本文的公开涉及X射线检测器，尤其涉及半导体X射线检测器。
【背景技术】
X射线检测器是可用于测量X射线的通量、空间分布、光谱或其他特性的装置。
X射线检测器可用于许多应用，其中一个重要的应用是成像。X射线成像是一种放射线照相技术，并且可用于揭示非均匀组成和不透明物体(例如人体)的内部结构。
用于成像的早期X射线检测器包括照相底片和照相胶片。照相底片可以是具有光敏乳剂涂层的玻璃板。虽然照相底片被照相胶片取代，但由于它们提供的优良品质和极端稳定性，使得它们仍可用于特殊情况。照相胶片可以是具有光敏乳剂涂层的塑料薄膜，比如条状或片状。
在20世纪80年代，可光激发的磷光板(PSP板)开始可用。PSP板在其晶格中包含具有色心的磷光体材料。当PSP板暴露于X射线时，由X射线激发的电子被捕获在色心中，直到它们被在PSP板表面上扫描的激光束激发。当激光扫描所述PSP板时，被捕获的激发电子发出光，这些光被光电倍增管收集，收集的光被转换成数字图像。与照相底片和照相胶片相比，PSP版可重复使用。
另一种X射线检测器是X射线图像增强器。X射线图像增强器的组件通常在真空中密封。与照相底片、照相胶片以及PSP板相比，X射线图像增强器可产生实时图像，即，不需要曝光后处理来产生图像。X射线首先撞击输入磷光体(例如，碘化铯)并被转换成可见光。然后可见光撞击光电阴极(例如，含有铯和锑化合物的薄金属层)并引起电子发射。发射的电子数目与入射X射线的强度成正比。发射的电子通过电子光学器件投射到输出磷光体上并使输出磷光体产生可见光图像。
闪烁体在某种程度上与X射线图像增强器的操作类似，因为闪烁体(例如，碘化钠)吸收X射线并发射可见光，然后可以通过合适的图像传感器检测到可见光。在闪烁体中，可见光在所有方向上扩散和散射，从而降低空间分辨率。减小闪烁体厚度有助于改善空间分辨率，但也减少了X射线的吸收。因此，闪烁体必须在吸收效率和分辨率之间达成折衷。
半导体X射线检测器通过将X射线直接转换成电信号很大程度上克服了如上所述问题。半导体X射线检测器可包括吸收感兴趣波长X射线的半导体层。当在半导体层中吸收X射线光子时，产生多个载流子(例如，电子和空穴)并在电场下朝向半导体层上的电触点扫过。当前可用的半导体X射线检测器(例如，Medipix)中所需的繁琐的热管理可使得具有较大面积和大量像素的半导体X射线检测器难以生产或不可能生产。
技术实现要素：
本文公开一种适用于检测X射线的装置，其包括：X射线吸收层，其包括电极；电子器件层以及所述X射线吸收层与所述电子器件层之间的电连接之间的空间的壁。所述电子器件层包括：第一电压比较器，其被配置为将所述电极的电压与第一阈值进行比较；第二电压比较器，其被配置为将所述电极的电压与第二阈值进行比较；计数器，其被配置为记录所述X射线吸收层所吸收的X射线光子的数目；控制器；其中所述控制器被配置为从所述第一电压比较器确定所述电压的绝对值等于或超过所述第一阈值的绝对值的时间开始时间延迟；其中所述控制器被配置为在所述时间延迟期间(包括开始和终止)启动所述第二电压比较器；其中所述控制器被配置为如果在所述时间延迟期间所述第二电压比较器确定所述电压的绝对值等于或超过所述第二阈值的绝对值，则使所述计数器记录的所述数目增加一。所述第一电压比较器和所述第二电压比较器可以是相同的组件。当电压比较器确定电压的绝对值是否等于或超过阈值的绝对值时，所述电压比较器不必比较所述绝对值。相反，当所述电压和所述阈值都为负数时，所述电压比较器可以比较所述电压和所述阈值的实际值。当所述电压等于或大于所述阈值的负值时，所述电压的绝对值等于或超过所述阈值的绝对值。
根据实施例，所述电子器件层进一步包括电连接到所述电极的积分器，其中所述积分器被配置为从所述电极收集载流子。
根据实施例，所述控制器被配置为在所述时间延迟的开始或终止时启动所述第二电压比较器。根据实施例，所述控制器被配置为在所述时间延迟的开始或在所述时间延迟期间停用所述第一电压比较器。根据实施例，所述控制器被配置为在所述时间延迟终止时或在所述第二电压比较器确定所述电压的绝对值等于或超过所述第二阈值的绝对值时停用所述第二电压比较器。
根据实施例，所述电子器件层可进一步包括电压表，并且其中所述控制器被配置为促使所述电压表在所述时间延迟终止后测量电压。
根据实施例，所述控制器被配置为基于在所述时间延迟终止后测量的所述电压的值来确定X射线光子的能量。
根据实施例，所述控制器被配置为使所述电极连接到电接地。所述电接地可以是虚拟接地。虚拟接地是电路的一个节点，该节点保持稳定的参考电位，而没有直接连接到所述参考电位。
根据实施例，所述电压的变化率在所述时间延迟终止时大致为零。
根据实施例，所述电压的变化率在所述时间延迟终止时大致为非零。
根据实施例，所述X射线吸收层包括二极管。
根据实施例，所述X射线吸收层包括硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合。
根据实施例，所述装置不包括闪烁体。
根据实施例，所述装置包括像素阵列。
本文公开一种系统，其包括如上所述的装置和X射线源，其中所述系统被配置为对人的胸部或腹部进行X射线照相。
根据实施例，所述系统包括如上所述的装置和X射线源，其中所述系统被配置为对人的口腔进行X射线照相。
本文公开一种货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括如上所述的装置和X射线源，其中所述货物扫描或非侵入式检查(NII)系统被配置为使用反向散射的X射线来形成图像。
本文公开一种货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括如上所述的装置和X射线源，其中所述货物扫描或非侵入式检查(NII)系统被配置为使用被检查物体透射的X射线来形成图像。
本文公开一种全身扫描仪系统，其包括如上所述的装置和X射线源。
本文公开一种X射线计算机断层扫描(X射线CT)系统，其包括如上所述的装置和X射线源。
本文公开一种电子显微镜，其包括如上所述的装置、电子源和电子光学系统。
本文公开一种系统，其包括如上所述的装置，其中所述系统是X射线望远镜或X射线显微镜，或其中所述系统被配置为执行乳腺X射线照相、工业缺陷检测、X射线显微照相、铸件检验、焊缝检验、或数字减影血管造影。
本文公开一种适用于相衬X射线成像(PCI)的系统，所述系统包括：如上所述的装置，第二X射线检测器，间隔件，其中所述装置和所述第二X射线检测器被所述间隔件隔开。
根据实施例，所述装置和所述第二X射线检测器被配置为分别同时捕捉物体的图像。
根据实施例，所述第二X射线检测器等同于所述装置。
本文公开一种适用于相衬X射线成像(PCI)的系统，所述系统包括：如上所述的装置，其中所述装置被配置为移到物体并捕捉其图像，所述物体暴露于离所述物体不同距离的入射X光线。
根据实施例，所述装置是大面积X射线检测器。
根据实施例，所述壁包括焊料或胶。
根据实施例，所述空间未完全填充。
根据实施例，所述壁包围所述装置的所有所述电连接。
根据实施例，所述壁包括多个部分，每个所述部分围绕所述装置的所述电连接的一个子集。
根据实施例，所述壁包括多个部分，每个所述部分围绕所述装置的所述电连接之一。
【附图说明】
图1A示意示出根据实施例的半导体X射线检测器。
图1B示出根据实施例的半导体X射线检测器。
图1C示意示出根据实施例的在所述X射线吸收层与所述半导体X射线检测器的所述电子器件层之间的所述电连接之间的所述空间中的壁的排列的示例。
图1D示意示出图1C中的所述壁的排列的俯视图。
图1E示意示出所述壁的另一种排列的俯视图。
图1F示意示出所述壁的另一种排列的俯视图。
图2示出根据实施例的图1A中的所述半导体X射线检测器的一部分的俯视图的示例。
图3A和图3B各自示出根据实施例的图1A和图1B中的所述半导体X射线检测器的电子系统的组件图。
图4示意示出根据实施例的由所述X射线吸收层上入射的X射线光子产生的载流子所引起的，流过暴露于X射线的X射线吸收层的二极管的电极或电阻器的电触点的电流的时间变化(上曲线)，以及所述电极的所述电压的相应的时间变化(下曲线)。
图5示意示出根据实施例的，在以如图4中所示的方式操作的所述电子系统中，由噪声(例如，暗电流)所引起的流过所述电极的所述电流的时间变化(上曲线)，以及所述电极的所述电压的相应的时间变化(下曲线)。
图6示意示出根据实施例的，当所述电子系统以更高的速率检测入射的X射线光子时，由所述X射线吸收层上入射的X射线光子产生的载流子所引起的，流过暴露于X射线的所述X射线吸收层的电极的电流的时间变化(上曲线)，以及所述电极的所述电压的相应的时间变化(下曲线)。
图7示意示出根据实施例的，在以如图6中所示的方式操作的所述电子系统中，由噪声(例如，暗电流)所引起的流过所述电极的所述电流的时间变化(上曲线)，以及所述电极的所述电压的相应的时间变化(下曲线)。
图8示意示出根据实施例的，在以如图6中所示的方式(其中RST在te之前终止)操作的所述电子系统中，由所述X射线吸收层上入射的一系列的X射线光子产生的载流子所引起的，流过所述电极的所述电流的时间变化(上曲线)，以及所述电极的所述电压的相应的时间变化(下曲线)。
图9A示出根据实施例的适用于使用如图4中所示的电子系统之类的系统来检测X射线的方法的流程图。
图9B示出根据实施例的适用于使用如图6中所示的电子系统之类的系统来检测X射线的方法的流程图。
图10示意示出根据实施例的适用于相衬X射线成像(PCI)的系统。
图11示意示出根据实施例的适用于相衬X射线成像(PCI)的系统。
图12示意示出根据实施例的包括本文所述的半导体X射线检测器的系统，该系统适用于医学成像，例如胸部X射线照相、腹部X射线照相等。
图13示意示出根据实施例的包括本文所述的半导体X射线检测器的一种系统，该系统适用于牙科X射线照相。
图14示意示出根据实施例的一种货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括本文所述的半导体X射线检测器。
图15示意示出根据实施例的另一种货物扫描或非侵入式检查(NII)系统，其包括本文所述的半导体X射线检测器。
图16示意示出根据实施例的一种全身扫描仪系统，其包括本文所述的半导体X射线检测器。
图17示意示出根据实施例的一种X射线计算机断层扫描(X射线CT)系统，其包括本文所述的半导体X射线检测器。
图18示意示出根据实施例的一种电子显微镜，其包括本文所述的半导体X射线检测器。
【具体实施方式】
图1A示意示出根据实施例的半导体X射线检测器100。所述半导体X射线检测器100可包括X射线吸收层110和电子器件层120(例如，ASIC或CMOS层)，其用于处理或分析入射X射线在所述X射线吸收层110中产生的电信号。在实施例中，所述半导体X射线检测器100不包括闪烁体。所述X射线吸收层110可包括半导体材料，比如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合。所述半导体材料对于感兴趣的X射线能量可具有高的质量衰减系数。所述X射线吸收层110可包括由第一掺杂区111、第二掺杂区113的一个或多个离散区114组成的一个或多个二极管(例如，p-i-n或p-n)。所述第二掺杂区113可通过可选的本征区112而与所述第一掺杂区111分离。所述离散区114通过所述第一掺杂区111或所述本征区112而彼此分离。所述第一掺杂区111和所述第二掺杂区113具有相反类型的掺杂(例如，第一掺杂区111是p型并且第二掺杂区113是n型，或者第一掺杂区111是n型并且第二掺杂区113是p型)。在图1A中的示例中，所述第二掺杂区113的每个离散区114与所述第一掺杂区111和所述可选的本征区112一起组成一个二极管。即，在图1A中的示例中，所述X射线吸收层110包括多个二极管，其具有所述第一掺杂区111作为共用电极。所述第一掺杂区111还可具有离散部分。
图1B示意示出根据实施例的半导体X射线检测器100。所述半导体X射线检测器100可包括X射线吸收层110和电子器件层120(例如，ASIC)，其用于处理或分析入射X射线在所述X射线吸收层110中产生的电信号。在实施例中，所述半导体X射线检测器100不包括闪烁体。所述X射线吸收层110可包括半导体材料，比如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合。所述半导体材料对于感兴趣的X射线能量可具有高的质量衰减系数。所述X射线吸收层110可不包括二极管但包括电阻器。
当X射线光子撞击包括二极管的所述X射线吸收层110时，所述X射线光子可被吸收并通过若干机制产生一个或多个载流子。一个X射线光子可产生10到100000个载流子。所述载流子可在电场下向其中一个所述二极管的电极漂移。所述电场可以是外部电场。所述电触点119B可包括离散部分，其中的每一个所述离散部分均与所述离散区114电连接。在实施例中，所述载流子可向不同方向漂移，使得由单个X射线光子产生的所述载流子大致未被两个不同的离散区114共用(“大致未被共用”在这里意指这些载流子中的不到5％、不到2％或不到1％流向与余下载流子不同的一个所述离散区114)。在实施例中，由单个X射线光子产生的所述载流子可被两个不同的离散区114共用。图2示出具有离散区114的4×4阵列的所述半导体X射线检测器100的一部分的示例性俯视图。由入射在所述离散区114之一的足迹周围的X射线光子所产生的载流子大致未被另一所述离散区114共用。所述离散区114的周围区，由入射在其中的X射线光子所产生的载流子大致全部(超过95％、超过98％或超过99％)流向该所述离散区114，被称为与该所述离散区114相关联的一个像素。即，所述载流子中的不到5％、不到2％或不到1％流到所述像素之外。通过测量流入每个所述离散区114的漂移电流，或通过测量每个所述离散区114的电压的变化率，被吸收的X射线光子的数目(与入射X射线强度有关)和/或其在与所述离散区114相关联的所述像素中的能量可被确定。因此，入射X射线强度的空间分布(例如，图像)可以通过分别测量进入所述离散区114的阵列中的每一个所述离散区114的漂移电流，或通过测量所述离散区114的阵列中的每一个所述离散区114的电压的变化率来确定。所述像素可以以任何合适的阵列组织，例如，正方形阵列、三角形阵列和蜂窝阵列。所述像素可以具有任何合适的形状，例如，圆形、三角形、正方形、矩形和六角形。所述像素可以是单独可寻址的。
当X射线光子撞击包括电阻器但不包括二极管的所述X射线吸收层110时，所述X射线光子可被吸收并通过若干机制产生一个或多个载流子。一个X射线光子可产生10到100000个载流子。所述载流子可在电场下向所述电触点119A和所述电触点119B漂移。所述电场可以是外部电场。所述电触点119B包括离散部分。在实施例中，所述载流子可向不同方向漂移，使得由单个X射线光子产生的所述载流子大致未被两个不同的电触点119B共用(“大致未被共用”在这里意指这些载流子中的不到5％、不到2％或不到1％流向与余下载流子不同的所述离散部分之一)。在实施例中，由单个X射线光子产生的所述载流子可被所述电触点119B的两个不同的离散部分共用。由入射在所述电触点119B的这些离散部分之一的足迹周围的X射线光子所产生的载流子大致未被所述电触点119B的这些离散部分的另一个共用。所述电触点119B的离散部分的周围区，由入射在其中的X射线光子所产生的载流子大致全部(超过95％、超过98％或超过99％)流向该所述电触点119B的所述离散部分，被称为与该所述电触点119B的所述离散部分相关联的一个像素。即，所述载流子中的不到5％、不到2％或不到1％流到与该所述电触点119B的离散部分之一相关联的所述像素之外。通过测量流入所述电触点119B的每个所述离散部分的漂移电流，或通过测量所述电触点119B的每个所述离散部分的电压的变化率，被吸收的X射线光子的数目(与入射X射线强度有关)和/或其在与所述电触点119B的所述离散部分相关联的所述像素中的能量可被确定。因此，入射X射线强度的空间分布(例如，图像)可以通过分别测量进入所述电触点119B的离散部分阵列中的每一个离散部分的漂移电流，或通过测量所述电触点119B的离散部分阵列中的每一个离散部分的电压的变化率来确定。所述像素可以以任何合适的阵列被组织，例如，正方形阵列、三角形阵列和蜂窝阵列。所述像素可以具有任何合适的形状，例如，圆形、三角形、正方形、矩形和六角形。所述像素可以是单独可寻址的。
所述电子器件层120可包括电子系统121，其适用于处理或解释由入射在所述X射线吸收层110上的X射线光子所产生的信号。所述电子系统121可包括模拟电路比如滤波器网络、放大器、积分器、比较器，或数字电路比如微处理器和内存。所述电子系统121可包括由所述像素共用的组件或专用于单个像素的组件。例如，所述电子系统121可包括专用于每个所述像素的放大器和在所有像素间共用的微处理器。
所述电子系统121可通过电连接131电连接到所述X射线吸收层110的所述像素。所述电连接131可以是焊球或任何其他合适的粘接机制。在一些实施例中，所述电连接131之间的空间可用填充材料填充。然而，可能难以填充所述电连接131之间的空间，并且不均匀的填充会导致所述像素之间的不均匀的电特性(例如，电容)，这会不利地影响所述半导体X射线检测器100的性能。因此，在一些实施例中，所述电连接131之间的空间可以用壁130密封。例如，所述壁130可以围绕所述X射线检测器的所有所述电连接131。例如，所述壁130可包括一些部分，这些部分的每一个均围绕所述X射线检测器的所述电连接131的一个子集。例如，所述壁130可包括一些部分，这些部分的每一个均围绕所述X射线检测器的所述电连接131之一。所述壁130可以由任何合适的材料制成。例如，所述壁130在一个实施例中可以是焊料壁，或者在另一实施例中可以是胶壁。所述壁130可以防止污染物颗粒进入所述电连接件131之间的空间，和/或减少或消除填充所述空间的需要。在至少一个实施例中，具有所述壁130的所述半导体X射线检测器100可以大于4X4英寸，6X6英寸，或者甚至大于12X12英寸。
图1C示意示出根据实施例的所述壁130的排列的示例。在制造过程中，所述X射线吸收层110可以被制造在第一半导体晶片134上，并且所述电子器件层120可以被制造在第二半导体晶片136上。所述第一半导体晶片134可以通过任何已知或待开发的粘接技术，例如直接粘接或倒装芯片粘接，被粘接到所述第二半导体晶片136上。所述壁130可以设置在所述X射线吸收层110和所述电子器件层120之间的所述空间中(例如，所述第一半导体晶片134和所述第二半导体晶片136之间的包括所述电连接131的空间)。例如，所述壁130可以在粘接之前形成在第一半导体晶片134、第二半导体晶片136或两者上。可以沿着虚线的间隙135将粘接的半导体晶片134和半导体晶片136切成小块，并切割成多个半导体X射线检测器100。所述壁130可以包括多个部分，其中每个所述部分围绕在多个所述半导体X射线检测器100中每个所述半导体X射线检测器100中的所述电连接131。
图1D示意示出图1C中的所述壁130的排列的俯视图。如图所示，在该示例中，所述壁130围绕所述半导体X射线检测器100中的所有所述电连接131。图1E示意示出所述壁130的另一种排列的俯视图。如图所示，在该示例中，所述壁130包括多个部分，其中每个所述部分围绕在所述半导体X射线检测器100中的所述电连接131的一个子集。图1F示意示出所述壁130的另一种排列的俯视图。如图所示，在该示例中，所述壁130包括多个部分，其中每个所述部分围绕在所述半导体X射线检测器100中的所述电连接131中的一个所述电连接131。
图3A和图3B各自示出根据实施例的所述电子系统121的组件图。所述电子系统121可包括第一电压比较器301、第二电压比较器302、计数器320、开关305、电压表306和控制器310。
所述第一电压比较器301被配置为将二极管300的电极的电压与第一阈值进行比较。所述二极管可以是由所述第一掺杂区111、所述第二掺杂区113的所述离散区114之一和可选的所述本征区112形成的二极管。可替代地，所述第一电压比较器301被配置为将电触点的所述电压(例如，电触点119B的离散部分)与第一阈值进行比较。所述第一电压比较器301可被配置为直接监控所述电压，或通过对一段时间内流过所述二极管或所述电触点的电流进行积分来计算所述电压。所述第一电压比较器301可由所述控制器310可控地启动或停用。所述第一电压比较器301可以是连续比较器。即，所述第一电压比较器301可被配置为连续地被启动并连续地监控所述电压。被配置为连续比较器的所述第一电压比较器301减少了所述电子系统121错过由入射X射线光子产生的信号的机会。当入射的X射线强度相对较高时，被配置为连续比较器的所述第一电压比较器301是特别适合的。所述第一电压比较器301可以是钟控比较器，其具有功耗较低的优点。配置为钟控比较器的所述第一电压比较器301可能导致所述电子系统121错过某些入射X射线光子生成的信号。当入射X射线强度较低时，错过入射X射线光子的机会就较低，因为两个连续光子之间的时间间隔相对较长。因此，当入射X射线强度相对较低时，被配置为钟控比较器的所述第一电压比较器301是特别适合的。所述第一阈值可以是一个入射X射线光子在所述二极管和所述电阻器中所产生的最大电压的5-10％、10％-20％、20-30％、30-40％或40-50％。所述最大电压可取决于所述入射X射线光子的能量(即，所述入射X射线的波长)、所述X射线吸收层110的材料以及其他因素。例如，所述第一阈值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。
所述第二电压比较器302被配置为将所述电压与第二阈值进行比较。所述第二电压比较器302可被配置为直接监控所述电压，或通过对一段时间内流过所述二极管或所述电触点的电流进行积分来计算所述电压。所述第二电压比较器302可以是连续比较器。所述第二电压比较器302可由所述控制器310可控地启动或停用。当所述第二电压比较器302被停用时，所述第二电压比较器302的功耗可以是当所述第二电压比较器302启动时功耗的不到1％、不到5％、不到10％或不到20％。所述第二阈值的绝对值大于所述第一阈值的绝对值。如本文所使用的术语实数x的“绝对值”或“模数”|x|是x的非负值而不考虑它的符号。即，所述第二阈值可以是所述第一阈值的200％-300％。所述第二阈值可以是一个入射X射线光子在所述二极管和所述电阻器中所产生的最大电压的至少50％。例如，所述第二阈值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。所述第二电压比较器302和所述第一电压比较器301可以是相同组件。即，所述电子系统121可具有同一个电压比较器，该电压比较器可在不同时间将电压与两个不同的阈值进行比较。
所述第一电压比较器301或所述第二电压比较器302可包括一个或多个运算放大器或任何其他合适的电路。所述第一电压比较器301或所述第二电压比较器302可具有高速度以允许所述电子系统121在高通量入射X射线下操作。然而，具有高速度通常以功耗为代价。
所述计数器320被配置为记录到达所述二极管和所述电阻器的X射线光子的数目。所述计数器320可以是软件组件(例如，存储在计算机存储器中的数字)或硬件组件(例如，4017IC和7490IC)。
所述控制器310可以是硬件组件，例如，微控制器和微处理器等。所述控制器310被配置为从所述第一电压比较器301确定所述电压的绝对值等于或超过所述第一阈值的绝对值(例如，所述电压的绝对值从低于所述第一阈值的绝对值增加到等于或超过所述第一阈值的绝对值)时开始时间延迟。在这里使用绝对值是因为所述电压可以是负电压，也可以是正电压，具体取决于是否使用所述二极管的阴极或阳极的电压或哪个电触点被使用。所述控制器310可被配置为在所述第一电压比较器301确定所述电压的绝对值等于或超过所述第一阈值的绝对值之前，保持停用所述第二电压比较器302、所述计数器320、以及所述第一电压比较器301的操作中不需要的任何其他电路。在所述电压变得稳定(即所述电压的变化率大致为零)之前或之后，所述时间延迟可以期满。短语“变化率大致为零”意指所述电压的时间变化率小于0.1％/ns。短语“变化率大致为非零”意指所述电压的时间变化率至少为0.1％/ns。
所述控制器310可被配置为在所述时间延迟期间(包括开始和期满)启动所述第二电压比较器。在实施例中，所述控制器310被配置为在所述时间延迟开始时启动所述第二电压比较器。术语“启动”意指使组件进入操作状态(例如，通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平等信号，通过提供电力等)。术语“停用”意指使组件进入非操作状态(例如，通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平等信号，通过切断电力等)。所述操作状态可具有比所述非操作状态更高的功耗(例如，高10倍、高100倍、高1000倍)。所述控制器310本身可被停用直到所述第一电压比较器301的输出在所述电压绝对值等于或超过所述第一阈值绝对值时启动所述控制器310。
如果在所述时间延迟期间，所述第二电压比较器302确定所述电压的绝对值等于或超过所述第二阈值的绝对值，则所述控制器310可被配置为使所述计数器320记录的数目增加一。
所述控制器310可被配置为使所述电压表306在所述时间延迟期满时测量所述电压。所述控制器310可被配置为使所述电极连接到电接地，以复位所述电压并使所述电极上累积的任何载流子放电。在实施例中，所述电极在所述时间延迟期满后连接到电接地。在实施例中，所述电极连接到电接地并持续有限的复位时段。所述控制器310可通过控制所述开关305而使所述电极连接到所述电接地。所述开关可以是晶体管比如场效应晶体管(FET)。
在实施例中，所述电子系统121没有模拟滤波器网络(例如，RC网络)。在实施例中，所述电子系统121没有模拟电路。
所述电压表306可将其测量的电压以模拟或数字信号馈送给所述控制器310。
所述电子系统121可包括电连接到所述二极管300的所述电极或所述电触点的积分器309，其中所述积分器被配置为从所述电极收集载流子。所述积分器309可在放大器的反馈路径中包括电容器。如此配置的放大器称为电容跨阻放大器(CTIA)。CTIA通过防止所述放大器饱和而具有高的动态范围，并且通过限制信号路径中的带宽来提高信噪比。来自所述至少一个所述电触点119B的载流子在一段时间(“积分期”)(例如，如图4所示，在t0到t1之间，或在t1到t2之间)内累积在所述电容器上。在所述积分期期满后，所述电容器电压被采样，然后通过复位开关进行复位。所述积分器可包括直接连接到所述电极的电容器。
图4示意示出由入射在所述二极管和所述电阻器上的的X射线光子产生的载流子所引起的，流过所述电极的所述电流的时间变化(上曲线)和所述电极的电压的相应的时间变化(下曲线)。所述电压可以是所述电流相对于时间的积分。在时间t0，所述X射线光子撞击所述二极管和所述电阻器，载流子开始在所述二极管和所述电阻器中产生，电流开始流过所述二极管和所述电阻器的所述电极，并且所述电极或所述电触点的电压的绝对值开始增加。在时间t1，所述第一电压比较器301确定所述电压的绝对值等于或超过所述第一阈值V1的绝对值，所述控制器310开始时间延迟TD1，并且所述控制器310可在所述TD1开始时停用所述第一电压比较器301。如果所述控制器310在时间t1之前被停用，则在时间t1启动所述控制器310。在所述TD1期间，所述控制器310启动所述第二电压比较器302。这里使用的术语在时间延迟“期间”意指开始和期满(即，结束)和中间的任何时间。例如，所述控制器310可在所述TD1期满时启动所述第二电压比较器302。如果在所述TD1期间，所述第二电压比较器302确定在时间t2所述电压的绝对值等于或超过所述第二阈值的绝对值，则所述控制器310使述计数器320记录的数目增加一。在时间te，由所述X射线光子产生的所有载流子全部漂移出所述X射线吸收层110。在时间ts，所述TD1期满。在图4的示例中，时间ts在时间te之后；即TD1在所述X射线光子产生的所有载流子全部漂移出所述X射线吸收层110之后期满。因此所述电压的变化率在时间ts大致为零。所述控制器310可被配置为在TD1期满时或在时间t2，或在二者之间的任何时间停用所述第二电压比较器302。
所述控制器310可被配置为在所述时间延迟TD1期满时使所述电压表306测量所述电压。在实施例中，当所述电压的变化率在所述时间延迟TD1期满后变为大致为零之后，所述控制器310使所述电压表306测量所述电压。此时的所述电压与一个X射线光子产生的载流子的数目成正比，其与所述X射线光子的能量有关。所述控制器310可被配置为基于所述电压表306测得的电压来确定所述X射线光子的能量。确定所述能量的一种方法是对电压进行装仓。所述计数器320可具有用于每个仓的子计数器。当所述控制器310确定所述X射线光子的所述能量落在一个仓中时，该所述控制器310可以使在针对该仓的子计数器中记录的数目增加一。因此，所述电子系统121能够检测X射线的图像并且能够解析每个X射线光子的X射线光子能量。
在TD1期满之后，所述控制器310使所述电极连接到电接地并持续一个复位时段RST，以允许所述电极上累积的载流子流到地面并复位电压。在RST之后，所述电子系统121已准备好检测另一个入射X射线光子。隐含地，在图4的示例中所述电子系统121可以处理的入射X射线光子的速率受限于1/(TD1 RST)。如果所述第一电压比较器301被停用，所述控制器310可在RST期满之前的任何时间启动它。如果所述控制器310被停用，则其可在RST期满之前被启动。
图5示意示出在以图4所示的方式操作的所述电子系统121中，由噪声(例如，暗电流、背景辐射、散射辐射、荧光辐射、来自相邻像素的共用电荷)引起的流过所述电极的电流的时间变化(上曲线)，以及所述电极的电压的相应的时间变化(下曲线)。在时间t0，所述噪声开始。如果所述噪声没有大到足以导致所述电压的绝对值超过V1的绝对值，则所述控制器310不启动所述第二电压比较器302。如果所述噪声大到足以导致所述电压的绝对值如所述第一电压比较器301所确定的在时间t1超过V1的绝对值，则所述控制器310启动所述时间延迟TD1，并且所述控制器310可在TD1开始时停用所述第一电压比较器301。在TD1期间(例如，在TD1期满时)，所述控制器310启动所述第二电压比较器302。所述噪声非常不可能大到足以在TD1期间使所述电压的绝对值超过V2的绝对值。因此，所述控制器310不会使所述计数器320记录的数目增加。在时间te，所述噪声结束。在时间ts，所述时间延迟TD1期满。所述控制器310可被配置为在TD1期满时停用所述第二电压比较器302。如果在TD1期间所述电压的绝对值不超过V2的绝对值，则所述控制器310可被配置为不让所述电压表306测量所述电压。在TD1期满后，所述控制器310将使所述电极连接到电接地并持续一个复位周期RST，以允许由于噪声而累积在所述电极上的载流子流到地面并复位所述电压。因此，所述电子系统121可以非常有效地抑制噪声。
图6示意示出，当所述电子系统121以高于1/(TD1 RST)的速率操作以检测入射X射线光子时，由入射在所述二极管和所述电阻器上的X射线光子产生的载流子所引起的流过所述电极的电流的时间变化(上曲线)，以及所述电极的电压的相应的时间变化(下曲线)。所述电压可以是所述电流相对于时间的积分。在时间t0，所述X射线光子撞击所述二极管和所述电阻器，载流子开始在所述二极管和所述电阻器中产生，电流开始流过所述二极管和所述电阻器的所述电极，所述电极的电压的绝对值开始增加。在时间t1，所述第一电压比较器301确定所述电压的绝对值等于或超过所述第一阈值V1的绝对值，所述控制器310启动比TD1短的时间延迟TD2，并且所述控制器310可在TD2开始时停用所述第一电压比较器301。如果所述控制器310在时间t1之前已被停用，则所述控制器310在时间t1被启动。在TD2期间(例如，在TD2期满时)，所述控制器310启动所述第二电压比较器302。如果在TD2期间，所述第二电压比较器302确定所述电压的绝对值在时间t2等于或超过所述第二阈值的绝对值，则所述控制器310使所述计数器320记录的数目增加一。在时间te，由所述X射线光子产生的所有载流子都漂移到所述X射线吸收层110之外。在时间th，所述时间延迟TD2期满。在图6的示例中，时间th在时间te之前；即，TD2在由所述X射线光子产生的所有载流子都漂移出所述X射线吸收层110之前期满。因此，所述电压的变化率在时间th大致为非零。所述控制器310可被配置为在TD2期满时或在时间t2，或在二者之间的任何时间停用所述第二电压比较器302。
所述控制器310可被配置为根据在TD2期间作为时间函数的所述电压来推断在时间te处的所述电压，并使用所述推断的电压来确定所述X射线光子的能量。
在TD2期满后，所述控制器310使所述电极连接到电接地并持续一个复位时段RST，以允许所述电极上累积的载流子流到地面并复位所述电压。在实施例中，RST在时间te之前期满。所述电压的变化率在RST之后可大致为非零，因为由所述X射线光子产生的全部载流子在时间te之前的RST期满时还没有漂移出所述X射线吸收层110。所述电压的变化率在时间te之后变得大致为零，并且所述电压在时间te之后稳定在剩余电压VR。在实施例中，RST在时间te之时或之后期满，并且所述电压的变化率在RST之后可大致为零，因为由所述X射线光子产生的全部载流子在时间te漂移出所述X射线吸收层110。在RST之后，所述电子系统121已准备好检测另一个入射X射线光子。如果所述第一电压比较器301已被停用，所述控制器310可在RST期满之前的任何时间启动它。如果所述控制器310已被停用，则其可在RST期满之前被启动。
图7示意示出在以图6中所示的方式操作的所述电子系统121中，由噪声(例如，暗电流、背景辐射、散射辐射、荧光辐射、来自相邻像素的共用电荷)引起的流过所述电极的电流的时间变化(上曲线)，以及所述电极的电压的相应的时间变化(下曲线)。在时间t0，所述噪声开始。如果所述噪声没有大到足以导致电压的绝对值超过V1的绝对值，则所述控制器310不启动所述第二电压比较器302。如果所述噪声大到，如第一电压比较器301所确定的，足以导致所述电压的绝对值在时间t1超过V1的绝对值，则所述控制器310启动所述时间延迟TD2，并且所述控制器310可以在TD2开始时停用第一电压比较器301。在TD2期间(例如，在TD2期满时)，所述控制器310启动第二电压比较器302。所述噪声非常不可能大到足以在TD2期间使所述电压的绝对值超过V2的绝对值。因此，所述控制器310不会使所述计数器320记录的数目增加。在时间te，所述噪音结束。在时间th，所述时间延迟TD2期满。所述控制器310可被配置为在TD2期满时停用所述第二电压比较器302。在TD2期满之后，所述控制器310将所述电极连接到电接地并持续一个复位周期RST，以允许由于噪声而累积在所述电极上的载流子流到地面并复位所述电压。因此，所述电子系统121可非常有效地抑制噪声。
图8示意示出，在以图6中所示的方式操作的所述电子系统121中，RST在时间te之前期满，由入射在所述二极管和所述电阻器上的一系列X射线光子所产生的载流子引起的流过所述电极的电流的时间变化(上曲线)，以及所述电极的电压的相应的时间变化(下曲线)。由每个入射X射线光子产生的载流子所引起的电压曲线被所述X射线光子之前的剩余电压抵消。所述剩余电压的绝对值随每个入射X射线光子连续增加。当所述剩余电压的绝对值超过V1时(参见图8中的虚线矩形)，所述控制器启动所述时间延迟TD2，并且所述控制器310可在TD2开始时停用所述第一电压比较器301。如果在TD2期间没有其他X射线光子入射在所述二极管和所述电阻器上，则所述控制器在TD2结束时的复位时间段RST期间将所述电极连接到电接地，从而复位所述剩余电压。因此，所述剩余电压不会导致所述计数器320记录的数目增加。
图9A示出适用于使用诸如图4所示的所述电子系统121之类的系统来检测X射线的方法的流程图。在步骤901中，将暴露于X射线的二极管的电极或电阻器的电触点的电压与第一阈值进行比较(例如，使用所述第一电压比较器301)。在步骤902中，确定(例如，使用所述控制器310)所述电压的绝对值是否等于或超过所述第一阈值V1的绝对值。如果所述电压的绝对值没有等于或超过所述第一阈值的绝对值，则所述方法返回到步骤901。如果所述电压的绝对值等于或超过所述第一阈值的绝对值，则继续到步骤903。在步骤903中，开始(例如，使用所述控制器310)时间延迟TD1。在步骤904，在所述时间延迟TD1期间(例如，在TD1期满时)，启动(例如，使用所述控制器310)电路(例如，所述第二电压比较器302或所述计数器320)。在步骤905中，将所述电压与所述第二阈值进行比较(例如，使用所述第二电压比较器302)。在步骤906中，确定(例如，使用所述控制器310)所述电压的绝对值是否等于或超过所述第二阈值V2的绝对值。如果所述电压的绝对值没有等于或超过所述第二阈值的绝对值，则所述方法进入步骤910。如果所述电压的绝对值等于或超过所述第二阈值的绝对值，则继续到步骤907。在步骤907中，使(例如，使用所述控制器310)所述计数器320中记录的数目增加一。在可选的步骤908中，测量(例如，使用所述电压表306)在所述时间延迟TD1期满时的所述电压。在可选的步骤909中，基于在步骤908中测得的所述电压来确定(例如，使用所述控制器310)所述X射线光子能量。每个能量仓可以有一个计数器。在测量了所述X射线光子能量后，所述X射线光子能量所属的所述仓的计数器可以增加一。所述方法在步骤909之后进入步骤910。在步骤910中，将所述电压重置为电接地(例如，通过将所述二极管的所述电极或电阻器的电触点连接到电接地)。步骤908和909可被省略，例如，当相邻像素共用从单个X射线光子产生的载流子的大部分(例如，＞30％)时。
图9B示出适用于使用诸如图6所示的所述电子系统121之类的系统检测X射线的方法的流程图。在步骤1001中，将二极管的电极或电阻器的电触点的电压与所述第一阈值进行比较(例如，使用所述第一电压比较器301)。在步骤1002中，确定(例如，利用所述控制器310)所述电压的绝对值是否等于或超过所述第一阈值V1的绝对值。如果所述电压的绝对值没有等于或超过所述第一阈值的绝对值，则所述方法返回到步骤1001。如果所述电压的绝对值等于或超过所述第一阈值的绝对值，则继续到步骤1003。在步骤1003中，开始(例如，使用所述控制器310)所述时间延迟TD2。在步骤1004中，在时间延迟TD2期间(例如，在TD2期满时)，启动(例如，使用所述控制器310)电路(例如，第二电压比较器302或计数器320)。在步骤1005中，将所述电压与所述第二阈值进行比较(例如，使用所述第二电压比较器302)。在步骤1006中，确定(例如，使用所述控制器310)所述电压的绝对值是否等于或超过所述第二阈值V2的绝对值。如果所述电压的绝对值没有等于或超过所述第二阈值的绝对值，则所述方法进入步骤1010。如果所述电压的绝对值等于或超过所述第二阈值的绝对值，则继续步骤1007。在步骤1007中，使(例如，使用所述控制器310)所述计数器320中记录的数目增加一。所述方法在步骤1007之后进入步骤1010。在步骤1010中，将所述电压重置(例如，通过将所述二极管的所述电极或电阻器的电触点连接到电接地)为电接地。
所述半导体X射线检测器100可用于相衬X射线成像(PCI)(也称为相敏X射线成像)。PCI包含至少部分地使用由物体引起的X射线束的相移(包括相移的空间分布)来形成所述物体图像的技术。获得相移的一种方法是将相位转换为强度变化。
PCI可以与断层摄影技术结合以获得所述物体的折射率的实部的3D分布。与传统的基于强度的X射线成像(例如射线照相)相比，PCI对所述物体的密度变化更敏感。PCI对软组织成像尤其有用。
根据实施例，图10示意示出适用于PCI的系统1900。所述系统1900可包括至少两个X射线检测器1910和1920。所述两个X射线检测器1910之一或其两个是本文所述的半导体X射线检测器100。所述X射线检测器1910和1920可由间隔件1930隔开。所述间隔件1930可对所述X射线具有非常少的吸收。例如，所述间隔件1930可具有非常小的质量衰减系数(例如，<10cm2g-1、<1cm2g-1、<0.1cm2g-1或<0.01cm2g-1)。所述间隔件1930的质量衰减系数可是均匀的(例如，所述间隔件1930中每两个点之间的变化小于5％、小于1％或小于0.1％)。所述间隔件1930可以使穿过所述间隔件1930的X射线的相位改变相同的数量。例如，所述间隔件1930可以是气体(例如，空气)，真空室，其可包括铝、铍、硅或其组合。
所述系统1900可用于获得由成像的物体1960引起的入射X射线1950的相移。所述X射线检测器1910和所述X射线检测器1920可以同时捕获两个图像(即，强度分布)。由于所述X射线检测器1910和所述X射线检测器1920被所述间隔物1930隔开，所以两个图像距所述物体1960的距离不同。例如，可以使用基于菲涅耳衍射积分线性化的算法从所述两个图像确定所述相位。
根据实施例，图11示意示出适用于PCI的系统1800。所述系统1800包括本文所述的半导体X射线检测器100。所述半导体X射线检测器100被配置为移动并在距物体1860不同距离处捕获暴露于入射X射线1850的所述物体1860的图像。所述图像可以不必同时被捕获。例如，可以使用基于菲涅耳衍射积分线性化的算法从所述图像确定所述相位。
图12示意示出包括本文所述的半导体X射线检测器100的系统。所述系统可用于医学成像，比如胸部X射线照相、腹部X射线照相等。所述系统包括X射线源1201。从所述X射线源1201发射的X射线穿透物体1202(例如，人体部分比如胸部、四肢、腹部)，被所述物体1202的内部结构(例如，骨骼、肌肉、脂肪和器官等)不同程度地衰减，并被投射到所述半导体X射线检测器100。所述半导体X射线检测器100通过检测所述X射线的强度分布来形成图像。
图13示意示出包括本文所述的半导体X射线检测器100的系统。所述系统可用于医学成像，比如牙科X射线照相。所述系统包括X射线源1301。从所述X射线源1301发射的X射线穿透作为哺乳动物(例如，人)口腔一部分的物体1302。所述物体1302可包括上颌骨、上颚骨、牙齿、下颌骨或舌头。所述X射线被所述物体1302的不同结构不同程度地衰减并被投射到所述半导体X射线检测器100。所述半导体X射线检测器100通过检测所述X射线的强度分布来形成图像。牙齿吸收X射线比龋齿、口腔病害、牙周韧带等更多。牙科患者接受的X射线辐射剂量通常很小(对于一个完整的口腔系列，约为0.150mSv)。
图14示意示出包括本文所述的半导体X射线检测器100的货物扫描或非侵入式检查(NII)系统。所述系统可用于检查和识别运输系统中的货物，比如集装箱、车辆、船舶、行李等。所述系统包括X射线源1401。从所述X射线源1401发射的X射线可从物体1402(例如，运输集装箱、车辆、船舶等)反向散射并被投射到所述半导体X射线检测器100。所述物体1402的不同内部结构可不同地反向散射X射线。所述半导体X射线检测器100通过检测所述反向散射的X射线的强度分布和/或所述反向散射的X射线光子的能量来形成图像。
图15示意示出包括本文所述的半导体X射线检测器100的另一货物扫描或非侵入式检查(NII)系统。所述系统可用于公共交通站和机场的行李检查。所述系统包括X射线源1501。从所述X射线源1501发射的X射线可穿透一件行李1502，被行李的内容物不同程度地衰减，并被投射到所述半导体X射线检测器100。所述半导体X射线检测器100通过检测透射的X射线的强度分布来形成图像。所述系统可揭示行李的内容并识别公共交通上禁止的物品，例如枪支、麻醉品、利器、易燃物品。
图16示意示出包括本文所述的半导体X射线检测器100的全身扫描仪系统。所述全身扫描仪系统可检测人体上的物体以进行安全检查，而无需物理地移除衣物或进行身体接触。所述全身扫描仪系统能够检测非金属物体。所述全身扫描仪系统包括X射线源1601。从所述X射线源1601发射的X射线可从被屏蔽的人1602及其上的物体反向散射，并被投射到所述半导体X射线检测器100。所述物体和所述人体可不同地反向散射X射线。所述半导体X射线检测器100通过检测反向散射的X射线的强度分布来形成图像。所述半导体X射线检测器100和所述X射线源1601可被配置为沿线性或旋转方向扫描人。
图17示意示出一种X射线计算机断层扫描(X射线CT)系统。所述X射线计算机断层扫描(X射线CT)系统使用计算机处理的X射线来产生被扫描物体的特定区域的断层图像(虚拟“切片”)。所述断层图像可用于各种医学学科中的诊断和治疗目的，或用于探伤检测、失效分析、计量学、装配分析和逆向工程。所述X射线计算机断层扫描(X射线CT)系统包括本文所述的半导体X射线检测器100和X射线源1701。所述半导体X射线检测器100和所述X射线源1701可被配置为沿着一个或多个圆形或螺旋形路径同步旋转。
图18示意示出一种电子显微镜。所述电子显微镜包括电子源1801(也称为电子枪)，其被配置为发射电子。所述电子源1801可具有各种发射机制，比如热离子、光电阴极、冷发射或等离子体源。发射的所述电子穿过电子光学系统1803，其可被配置为塑形、加速或聚焦所述电子。然后所述电子到达样品1802并且图像检测器可由此形成图像。所述电子显微镜可包括本文所述的半导体X射线检测器100，用于执行能量色散X射线光谱(EDS)。能量色散X射线光谱(EDS)是一种用于样品的元素分析或化学表征的分析技术。在所述电子入射到样品上时，它们导致所述样品发出特征X射线。所述入射电子可激发所述样品中原子内壳层的电子，将其从所述壳体中射出，同时产生所述电子之前所在的电子空穴。然后来自外层、更高能量壳的电子填充所述空穴，并且较高能量壳和较低能量壳之间的能量差可以以X射线的形式释放。从所述样品发射的X射线的数目和能量可由所述半导体X射线检测器100测量。
这里描述的所述半导体X射线检测器100可具有其他应用，比如X射线望远镜、乳腺X射线照相、工业X射线缺陷检测、X射线显微镜或X射线显微照相、X射线铸件检验、X射线无损检测、X射线焊缝检验、X射线数字减影血管造影等。它可适用于使用所述半导体X射线检测器100代替照相底片、摄影胶片、PSP胶片、X射线图像增强器、闪烁体或另一种半导体X射线检测器。
尽管本文已经公开了各个方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。本文公开的各个方面和实施例是为了说明的目的而不是限制性的，其真正的范围和精神应该以本文中的权利要求书为准。
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