輻射探測系統及其製作方法

2023-05-15 20:52:41 2

專利名稱：：輻射探測系統及其製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種輻射探測系統，它包含一個探測輻射的多晶材料寬帶隙半導體連續膜，還涉及製備其中用的所述連續膜的方法，以及成像系統所用的圖形接收器，它包括薄的、由探測輻射的寬帶隙半導體材料成的連續膜。碘化汞(HgI2)、碲化鎘(CdTe)、碲化鎘鋅(CdZnTe)、和碘化鉛(PbI2)單晶都是公知的在室溫條件下工作的寬帶隙半導體X射線和γ輻射探測器。問題在於生產高質量單晶是非常昂貴的；在任何需要以較小面積的晶體覆蓋較大面積的場合，就需要將它們排列成鑲嵌結構形式，這反過來就加大了此種探測系統的成本。高熔點晶體，如CdTe和CdZnTe(下見表1)以及低熔點晶體，如PbI2的晶體生長成本是高的。因此，已經制出的只是尺寸非常小(≈10mm2)且非常薄(≈100μm)的晶體，這就降低了它們用於很大面積探測系統所用鑲嵌結構的可能性。直至今日，PbI2單晶技術尚處於1995年的情況，這些非常小的晶體僅用來製作低能探測器。熔點最低的半導體材料HgI2另外的問題是HgI2單晶從汽相製作，能切片出5×5cm2的探測器板的大晶體，其生長過程可能需要持續接近3個月的時間。另外，切片以及拋光加工操作要有60％材料的損耗。上述各因素都會導致這些晶體以及由其製成之探測器的成本提高。正如下面將進一步描述和示例的那樣，本發明提出一種大的、可構造成任何所需尺寸及厚度的板的製品。本發明還使輻射探測系統所用的多晶連續膜的製作成為可能。這裡所用的術語「連續膜」用來表示上下電極間不可能短路。具體地說，本發明提出一種輻射探測系統，它包括由許多晶體顆粒形成的探測輻射之多晶材料寬帶隙半導體連續膜，其中所述各顆粒被燒結在一起，形成一個單一的互相密合的連續膜。在本發明的優選實施例中，所述連續膜選自碘化汞(HgI2)、碲化鎘(CdTe)、碲化鎘鋅(CdZnTe)、和碘化鉛(PbI2)的膜。因此，按照本發明，給出一種大面積的互相密合的連續半導體膜，其優選的面積在102cm2至104cm2之間，厚度在大約1-500μm之間，可部分或全部(50-100％)由1μm至5mm的結晶粒度尺寸構成。本發明還提出一種製作這些膜的方法。具體地說，本發明提供一種製作探測輻射之多晶材料寬帶隙半導體連續膜的方法，包括(a)製備純度至少為99.9999(6N)％的多晶粉末材料顆粒；(b)將所述顆粒材料沉積在導電基板上；(c)將所述多晶材料顆粒燒結在一起，形成一個單一的互相密合的連續膜。在所述方法的優選實施例中，通過在大約100-300℃溫度下在真空媒體中多次連續重複地蒸發，製備所述純淨的多晶粉末材料顆粒。在本發明方法的第一種實施例中，將導電金屬上板置於所述粉末的上面，再於溫度大約100-220℃、壓強大約100-5000Kg/cm2條件下對所得的組件加壓。在本發明方法的第二種實施例中，使步驟(a)的晶狀粒料與有機粘合劑在溶劑中混合，然後沉積在所述基板上，繼而在約為60-120℃條件下進行熱處理。這種沉積的具體實施可通過在所述基板上噴塗、噴霧或印製而實現；在優選實施例中，沉積是通過掩膜印刷完成的。在本發明方法的第三種實施例中，將所述步驟(a)的晶狀粒料放在溫度約為90-220℃真空室的熱區內，而將所述導電基板放在所述真空室的LN2冷區內，從而使所述純淨的晶狀粒料升華並沉積在所述基片上，並在大約50-100℃、有N2氣存在的情況下，通過加熱及熱處理實現所述的熔融。由本發明方法製成的膜可被用於各種輻射探測系統，如以半導體膜探測器為基礎的能量分散X射線和γ射線成像系統。雖然以下將要具體舉例說明上述方法，但相信目前所稱方法各種變形步驟(以下將把變形稱為「熱壓」、「漿狀沉積」和「汽相沉積」)的優選實施例之簡要的一般性描述將更好地用於闡明本發明。1.熱加壓這種方法包括以下步驟a)通過在100-200℃條件下，於玻璃管內並在由真空泵連續抽空情況下升華四次，純化原始材料；在250-300℃條件下，熔融1小時至3天，並在密閉的玻璃管內升華。b)選擇基板，將其放入模具底部。所述基板可為玻璃、多晶氧化鋁、或聚四氟乙烯，並需使其預先與金屬電極連接，最好呈光刻沉積的細條帶形狀。作為選擇，如果基板是諸如金、鈀、矽或鍺等金屬的，則可將基板用為底部電極。c)將已純淨的粉末放入步驟b)的基板頂部。d)為防止受到鋼製模具的上部壓力衝擊作用，將一鈀或金的上板置於粉末上面。e)對組件加壓，使溫度升高到大約100-200℃，並且在100-5000Kg/cm2壓強條件下最少保持4小時。f)完成之後，從模具取出HgI2板。上面的鈀或金可用為電極；不過最好將它取去，而沉積其它的成細條狀或連續膜的鈀、金、碳、鍺等電極。2.漿狀沉積這種方法包括以下步驟a)如熱壓方法的步驟(a)。b)如熱壓方法的步驟(b)。c)使已純化的粉末與有機粘合劑在溶劑中混合，並通過噴塗、噴霧或印製沉積在帶有底部電極的基板上。d)使所述的板加熱到60-120℃，並取出。e)如熱壓方法的步驟(f)。3.汽相沉積這種方法包括以下步驟a)如熱壓方法的步驟(a)。b)將已純化的HgI2置於真空室較熱的區，處於90-220℃溫度下。c)如熱壓方法的步驟(b)那樣，將所述基板和下電極置於真空室的LN2冷卻的一端。d)HgI2被升華並沉積在所述基板上。e)在為避免HgI2相的再蒸發而對過程加N2氣之後，進行加熱並退火至50-100℃，歷時30-60分鐘。f)除去所述的板。如熱加壓方法的步驟(f)那樣，沉積上電極。給所得到的可具有任何所需尺寸和厚度的探測器板覆蓋上金屬電極，可用作能量範圍在6-660KeV的X射線和核輻射計數器。這種大尺寸的板尤其適於將其結合到大型X射線照相系統中，其中可將模擬光電輻射信號計數為數位訊號，並在計算機化控制成像系統中使用，所述系統可存儲所需的圖形信息，還可被用於比如醫療方面的X射線膠片或其它成像系統應用中的替代品。因而，本發明提供一種廉價的大面積探測器，這樣的探測器使得直至現在仍屬過於昂貴的應用成為可能。眾所周知，室溫工作的X射線或γ射線輻射半導體探測器需有寬的帶隙。下面的表1列出當前最為公知的用於此目的的半導體探測器[M.Schiebe等人的「室溫半導體輻射探測器應用」R.B.James，T.E.Schlesinger，P.Siffert，E.Franks，Eds.，MaterialsResearchSoc.Sympos.Proc.，Vol.302，p.189(1993)]。為了能在室溫下工作，所述材料需要有寬的帶隙，比如大於≈1.5eV，旨在克服熱電子噪聲。為了對熱輻射能有良好的阻止本領和吸收，以及為了能夠有效地遷移輻射所生的電荷載流子，需要大於2的原子序數。要求所述探測器具有大的漂移長度λ，這個長度是電荷載流子遷移率μ、壽命τ以及電場ε的積，即λ＝μτε。所述電場與電阻有關電阻越大，可運送電荷的場越強。通過研究下表1中所列的半導體材料可以看出，最為公知的窄帶隙半導體Si(Li)和HPGe探測器需要低溫冷卻，禁止室溫工作，儘管具有良好的漂移長度。另外，我們可以看出，由於Z值小，與除GaAs以外的所有其它探測器材料相比，為了阻止輻射通量，就要求Si(Li)和HPGe的厚度很大。表1固體半導體X射線和γ射線探測器如表1中所能看到的，各種寬帶隙材料中間，HgI2和PbI2具有最大的原子序數，因此，吸收能力最好[J.Zhang等人，「核儀器和核方法」Vol.A322，P.499(1992)]。其它的技術考慮在於製成材料時的溫度。相對於表1中所列其它半導體，較低的熔點簡化了HgI2和PbI2探測器的生產，並降低了成本。但是，如上所述，HgI2單晶製品的成本是非常高的，因為這些晶體只能從汽相生長，對於較大的晶體，要花幾乎三個月[M.Schieber等人，「晶體生長雜誌」，Vol.65，P.353(1983)]。PbI2晶體只能被用為非常小的探測器晶體，其面積為幾個平方毫米，而且厚度非常小，不會吸收很多輻射[V.M.Gerrish，「室溫半導體輻射探測器應用」，R.B.James，T.E.Schlesinger，F.Siffert和E.Franks，Eds.，MaterialsResearchSoc.Sympos，Proc.，Vol.302，p.189(1993)]。本發明建立在由多晶膜製成的低成本探測器取代成本高的單晶輻射探測器的基礎上，所說的多晶膜具有與同樣材料的單晶一樣的寬帶隙，所說的這種探測器相當於能譜儀的作用，能夠確定入射的輻射能量。這種取代適合用在必須測量輻射通量而不對能量進行識別的應用中，這是因為或者能量是已知的，或者對能量的了解並不重要。這樣的探測器被稱為輻射計數器，因為它們計數輻射事件。計數器用質量較低的單晶製作，這種單晶是按照如高質量的能譜儀一樣的極為昂貴的製作過程來製造的。在需要大面積的探測系統時，比如為了成像用，需要例如尺寸約為50×50mm的HgI2的大單晶，並且還需切片和拋光加工，這就造成晶體總量至少60％的損失。然後，再將這些切片並排放置成一個大的鑲嵌結構，直至達到所要的探測器系統尺寸。由於為了製作晶體、晶體切片，然後再將它們鑲嵌成大尺寸的探測系統，這樣的成像系統是非常昂貴的。在本發明的優選實施例中，提出一種以半導體薄膜探測器為基礎的能量分散X射線和γ射線成像系統。X射線成像應用於醫療診斷系統，如X射線照相術、計算機化X射線斷層照相術(CT)、單光子發射計算機斷層照相術(SPECT)以及陽電子發射斷層攝影術(PET)中所用的那些系統。另外，X射線成像系統還應用於有關X射線地貌測場、太陽耀斑成像、X射線巡天觀測，以及來自衛星運載設備的各種星系範圍觀測的天文學和天體物理學。很多種圖象接收器用於現代X射線成像系統。它們包括直接曝光的X射線膜、成像板、圖象增強器、充氣電離室、閃爍探測器系統、高純鍺和Si(Li)探測器系統。下面的表2中表示出吸收能力、能量解析度和冷卻條件，所有圖象接收器都具有好的空間解析度。表2中表示的圖象接收器是二維探測器(2D)，如X射線膜、成像板和圖形增強器，以及整體探測器，如充氣電離計數器、閃爍探測器和半導體或者輻射探測器[Si(Li)]、HgI2、CdTe和CdZnTe等。表2射線成像裝置的吸收能力、能量解析度和冷卻條件吸收能力很大程度上取決於原子序數Z，HgI2的原子序數高於表2中列出的所有其它固體探測器。對半導體探測器來說，其能量解析度是最好的，它直接將X射線光子轉換成電荷，這與閃爍探測器相反，後者是將X射線光子轉換成可見光，其後再用電子學方法由二極體或光電倍增管將可見光轉換成電荷。對半導體探測器來說，它具有較小的能量帶隙Eg，需要低溫冷卻，比如高純鍺探測器(HPGe)，具有Eg≈0.8eV，而矽鋰[Si(Li)]探測器，具有Eg≈1.1eV。HgI2、CdTe和CdZnTe分別具有Eg≈2.2、1.45和1.50eV，對於室溫下工作，這是足夠大的，而無需低溫冷卻。從表2所表示的各種圖象接收器，很明顯，高Z和高Eg的半導體輻射探測器結合了X射線成像應用所需的優良特性。對於成像應用來說，迄今所報告的文獻只有採用8×8像素HgI2整體探測器的γ射線攝像機的情況[C.Ortale等人，「核儀器和方法」，Vol.213，p.95(1983)]，以及改進成採用像素尺寸0.8×0.8mm2、厚度2mm、單元間間隔≈2mm的32×32像素陣列[如見B.E.Patt等人，「核儀器和方法」Vol.283，p.215(1989)]。後者的攝像機具有5×5cm2的前端區。由於在製作高質量和同一標準的單晶過程中一直存在的製作問題，所以尚無採用關有CdTe或CdZnTe的這種攝像機的報導。製作HgI2大塊成像陣列時所遇到的困難在於(a)能夠切割出大尺寸切片的非常大的單晶的生長是非常難的，而且耗費時間。對於一塊大晶體來說，需要2-3個月的生長時間。(b)必須用KI水溶液對該晶體切片，這給出很不均勻的需要磨光的表面，造成超過60％的材料損失，並帶來由於切片和磨光操作所引起的結構上的缺陷。與迄今所採用和提出的現有技術系統完全不同，本發明不用三維晶體生長，然後再切片和磨光該切片，它是基於將薄的探測輻射的材料之半導體連續膜沉積在導電基板上。具體地說，本發明提供一種成像系統用的圖象接收器，所述成像系統包括一個沉積在形成底部電極的基板上的寬帶隙半導體輻射探測材料連續膜，所述膜被一個形成上電極的上導電層覆蓋；其中所述層中的至少一個設有由多個非導電區彼此分離的多個導電區，並且其中所述多個導電區經電荷靈敏前置放大器分別被單獨連接至成像電子系統。正如本發明第一優選實施例所表明的，將所說的底部電極或所說的上電極劃分成由多個非導電區彼此分離的多個導電區，例如，可用寬≈20-200μm、長≈20-200μm的上圖形電極像素柵格連續覆蓋所述基板，每個探測器與這樣的電子線路單獨相連。在本發明的再一優選實施例中，所述成像系統包括一個沉積在基板層上的薄的、寬帶隙半導體輻射探測材料連續膜，所述基極層具有由多個非導電區彼此分離的多個導電區，形成底部電極，所述膜被一個具有由多個非導電區彼此分離的多個導電區的上層覆蓋。在所述實施例中，最好將所述基板層的各導電區布置成第一組以定距離間隔的細條，而將所述上層的各導電區布置成第二組以定距離間隔的細條，所述第一組和第二組以定距離間隔的細條互相對應布置，形成柵格形陣列。特別優選的一種結構是，其中所述上層和基板層分別用豎向和橫嚮導電細條構圖，得到一個代表約20-200μm寬、20-200μm長的像素的交叉柵格。於是，本發明給出一種新的以半導體薄膜代替大塊晶體的X射線和低能γ射線系統。該系統保持在能量分散方式工作，但也可用在電流方式下工作。它是以室溫工作的，厚度為1-100μm的均勻晶體結構膜或者被沉積在構圖的、更為導電的半導體基板，如Si、Ge或GaAs上(所述基板可直接用為底部電極)，或者被沉積在絕緣基板，如MgO或藍寶石(Al2O3)上的寬帶隙半導體輻射探測器，如HgI2、CdTe、CdZnTe或PbI2為基礎的，所述絕緣基板預先被塗敷構圖的導電細條(金或鈀)，它也被用為底部電極。所述細條的寬度為10-100μm。由於構成HgI2晶體結構膜的製備從無報導，所以本發明還涉及一種新型的薄膜沉積系統。如上所述，隨後將所述半導體膜用代表上電極的導電構圖細條(金或鈀)塗敷。然後通過塗敷非常薄的蠟層(paralene)或防溼(humiseal)層，或其它惰性塗層，使探測器系統被鈍化，並經一電子線路連到一個低噪聲的高壓電源，用以給探測器系統加置偏壓，或者連到電子測量系統。半導體大塊晶體探測器的應用最近在美國專利第5,245,919號中已有描述。所選的半導體材料為CdZnTe。該系統被設計用於γ射線斷層成像系統。其原理是由半導體而不是由閃爍晶體攝像機(通常是碘化鈉)探測被準直的γ射線。所述半導體將散射的γ射線直接轉換為電荷，而不是先將其轉換成可見光，然後再通過光電倍增管或二極體將可見光轉換成電荷。與所述專利技術完全不同，本發明的方法的新潁性是採用薄膜代替大的晶體塊，並以寬範圍代替受到準直的輻射。其它並未提到過本發明新特點的成像方法包括a)由第4,331,813號美國專利所描述的光能圖象轉換器。該專利是以金屬絕緣體-半導體為基礎的，其中半導體是Si、Ge或GaAs。從而使輻射被轉換成電信號。這種方法的缺點在於，它並不區分核輻射，而設計上可用於各種輻射；b)由第5,079,426號美國專利所描述的實時成像多元非晶矽陣列。該法是基於薄膜場效應電晶體，採用將輻射轉換成信號的、不導電的、大的非晶矽。正如在光電導法的情況那樣，本法並非對核輻射而特別設計，而是測量包括紅外輻射的一切寬範圍的輻射。本發明的說明將被限於能量分散模式，而非電流模式。電子計數系統由脈衝計數系統組成，利用這種系統，將每個底部電極條(行)和每個上電極條(列)與第一級電荷靈敏低噪聲混合前置放大器相連，再由成形放大器進一步放大。使所收集到的電荷受到比較、區分，並將它們從模擬信號轉換成數位訊號，存儲在計算機內，而且顯示計算的圖形。在100KeV情況下，根據膜厚，半導體膜探測器可阻止輻射的約0.1-10％。所有的問題，特別是大塊探測器轉換成薄膜探測器都被提出並得到解決。攝像機前端為5×5cm2，它由300豎向細條和300橫向細條組成，每條為100μm×5cm，被66μm的未塗敷細條所分開。這樣，在一個攝像機模塊中就有90000個橫縱細條的交點，每5×5cm2的探測器前端板總共有90000個像素。為了大面積成像，比如對於採用20×15cm2板X射線成像的乳房X射線照相術，可以組裝12個互相連接的5×5cm2單元。現在將參照以下所示附圖和實例與一些優選實施例一起描述本發明，以便更充分地理解它。以下特別詳細地參照各附圖和實例，要強調的是，所示的細節採用的是舉例方法，目的僅在於以圖示討論本發明的優選實施例，用於理解本發明的原理和概念。就此而言，並不給出為了理解本發明以外的結構細節，由附圖給出的敘述以及所給出的實例，使那些熟悉本領域的人看到本發明有幾種形式可在實踐中被具體實施。圖1是用於製作半導體多晶板的熱壓系統示意圖；圖2是表示熱壓加熱處理碘化汞或碘化鉛的時間分布曲線；圖3表示按本發明方法製取的多晶HgI2探測器對60KeVγ輻射的響應的實例；圖4是表示50×50mm2像素的光刻法多層金屬/HgI2/金屬薄膜結構；圖5是表示50×50mm2像素的光刻法多層Si/HgI2/金屬薄膜結構；圖6是HgI2薄膜沉積系統示意圖；圖7是適於薄膜探測器攝像機的大塊HgI2探測器攝像機的電子系統方框圖。如上所述，本發明是基於採用表1所列任何半導體材料為多晶探測器材料。這意味著代替有如單晶那樣在非常長的持續時間周期內的晶體生長，如在HgI2的情況下可為幾個月，本發明提供製作任意所需厚度和尺寸的HgI2或其它半導體材料作為多晶陶瓷材料的方法，其最大的時間長度約為24小時。所述方法基於諸如HgI2或PbI2等半導體粉末的熱壓或漿狀沉積，所述粉末與有機溶劑，如乙醇、CCl4，或用為粘合劑的具有長分子鏈的特種聚合物混合，通過噴塗或噴霧而被沉積，然後進行製圖或絲網印刷並在低於相變溫度或熔點的溫度範圍內進行熱處理。在這兩種情況下，都優先採用已純化的HgI2多晶粉末材料。如圖1所示，在熱壓方法中，使粉末在受壓時經受大約1噸/cm2的壓強，然後使之在加壓的情況下按圖2所示熱周期內被加熱。這種高壓避免蒸汽壓較高(其沸點為354℃)的HgI2的蒸發，並且接近220℃的熱處理溫度使得已變形的顆粒能夠重結晶。這種燒結產生非常高密度的過程，使所製得的HgI2板可被上下電極接觸，並能耐受為收集輻射產生的電荷所需的適當的偏壓(≈104V/cm)。如圖2所示，由於HgI2在125℃下進行有害的相變，所以在這個溫度下，它需要一段額外的退火時間。熱壓方法的其它優點在於，如此所得的探測器板是非常緻密的；它們具有非常高的密度，而且它們的尺寸及厚度只受模具尺寸和由受壓所產生的總壓強的限制。HgI2板的上電極由金、鈀、鍺或矽製成，並且可為任何所需的形狀。另一種可供選擇的得到大面積多晶探測器片的方法是通過漿狀沉積。使已純化的多晶粉末與有機粘合劑，如溶解在65％的乙醇/水溶液中的等量聚乙烯丙烯酸鹽和三甲基脫水山梨糖醇混合，然後通過噴霧、噴塗、旋壓或絲網印刷沉積在可為多晶鋁、聚四氟乙烯的絕緣基板上，或者如鉑或金的金屬電極上，或者如矽或鍺的半導體上，它們都已經由附加的電觸點，如條形或其它形狀的鈀或金電極所繪圖。此後使所述基板或半導體粉末的漿狀沉積懸浮液在50-95℃條件下加熱，以便在大氣壓下蒸發乙醇，之後，在HgI2情況下，再加熱至大約110℃，熱處理4-24小時。然後將接觸HgI2板的惰性氣體引入裡面襯有聚四氟乙烯絕緣物的暗金屬盒內，再以碳或非常薄的鋁箔窗覆蓋接收輻射端。然後將探測器盒連到電子讀出系統。圖3表示一個這種多晶HgI2探測器板對60KeVγ輻射的響應的實例。如果與相同尺寸及厚度的HgI2單晶相比，按照本發明製得的HgI2多晶探測器板探測相對於單晶譜儀所探測的輻射量的大約15％。例1將30mg已被減小到尺寸≈5-10微米的高純HgI2粉粒置於鋼模具內的6mm直徑的金箔上。用另一個同樣尺寸的金箔覆蓋所述粉末，然後使之受壓。在受壓情況下，歷10小時將溫度升到110℃，然後歷10小時再使之緩降至室溫。這樣，將所得到的HgI2板燒結到金板上。金箔可用為電極，或者如果去除，可用石墨懸浮物(「石墨懸膠」)塗敷HgI2板的兩側用作電極，乾燥，再將直徑為0.1mm的極細Pd絲或Pt絲用「石墨懸膠」附著於兩個電極上並進行乾燥。在例1中，留下金箔用作電極。在引入試驗容器(圖2)之後，所製成的板對X射線表現出如圖3所示的響應。所有的其它實例對X射線響應也類似於圖3所示。例2重複例1的過程，但使HgI2板與金箔分開，並如圖1所示，蒸發Pd觸點。例3重複例1的過程，但在熱壓期間，200℃條件下的加熱周期為10小時，隨之經10小時冷卻到127℃，然後慢慢冷卻到室溫。例4重複例1的過程，但以2mm厚的燒結的塗以成圖樣的金細條的氧化鋁替代金基板，如圖1所示。例5重複例1的過程，採用塗有聚四氟乙烯的金屬箔，它比較易於與HgI2板分開。如例2那樣電極被塗敷。例6重複例5的過程，在鋼模具的頂部和底部使用塗有電極的玻璃板。例7重複例1的過程，採用較大顆粒(≈1mm)的HgI2，可在真空蒸發不純的HgI2粉末之後，通過提純得到。例8繼例7的過程之後，用已純化的碘化鉛代替HgI2，製成PbI2板。例9使100mg的HgI2粉末與聚乙烯丙烯酸鹽和三甲基脫水山梨糖醇混合。將混合物塗在所述基板上，乾燥2小時，再於120℃條件下熱處理1小時。然後澱積Pd的上電極，再將樣品放入試驗容器(圖2)。結果就與圖3情況相類似。例10重複例9的過程，採用如圖1所示已繪圖的、1mm厚的玻璃基板。例11按照例10的過程，採用0.5mm厚的金基板。例12按照例9、10和11的過程，將Pd或Au電極蒸發到如圖1所示圖樣的HgI2板上。例13按照例9的過程，利用旋壓方法塗覆與有機粘合劑混合的HgI2厚層，這類似於光刻過程時採用光刻膠乳化液的方法。使覆蓋有底部電極的鋁基板以5000rpm旋轉。將足夠用於大約100μm厚層的少量漿狀混合物附著在所述基板上。所用轉速可使該漿狀層非常平整且均勻。像其它實例那樣施加上電極，這種板用於X射線響應的試驗。例14根據例13的過程，利用大氣壓和一噴嘴，採用可購買到的噴塗設備沉積HgI2，這樣就使漿狀層被噴塗在預定的玻璃板上。例15將HgI2粉末放在玻璃真空室的底部，加熱至大約100℃，再通過蒸發一層HgI2而沉積在預接有底部電極並由液氮冷卻的玻璃基板上，得到厚1-50μm的HgI2層。然後使溫度慢慢升高，同時解除真空，並代之以latm的氮氣，慢慢加熱至50℃，然後再冷卻至室溫。之後，再用上電極覆蓋該HgI2多晶板，用於響應X射線輻射的試驗。例16按照例15的過程，但採用其它基板，如鍺或燒結鋁，用鈀或金的細條預先繪製底部電極。例17將HgI2與粘合劑的混合物置於容器中，容器底部有濾網，面積≈20×30cm2，孔隙尺寸≈250×250μm2，所述混合物能通過它。然後利用手工加壓或機器加壓，通過所述濾網使該混合物被壓實，並被印製到玻璃或氧化鋁基板上，所述基板沿橫行方向預先被蒸發上100μm寬的Au、Pd或Pt金屬電極。這樣，就得到接近40μm厚的HgI2；通過反覆印製，可使厚度達到100μm。然後使該膜在60℃條件下退火5小時。利用掩膜對位，將通過蒸發而被加到薄玻璃或塑料箔上的也為100μm寬的上部縱列電極疊置在HgI2薄膜上。於是，就在橫向電極與豎向電極交叉點形成100×100μm2的有效像素。現在參照圖4和5，一HgI2薄膜沉積在敷金或鈀的絕緣單晶基板，如MgO或藍寶石上(圖4)，或者沉積在如Si或Ge等半導體基板上(圖5)，二者大小均為50×50mm2。HgI2薄膜的底部和頂部分別繪製長度為100μm×50mm的縱向細條和橫向細條，並以66μm的不導電細條分離它們，得到帶保護環或不帶保護環的300×300個像素。本發明系統的優點在於，製品的造成本極低，能夠得到符合現代薄膜技術的大面積成像探測器。所述成本低，是基於為了在基板上得到HgI2薄膜所需的時間比為生長、切片及磨光大晶體所需要的時間(圖4和5)短，即2-3小時與2-3個月相比。薄膜探測器系統的缺點在於，吸收能力較小，相對於大塊晶體為100％，只有總輻射量的0.1-1.0％(對100KeV的輻射而言)。但是，即使薄膜的輻射吸收能力如此低，也能達到可與X射線膜相比的能譜解析度(表2)，後者的吸收也小於總輻射的0.1％，雖然並不需要能譜解析度表示每個像素的單個脈衝的特徵。HgI2以及其它半導體探測器，如CdTe和CdZnTe，都不僅能像X射線膜那樣用於直接成像，還能按電流方式使用和用於能量分散成像系統。後者允許在探測器中測量非常小數目的相互作用，而且減少了對於高劑量方式的總的暴露。能量分散成像還能利用模擬電子線路和模擬-數字轉換，信息數位化，以及放射性事件計數的儲存進行計算機圖形顯示。圖6描述一個薄膜沉積設備，它可以通過(a)直接蒸發HgI2；(b)分別蒸發Hg和I2，在基板上凝結；或者(c)化學氣相沉積，如Hg(tdh)2母體(precursor)與I2化合物而被使用。該設備由兩部分組成，與真空系統相連的豎直硼矽酸耐熱玻璃(pyrexR)，或石英管。管子底部是母體源部分，裝有高純HgI2，或者在不同的分離分支容器中裝有Hg金屬、無機或有機Hg化合物，及游離碘。由T母體控制所述底部的溫度，這個溫度被分開監視。管子的上部裝有基板支架，半導體材料或已塗敷金屬並繪圖的基板被附在該支架上。用電阻加熱器(未示出)或輻射加熱使所述基板支架被局部加熱，確定基板的溫度T基板。為提供熱壁環境，硼矽酸耐熱玻璃(pyrexR)或石英管接入分開控制的半透明的電阻加熱爐，其溫度為T加熱爐。如果T加熱爐＞T母體＞T基板，則沉積條件被滿足。所使用的具有代表性的溫度是T加熱爐＝130℃，T母體＝125℃和T基板＝115℃。對於大於50×50cm2的基板，必須使系統按比例擴大，並且必須用一個機械的X-Y驅動系統移動所述基板，以保證均勻沉積。其它寬帶隙半導體材料，如CdTe和CdZnTe，適於作為比如帶有GaAs層的Si基板上的薄膜，所述的層上面被沉積CdTe層或者具有x≈0.05或0.20的Cd1-XZnXTe層。這些CdTe/GaAs/Si的多層結構被用為CdHgTe遠紅外探測器的基板，不過，如果將它們繪製成所需數目的底部電極細條，提供適當數目的成像像素，也可以被用於薄膜X射線探測器。可在一個類似於圖6所示的設備中，沉積PbI2薄膜。上述半導體薄膜對鈀、金或鉑製成的上部金屬電極細條的氣相沉積採用光刻法繪圖。光刻之後，使最終的探測器結構(見圖4和5)在高純的、去離子和三次蒸餾的水中被徹底漂洗，以除去光刻過程中的化學殘留物。然後通過覆蓋以蠟薄層，使上述結構鈍化，這之後它們被準備包封，用以電子讀出。然後將尺寸為5×5×0.2cm3的、已被繪圖、安裝電極和鈍化的探測器板放置於電極鋁或聚四氟乙烯(TeflonR)板上，這種板的底部上面具有印刷電路板的電極觸點。這種板用作第一級放大，由一個低噪聲2N4416FET和一個低噪聲反饋電阻器組成，被安裝在一個0.5×0.5×0.1cm3的陶瓷片的前置放大器上。這種組件包括多個100μm×5cm細條，各條都由66μm的不導電細條分離。橫向的細條被稱作行，豎向細條被稱作列。有300行和300列。一個組件所需前置放大器的總數為600，即每一行和每一列都其自己的前置放大器相連。為了安置600個混合前置放大器片，並允許採用幾個組件，將具有100個前置放大器片的鏡頭板前端置於呈立方體形盒子的上面，盒子的每個面容納100片(四個側壁和一個底面一起容納500片，再加上上面的100片)。盒子的各個壁都由一個預先印製的電路板連接，該電路板的一側連到探測器輸入端和偏壓，另一側連到與其他電子線路相連的各前置放大器輸出端，這類似於下面關於HgI2整體探測器攝像機所述的情況(見圖7)。以下參照圖7，為了給出更為完整的敘述，將簡單描述HgI2整體探測器晶體攝像機所用的電子系統。整個電子線路適用於本發明的薄膜探測器。來自所述前置放大器的探測器輸出進一步被放大並整形，同時將所收集到的電荷從前置放大器輸送到整形放大器，這是一種混合設計，以便足以適用於其它脈衝輻射探測系統。採用單獨一級微分和四級有源的積分，以達到接近高斯形狀。設置一個高阻抗模擬輸入緩衝器，它可以被使用或者被旁路。包括一個6μs的極點-零點抵銷電路，但通過附加一個外置可變電阻器，能很容易地改變該值。按下述方法處理整形放大器的輸出使用一快速比較器將信號與設置得剛好超出噪聲的電平鑑別器比較，以產生表示一事件已發生的數位訊號。然後使該信號通過一個模擬-數字數據通路-邏輯電路，利用符合時間確定事件的有效性。如果確定事件是有效的，則編碼該事件的特定位置，並產生適當的多路調製器的控制信號，以便能由模擬-數字轉換器處理所述模擬信號，以確定脈衝高度(能量信息)。利用可編程邏輯陣列電路(AlteraEP1800J)獲得所有被編碼的邏輯信號。與全尺寸離散門邏輯電路相比有效地減小了最終電路的尺寸。將所有編碼邏輯信號和ADC功能裝到一個單獨的AT尺寸的卡上。全部數據的獲取由IBMPC-AT計算機管理。這種計算機是一個單獨的AT尺寸主板(TI80486)，帶有用於I/O控制的第二卡(SCSI等)。所述主板裝有10MB的RAM。在最終的系統內還包括一個200MB的IDE硬碟和一個1.4MB、3.5英寸的軟盤驅動器。設置一個包括標準的AT底板和多條用於攝像機信號的附加總線的定製系統板，以便安裝組成攝像機系統的卡。所述卡可裝入攝機的副底座中。用於給探測器加置偏壓的高壓電源，用於電子線路、硬碟驅動器及軟盤驅動器的低壓電源被裝在一個分開的在攝像機的後端的輔助底盤上。本系統能夠輸入大於每秒104的計數率。最後，本攝像機系統包括用於控制數據獲取和顯示圖形的軟體。該軟體以OS/2「C」語言被寫入，同時採用OS/2圖形管理器為接口。寫入一個特定的驅動程序，以便允許軟體與所述電子線路通信。在圖形獲取過程中，計算機顯示可採用以下項的選擇1)文件I/O(保存，調出等)2)搜索參數，如時間/計數限制3)操作方式，如選擇已獲圖形顯示、與再現圖形相比、再現類型等4)可選項5)應用6)幫助功能，規定與OS/2PM兼容並允許有如實際一樣多的OS/2PM轉換所述顯示包括以下特定區域a)菜單區b)灰度圖形顯示c)能譜(子窗)d)圖形特徵(總計數；所有計數求和；最大計數；最亮像素的值；由於電荷分裂，兩相鄰行或列中同時出現信號的計數數目；Δ計數，及計數的數目。)所述系統包括滑鼠操縱，以致用戶可選擇一個特定的像素並顯示該像素的能譜。所述能譜被顯示在子窗上，該窗還示出能譜對應的像素位置[r，c]、能譜中光標的位置，以及在該位置計數的相應數目[光標；計數]。正如將能得到的那樣，本發明有很多應用。本發明提供一種單一組件的X射線和γ射線微型半導體薄膜輻射探測器攝像機，它包含HgI2、CdTe、CdZnTe或PbI2薄膜，具有5×5cm2的觀視窗，按電流方式或按能量分散方式工作。本發明的成像系統還可用於多組件的X射線和γ射線攝像機，也即由12個5×5cm2的微型攝像機的組件組成，替代約為20×15cm2的大面積X射線膜。或者用於多個微型單一組件的27.5×42.5cm2的X射線和γ射線攝像機，也即≈47個5×5cm2的組件，或用於其它放射性成像。本發明的成像系統可用於核醫學，並能用作外科作業中所用的內操作工具，如輕症的腫塊切除、移植灌注識別、血管移植活力的確定、良性骨損傷的切除等。適於外科醫生的技術現狀被限於單探測器的γ和β探針。相對於不成像的內操作探針，本成像系統的優點包括伴隨光譜分析成像、散射減少，改善定位及靈敏度。類似地，本發明可還可應用於有關X射線的天體物理學測量，如太陽耀斑望遠鏡、γ爆炸；用於偽鈔識別；用於美術館內繪畫的識別和比較；用於古物的識別和比較；用於罐裝肉的成像，以識別不希望有骨頭；用於識別核廢料；用於識別走私核材料，以及用於民航機場安檢成像系統。那些熟悉本領域的人將會理解，本發明並不限於上述各實施例的細節說明，本發明可按其它特定形式得以實施，而不會脫離其精髓或特性。因此，目前各實施例應被理解為說明性的，而非限制性的，本發明的範圍由所附各權利要求指明，而不是上述說明書，而且在各權利要求的含義和等效範圍內的各種變化都被規定為包括在其內。權利要求1.一種輻射探測系統，包括探測輻射的多晶材料寬帶隙半導體連續膜，所述多晶材料由許多結晶顆粒形成，其特徵在於，所述顆粒被燒結在一起，形成一個單一的互相密合的連續膜。2.一種如權利要求1所述的輻射探測系統，其特徵在於，所述單一的互相密合的連續膜是碘化汞膜。3.一種如權利要求1所述的輻射探測系統，其特徵在於，所述單一的互相密合的連續膜是碲化鎘膜。4.一種如權利要求1所述的輻射探測系統，其特徵在於，所述單一的互相密合的連續膜是碲化鎘鋅膜。5.一種如權利要求1所述的輻射探測系統，其特徵在於，所述單一的互相密合的連續膜是碘化鉛膜。6.一種如權利要求1所述的輻射探測系統，其特徵在於，所述大量多晶顆粒和它們形成的膜具有至少為99.9999(6N)％的純度。7.一種如權利要求1所述的輻射探測系統，其特徵在於，所述薄膜面積在102cm2至104cm2之間。8.一種如權利要求1所述的輻射探測系統，其特徵在於，所述薄膜厚度在大約1-500μm之間。9.一種如權利要求1所述的輻射探測系統，其特徵在於，所述薄膜至少局部是有某種結構的(textured)。10.一種如權利要求1所述的輻射探測系統，其特徵在於，所述薄膜全部是有某種結構的(textured)。11.一種用於權利要求1成像系統的圖形接收器，它包括一個沉積在形成底部電極的導電基板層上的寬帶隙半導體輻射探測材料連續膜，所述膜被一個形成上電極的上導電層覆蓋；其特徵在於，所述層中的至少一個設有由多個非導電區彼此分離的多個導電區，並且其中所述多個導電區經電荷靈敏前置放大器分別被單獨連接至一個成像電子系統。12.一種根據權利要求11所述的成像系統的圖形接收器，它包括一個沉積在基板層上的薄的、寬帶隙半導體輻射探測材料連續膜，所述層具有由多個非導電區彼此分離的多個導電區，形成底部電極，所述膜被一個具有由多個非導電區彼此分離的多個導電區的上層覆蓋。13.一種根據權利要求12所述的成像系統的圖形接收器，其特徵在於，所述基板層的各導電區布置成第一組以定距離間隔的細條，而將所述上層的各導電區布置成第二組以定距離間隔的細條，所述第一組和第二組以定距離間隔的細條互相對應布置，形成柵格形陣列。14.一種根據權利要求13所述的成像系統的圖形接收器，其特徵在於，所述上層和基板層分別用豎向和橫嚮導電細條構圖，得到一個表示約20-200μm寬、20-200μm長的像素的交叉柵格。15.一種根據權利要求11所述的成像系統的圖形接收器，其特徵在於，所述各導電區被選自SiO2、MgO或Al2O3的不導電的材料互相分離。16.一種根據權利要求11所述的成像系統的圖形接收器，其特徵在於，所述基板以均勻的薄膜電極材料覆蓋，所述電極材料選自鈀、金、鉑或鍺。17.一種根據權利要求11所述的成像系統的圖形接收器，其特徵在於，所述基板以半導體薄膜覆蓋在底部電極上面，厚度為1-100μm。18.一種根據權利要求11所述的成像系統的圖形接收器，其特徵在於，所述基板被一個上面繪製電極像素的柵格覆蓋，所述各像素寬約20-200μm、長約20-200μm，每個探測器與成像電子系統單獨相連。19.一種根據權利要求11所述的成像系統的圖形接收器，其特徵在於，用於X射線和γ射線成像系統。20.一種根據權利要求11所述的成像系統的圖形接收器，其特徵在於，所述薄膜為CdTe膜。21.一種根據權利要求11所述的成像系統的圖形接收器，其特徵在於，所述薄膜為HgI2膜。22.一種根據權利要求11所述的成像系統的圖形接收器，其特徵在於，所述薄膜為CdZnTe膜。23.一種根據權利要求11所述的成像系統的圖形接收器，其特徵在於，所述薄膜為PbI2膜。24.一種製作探測輻射之多晶材料寬帶隙半導體連續膜的方法，包括(a)製備純度至少為99.9999(6N)％的多晶粉末材料顆粒；(b)將所述晶狀粒料沉積在導電基板上；(c)將所述多晶材料顆粒燒結在一起，形成一個單一的互相密合的連續膜。25.一種如權利要求24所述的方法，其特徵在於，通過在真空媒體中蒸發製備所述被純化的多晶粉末粒料。26.一種如權利要求24所述的方法，其特徵在於，所述蒸發在大約100-300℃溫度下實現。27.一種如權利要求25所述的方法，其特徵在於，所述純化是通過連續重複蒸發實現的。28.一種如權利要求24所述的方法，其特徵在於，將導電的不易起化學反應的金屬上板放在所述粉末的上面，並在大約100-200℃溫度條件下，和100-5000Kg/cm2的壓強條件下對所得組件加壓。29.一種如權利要求24所述的方法，其特徵在於，使步驟(a)的所述晶狀粒料與有機粘合劑在溶劑中混合，然後沉積在所述基板上，繼而在約為60-120℃條件下進行熱處理。30.一種如權利要求29所述的方法，其特徵在於，所述沉積是通過掩膜印刷完成的。31.一種如權利要求24所述的方法，其特徵在於，將步驟(a)的所述已純化的晶狀粒料置於真空室的熱區，處於大約90-220℃溫度下；並將所述導電基板置於所述真空室的LN2冷卻區，從而使所述已純化的晶狀粒料被升華並沉積在所述基板上，而且通過在有N2氣存在，約50-100℃的溫度下進行加熱和退火實現所述熔融。全文摘要本發明提供一種輻射探測系統，包括探測輻射的多晶材料寬帶隙半導體連續膜，所述多晶材料由許多結晶顆粒形成，其特徵在於，所述顆粒被燃結在一起，形成一個單一的互相密合的連續膜。文檔編號G01T1/00GK1167529SQ95195403公開日1997年12月10日申請日期1995年9月29日優先權日1994年9月29日發明者麥可·米什·希伯特,雅各布·巴魯克·尼森巴姆,齊埃·哈雷申請人:耶路撒冷希伯來語大學依蘇姆研究開發公司,T·T·I·有限公司