[发明专利]X射线探测器的信号读出装置和方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及X射线能谱的探测，应用于医用能谱CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)成像过程中信号的收集与读出。具体讲,涉及X射线探测器的信号读出方法。

背景技术

能谱CT具有利用多种不同能量X射线光子衰减信息进行成像的功能，其成像的关键在于提升探测器对X射线能谱分段探测能力进而提高能谱解析计算的精度。为提高分层探测器的能谱分段探测能力，主要工作是在信号电荷收集、读出、模数转换的过程中，尽可能地减少噪声。传统的信号读出电路多采用数字域累加、模拟域累加和电荷域累加的方式将信号电荷读出并处理，最后将结果存储起来。其中，模拟域累加方案是将像素曝光得到的电压信号或者电流信号在像素阵列输出端采用模拟积分器实现信号的累加，然后通过ADC将模拟量转换为数字量便于后续电路处理。在过程中累加和量化。两个过程分别引进了累加噪声和量化噪声。数字域累加将像素输出信号直接由ADC量化，最后通过数字加法器完成累加，两个过程也分别引进了累加噪声和量化噪声。因此，为了进一步降低X射线分层探测器信号读出过程中噪声的引入，以获得最准确的像素信号，同时减少读出电路的设计难度，研究并提出一种将电荷域和数字域累加相混合的高精度读出电路，就是本发明所关注的问题。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种高精度的电荷-数字域信号混合累加读出的方法。本发明采用的技术方案是，X射线探测器的信号读出装置，结构包括：衬底部分、埋层部分作为探测器的主体完成X射线的接收及光电信号的转化，衬底部分尺寸以全部吸收待探测能谱范围内的X射线光子为宜；热氧化生长的氧化物实现衬底部分与电极的电绝缘隔离，埋层部分则与电极相连通；所述电极为多晶硅或金属材料，顺序排布于热氧化生长的氧化物中，每个电极都通过金属导线连接至时序控制单元，时序控制单元控制相邻电极高低电平周期性变化，实现电荷包的顺序读出，电极的三维尺寸、个数及电极间距由衬底尺寸及光生电荷收集效率而定，顺序排布的电极应满足完全收集曝光后光生电荷的要求；背面电极与所述电极分布于衬底部分两侧，背面电极尺寸及分布情况与所述电极相对应；遮光板用于控制X射线曝光时间；收集电极用于收集前面电极下势阱电荷的，收集电极能产生势阱，将前面的电荷都收集完毕后，通过浮置扩散经输出电极将电荷读出到数字累加器经寄存器输出，完成混合累加中电荷累加输出。

埋层材料可以选择轻掺杂的N型硅，也可以是锗、碲锌镉或者碲化镉半导体，衬底材料可以选择轻掺杂的P型硅，也可以是锗、碲锌镉或者碲化镉半导体。

X射线探测器的信号读出方法,步骤如下：

Step1：X射线曝光。打开X射线遮光板进行曝光；

Step2：光生电荷收集转移：X射线开始照射后，立刻将所有的电极置为高电平，将背面电极全部置为低电平，在曝光期间实现光生电荷收集的功能，遮光板关闭后电荷收集结束，结束曝光后，开始进行电荷转移，电荷在电极电压的控制下以电荷包的形式在相邻电极间转移；

Step3：将半导体中光生电荷按顺序分组，针对能谱解析过程，在电荷转移读出后，待解析的分段能谱有几种，即将半导体内的光生电荷顺序组合成不同的几组，电荷分组的位置以相应能量段的X射线在该半导体厚度内完全吸收为宜；

Step4：光生电荷信号的电荷域累加：重复Step2中转移步骤，直到收集的光生电荷依次转移到收集电极下的大容量势阱中，此时便完成了电荷域累加功能。然后将光生电荷通过采用浮置扩散方式的右端读出电路读出，具体实现方式为：将输出控制极O_G设置为高电平，输出电极将电荷读出；

Step5：A/D转换；

Step6：光生电荷重构分组：在Step3对电荷处理的基础上，按照预设的n种分组方案，分别调整电荷分组的位置，进而改变各组内电荷的总量后再将各组电荷累加，当所有的n种方案都重构结束后，完成电荷重构分组累加过程；

Step7：读出电荷信号并进行数字域累加：基于Step2，第一组的累加读出结果由相邻层累加读出结果构成，具体的构成方式为：将若干相邻层经过电荷域累加后的结果读出后，再通过数字域累加的方式使用数字加法器完成对量化结果的累加，最终完成了电荷数字域混合累加的功能；第二组、第三组及其余组与第一组类似，结果也是由相邻的若干层累加读出结果构成；基于Step6，调整电荷分组位置后便改变了一组的层数，层数的改变对应着电荷总量的改变，经过电荷域与数字域混合域累加后对应的成像精度改变，进而提高成像精度和能谱探测的动态范围。