光谱和空间分辨X射线和粒子检测系统技术方案

X射线或带电粒子成像系统的检测系统利用高带隙、直接转换x射线检测材料。X射线/带电粒子投影的信号记录在例如液晶(LC)光阀的空间光调制器中。然后通过偏振光光学显微镜和高速相机读出光阀。相机用于跟踪光阀中的晕斑以分辨其强度，并关联输入的x射线光子或带电粒子的强度。这允许空间分辨成像用x射线和/或带电粒子光谱仪。粒子光谱仪。粒子光谱仪。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光谱和空间分辨X射线和粒子检测系统

技术介绍

[0001]X射线显微术和其他X射线成像应用需要以高空间分辨率和高效率检测X射线光子(＜500keV)。这通常可以通过扫描系统和简单(例如，单元件)检测系统实现，或者通过像素化或空间分辨的全场和更复杂检测系统实现。
[0002]目前一些全场x射线显微镜的检测系统利用薄闪烁体检测器与电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)或互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)相机的光学耦合。有时耦合是直接的。在其他情况下，它们通过光学显微镜耦合。这些设置通过结合x射线区域和/或光学区域的放大率实现高分辨率成像。
[0003]另一类全场检测系统利用高带隙、直接转换光电导检测材料。x射线或高能粒子的信号(例如投影)记录在相邻的空间光调制器(例如液晶(liquid crystal，LC)光阀(light valve，LV))中。然后，光阀由例如光学显微镜的外部光源照明。与当前闪烁体
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光学显微镜
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相机检测系统相比，这种配置可以减轻光学系统中的光损失。
[0004]光谱/能量分辨检测系统也是已知的。目前的高分辨率x射线(也包括γ射线/带电粒子)光谱仪通常包括半导体(例如，硅、液氮温度下的高纯度锗以及CdTe/CdZnTe)检测器以及配套电子设备，用于放大和处理由撞击的单个x射线光子或粒子形成的电脉冲。最常见的光谱仪只有一个检测器元件，因此只检测入射x射线光子的能量和时序信息。
[0005]像素化光谱分辨检测系统也是已知的。通常，他们具有重复相同的放大器和处理电路，以提供空间分辨率。然而，由于像素较小，此类系统通常具有较低的能量分辨率。并且，由于电子设备的半导体加工程序和高成本，这些像素化检测器的成本通常很高。空间分辨光谱仪的最新发展是pnCCD x射线相机，它可以提供高能量和空间(48微米(μm)像素)分辨率。然而，由于目前它只能由硅制成，因此它的适用检测能量仅限于较低的x射线能量。
[0006]所有现有光谱仪的共同缺点是，它们只能用于检测相对较低的x射线光子通量。这是因为所有这些检测器都需要单独测量x射线光子，以检测它们的能量(以及空间分辨光子的位置)。每个x射线光子在检测器中诱发一个电子脉冲，并且脉冲是单独测量的。因此，较高的通量率会导致电子脉冲相互重叠，从而导致限制最大可能通量率的堆积问题。
[0007]对于现有的光谱仪(主要是空间分辨光谱仪)，克服这个问题的一种方法是减小像素大小。然而，这一战略既有物理限制，也有技术限制。由于像素的耦合，物理上较小的像素将具有较大的串扰，更重要的是将具有加权的潜在串扰，即一个像素区域内的x射线沉积在多个相邻像素处诱发信号。因此，很快就会达到较小像素不会显著减少计数的极限。在技术上，较小的像素也受到处理技术和相关成本的限制。

技术实现思路

[0008]所公开的实施例涉及光谱仪，特别是空间分辨粒子(例如，x射线或带电粒子)光谱仪。目前的方法是，通常在小得多的区域内，光学测量和计数x射线光子或其他粒子。因此，它们可以以更高的速率和更高的空间分辨率进行检测。
[0009]更详细地说，在一个示例中，液晶光阀空间光调制器与高分辨率显微镜物镜耦接。
然后使用高速相机在很小的区域内分辨x射线或粒子相互作用事件。尽管相机的读出可能不快，但由于区域较小，即使在通量率较高的情况下，撞击单个像素或区域的事件率也较低。因此，这种设置可以以比当前x射线光谱仪更高的通量率进行检测。通过高分辨率检测，空间分辨率也可以非常高。此外，直接转换检测器材料有多种选择，这些材料可以根据特定用例的要求定制，以检测更高的能量和/或更高的分辨率。
[0010]目前的检测系统和相关成像系统采用光电导x射线检测器和高速相机，其中x射线检测器具有夹层结构，包括直接转换x射线检测光电导体层和空间光调制器(例如液晶(LC)光阀)。在操作过程中，x射线光子将在光电导体层中产生电子
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空穴对，从而局部改变电场。该局部场将在相邻液晶膜中产生液晶的局部重新定向，其中液晶将显示为光斑。随着时间的推移，这些光斑将呈现出光晕效应：生长，然后消散。通过使用相机随时间推移而跟踪光晕，可以确定入射光子/粒子的位置和能量，从而获得光谱和空间分辨率。
[0011]通常，根据一个方面，本专利技术的特征在于一种光谱和空间分辨粒子检测系统。该系统包括光电导检测器、用于读出光电导检测器的光学显微镜以及通过光学显微镜耦接到光电导检测器的相机。然后使用计算机系统(例如，专用计算机，如图形处理单元(graphic processing unit，GPU)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程阵列(field programmable array，FPGA)、通用计算机或这些或其他计算机系统的某种组合)，该计算机系统获取由相机生成的图像并随时间推移而跟踪光电导检测器对粒子的响应。
[0012]通常，计算机系统跟踪由粒子诱发的光导检测器中的光晕，以分辨粒子的能量和在光导检测器上的位置。
[0013]通常，计算机系统通过参考能量/强度图来确定粒子的能量，该能量/强度图将最大光斑强度或积分光斑强度或强度图的拟合与接收到的粒子的能量相关联。
[0014]通常，相机捕获的连续帧之间的间隔小于光电导检测器的弛豫时间。通过这种方式，可以跟踪光电导检测器上光斑的光晕，以确定其位置和强度。
[0015]因此，对于许多应用，相机将是高速相机。例如，在许多实现中，相机捕获的连续帧之间的间隔小于1毫秒。
[0016]在一次使用中，光电导检测器用于检测x射线。
[0017]在当前实施例中，光电导x射线检测器包括液晶光阀和光电导检测器层。该光电导检测器层可以包含铋、铅、汞、碲、硒或铊。此外，光学显微镜可以是偏振光显微镜，所述偏振光显微镜以透射或反射方式读出光电导检测器。
[0018]通常，根据另一方面，本专利技术的特征在于一种粒子检测方法，包括：在光电导检测器中将粒子转换为电子
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空穴对，使用耦接到光电导检测器的相机读出光电导检测器；以及处理相机生成的图像，并随时间推移而跟踪光电导检测器对粒子的响应，以确定粒子的位置和能量。
[0019]图像处理在计算机系统中执行，例如专用计算机，诸如图形处理单元(GPU)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程阵列(FPGA)、通用计算机或这些或其他计算机系统的某种组合。计算机系统甚至可以是相机的一部分。
[0020]通常，根据另一方面，本专利技术的特征在于一种成像系统。该系统包括用于保持物体的载物台系统、用于检测来自物体的粒子的光电导检测器、以及通过光学显微镜耦接到光
电导检测器的相机。然后，计算机系统获取由相机生成的图像，并随时间推移而跟踪光电导检测器对粒子的响应，以对物体成像并确定粒子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光谱和空间分辨x射线和/或带电粒子检测系统，包括：光电导检测器；光学显微镜，用于读出所述光电导检测器；相机，通过所述光学显微镜耦接到所述光电导检测器；以及计算机系统，用于获取由所述相机生成的图像并随时间推移而跟踪所述光电导检测器对x射线光子和/或带电粒子的响应。2.如权利要求1所述的检测系统，其中，所述计算机系统跟踪由所述x射线光子或带电粒子诱发的所述光电导检测器中的光晕，以分辨所述x射线光子或带电粒子的能量和在所述光电导检测器上的位置。3.如权利要求1或2所述的检测系统，其中，所述计算机系统通过参考能量/强度图来确定所述x射线光子或带电粒子的能量，该能量/强度图将最大光斑强度与接收到的x射线光子或带电粒子的能量相关联。4.如权利要求1
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3中任一项所述的检测系统，其中，所述相机捕获的连续帧之间的间隔小于所述光电导检测器的弛豫时间。5.如权利要求4所述的检测系统，其中所述相机捕获的连续帧之间的间隔小于1毫秒。6.如权利要求1
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5中任一项所述的检测系统，其中，所述光电导检测器检测x射线光子。7.如权利要求1
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6中任一项所述的检测系统，其中，光电导x射线/带电粒子检测器包括液晶光阀和光电导检测器层。8.如权利要求7所述的检测系统，其中，所述光电导检测器层包括铋、铅、汞、碲、硒或铊。9.如权利要求1
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8中任一项所述的检测系统，其中，所述光学显微镜是偏振光显微镜。10.如权利要求1
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9中任一项所述的检测系统，其中，所述光学显微镜以透射方式读出所述光电导检测器。11.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晓超，克里斯托夫，
申请(专利权)人：卡尔蔡司有限公司，
类型：发明
国别省市：