專利名稱：X射線探測器的校準方法
技術領域：
本發(fā)明領域為光子計數(shù)的矩陣X射線探測器。更準確地說，本發(fā)明涉及形成探測器的像素矩陣的校準方法。
背景技術：
如圖I所示，單片半導體X射線探測器包括，由半導體制成的平面襯底I。探測器材料可以來自在室溫下為半導體的探測器族。尤其涉及CdTe、CdZnTe、GaAs、TlBr、HgI2或CdMnTe。該襯底I的一側上包括第一正偏壓電極矩陣2，并且在相反側上包括負偏壓電極矩陣3。每一個像素則由連接至其處理電子設備的基本陽極組成。限定為電極重復距離的典型像素尺寸，可以在幾十微米至幾百微米的范圍內。
當能量落在從幾keV至幾百keV的能量帶中的光子X穿過半導體像素時，其通過使半導體晶體中的原子電離來產生許多電子空穴對5。這些電荷由像素的電極捕捉，并且在它們的渡越期間在這些電極上產生電脈沖。這些脈沖由ASIC 4計數(shù)，其中“ASIC”表示專用集成電路。用于將襯底和ASIC互聯(lián)的材料6取決于像素尺寸。有利地，將銦或具有低熔點(通常小于150°C)的任何金屬用于較小尺寸，或者將導電聚合物粘合材料用于較大尺寸。對于使用計數(shù)原理的輻射探測矩陣，由基本像素發(fā)出的脈沖被放大，然后與閾值相比較，以便判定脈沖是否被計數(shù)。該閾值的振幅限定了脈沖振幅，因此理論上限定了由入射光子傳遞至探測器的能量。在多能計數(shù)系統(tǒng)中，調整不同的閾值以使它們均與精確的能量對應。從而，對能量帶和對應于這些帶的圖像進行限定。這些圖像尤其用在對對比劑或各種組織進行成像的設備中或者在行李檢查的情形下對炸藥進行探測的設備中。對于具有幾千像素的矩陣，作為該閾值的位置函數(shù)的計數(shù)系統(tǒng)的響應靈敏度在不同的像素之間可能異常明顯地變化，從而導致響應不均勻。一般使用不同的方法來調整這些閾值。例如，為了補償計數(shù)電子設備中的溫度漂移，將校準電荷注入到所有像素中，并且通過掃描它們的閾值來執(zhí)行調整。然后，對閾值進行調整，以便所有的像素最終僅保留振幅超過被注入信號的振幅的脈沖。該注入可以通過專用電子設備在像素等級上執(zhí)行。其也可以經(jīng)由連接至每一個像素的半導體探測器的電容器C來執(zhí)行。例如，其可以是由銦凸點連接至計數(shù)ASIC的CdTe探測器。則半導體探測器由在上側的偏壓電極和在下側且逐個像素地連接至讀出ASIC的許多電極組成。在連接至計數(shù)ASIC的放大器的輸入端的每一個小電極中，通過將快速電壓變化S V施加至公共上電極，來產生振幅為C. S V/St的電脈沖。圖2中不出了一個實施例。位于像素10的輸出端的一系列電子設備包括-電容器11，其使大量電荷能夠被注入放大器信道，以便校準系統(tǒng)；-第一放大級12，其通過執(zhí)行電流-電壓轉換(在附圖中的情形下)將來自探測器10的電荷包放大；-電子裝置13，其使信號能夠短暫成形；
-電子裝置14，其與模/數(shù)轉換器一起限定由比較器使用的電壓閾值；-電子裝置15，其將輸入電壓與閾值電壓相比較，并且當該輸入電壓大于閾值時發(fā)送邏輯信號；以及-電子裝置16，其在給定的時間間隔內對邏輯脈沖進行計數(shù)，然后將結果傳送至讀出總線。該設備如下進行操作。在像素10的輸出端在放大級12的上游處施加持續(xù)幾納秒至幾十納秒的幾伏電壓，從而模擬由探測器中某些能量的光子交互作用所產生的信號。接著，確定由組成像素的讀出電子設備的各種裝置所發(fā)送的信號振幅，從而使振幅與像素上游“注入”的脈沖對應?？梢灾?，通過對探測器中的所有像素執(zhí)行該操作，對于每一個像素，振幅與該給定脈沖對應。而該振幅被視為每一個像素的閾值。然后，獲得每一個像素均被“閾值化”的探測器，每一個閾值均對應于相同的脈沖，因此對應于儲存在探測器中的相 同能量。
然而，由于難于建立探測器中所儲存的能量與脈沖的寬度和強度之間的相互關系，因此該校準方法具有某些缺點。另外，該方法沒有考慮到每一個像素之間的電荷傳輸和收集的差異。實際上，兩個像素可以具有相同的電子容量，而具有完全不同的電荷傳輸性能。另外，電子電路，尤其讀出電路受到熱漂移的影響。與給定能量對應的閾值在一定時間之后可能與不同的能量對應。因此，在一段時間后必須重復該相對繁重的操作。為了執(zhí)行更可靠的校準，必須使用具有已知特性的X射線源或伽馬射線源。為了使探測器所產生的脈沖的振幅與入射光子的對應能量相對應，可以用具有已知能量的單能輻射源校準系統(tǒng)。這些源通常沒有很強的活性，進而即使持續(xù)較長的采集時間，統(tǒng)計信息仍是不夠。在X射線管的情形下，被發(fā)射能量出現(xiàn)在最小能量與最大能量之間的連續(xù)能區(qū)中，所述最小能量由發(fā)生器經(jīng)過篩選來定義，且根據(jù)應用大約在10至20 keV，所述最大能量由X射線發(fā)生器的高電壓來限定?？梢允褂米畲竽芰孔鳛樾实幕鶞?。然而，當閾值必須調整為例如10與40 keV之間的低能值時是不容易的，因為此時由發(fā)生器在該能量范圍內發(fā)出的光子數(shù)量很小。另外，所使用的發(fā)生器沒有設計成以10至40 kV范圍內的電壓進行發(fā)射。這種情形例如為X射線掃描儀。美國專利7 479 639中描述的另一種方法在于，使用具有已知能量的輻射源來對閾值進行校準。然而，該方法較長并且要求輻射源位于放射系統(tǒng)附近。由此，引發(fā)對這些源進行管理以便滿足各種安全標準的問題，尤其如果希望在適當時間內實現(xiàn)正確校準的情形時，則必須使用活性最強的源。國際專利申請WO 2009/122317提供了使用探測系統(tǒng)的輻射源的校準設備。然而，該設備需要具有已知光譜輻射率的材料，以便執(zhí)行校準。尤其關注上述申請中的圖I。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的方法不具有這些缺點。所提出的校準方法使用存在于X射線探測系統(tǒng)中的X射線發(fā)生器。從而，同時消除了不能對整個探測信道進行校準的純粹電子校準的缺點和必然更難于實現(xiàn)的包含標準源或標準材料的校準的缺點。對于每一個像素，對應于相同能量的振幅閾值通過考慮到探測器材料中的電荷傳輸和收集的簡單且快速的方法來獲得。有利地，該方法利用存在于探測器的使用點處的裝置。更確切地說，本發(fā)明的主題為X射線探測系統(tǒng)的校準方法，所述系統(tǒng)至少包括一個X射線發(fā)生器和探測陣列，所述探測陣列包括探測半導體像素矩陣以及處理和校準電子設備，其特征在于，對于所有或一些像素所述校準方法包括以下各個步驟-以額定高電壓運行所述X射線發(fā)生器，所述發(fā)生器與所述探測器對置；-使用所述處理和校準電子設備，經(jīng)由發(fā)生器所產生的輻射效應，對每一個像素所發(fā)出的脈沖進行計數(shù)；-在每一像素中建立被計數(shù)脈沖的振幅分布；-將統(tǒng)計指標應用于每一個振幅分布，以識別特定振幅，該特定振幅對應于與所述統(tǒng)計指標關聯(lián)的能量；以及-使用處理和校準電子設備調整每一個像素的校準參數(shù)，從而將由此建立的能量-振幅關系考慮在內。
有利地，與所述振幅分布有關的統(tǒng)計指標包括中值或任何其它百分點，或均值。最終統(tǒng)計指標也可以是不同統(tǒng)計指標的組合。根據(jù)第一方面，在每一個像素中，與對應于所述指標的信號振幅對應的能量值被處理為能量閾值。根據(jù)第二方面，在每一個像素中，所述像素的讀出電子設備沒有對振幅小于給定閾值的脈沖進行處理。根據(jù)第三方面，該方法允許，為所有的像素選擇位于第一閾值和第二閾值之間的至少一個能量窗，將對應于該窗的脈沖與其它脈沖分離。有利地，對于每一個分布，該操作同時考慮若干個不同的預定統(tǒng)計指標，從而在每一個被考慮像素中產生同樣多的閾值，而每一個閾值與所述統(tǒng)計指標中的一個對應。有利地，對探測器的所有像素執(zhí)行該操作，但可以對探測器的所有或一些像素執(zhí)行該操作。有利地，最低等級閾值位于所述處理電子設備的電氣噪聲之上。有利地，所述探測系統(tǒng)在兩個測量之間系統(tǒng)地執(zhí)行校準。


在閱讀以下非限制性描述并且查看附圖的基礎上將更容易理解本發(fā)明，并且其它優(yōu)點將變得明朗，附圖中圖I示出了具有半導體像素矩陣的探測器的一部分的布局；圖2示出了現(xiàn)有技術中的電子校準信道；圖3示出了在具有半導體像素矩陣的探測器中的一級和二級X射線輻射；圖4示出了作為閾值的值的函數(shù)所探測的脈沖數(shù)量；以及圖5示出了在實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法的探測系統(tǒng)中的計數(shù)信道的電子布局。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的校準方法使用存在于大部分X射線探測系統(tǒng)中的X射線發(fā)生器。該發(fā)生器在其額定高電壓下即15與160 kV之間使用。在入射光子與探測器像素交互作用的期間，半導體探測器的特定響應特征在于，部分能量可以轉換成低能光子，然后該低能光子可以將其能量儲存在鄰近像素中。對于具有給定容量的探測器，像素越多時，即探測器具有被劃分成小像素的電極的情形，該效果越加明顯。措辭“小像素”理解為以下像素，其典型尺寸由電極重復的距離所限定且在幾十微米與幾百微米之間。當交互作用發(fā)生在像素邊緣附近時，此處生成的電荷云也可以在若干個相鄰像素之間共享。從而，在每一個像素中生成在很寬的能譜上的多個低振幅脈沖。圖3示出了該效果。實曲線示出了來自源(在該情形下為鎢靶，即入射輻射)的能譜Se，虛曲線示出了由碲化鎘(CdTe)半導體探測器產生的能譜SD，所述半導體探測器的陽極被分成小像素或者基本電極，諸如以上所述的小像素或者基本電極。兩個能譜示出為以keV為單位的X射線輻射的能量的函數(shù)。可以看出，該第二能譜Sd包括與探測器中各種交互作用期間 所施予的能量對應且與相鄰像素之間共享的載荷子的影響對應的低能譜線。經(jīng)由入射輻射效應計數(shù)每一個像素所發(fā)射的脈沖并且根據(jù)直方圖形式的脈沖振幅對脈沖進行分類，來為每一個像素獲取這些脈沖的振幅分布，y軸線表示振幅并且X軸線表示所計數(shù)的脈沖數(shù)量。由X射線發(fā)生器產生的入射輻射，從其能譜和其強度的角度來看可以認為是均勻的。從而，當探測器由該輻射照亮時，每一個像素受到具有相同能譜的輻射。當探測器被視為高質量時，可以假定，所有像素的被計數(shù)脈沖的振幅分布均類似。類似地，希望該分布具有相似的形狀和面積。這顯然因為以下事實，即像素之間沒有較大的靈敏度差異。對于所有像素，該分布下的面積也大致相同。然而，顯然由于電子讀出電路在不同的像素之間有所不同，因此該振幅分布在不同的像素之間可能沿振幅軸線平移。從而，在探測器中施予相同能量的交互作用可以根據(jù)對由該交互作用產生的載荷子進行收集的像素的位置而生成具有不同振幅的脈沖。在沒有特別校正的情形下，在不同的像素之間，脈沖振幅與對應于該脈沖的能量之間的對應關系不恒定。措辭“對應于該脈沖的能量”被理解為以下意思，即由產生該脈沖的交互作用所儲存的能量。必須對該平移漂移或影響進行校正，以便所有的像素的振幅與能量之間的對應關系相同。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，通過為與每一個像素有關的每一個分布確定準則，例如統(tǒng)計指標，來獲取該對應關系。根據(jù)優(yōu)選實施例，該指標為第N百分點，即被計數(shù)脈沖的N%小于該值，第50百分點對應于中值。由于保存了不同像素之間的該分布的形狀和面積，因此該百分點使振幅與能量之間的直接關系能夠被獲取。從而，對于與每一個像素(用n表示)對應的每一個分布(用Dn表示)，第N百分點(用Fnw表示)與振幅AnN%對應。在沒有特別校正的情形下，在不同的像素之間振幅Anw有所不同。然而，由于像素受到均勻輻射，并且探測器為高質量，因此認為，對于被考慮的所有像素，該百分點可以被合理地分配相同能量EN。從而，通過為每一個像素n確定與分布Dn中第N百分點(Fnw表示)對應的振幅Anw，來獲取所述振幅與對應于該百分點的能量En之間的簡單且直接的對應關系。因此，根據(jù)本發(fā)明的校準方法包括以下各個步驟步驟I :以額定高電壓運行X射線發(fā)生器，發(fā)生器放置成由探測器覺察到的X射線輻射是均勻的，并且優(yōu)選地垂直于所述探測器的接收表面。有利地，使用X射線發(fā)生器，尤其是安裝在具有包含探測器的放射設備的設備中的發(fā)生器。這允許對所有或一些像素進行重復校準，例如放射線檢查之間。每一個像素中所測得的振幅分布具有近似或類似于圖3所示的形狀。步驟2 :使用處理和校準電子設備，對由每一個像素經(jīng)由發(fā)生器所產生的輻射效應而發(fā)出的脈沖進行計數(shù)。圖5以實例示出了計數(shù)信道。其包括探測像素10、放大電子設備20、用于形成信號的處理電子設備21、對脈沖的能量與N個預定閾值進行比較的N個比較器22和分別與前述比較器相關的N個計數(shù)器23。此外，在校準階段期間，可以通過改變振幅閾值(超過該閾值時對脈沖進行計數(shù))而僅使用單個比較器。從而，在以相同的方式照射探測器的情形下可以執(zhí)行很多計數(shù)Cm，并且僅僅對振幅超過閾值Sm的脈沖進行計數(shù)，該閾值在每一次計數(shù)之間遞增。從而，如果閾值Sm在每一次計數(shù)Cm之間增加，換句話說，對于兩次計數(shù)Cm和Cnri，如果Sm大于Snri，則振幅在S111和Snri之間的脈沖數(shù)量為，計數(shù)Cm期間所計算的脈沖數(shù)減去計數(shù)Cnrl期間所計算的脈沖數(shù)，此處假定計數(shù)的持續(xù)時間相同。
或者，可以不在每一次測量期間確定計數(shù)，而是確定計數(shù)率。然后，建立振幅分布，該振幅分布表示的不是各個振幅的出現(xiàn)而是各個振幅的出現(xiàn)率，即單位時間內的出現(xiàn)次數(shù)，或者計數(shù)率。此外，可以執(zhí)行本領域技術人員所熟知的其它方法，以為每一個像素確定在暴露于入射光子流的期間內所探測到的脈沖的振幅分布。然后，將數(shù)據(jù)傳輸至讀出總線24。對由每一個像素所測得的信號的振幅分布進行分析，例如其可以是根據(jù)脈沖振幅而分類的被計數(shù)脈沖的直方圖。如上所述，例如其可以是表示每一個脈沖的計數(shù)率的直方圖，脈沖同樣根據(jù)其振幅進行分類。當探測器為高質量時，可以假定，對于每一個像素，該分布具有恒定面積，從而意味著像素靈敏度沒有劇烈變化。另外，當入射輻射為均勻時，該分布在不同的像素之間具有恒定形狀。然而，由于電子漂移，該分布可能在振幅上發(fā)生移動(該移動在像素之間有所不同)，并且也可能在時間上發(fā)生移動。使用該分布的統(tǒng)計指標來確定閾值。它可以是該分布的第N百分點，閾值與下方分布面積為N%的振幅對應，即該校準期間所計數(shù)的脈沖的N%?？梢允褂闷渌y(tǒng)計指標，諸如均值，但第N百分點為優(yōu)選指標。從而，通過使所有像素經(jīng)受在能量和強度上均勻的給定曝光，來為每一個像素確定指標。對于不同的像素，指標可以對應不同的振幅，但對于被考慮的所有像素，其與探測器中儲存的給定能量對應。然后，為每一個像素建立振幅與能量之間的對應關系。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，可以對作為該指標的函數(shù)的脈沖進行“閾值化”，即例如僅保留振幅大于該閾值的脈沖。各個像素的各個振幅閾值對應于相同的能量。則可以理解，通過對每一個像素執(zhí)行該振幅閾值化，來實現(xiàn)所有像素的相同能量等級的閾值化。通過使用不同的指標，來獲得不同的振幅閾值，每一個閾值對應于不同的能量等級，這些不同的能量等級對所有像素來說都相同。通過確定閾值數(shù)量(用Th (i)表示)，則可以生成與以下能量帶對應的圖像，即該能量帶包括振幅在這些閾值中的兩個閾值Th (i)和Th (i+1)之間的脈沖。從而，圖4示出了對于給定像素，作為能量E的函數(shù)所接收的脈沖數(shù)量Nd。在該圖中，限定了五個閾值Th (i)。第一閾值Th (I)可以根據(jù)給定應用所能接受的噪聲進行限定。圖4中虛線表示的計數(shù)噪聲Nb取決于放大器的電氣噪聲以及第一閾值的近似或非近似。有利地，可以減去該噪聲以避免竄改第一能量帶中的測量。步驟3 :使用處理和校準電子設備來調整每一個像素的閾值等級，以便所有像素中每一個振幅閾值與相同能量對應。對應于給定閾值的脈沖數(shù)量最初可以通過實施的復雜度不同的不同方法進行校準，特別是使用完美的校準源。然而，可以根據(jù)本發(fā)明利用處于額定電壓的X射線發(fā)生器有規(guī)律地進行逐個像素的調整，以將電子設備漂移和半導體材料的不穩(wěn)定性考慮在內。在醫(yī)學掃描儀的情形下可以在掃描每一個病人之前執(zhí)行該快速校準，或者在探測可疑產品的連續(xù)運行探測線上可以在檢查期間在兩組行李之間執(zhí)行該快速校準。從而，可以在使用放射設備前后執(zhí)行校準。則上述漂移影響將被限制。本發(fā)明的另一個尤其重要的優(yōu)點在于，該校準可以使用與醫(yī)學檢查期間所使用的發(fā)生器相同的發(fā)生器來執(zhí)行。不需要額外的X射線源。
該方法可以使半導體探測器的響應穩(wěn)定性顯著提高，尤其對于需要非常穩(wěn)定且可重現(xiàn)的測量的掃描儀成像。
權利要求
1.一種X射線探測系統(tǒng)的校準方法，所述系統(tǒng)至少包括一個X射線發(fā)生器和探測陣列，所述探測陣列包括探測半導體像素矩陣(10)以及處理和校準電子設備(20，21，22，23)，其特征在于，對于所有或一些像素所述校準方法包括以下各個步驟 -以額定高電壓運行所述X射線發(fā)生器，所述發(fā)生器與所述探測器對置； -使用所述處理和校準電子設備，經(jīng)由發(fā)生器所產生的輻射效應，對每一個像素所發(fā)出的脈沖進行計數(shù)； -為每一像素建立被計數(shù)脈沖的振幅分布； -將統(tǒng)計指標應用于每一個振幅分布，以識別對應于與所述統(tǒng)計指標關聯(lián)的能量的特定振幅，與所述振幅分布有關的所述統(tǒng)計指標為所述分布的百分點或均值；以及 -使用處理和校準電子設備調整每一個像素的校準參數(shù)，從而將由此建立的能量-振幅關系考慮在內。
2.根據(jù)權利要求I所述的校準方法，其特征在于，與所述振幅分布有關的統(tǒng)計指標為所述分布的中值。
3.根據(jù)權利要求I所述的校準方法，其特征在于，所述統(tǒng)計指標為不同百分點的組合。
4.根據(jù)權利要求I至3中任一項所述的校準方法，其特征在于，在每一個像素中，所述像素的處理與校準電子設備將與對應于所述指標的信號振幅對應的能量值處理為能量閾值(Th⑴)。
5.根據(jù)權利要求4所述的校準方法，其特征在于，所述最低等級的閾值(Th(I))位于處理電子設備的電氣噪聲之上。
6.根據(jù)權利要求4和5中任一項所述的校準方法，其特征在于，所述像素的處理和校準電子設備沒有對振幅小于所述閾值的脈沖進行處理。
7.根據(jù)權利要求4所述的校準方法，其特征在于，所述像素的處理和校準電子設備確定至少一個能量窗，所述窗位于第一閾值與第二閾值之間。
8.根據(jù)權利要求7所述的校準方法，其特征在于，所述像素的處理和校準電子設備將每一個分布劃分為同樣多的能量窗。
9.根據(jù)權利要求8所述的校準方法，其特征在于，對探測矩陣中的所有像素執(zhí)行以下操作，即將由每一個像素接收的每一個分布劃分成同樣多的能量窗。
10.根據(jù)權利要求8所述的校準方法，其特征在于，對探測矩陣中的某些像素執(zhí)行以下操作，即將由每一個像素接收的每一個分布劃分成同樣多的能量窗。
11.根據(jù)權利要求I至10中任一項所述的校準方法，其特征在于，所述探測系統(tǒng)在兩個測量之間系統(tǒng)地執(zhí)行所述校準方法。
全文摘要
本發(fā)明總體上涉及一種X射線探測系統(tǒng)的校準方法，所述系統(tǒng)至少包括X射線發(fā)生器和探測組件，所述探測組件包括半導體探測器像素矩陣(10)以及處理和校準電子設備(20，21，22，23)。
文檔編號G01T7/00GK102725659SQ201080062557
公開日2012年10月10日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權日2009年12月1日
發(fā)明者F·格拉塞爾, M·加爾桑 申請人:原子能和能源替代品委員會