一種多電極的能量積分型X射線能譜探測器的制作方法

本實用新型涉及一種探測器。特別是涉及一種用于醫用X射線能譜探測的多電極的能量積分型X射線能譜探測器。

背景技術：

能譜CT(Computed Tomography，電子計算機斷層掃描)主要利用人體組織對不同能量的X射線光子的吸收差異進行圖像重建，可以實現更精確的物質分離和鑒定。高精度的能量敏感型X射線探測器是能譜CT的關鍵部分。多電極硅條狀的單光子計數探測器是目前較常見的一種直接型X射線探測器，順序排布的正電極主要實現鄰近范圍內的單個光子與Si半導體直接作用產生的光生電荷的收集，探測器通過探測光電流脈沖高度來鑒別單個入射光子的能量，并對不同能量的射線光子分類計數。該探測器理論上具有較高的能量分辨率，但是由于半導體中載流子遷移率的限制，在高光子流的情況下極易出現多個光子產生的光電流堆疊的現象，嚴重地降低了探測器光子鑒別能力；而且探測器相鄰電極之間缺少電荷隔離，存在不可避免的電極間電荷分享的現象，造成對光電流脈沖高度的錯誤判斷。目前光子計數型探測器的最高計數率達到10⁸光子/mm²/s，還遠不能滿足實際的離床需求。

醫用多色X射線具有連續的能譜，射線在半導體內遵循指數型的衰減規律，不同能量的射線吸收情況存在差異，一般低能段X射線將在半導體較淺處吸收，高能段X射線將集中在半導體的較深處吸收，可以將X射線的連續能譜離散成若干個不同寬度的能譜段分別進行集成探測。X射線與半導體直接作用產生的光生電荷數目與光子的能量存在正比的關系，單個光子能量越高，光生電荷數目也越多。

光子計數型探測器存在光電流堆疊、極間電荷分享等較多誤差影響，而且計數率無法滿足臨床實際需求。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是，提供一種不僅降低了病人的輻射劑量，而且為能譜CT圖像重建提供更具體、多樣的投影數據的多電極的能量積分型X射線能譜探測器。

本實用新型所采用的技術方案是：一種多電極的能量積分型X射線能譜探測器，包括無摻雜的本征半導體敏感區，所述本征半導體敏感區的一側表面通過重摻雜形成P型區，所述本征半導體敏感區的另一側表面通過重摻雜形成N型區，所述P型區遠離本征半導體敏感區一側的表面上設置有背面電極，所述本征半導體敏感區和N型區部分采用淺溝槽隔離結構被隔離為沿X射線能譜探測器寬度方向具有2個以上的像素單元的結構，每一個所述的像素單元的N型區遠離本征半導體敏感區一側的表面上由上至下設置有長度依次遞增的第一正面電極、第二正面電極和第三正面電極，所述每一個像素單元的第一正面電極、第二正面電極和第三正面電極分別各依次通過一個整形濾波器和一個電荷積分器共同連接本像素單元中的集成電路處理器，每一個所述的像素單元的上端表面構成X射線的入射面。

所述的淺溝槽隔離結構是在所述本征半導體敏感區和N型區部分長度方向形成有1個以上的淺溝隔離槽，每一個所述的淺溝隔離槽內都嵌入有絕緣層。

所述淺溝隔離槽的槽底位于本征半導體敏感區的厚度之間。

所述第一正面電極的長度為：1cm～1.5cm，所述第二正面電極的長度為：1.5cm～2.0cm，所述第三正面電極的長度為：2.5cm～3.0cm。

所述第一正面電極、第二正面電極和第三正面電極的厚度相同，均為0.0001cm～0.0005cm。

所述第一正面電極、第二正面電極和第三正面電極的寬度相同，均為0.02cm～0.07cm。

由所述背面電極、P型區、本征半導體敏感區、N型區和正面電極構成的X射線能譜探測器的線陣長度為5cm～6cm；寬度為3×0.02cm～3×0.07cm；，厚度為0.05cm～0.06cm。

本實用新型的一種多電極的能量積分型X射線能譜探測器，不是對單個入射光子進行逐個能量甄別，而是通過每個電極收集的光生電荷總量獲得相應的分段能譜的光強衰減信息。本實用新型將連續射線能譜進行分段集成探測，不受射線源光子流量的限制，而且不同像素之間的隔離層極大地降低了不同像素之間的電荷分享影響，經過一次射線曝光，利用不同厚度的半導體內光生電荷總數，即可獲得多個分段能譜的X射線衰減信息，降低了掃描時間和射線劑量，提高了時間和空間的分辨率，為能譜CT成像提供了更具體、多樣的投影信息。

附圖說明

圖1是本實用新型多電極的能量積分型X射線能譜探測器線陣結構示意圖；

圖2是本實用新型中一個像素單元的結構示意圖。

圖中

101：第一正面電極 102：第二正面電極

103：第三正面電極 104：X射線

105：本征半導體敏感區 106：P型區

107：N型區 108：背面電極

109：整形濾波器 110：電荷積分器

111：集成電路處理器 112：絕緣層

A：像素單元

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本實用新型的一種多電極的能量積分型X射線能譜探測器做出詳細說明。

本實用新型提出了一種不同于光子技術模式的能量積分型X射線分段能譜探測器，不是對單個入射光子進行逐個能量甄別，而是對各個分段能譜內的光子進行集成探測。

如圖1、圖2所示，本實用新型的一種多電極的能量積分型X射線能譜探測器，包括無摻雜的本征半導體敏感區105，所述本征半導體敏感區105的一側表面通過重摻雜形成P型區106，所述本征半導體敏感區105的另一側表面通過重摻雜形成N型區107，所述P型區106遠離本征半導體敏感區105一側的表面上設置有背面電極108，所述背面電極108可以完全覆蓋P型區106，也可以參照正面電極順序排布，射線曝光時施加負電壓，主要實現空穴的收集。所述本征半導體敏感區105和N型區107部分采用淺溝槽隔離結構被隔離為沿X射線能譜探測器寬度方向(W方向)具有2個以上的像素單元的結構，所述的淺溝槽隔離結構是在所述本征半導體敏感區105和N型區107部分長度方向(L方向)形成有1個以上的淺溝隔離槽，每一個所述的淺溝隔離槽內都嵌入有絕緣層112。所述淺溝隔離槽的槽底位于本征半導體敏感區105的厚度(T方向)之間。每個像素單元之間被絕緣層112隔離，主要作用是防止不同像素單元相鄰電極之間的電荷串擾。

所述P型區106和N型區107主要作用是通過電荷-空穴的擴散形成PN結，提供內建電場，本征半導體敏感區105為無摻雜的本征半導體敏感區，其主要作用是吸收入射光子并產生電子-空穴對。

每一個所述的像素單元的N型區107遠離本征半導體敏感區105一側的表面上由上至下設置有長度依次遞增的第一正面電極101、第二正面電極102和第三正面電極103，每個電極的長度以半導體全部吸收相應的分段能譜內的射線光子為宜。所述每一個像素單元的第一正面電極101、第二正面電極102和第三正面電極103分別各依次通過一個用于濾除光電流的噪聲的整形濾波器109和一個用于對光電流積分，實現光生電荷數量化的電荷積分器110共同連接本像素單元中的集成電路處理器111，所述集成電路處理器111的主要作用是根據每個電極收集到的光生電荷總量，根據光強與光生電荷的線性關系，計算得到相應的分段能譜的光強信息。每一個所述的像素單元的上端表面構成X射線104的入射面。X射線104自本實用新型的X射線能譜探測器像素的上邊緣入射，從而能夠實現不同能量段的X射線在半導體內不同的區域吸收，能量較低的光子將在淺層吸收完畢，能量較高的光子將在較深處的半導體內吸收。射線曝光時，第一正面電極101、第二正面電極102和第三正面電極103將被施加相同的正電壓，使PN結工作于反偏狀態，第一正面電極101、第二正面電極102和第三正面電極103將會收集相應能量段內的光子產生的光生電荷，并將其以光電流的形式導出。

所述第一正面電極101的長度(L方向)為：1cm～1.5cm，所述第二正面電極102的長度(L方向)為：1.5cm～2.0cm，所述第三正面電極103的長度(L方向)為：2.5cm～3.0cm。

所述第一正面電極101、第二正面電極102和第三正面電極103的厚度(T方向)相同，均為0.0001cm～0.0005cm。

所述第一正面電極101、第二正面電極102和第三正面電極103的寬度(W方向)相同，均為0.02cm～0.07cm。

由所述背面電極108、P型區106、本征半導體敏感區105、N型區107和正面電極構成的X射線能譜探測器的線陣長度(L方向)為5cm～6cm；寬度(W方向)為3×0.02cm～3×0.07cm；，厚度(T方向)為0.05cm～0.06cm。

下面通過實例進一步說明本實用新型，但并不因此將本實用新型限制于所述的實例范圍內，本領域普通技術人員根據本實用新型構思，而做出的簡單變化，應當在本實用新型所要求保護的范圍內。具體實例如下：

對于單個探測器像素單元，以待探測的醫用射線能譜10Kev-100Kev為例，擬選用硅半導體晶體作為襯底材料，并按照本實用新型所述分別進行P型和N型摻雜，摻雜濃度均為10¹⁶/cm³，摻雜區域的厚度(T方向)均為0.005cm，半導體晶體總厚度為0.05cm，本征半導體區厚度為0.04cm，為了全部吸收能量在100Kev的光子，半導體晶體的長度(L方向)設置為5cm，半導體晶體寬度(W方向)設置為0.04cm，每個像素單元的感光面為0.04cm×0.05cm。

假設能譜分段區間為3個，分別為(10Kev-30Kev)，(30Kev-60Kev)，(60Kev-100Kev)，則每個像素單元的正面電極個數也設置為3個，為了在合適厚度的半導體內全部吸收相應能譜段內的光子，電極的縱向長度(L方向)分別設置為1cm，1.5cm，2.5cm，電極的厚度(T方向)均設置為0.0001cm，電極的均寬度(w方向)設置為0.02cm。

背面電極將完全覆蓋半導體背面，厚度參考正面電極。

在探測器線陣結構中，相鄰像素之間擬采用淺溝槽隔離方式。

整個探測器線陣的長度(L方向)為5cm，寬度(W方向)為3×0.04cm，厚度(T方向)為0.05cm。X射線將從探測器的上邊緣入射，不同能量段的光子將在不同電極長度的范圍內被完全吸收，通過像素單元各個電極收集到的光生電荷總量，即可解析得到入射射線分段能譜。