直接转换辐射检测器制造技术

描述了一种装置，包括：网络，其包括用于传输正电荷的第一材料(例如电子供体、空穴传输材料、p型半导体)和用于传输负电荷的第二材料(例如电子受体、电子传输材料、n型半导体)，所述第一和第二材料分散在网络内以形成多个电结；以及分散在网络内的多个纳米颗粒，其中所述纳米颗粒的至少一个尺寸大于所述纳米颗粒的激子波尔半径的两倍，并且至少一个尺寸小于100nm，并且其中，在使用时，所述纳米颗粒将入射辐射转换成自由的正负电荷，以分别通过所述第一材料和第二材料传输。

Direct Conversion Radiation Detector

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】直接转换辐射检测器
本专利技术涉及辐射检测。例如，描述了用于辐射检测的材料和包括这种材料的检测器。
技术介绍
电离(例如核)辐射在一系列应用中的广泛使用，例如在辐射治疗、安全筛选和工业应用中，需要开发适当的辐射检测技术。文中术语“电离辐射”和“核辐射”都被认为延伸到α粒子、β粒子、X射线、γ射线等。常见的核辐射检测器包括半导体装置，通常是硅(Si)或锗(Ge)。这些固态装置通过测量响应入射辐射在检测器体积中产生的电荷载流子(电子和空穴)的数量来检测核或电离辐射。当高能辐射光子或粒子与检测器中的活性半导体材料碰撞时，其会引起电离并产生电荷载流子。产生的电荷载流子在施加的偏压所产生的电场的影响下被加速。这导致可以容易地在电极处收集的电流。可以发现电流与沉积在材料中的辐射剂量成比例。取决于入射辐射的光子的能量和材料的原子序数(Z)，存在物质被广泛归因于与入射光子相互作用的三种主要机制，即光电效应、康普顿散射和配对产生。检测器可以测量入射辐射量、空间分布、辐射光谱和其他性质。基于硅的固态无机辐射检测器是已知的。尽管无机检测器具有优异的性能，但由于使用了结晶检测器材料，因此他们具有主要缺点，例如弯曲几何形状的可制造性，脆性活性材料，高制造成本和有限的检测器尺寸。与其明确建立的无机对应物相比，有机半导体(例如半导体聚合物)具有几个优点，使得他们成为大面积，低成本电子装置的有吸引力的候选者。由这些有机半导体组成的油墨可以通过将共轭聚合物、低聚物和小分子溶解在普通有机溶剂中来制备。然后可以使用常规湿法处理技术将这些油墨简单地涂覆到基板上，从而以极低的成本生产大面积装置。由于其柔性特性，因此基于有机半导体的大面积检测器面板可以形成弯曲的几何形状，例如管，以放置在管道周围以监测例如放射性流体。柔性有机剂量计还可用于患者剂量计，用于X射线诊断或癌症治疗，例如，通过在患者身体的多部分(例如肢体)周围形成大面积像素化检测管，以提供局部空间分辨的剂量测量。已知的高能辐射检测器的一些特征包括弱暗电流(漏电流)，良好的整流行为，高电荷载流子迁移率和高辐射阻止功率。通常，固态检测器可以被细分类为“直接”和“间接”检测器。图1示出了基于有机光电二极管的示例性间接辐射检测布置，通常由附图标记200指示。检测布置200包括闪烁体材料202和光电二极管204。在间接转换检测器中，电离辐射转换为电信号以两步过程发生。通常，此过程的第一步涉及借助于闪烁体材料202将入射辐射转换为可见光。第二步则通过使用吸收可见光以产生电信号的诸如光电二极管(例如光电二极管204)的第二传感器，将第一检测器材料的输出(在闪烁体是可见光的情况下)转换为电信号。由于分级转换效率(小于100％)影响每个级，因此间接检测器技术的多级性质导致入射辐射以低效率(分级效率的倍增)转换为电流。相比之下，直接检测器将入射的电离辐射直接转换为电信号。由于此转换是单级过程，因此使用单组优化参数具有最小的效率损失。以前已经证明，辐射诱导的光电流可以在直接辐射检测器中的金属/半导体聚合物/金属装置结构中使用单一均质材料如聚-(三芳胺)(PTAA)、聚([9,9-二辛基芴基-2,7-二基]-共-联噻吩)(F8T2)实现。这种材料是活性聚合物材料，但他们只能携带单一类型的电荷(电子或空穴)。包括单一均质材料的装置(单一有机半导体系统)的单载波特性降低了可实现的总体信号响应。有机半导体通常由低原子序数(低Z)碳和氢组成原子组成，这导致高能量辐射的低阻止功率(衰减)。本专利技术试图解决至少一些上述问题。
技术实现思路
在第一方面中，本说明书描述了一种装置，包括：网络(例如，体异质结)，其包括用于传输正电荷的第一材料(例如(有机或无机)电子供体、空穴传输材料、p-型半导体)和用于传输负电荷的第二材料(例如(有机或无机)电子受体、电子传输材料、n-型半导体)，第一材料和第二材料分散在网络内以形成多个电结；以及分散在网络内的多个纳米颗粒，其中所述纳米颗粒的至少一个尺寸(例如直径)大于所述纳米颗粒的激子波尔半径的两倍，并且至少一个尺寸(例如直径)小于100nm，并且其中，使用时，所述纳米颗粒将入射辐射(例如直接)转换成自由的正负电荷，以分别通过所述第一材料和第二材料传输。所述辐射可包括α粒子、β粒子、中子、X射线和γ射线中的一种或多种。可以根据能够由装置检测的辐射形式来选择纳米颗粒的一个或多个尺寸(例如直径)和/或材料。纳米颗粒可以使入射辐射衰减。纳米颗粒可以在(单个)辐射-纳米颗粒相互作用事件中将所述辐射转换成正负电荷。纳米颗粒的至少一个尺寸(例如直径)可介于20nm和100nm之间(例如介于30nm和50nm之间)。纳米颗粒可具有至少45的原子序数。纳米颗粒可由一种或多种金属氧化物形成。第一材料和第二材料可以是有机半导体。在第二方面中，本说明书描述了一种辐射检测器，包括：第一电极；第二电极；以及如上关于第一方面所述的装置。辐射检测器可包括电流测量装置。辐射检测器可包括电压源(例如电池)。可以提供电压源以在辐射检测器上施加电场以帮助将电子和空穴扫描到相应的电极。如在本说明书中的其他地方所指出的，在一些实施中可省略此电压源。辐射检测器可以进一步包括无线发射器，其能够将实时数据传输到远程计算机(例如，以能够维持剂量计的使用者随时间暴露的辐射剂量的记录和/或生成警告机制，其将告知使用者潜在的辐射危害)。辐射检测器可包括用于指示辐射水平的显示器。在第三方面中，本说明书描述了一种系统，包括如上关于第二方面所述的多个辐射检测器。可以布置多个辐射检测器中的至少一些(例如，通过选择适当的纳米颗粒)来检测不同类型的辐射(例如，中子和X射线)和/或识别特定辐射的不同能量。根据第二方面的辐射检测器或根据第三方面的系统的辐射检测器可以集成在刚性背衬或柔性背衬上(例如在塑料片或石膏等上)。在第四方面中，本说明书描述了一种方法，包括：使用如上关于第一方面所述的装置或如上关于第二方面所述的辐射检测器或如上关于第三方面所述的系统以将入射辐射转换为自由正负电荷；并记录由正负电荷产生的特性(例如电流)。入射辐射可以在(单个)辐射-纳米颗粒相互作用事件中被转换成正负电荷。电流可以响应于在装置上施加的电压(来自电池)(或者在没有外部电压下，由于装置的内置电势)而产生。此方法还可以包括将记录的电流转换为辐射水平的估计值。(这也可以用于估计所接收的辐射的能量(非剂量)，但是用于识别，例如，对于能量色散X射线光谱学是否发射了50keVX射线)在第五方面中，提供计算机可读指令，当由计算设备对其执行时，使计算设备执行关于第四方面所述的任何方法。在第六方面中，提供了一种设备，包括：至少一个处理器；包括计算机程序代码的至少一个存储器，当由所述至少一个处理器执行所述计算机程序代码时，使得所述设备：使用如上关于第一方面所述的装置或如上关于第二方面所述的辐射检测器或如上关于第三方面所述的系统以将入射辐射转换为自由的正负电荷；并记录由正负电荷产生的特性(例如电流)。在第七方面中，本说明书描述了一种设备，包括：用于使用如上关于第一方面所述的装置或如上关于第二方面所述的辐射检测器或如上关于第三方面描述的系统的装置，以将入射辐射转换成自由的正负电荷；和用于记录由正负电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，包括：网络，其包括用于传输正电荷的第一材料和用于传输负电荷的第二材料，所述第一材料和第二材料分散在所述网络内以形成多个电结；以及分散在所述网络内的多个纳米颗粒，其中所述纳米颗粒的至少一个尺寸大于所述纳米颗粒的激子玻尔半径的两倍，并且至少一个尺寸小于100nm，并且其中，在使用时，所述纳米颗粒将入射辐射转换成自由的正电荷和负电荷，以分别通过所述第一材料和第二材料传输。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.27 US 62/413,4521.一种装置，包括：网络，其包括用于传输正电荷的第一材料和用于传输负电荷的第二材料，所述第一材料和第二材料分散在所述网络内以形成多个电结；以及分散在所述网络内的多个纳米颗粒，其中所述纳米颗粒的至少一个尺寸大于所述纳米颗粒的激子玻尔半径的两倍，并且至少一个尺寸小于100nm，并且其中，在使用时，所述纳米颗粒将入射辐射转换成自由的正电荷和负电荷，以分别通过所述第一材料和第二材料传输。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述纳米颗粒使所述入射辐射衰减。3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述纳米颗粒在辐射-纳米颗粒相互作用事件中将所述辐射转换成正电荷和负电荷。4.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中所述纳米颗粒的至少一个尺寸在20nm和l00nm之间。5.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中所述纳米颗粒的原子序数至少为45。6.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中所述纳米颗粒由一种或多种金属氧化物形成。7.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中所述第一材料和第二材料是有机半导体。8.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中所述网络是体异质结。9.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中所述辐射包括α粒子、β粒子、中子、X射线和γ射线中的一种或多种。10.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中所述纳米颗粒的尺寸和/或材料根据旨在被所述装置检测的辐射形式来选择。11.一种辐射检测器，其包括：第一电极；第二电极；以及根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其夹在所述第一电极和第二电极之间。12.根据权利要求11所述的辐射检测器，还包括电流测量装置。13.根据权利要求11或12所述的辐射检测器，还包括电压源。14.根据权利要求11至13中任一项所述的辐射检测器，还包括无线发射器，所述无线发射器能够将实时数据传输到远程计算机。15...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·M·蒂里曼纳，K·D·G·I·贾亚瓦德纳，S·R·P·西尔瓦，C·A·米尔斯，
申请(专利权)人：西尔弗雷有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB