基于气体的电离辐射探测器及其制造方法

摘要

一种用于探测电离辐射的探测器(9)，其包括一阴极(17，41)；置于这些电极之间的一电离气体；这样设置的一射线入口(33)，即电离辐射(1)可以进入并且使电离气体离子化；以及一读出组件。穿过这些电极的一电压使在电离气体离子化期间产生的电子移向阳极，该读出组件(19)在该处探测这些电子。为了减少发生火花的危险，并且/或者为了减少发生火花时的能量，该阴极具有至少面对由电阻率至少为5×10－8Ωm的材料制成的阳极的表面层。

说明书

技术领域

本发明涉及基于气体的电离辐射探测。

背景技术

通常，基于气体的电离辐射探测器因为生产成本低且可以利用气体倍增来显著地放大信号振幅所以非常有吸引力。

典型的基于气体的电离辐射探测器分别包括一平板的阴极和阳极组件以及安置于该阴极和阳极之间的电离气体。这样设置该探测器，即由辐射源发出的辐射束可以进入探测器，以使电离气体离子化。另外，通常施加电压，以使在电离气体离子化期间产生的电子移向阳极。可以这样调整探测器电极的电压及其结构，即，以便实现电子倍增，从而在阳极组件处感应增强的电荷。通常包括多个读出元件的读出组件设置在阳极组件附近，以探测移向阳极组件的电子。

一种特殊的气体探测器是这样的探测器，即，其中在基本上与入射射线垂直的方向上可以得到因光子与气体原子之间的相互作用而释放出的电子。因而，获得了更高的空间分辩率。

但是，在所有类型的基于气体的电离辐射探测器中，由于在该探测器中产生强烈电场，所以在气体中发可能出现火花放电。在放大率高的探测器中，尤其可能发生这种事件。

这种火花放电在一段时间内妨碍该探测器并且对探测器且尤其是对其中的电子设备也是有害的。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种其中消除或至少减少了由火花放电引起的问题的用于电离辐射探测的探测器。

就此而言，本发明的一个特殊目的是提供一种出现的任何火花中的能量都较低的探测器。因此，较少的电荷被释放到气体中。

本发明的另一目的是提供这样的探测器，它在火花放电之后保证快速恢复，因而提供更快的探测并使得物体暴露在电离辐射下被探查的时间更短。

本发明的另一目的是提供有效、精确且低成本的探测器。

本发明的又一目的是提供可靠、使用寿命长的探测器。

就此而言，本发明的一个特殊目的是提供这样的探测器，它保护阳极和读出电子装置如前置放大器免受高能量火花的损伤。

本发明的进一步目的是提供一种用于探测电离辐射实施情况的方法，其中减少或消除了火花放电的问题；以及提供一种制造实现上述这些目的的辐射探测器的方法。

通过如后附的权利求要求所要求保护的探测器、探测方法及制造方法，可以实现这些目的。

从下列附图中所示的本发明优选实施例的详细描述中可以显而易见本发明的另外的特征和优点。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的用于平束辐射照相术的装置的整体示意图。

图2是根据本发明的第二实施例的探测器的阴极组件的平面示意图。

图3是根据本发明的第三实施例的探测器的阴极组件的横截面放大图。

图4是根据本发明的第四实施例的探测器的阴极组件的平面示意图。

具体实施方式

图1是在这样的平面内的截面图，该平面与根据本发明第一实施例的平束式辐射照相术装置的一平面扇形X射线束1的平面正交。该装置包括X射线源3，它与第一准直仪的窄窗5一起产生照射待成像物体7的平面X射线束1。

穿透物体7的射线束进入探测器9。或者，与X射线束对准的窄缝或第二准直仪窗11形成X射线束1进入探测器9的入口。

这样定位探测器9，即X射线光子可从侧面进入阴极组件17与阳极组件19之间，在它们之间设有能够充有电离气体或气体混合物的空间13。借助高压直流电电源7，可以在阴极17与阳极19之间施加电压U₁，从而使电子和离子在空间13内漂移。阴极17和阳极19的布置结构最好基本上相互平行。

X射线源3、准直仪窄窗5、可选的准直仪窗11及探测器9最好通过一个适当的装置如框架或支架(图1未示出)相连并固定住。

电离气体或气体混合物例如包括90％的氪气和10％的二氧化碳或如80％的氙气和20％的二氧化碳。气体最好在1个大气压-20个大气压范围内的压力下。因此，该探测器包括一个具有缝形入口窗33的不透气外壳31，通过缝形入口窗，X射线束1可以进入该探测器。在图1中，外壳31包围着探测器9的主要部件。但应该理解的是，可以通过其它方式设置外壳31，只要可以封闭这些电极之间的空间就行了。

另外，探测器9包括一个单独探测移向阳极组件19的电子及/或移向阴极组件21的离子的读出组件。该读出组件可包括由如图1示意所示的阳极组件19本身，或者单独的读出组件可以设置在靠近阴极组件17的阳极组件19的附近或别处。

阳极或读出组件19包括并排且彼此电绝缘地设置在介电层或衬底37上的导电件或带35的阵列。通过光刻法或电铸法等，可以形成这些带35。

为了提供更高的空间分辩率以及弥补任何探测图像的视觉误差，带35基本上与来自射线源的射束1的入射X射线光子的方向平行地延伸。因此，假定射束1是发散的，这些读出带35被布置扇形形状。根据特定探测器来调节带35的长度和宽度，以获得所需(最佳)的空间分辩率和灵敏度。

每条带35最好通过各自独立的信号导线(图1只示意示出了其中一条)与读出和信号处理电子装置14相连，由此一来，可以单独处理来自每条带的信号。因为这些读出带35也构成阳极，所以这些信号导线也通过适于分开的的连接器将各带连接到高压直流电电源7上。在图1中，只通过一个单独的接地连接器来表示这样的措施。

读出组件的上述结构产生了这样的能力，即单独探测主要从由平面射线束1被带35横向分开的部分造成的电离中得到的电子。通过这种方法，能够一维成像。

在读出组件为一个独立组件的情况下，这些阳极带35可以被构造成无带的一个整体电极。

在阳极/读出组件(未示出)的一个替换设计方案中，这些带在入射X射线方向上被进一步分成段，这些段彼此之间电绝缘。最好在各自带的每个段之间提供一个与入射X射线垂直延伸的小间距。每个段通过一单独信号导线与处理电子装置相连，最好在处理电子装置中单独处理这些来自每个段的信号。当需要能量分解辐射探测时，可以使用这种读出组件。就此而言，可以特别参考我们的共同未决的于2000年3月31日提交的、瑞典专利申请号为0001167-6且名称为“Spectrallyresolved detection of ionizing radiation”的申请，其作为参考结合在本文中。

另外，探测器9包括用于在空间13内漂移的电子的雪崩倍增的电子雪崩倍增装置21。为此，电子雪崩倍增装置21适于与高压直流电电源7相连。在一个方案中，电子雪崩倍增装置21包括确定多个孔的网格状导电板或类似物，通过这些孔，电子可以移向阳极组件19。

或者，可以这样设置其它的雪崩倍增装置或场集中装置，即电子在空间13中游离且在探测之前可以倍增。在瑞典专利申请号为9901325-2且名称为“辐射探测器”的申请中，描述了不同的雪崩倍增装置，并且可以具体参考1999年4月14日提出的申请“An apparatusfor use in planar radiography and a method for detecting ionizingradiation”。

在本发明的一个特殊方案中，通过在工作期间保持足够高的电压U₁(即由此产生的电场)，可以简单地实现雪崩倍增，从而在空间13内实现电子雪崩倍增。

在工作中，入射X射线1通过可能有的窄缝或准直仪窗11(如果有的话)并在阴极17与阳极19之间并最好如图1所示地在它们之间的中心平面内进入探测器。然后，入射X射线1在最好是基本上与电极17和19平行的方向上穿过气体团并且被吸收，因而在空间13内使气体分子电离。

在空间13内吸收的X射线会产生待释放电子，它们因所施加的电压U₁而移向阳极组件19。如果保持足够高的电压和/或如果提供场集中装置(如上所述)，则游离电子在移向阳极时得到雪崩倍增。如果提供一个电子雪崩倍增装置，则它最好被保持在这样的电势下，即在阴极组件17与放大装置21之间获得弱漂移电场，而在倍增装置内(例如在它的一电极与阳极组件19之间)获得强的雪崩倍增电场。

这些电子在受到探测的阳极/读出组件19的带35中感应电荷。如果不发生雪崩倍增，则信号的主要部分要归因于释放电荷的收集。

每个入射X射线光子通常在一条(或几条)阳极带中产生一个感应脉冲。在最终形成这些脉冲的读出和信号处理电子装置14中处理这些脉冲，并且积累或计数来自每条表示一个图像元素的带的这些脉冲。也可以对这些脉冲进行处理，以便为每个象素提供能量测量。

由于可能出现与电极板相关的较高电场强度，所以存在在空气中发生火花放电的危险。这种火花放电在一段时间内妨碍探测器并且也可能损伤阳极组件19及与之相连的电子装置。

为了减少在空气中出现的火花放电的危险以及为了降低仍然可能出现的火花放电释放的能量，本发明涉及提供由电阻率至少为5×10^-8Ωm的材料制成的阴极组件17(以及可选的阳极带35)。

阴极组件17优选是由电阻率在5×10^-8Ωm到1×10⁵Ωm之间并较优选在1×10^-3Ωm到1×10³Ωm之间甚至较优选在1×10^-2Ωm到1Ωm之间且最优选是在1×10^-2Ωm到1×10^-1Ωm之间的材料制成。该材料可以搀杂或不搀杂半导体材料，该半导体材料最好包括选自元素周期表IV族(如化合物硅和锗)和III-V族(如化合物GaAs、InP和InGaAsP)中的元素的半导体材料。但阴极组件17最好由属于搀杂或不搀杂的硅制成。或者，该材料为导电的玻璃或塑料。实际上，任何电阻率在上述范围内的固体材料都适用于阴极组件17。

通过这样设置，电阻性阴极组件17面对空间13和雪崩倍增装置21，在那里，可以产生强电场。因此，万一发生火花放电，只有在非常小的区域内的电子会参与其中并从阴极表面被释放到火花中，因而火花放电的能量较小。由于同样的原因，可以控制该效果。

尽管如此，这种电阻限制了不明显降低探测器中电场强度就可以探测的X射线光子的速度。很明显，必须找到该速度与发生火花放电危险(以及它们相应能量)之间的最合适点。

作为提供整个由这种半导体材料制成的阴极组件17的一个替换方案，阴极组件17面对空间13的表面层17a可以只由电阻率至少为5×10^-8Ωm的材料制成。在这种情况下，该表面层可以被设置在一导电衬底上或被设置在配置有合适电连接(未示出)的绝缘衬底上。

作为另一个替换方案，阴极组件17面对空间13的表面层17a可以部分地被多个彼此只通过电阻材料相连的导电件覆盖。图2示意表示这样的阴极组件，这些导电件中的每一个由附图标记41表示。通过这种设置，可以提供更快的探测器，其中高导电率的表面区域仍然被局限于局部区域(即相应部件41)。虽然图2的部件41如图所示地成细长带形，但它们可以有其它形状并按其它图案布置。例如，这些导电件可以是在电阻阴极17表面17a上排列成两维矩阵的四方垫或矩形垫。

高压直流电电源7最好与阴极17的背面如在图1的17b处所示地(即与表面17a相反的表面)相连，所以各导电件41通过有电阻性的阴极17分别与高压直流电电源7相连。

另外，在图2的阴极与如上所述的细长阳极/读出带一起使用的情况下，这些部件41最好要相对读出带35这样定位，即在空间13和放大装置21内的“空穴(pocket)”减少出现的探测器内获得一电场，即在区域中电子和/或离子不再进一步漂移且因而积聚。避免靠近该阳极/读出组件19是特别重要的。因此，阴极17的多个导电件41基本上被定位成沿第一方向，而阳极/读出组件19的多个导电或半导电件35基本上被定位成沿第二方向，其中第一和第二方向基本上不平行，而是基本上垂直。

但是，在阴极17的另一个实施例中，如图3示意所示，多个导电件41设置在一个绝缘衬底42的一表面42a上。阴极组件被这样定位，即这些导电件41和绝缘衬底42的表面42a面对空间13和探测器9的阳极19。这些导电件中的每一个通过各自电阻41与一导电层45相连，导电层45设置在表面42a对面的绝缘衬底42的表面42b上。

在图3中，这些电阻只用附图标记来表示并且可以理解的是，它们可以通过各种方式实现；如成衬底42内的或靠近衬底42的离散元件或衬底42内的集成件的形式。在集成件的情况下，可以按照半导体工艺加工出整个阴极，其电阻被设定为就象在一层导电件41和一用于连接高压直流电电源7的导电层45之间的适当构成的层一样。

图4示意性地表示实现图3所示构思的另一个可选实施例。在这里，这些导电件中的每一个以及多个电阻都以带41的形式设置在绝缘衬底42的表面42a上，带41在末端有一窄细部41b，所以带有组成导电件的一细长部41a、组成电阻的一窄细部41b以及连接高压直流电电源7的宽连接部41c。

每条带41的材料成分最好是不同质的，所以每个细长部41a有电阻率低于且特别明显低于每个窄细部41b的材料成分。这种设计可以如此实现，即首先淀积不良导体如铬以限定整个带41a-c，然后，只在所述铬顶部的细长部41a处并且也可能在连接部41c处淀积优良导体，例如金。

当阴极组件包括一个面对由半导体材料且尤其是硅构成的阳极组件的表层时，本发明的另一个方面涉及到要消除因半导体表面被氧化而产生的任何问题。例如，保持在常温空气中的纯硅在几小时内会获得热生长氧化硅层，通常厚度为20埃-40埃。

本发明的发明人发现该氧化层被反复充电并随后通过火花被放电到半导体材料上。这对探测器是有害的并且阻碍了探测器工作。

为解决这个问题，通常通过把阴极组件或至少面对由半导体材料制成的阳极组件的表层浸泡在HF溶液或类似溶液中，以去除在阴极组件上生长的氧化物。

之后，必须再次阻止阴极组件氧化，而这可以通过许多方法实现。一种直接了当的方法是使阴极组件或至少它的半导体材料保持在不含氧的惰性空气中。通常，这种空气可以由真空、惰性气体或氮气或它们的气体混合物组成。然后，在使用探测器期间，必须保护探测器决不会充满水、空气或其它含氧气体。

第二种防止阴极组件氧化的方法是用类型适当的保护层(未示出)覆盖它。根据探测器使用情况，合适的保护层可以是氮化硅或任何硅化金属如硅化钛。总之，保护层最好要(i)有合适的电阻，如低到足以被用作阴极且还要高到足以减少火花问题，参见上面的实施例；(ii)密度足以不让硅原子扩散到保护层以及在保护层外表面引起氧化；并且(iii)如果这种氧化物对于探测器的工作是个棘手问题，则本身在周围空气中自然不氧化。

第三种减少阴极组件氧化的方法是通过把阴极组件浸在一混有如铵或氟化铵的HF溶液中以钝化阴极组件的表面或至少面对由半导体材料制成的阳极组件的表面层。这减慢了半导体的氧化速度。HF溶液也可能单独具有钝化作用。

据信，钝化化合物中的氢与硅表面结合，从而使表面的硅变得不太活泼。

第四种方式可以是冷却表面从而(i)减慢氧化速度；并且(ii)减慢硅原子扩散到表面，因而获得更薄的氧化层。

因此，本发明也涉及探测电离辐射的方法，其中去除阴极上的任何氧化物，然后用一种方法处理该阴极以不再氧化；并且涉及制造辐射探测器的方法，其中用如上所述的方法处理该阴极组件。

在这些所述实施例中，气体团要被制得薄，因为这导致离子的快速去除，导致空间电荷的较少或不积累。这使得高速工作成为可能。

在这些所述实施例中，内部电极的距离要保持较短，因为这导致低的工作电压，甚至导致在可能的火花放电时的低能量。这也降低了损伤电子装置的危险。

集中电场线(通常在电子雪崩倍增装置内进行)对于抑制雪崩电子流的形成也是有利的。这使得发生火花的危险降低了。

另外，当所述本发明的实施例集中在阴极组件上时，仍然容易理解的是，该阳极组件也可以用类似的方法设计。

通常，阴极组件涉及的电阻要保持足够低以认可高速度且还要保持足够高以保护电极免受火花。

虽然已结合许多优选实施例描述了本发明，但可以理解的是，仍然可以不脱离如后续权利要求书所定义的本发明精神和范围地进行各种修改。

例如，虽然已经结合射线从外面入射的探测器地描述了本发明，但本发明可以被用于射线从任何方向入射的探测器。因此，本发明尤其可以被用于其中入射射线通过阴极组件进入探测器的基于气体的两维电离辐射探测器。

但是，在这种装置中，一个严格限制条件就是由于发散的射束、延长的吸收轨迹以及同质漂移电场而发生的视觉误差。在2000年9月22日申请的、瑞典专利申请号为0003390-2且名称为“Parallax-freedetection of ionizing radiation”的申请中，解决了这种视觉误差问题。该解决方案包括把阴极和/或阳极分成相互电绝缘的段并且使这些段保持在所选不同电势下，所以在这些电极之间获得了电场线指向发散射束发射源的电场，用来与电场线平行地使在电离气体离子化期间产生的电荷载流子(如电子)移向电极(在电子的情况下为阳极)。因此，尤其可以理解的是，这种解决方案可以有利地与本发明的图2-图4的实施例结合。