本发明专利技术公开了一种ＣｓＩ（Ｔｌ）晶体薄膜直接耦合ＣＣＤ的Ｘ射线阵列探测器，它利用ＣｓＩ（Ｔｌ）晶体的荧光效应，将Ｘ射线转换成荧光后，直接耦合至ＣＣＤ面元上进行感光，生成数字图象信号；ＣｓＩ（Ｔｌ）晶体与ＣＣＤ面元之间无需光纤或光锥导光，既减小了系统的耦合损耗，又使探测器厚度变薄（１００μｍ量级）；采用Ａｌ层把ＣｓＩ（Ｔｌ）晶体分隔为与ＣＣＤ面元大小尺寸一致的晶体单元，减小了荧光串扰噪声，提高了空间分辨率。该探测器具有结构简单、集成度高、探测效率高等优点。本发明专利技术在医学成像、工业检测等领域具有极大的应用潜力。
【技术实现步骤摘要】
该专利技术涉及X射线探测与成像领域。
技术介绍
X射线的探测与成像使人类能够探知物体内部信息，已经广泛应用于医疗、工业检 测等诸多方面。而数字X射线探测成像研究方兴未艾，结构精巧、体积小，高度集成的探测 装置仍然着巨大的需求缺口。目前有关X射线的探测装置，其技术原理主要是将X射线转 换成可见光信号或者电信号，见文献。前者的转换材料主要是无机闪烁体 ， 如NaI ；后者的传感材料如非晶硒，可见光信号的读取器件主要有阵列光电二极管、 CCD 、CMOS，通过优化的扫描与输出数字信号处理可以获得很高的图象质量与实时性 能。但是X射线的辐射性使得对转换材料和传感元的屏蔽保护十分重要，在转换屏与荧光 接收装置之间常用光纤锥连接，这样不仅附加了系统的插入与耦合损耗，且因此多数X射 线探测装置结构复杂，体积庞大，不方便应用于移动检测与特殊环境场合。专利X射线探测器，专利号03110679. X，中国专利数字X射线图象探测器，专利号0220381. 8，中国专利数字化X射线机的多线阵探测器，申请号200310117321. 1，中国专利X射线探测器和具有X射线探测器的计算机断层造影设备，申请号 200510087427. 0，中国专利X射线荧光全息层析成像装置，申请号02155046. 8，中国
技术实现思路
本专利技术利用CsI(Tl)晶体作为能量转换材料，将X射线转换成可见荧光后直接耦 合入抗辐射CCD进行探测，生成数字图象信号，实现对X射线强度剂量分布的实时成像，以 完成被检测物体或直接X光源的结构、密度等信息的多维提取。本专利技术将转换材料CsI (Tl) 晶体与CCD直接耦合，无须光纤或光锥导光，优化了探测器性能，在保证有较高信噪比、空 间分辨率的前提下，使探测器具有厚度薄，结构简练，相对探测效率高，集成度高，方便灵 活，机械强度较大的性能，具有极大应用潜力。本专利技术探测器的组成结构见附图1和2。它包括CXD面元⑴、荧光增透膜(2)、 CsI(Tl)晶体单元(3)、晶柱空气间隙(4)、顶层Al保护层(5)、侧面Al隔离层(6)、电荷转 移通道(7)等部分。附图说明附图1为探测器单元结构剖面图。1 :C⑶面元；2 荧光增透膜；3 =CsI(Tl)晶体单 元；4 晶柱空气间隙；5 顶层Al保护层；6 侧面Al隔离层；7 电荷转移通道附图2为探测器接收面俯视图。本专利技术采用面阵CCD作荧光读出器件；CCD面元 (1)、荧光增透膜(2)、CsI (Tl)晶体单元(3)，由于大小尺寸一致，故在俯视图中显示重叠；侧面Al隔离层(6)、电荷转移通道(7)的位置亦显示重叠；晶柱空气间隙(4)的位置随机， 不便标识。附图3为CsI(Tl)晶体单元剖面图。CXD面元为正方形，边长20 60ym;CsI (Tl) 晶体单元形状尺寸与(XD面元一致，其厚度在50 100 μ m时，转换效率最高。附图4为荧 光增透膜剖面图。荧光增透膜为140nm左右厚度的SiON薄膜。具体实施例方式X射线源发出一定能量和剂量的X射线透过待测物体，形成被密度调制的载波X射 线后，入射到探测器上，穿过起控制剂量与保护作用的Al层，与CsI (Tl)作用产生荧光，被 下面的CCD接收，完成信号读取。本专利技术将薄层CsI (Tl)晶体直接制作在经过增透处理的CXD单元面上，然后按照 设计好的面阵CCD的版图光刻出沟道，使CsI (Tl)晶体只陈留在光敏面上，然后沉积Al膜 于光刻的沟道内和CsI (Tl)晶体单元面的顶层上方，以达到控制辐射剂量、保护器件、隔离 像元、防止荧光互窜产生交叉噪声。本专利技术采用CsI (Tl)晶体作为转换材料因为CsI (Tl)晶体的发光效率相对较高， 对低能X射线的探测效果非常好，且它的荧光峰值波长为565nm，人眼最为敏感，与光接收 CCD的光谱很匹配。CsI(Tl)独到的优点是它可以生长成微晶柱结构，由此可以抑制荧光 在转换屏中的横向扩展，有利于提高转换屏的调制传递函数MTF，因而使得探测器件有较高 的极限分辨率。另外，CsI(Tl)晶体的潮解性较低，工作寿命比一般材料长；而且它容易加 工，机械强度大，应用非常方便。本专利技术中，Al作为CsI (Tl)分隔材料(包括衬底与壁)，因为Al的反射率比较高 (理想值在0. 9左右)，减小可见光的传输损耗。且在工艺上，对Al的各种处理技术非常纯 熟，容易得到光滑的衬底与壁。为了削弱出射面对荧光的背向反射，导致图象质量的劣化，于是在CsI (Tl)沉积 之前先在Si-CXD上镀一层140nm左右氮氧硅SiON作为增透膜，便可获得不错的优化效果。CsI(Tl)的荧光中心波长λ。= 565nm处，荧光光子能量Ef为}l · QEf =———=2.2eVeo 义οh，eQ分别为普朗克常量和电子元电荷。而Rowlands J A, Taylor K W等人的研 究表明，每激发一个荧光所大约需要的X射线的能量W 20eV，这主要由于X射线与闪烁体 作用的复杂过程中能量沉积于荧光效应的比例较小。为了更为直接地描述CsI (Tl)的光转 换效率，我们提出CsI (Tl)对X射线的转换因子Κτ，它表示每一入射能量为EO的X射线光 子所激发的可透过CsI (Tl)晶体层的荧光光子数。公式如下Kt (L, σ,Rs) = ^Pt (L, σ, Rs)LπPt(L,a,Rs)= Jfz(z)dz Jf0 (θ)/τ (ζ,θ) θ0 0权利要求基于薄层CsI(Tl)晶体直接耦合CCD的X射线阵列探测器，其特征是它包括CCD面元(1)、荧光增透膜(2)、CsI(Tl)晶体单元(3)、晶柱空气间隙(4)、顶层Al保护层(5)、侧面Al隔离层(6)、电荷转移通道(7)；X射线从顶层Al保护层(5)入射，进入CsI(Tl)晶体单元(3)，转换成为荧光；荧光在顶层Al保护层(5)、晶柱空气间隙(4)、侧面Al隔离层(6)的反射作用下，传输到荧光增透膜(2)上；荧光透过荧光增透膜(2)，被CCD面元(1)感光，产生光生电荷包；光生电荷包通过电荷转移通道(7)转移输出。2.按权利要求1所述基于薄层CsI(Tl)晶体直接耦合CCD的X射线阵列探测器，其特 征是CsI (Tl)晶体单元(3)与CCD面元(1)大小、尺寸一致，通过荧光反射直接耦合。无需 光纤锥以及附加保护器件，简化结构，提高集成度。3.按权利要求1所述基于薄层CsI(Tl)晶体直接耦合CCD的X射线阵列探测器，其特 征是在CCD面元(1)与CsI (Tl)晶体单元(3)之间加入荧光增透膜(2)，提高转换效率。4.按权利要求1所述基于薄层CsI(Tl)晶体直接耦合CCD的X射线阵列探测器，其特 征是顶层Al保护层(5)控制X-ray辐射剂量，保护下部器件，同时反射顶部的回射荧光。5.按权利要求1所述基于薄层CsI(Tl)晶体直接耦合CCD的X射线阵列探测器，其特 征是晶柱空气间隙(4)与侧面Al隔离层(6)对荧光进行反射与隔离，减小窜扰噪声，增大 空间分辨率。6.按权利要求1所述基于薄层CsI(Tl)晶体直接耦合CCD的X射线阵列探测器，其特 征是荧光增透膜(2)、CsI (Tl)晶体单元(3)、顶层Al保护层(5)、侧面Al隔离层(6)通过 都通过蒸发沉积、光刻本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于薄层ＣｓＩ（Ｔｌ）晶体直接耦合ＣＣＤ的Ｘ射线阵列探测器，其特征是它包括ＣＣＤ面元（１）、荧光增透膜（２）、ＣｓＩ（Ｔｌ）晶体单元（３）、晶柱空气间隙（４）、顶层Ａｌ保护层（５）、侧面Ａｌ隔离层（６）、电荷转移通道（７）；Ｘ射线从顶层Ａｌ保护层（５）入射，进入ＣｓＩ（Ｔｌ）晶体单元（３），转换成为荧光；荧光在顶层Ａｌ保护层（５）、晶柱空气间隙（４）、侧面Ａｌ隔离层（６）的反射作用下，传输到荧光增透膜（２）上；荧光透过荧光增透膜（２），被ＣＣＤ面元（１）感光，产生光生电荷包；光生电荷包通过电荷转移通道（７）转移输出。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘爽，张佳宁，钟智勇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90
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