который подсоединен к вышеупомянутым направляющим электродам для подачи на них различных потенциалов, при этом упомянутые потенциалы являются функцией напряжений холостого хода, которые возникают между направляющим электродом и соответствующим анодом, когда между соответствующими анодами и катодом подается напряжение. Следует отметить, что возможность подавать различные потенциалы на направляющие электроды не исключает того, что блок управления может, в зависимости от обстоятельств, также быть способным подавать один и тот же потенциал на направляющие электроды. В простом случае блок управления может всего лишь быть способным подавать одну и ту же форму электрических потенциалов на направляющие электроды (возможно, за исключением некоторого общего смещения), так что всегда имеет место одинаковое напряжение между двумя конкретными направляющими электродами. В более разработанных вариантах реализации блок управления может быть приспособлен подавать на направляющие электроды отдельные потенциалы, которые могут устанавливаться или настраиваться в пределах некоторых диапазонов.
Изобретение дополнительно относится к способу детектирования излучения, содержащему следующие этапы:
a) Преобразуют падающее излучение в электрические сигналы в элементе-преобразователе.
b) Подают первый потенциал на периодический или квазипериодический массив анодов, расположенных на первой стороне элемента-преобразователя.
c) Подают различные потенциалы на по меньшей мере два направляющих электрода, которые расположены примыкающими к двум различным анодам, при этом упомянутые потенциалы являются функцией напряжений холостого хода, которые возникают между направляющим электродом и соответствующим анодом, когда между соответствующими анодами и катодом подается напряжение.
Способ содержит в общем виде этапы, которые могут исполняться детектором излучения описанного выше рода. Поэтому за дополнительной информацией о подробностях способа можно обратиться к вышеприведенному описанию детектора излучения.
Охарактеризованные выше детектор излучения и способ содержат применение примыкающих к анодам направляющих электродов, при этом упомянутые направляющие электроды могут устанавливаться на различные потенциалы. Оказалось, что этот подход способен значительно улучшить точность измерений, получаемых с помощью массива анодов, потому что вспомогательный потенциал направляющих электродов может подгоняться под пространственные изменения преобладающих на анодах условий, которые являются результатом неоднородностей в кристалле.
В последующем будут описаны различные предпочтительные варианты реализации изобретения, которые относятся как к детектору излучения, так и к способу, описанным выше.
Вообще говоря, возможно любое соседствующее или примыкающее расположение направляющего электрода и соответствующего ему анода. В предпочтительном варианте реализации по меньшей мере один направляющий электрод выполнен так, что он окружает соответствующий ему анод. В этом случае эффект направления зарядов направляющим электродом может быть проявлен с высокой симметрией. Предпочтительно все направляющие электроды выполнены таким образом.
В дополнительном усовершенствовании вышеупомянутого варианта реализации анод расположен со смещением от центра по отношению к окружающему его направляющему электроду. В этом случае большее пространство может быть выиграно для отдельного электрического подключения направляющего электрода и анода.
Наибольшая эксплуатационная гибкость может быть достигнута, если каждый анод в анодном массиве связан с разным примыкающим направляющим электродом. Может, однако, уже оказаться достаточным варьировать потенциалы направляющих электродов по пространственной более грубой шкале, располагая по меньшей мере один направляющий электрод примыкающим к двум или более анодам. Эти два или более примыкающих анода будут тогда испытывать во время работы воздействие одинакового потенциала направляющего электрода. Придание одного направляющего электрода более чем одному аноду упрощает конструкцию детектора излучения, в частности, в отношении требуемого индивидуального подключения направляющих электродов.
Согласно другому варианту реализации изобретения предусмотрен дополнительный электрод, который в последующем будет называться "сетчатым электродом" и который по меньшей мере частично охватывает по меньшей мере один анод с соответствующим ему направляющим электродом. Предпочтительно сетчатый электрод охватывает каждый анод массива с соответствующим ему направляющим электродом (если он имеется). Поскольку электрический сигнал каждого анода обычно регистрируют индивидуально, каждая ячейка анодного массива будет обычно соответствовать одному элементу изображения или "пикселю" изображения, которое может формироваться всем детектором излучения. В этом смысле сетчатый электрод обеспечивает разделение между различными пикселями (анодными ячейками) детектора излучения. Подача подходящего потенциала на сетчатый электрод может таким образом помочь сократить нежелательные перекрестные помехи между соседними пикселями и улучшить точность процедуры детектирования.
Сетчатый электрод может эксплуатироваться при том же самом потенциале, что и некоторый другой компонент детектора излучения, например, как и анод. Наиболее предпочтительно, однако, сетчатый электрод является независимым, то есть на него может подаваться отдельный потенциал. Потенциал сетчатого электрода может необязательно подаваться блоком управления.
В характерном варианте реализации детектора излучения на второй стороне элемента-преобразователя, противоположной первой стороне массива анодов, расположен еще один электрод. В силу его обычной работы при более низком потенциале, чем у анодов, этот электрод будет в последующем называться "катодом". Как объяснено выше, это название не должно содержать никакого предубеждения в отношении тех потенциалам, которые могут фактически подаваться во время эксплуатации детектора излучения. Если катод и аноды эксплуатируются при различных потенциалах, то между ними будет создаваться электрическое поле, которое может перемещать электрические заряды, порождаемые падающим излучением в пределах элемента-преобразователя, к аноду(ам) и катоду соответственно.
Тот потенциал, который подается на некий данный направляющий электрод, может (по меньшей мере приблизительно) быть определен в экспериментах или исходя из теоретических соображений с учетом некоторого критерия оптимизации. В вариантах реализации детектора излучения, в которых напротив массива анодов расположен катод, наблюдается, что при приложении напряжения между катодом и анодами в направляющих электродах (электрически плавающих или отсоединенных) наводятся потенциалы. Потенциалы, которые активно подаются на направляющие электроды, могут в таком случае быть выбраны как функция упомянутых наведенных потенциалов (они могут, например, быть кратной наведенным потенциалам величиной). Этот подход основан на том соображении, что разности в наведенных потенциалах отражают пространственную неоднородность конфигурации и могут, следовательно, использоваться для разработки соответствующих контрмер, то есть для выведения тех потенциалов, которые следует подавать на направляющие электроды.
В предпочтительной реализации вышеупомянутого варианта те потенциалы, которые подают на направляющие электроды, могут отличаться на постоянную величину от наведенных потенциалов. Таким образом, направляющие электроды могут легко быть приспособлены к пространственным изменениям электрических условий в массиве анодов, которые являются результатом, например, неоднородностей кристалла в материале прямого преобразования.
Электрические сигналы, которые могут регистрироваться на анодах, обычно являются представляющими интерес сигналами, поскольку они предоставляют информацию о падающем излучении. Предпочтительно генерируемые в анодах электрические сигналы подсчитывают и/или оценивают в отношении энергии фотонов падающего излучения. Последнее возможно, например, путем определения амплитуды/интеграла электрических сигналов, которая(ый) обычно соответствует энергии, выделяемой падающим фотоном.
Кроме того, изобретение относится к исследовательскому прибору для обследования объекта (например, пациента) с помощью излучения, содержащему детектор излучения описанного выше рода. Прибор для обследования может, в частности, применяться в качестве прибора для осмотра багажа, прибора для испытания материалов, прибора для анализа в материаловедении или прибора медицинского назначения. Прибор для обследования может, в частности, быть выбран из группы, состоящей из рентгеновского аппарата (например, флюороскопического или рентгеноскопического устройства), системы визуализации методом компьютерной томографии (КТ) (наиболее предпочтительно системы визуализации методом спектральной КТ со счетом фотонов), системы визуализации методом компьютерной томографии с когерентным рассеянием (CSCT), системы визуализации методом позитронно-эмиссионной томографии (PET) и системы визуализации методом однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения станут понятными и будут объясняться со ссылкой на описываемые далее вариант(ы) реализации. Эти варианты реализации будут описываться в качестве примера с помощью сопроводительных чертежей, на которых:
Фиг. 1 показывает схематический вид в перспективе первого детектора излучения с множеством направляющих электродов, связанных с массивом анодов, и с сетчатым электродом;
Фиг. 2 показывает вид сверху на массив анодов второго детектора излучения с множеством направляющих электродов, у которого нет сетчатого электрода;
Фиг. 3 показывает вид сверху на массив анодов третьего детектора излучения, в котором каждый направляющий электрод связан с четырьмя анодами;
Фиг. 4 показывает вид сверху на массив анодов четвертого детектора излучения, в котором аноды расположены со смещением от центра.
Схожие ссылочные позиции или номера, отличающиеся на целое число, кратное 100, относятся на чертежах к идентичным или подобным компонентам.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ
Детекторы излучения для высокоэнергетического излучения, такого как рентгеновские лучи или γ-лучи, являются, например, необходимыми в устройствах формирования изображения, таких как компьютерные томографы (сканеры компьютерной томографии). Для этих применений в литературе были описаны основанные на спектральной КТ со счетом фотонов подходы, которые предлагают большой потенциал новых возможностей (Roessl, Proska: "K-edge imaging in X-ray computed tomography using multi-bin photon counting detectors", Phys. Med. Biol. 52 (2007) 4679-4696). Рабочие характеристики таких основанных на счете фотонов систем спектральной КТ с разрешением по энергии становятся тем лучше, чем меньше низкоэнергетическое размытие в отклике детектора на каждую из энергий фотонов в имеющем отношение к медицине энергетическом диапазоне между 20 и 140 кэВ.
Возможными подходами к понижению низкоэнергетического размытия являются использование малых пикселей (рассчитывая на эффект малого пикселя) и применение отрицательно заряженного направляющего электрода вблизи анодов. С одной стороны, более отрицательно заряженный направляющий электрод направляет электроны к малым анодным участкам, что хорошо снижает разделение зарядов между соседними пикселями. С другой стороны, направляющий электрод принимает большую часть нежелательных индуцированных дырочных зарядов, так что фото-пик также заостряется. Концепция направляющего электрода продемонстрировала удивительно хорошие спектральные характеристики в изготовленных образцах датчиков прямого преобразования даже для материала толщиной 1 мм с 1-миллиметровым шагом пикселя, который дал бы, при простой конструкции пикселированного анода без направляющего электрода, очень слабые спектральные характеристики из-за плохого потенциала взвешивания. Что касается подхода расширенного разложения Alvarez-Macovsky (сравните выше с Roessl, Proska), однако, очень важно дополнительно сокращать низкоэнергетическое размытие для того, чтобы улучшить результаты измерения компоненты K-края.
Оказывается, что простая подача катодного напряжения, в то время как аноды устанавливаются в детекторе излучения на фиксированный более высокий потенциал (обычно - земля), уже приводит к значительному напряжению холостого хода в направляющем электроде. Так как направляющий электрод представляет собой когерентную металлизацию, это принуждает к тому, что во всех пикселях напряжение направляющего электрода имеет одно и то же значение, что часто находится в противоречии с фактической ситуацией пространственного заряда в пределах объема материала, который обычно накапливается при подаче катодного напряжения. Как следствие этого, пиксель может вынужденно доводиться до потенциала "своего направляющего электрода", который ниже или выше "естественного" напряжения направляющего электрода, которое обнаружил бы этот пиксель, если бы металлизация направляющего электрода этого пикселя не приводилась бы вынужденно к потенциалу, диктуемому потенциалами соседних пикселей. Как было показано в экспериментах, использующих когерентную металлизацию направляющих электродов, подача напряжения направляющего электрода, которое является более положительным, чем напряжение холостого хода, снижает спектральные характеристики, по меньшей мере с точки зрения возможного выхода заряда, в то время как - при когерентной металлизации направляющих электродов - отношение фото-пика к низкоэнергетическому размытию сохраняется независимым от подаваемого напряжения направляющего электрода.
Поэтому предлагается разработать сегментированный направляющий электрод, то есть предусмотреть множество направляющих электродов, так что напряжение направляющего электрода может принимать различные значения на различных участках на анодной стороне. Кроме того, чтобы дополнительно сократить эффект разделения зарядов, предлагается дополнительная сетка, которая должна размещаться между границами пикселей и которая поддерживается, например, при потенциале земли, таким образом обеспечивая сток электронов, которые, в противном случае, рассеивались бы в соседние пиксели. Также описывается стратегия того, как определять разумные напряжения направляющих электродов.
Фигура 1 схематично показывает детектор 100 излучения, который сконструирован согласно вышеупомянутым принципам. Следует отметить, что рисунок показывает только небольшую часть с двенадцатью пикселями, в то время как полный детектор обычно содержит несколько сотен или тысяч таких пикселей. Детектор 100 содержит следующие компоненты:
- Элемент-преобразователь 110, например блок в форме прямоугольного параллелепипеда из материала прямого преобразования, такого как Si, Ge, GaAs, HgI, CZT (теллурид цинка-кадмия), и/или CdTe, в котором падающие рентгеновские лучи X преобразовываются в электрический сигнал. Сигнал будет обычно состоять из зарядов в зоне проводимости, которые могут двигаться под влиянием электрического поля. Такое электрическое поле E генерируется в элементе-преобразователе 110 посредством приложения различных потенциалов к противоположным сторонам (передней стороне и задней стороне на этой фигуре) элемента-преобразователя. Ширина и высота элемента-преобразователя (направления по осям x, z) обычно составляют в диапазоне между примерно 5 мм и примерно 20 мм, в то время как обычная глубина, иногда также называемая толщиной (направление по оси y), составляет примерно 3 мм.
- Регулярный, периодический массив (в этом примере из двенадцати) анодов 130, которые размещены на передней стороне элемента-преобразователя 110. Каждый анод 130 индивидуально подсоединен в точках 131 контакта к блоку 150 управления. Во время работы детектора 100 рентгеновского излучения блок 150 управления подает подходящий потенциал (положительный или земли) на соответствующие аноды 130 и детектирует и регистрирует сигналы, генерируемые электрическими зарядами, достигающими анодов. Блок 150 управления может предпочтительно содержать подходящие счетчики и/или дискриминаторы и т.д. (не показаны) для подсчета импульсов и/или оценивания с разрешением по энергии. Объем тела в форме приблизительно прямоугольного параллелепипеда, от которого электрические сигналы достигают анодов 130, соответствует вокселу V этого анода. Двумерный базис воксела V на анодной стороне представляет собой "пиксель" P, который соответствует элементу изображения, генерируемого детектором 100 излучения.
- Катод 120, который расположен на задней стороне элемента-преобразователя 110 и подсоединен к блоку 150 управления. Во время работы блок 150 управления подает отрицательный потенциал на этот катод. Таким образом, между катодом и анодами генерируется электрическое поле E.
- Множество направляющих электродов 140, которые размещены на передней стороне элемента-преобразователя 110 так, что каждый направляющий электрод 140 охватывает один соответствующий (примыкающий) анод 130. Через точки 141 контакта каждый направляющий электрод 140 индивидуально подсоединен к блоку 150 управления, который может подавать отдельные, различные потенциалы на все направляющие электроды 140. Направляющие электроды отделены и таким образом электрически изолированы от анода и друг от друга промежутками. Ширина d этих промежутков предпочтительно составляет между 30 мкм и 100 мкм. Типичное значение шагов пикселей составляет примерно 500 мкм.
StEl
Фигура 1 показывает наиболее усовершенствованный случай сегментирования направляющих электродов, в результате которого каждый пиксель P обладает своей собственной металлизацией направляющего электрода. По сравнению со случаем когерентной металлизации направляющих электродов, этот крайний случай проявляет признак самой большой общей площади на анодной стороне, которая не покрывается металлом. Поскольку промежутки d между соседними металлизациями направляющих электродов малы (например, 50 мкм), это не должно создавать проблему с точки зрения "экранирующего эффекта" направляющего электрода, согласно которому выгодно максимизировать металлизированную площадь направляющего электрода. Для того чтобы иметь возможность поддерживать заданные напряжения V для каждого сегмента, должен быть предусмотрен контакт направляющего электрода, для каждого пикселя, от подложки, к которой прикрепляется датчик, в дополнение к отдельному контакту анода.
Помимо потенциала взвешивания, разделение зарядов (за счет диффузии зарядов) также представляет собой важный эффект, который вносит вклад в низкоэнергетическое размытие, особенно в случае меньших пикселей, даже если имеется направляющий электрод. Следовательно, дополнительный сетчатый электрод 160 между границами пикселей позволяет стекать зарядам, которые в противном случае диффундировали бы в соседний(е) пиксель(и), таким образом снижая эффект разделения зарядов. Сетчатый электрод 160 может поддерживаться, например, на том же самом потенциале, что и аноды (то есть обычно это земля). Имеется потребность в отдельном контакте для этой сетки, чтобы поддерживать ее при требуемом потенциале.
Фигура 2 показывает вид сверху на массив анодов детектора 200 излучения, который отличается от детектора 100 тем, что у него нет никакого сетчатого электрода.
Фигура 3 показывает другой вариант реализации детектора 300 излучения, в котором четыре анода 330 каждого пикселя P совместно используют общую металлизацию 340 направляющего электрода. Здесь число отдельных контактов направляющих электродов сокращается до одной четверти. Необязательно может быть предусмотрен дополнительный сетчатый электрод (не показан), как и на фигуре 1, охватывающий каждый направляющий электрод 340 с соответствующими ему четырьмя анодами 330.
Фигура 4 иллюстрирует детектор 400 излучения, который отличается от детектора 200 тем, что аноды 430 немного сдвинуты от центра пикселей P. Таким образом, расстояние между контактами 431 анодов и контактами 441 направляющих электродов может быть увеличено, облегчая изготовление контактов. Опять же, этот вариант реализации может альтернативно содержать дополнительный сетчатый электрод (не показан), как и на фигуре 1.
StEl
Предпочтительная процедура определения подходящих величин для многих различных напряжений V направляющих электродов заключается в следующем (со ссылкой на фигуру 1):
StEl
StEl
После подачи катодного напряжения к катоду 120, в то время как аноды поддерживаются при фиксированном потенциале (обычно - земля), напряжения холостого хода V(i) для каждого направляющего электрода 140 устанавливаются на финально постоянные значения, которые, в общем случае, все являются различными для различных направляющих электродов. Затем уменьшая прикладываемое извне напряжение V(i) направляющих электродов для каждого направляющего электрода i на общее фиксированное значение по отношению к этому значению холостого хода, может быть достигнута оптимальная рабочая точка.
Хотя изобретение было описано с учетом применения в спектральном детектировании рентгеновского излучения со счетом фотонов, раскрытые здесь концепции не ограничиваются этим случаем. В частности, изобретение может быть применено во всех системах детектирования рентгеновского излучения, использующих подсчитывающие детекторы с разрешением по энергии, где подразумевается хорошая разрешающая способность по энергии, особенно в медицинской визуализации и медицинской компьютерной томографии.
Наконец, отмечается, что в данной заявке термин "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, что существительные в единственном числе не исключают множественности, и что единственный процессор или другой блок может выполнять функции нескольких средств. Изобретение заключается в любом и каждом новом характерном признаке и в любой и каждой совокупности характерных признаков. Кроме того, ссылочные обозначения в пунктах формулы изобретения не следует истолковывать как ограничивающие их объем.