固態x光探測器的製作方法
2023-05-06 03:48:21 2
專利名稱：固態x光探測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種固態X光探測器，它包括一個帶有輻射轉換器的光敏傳感器。此類探測器特別適用的一些領域是輻射學(輻射照相術，放射透視檢查以及乳腺造影術)，但同樣適用於無損檢測。
背景技術：
這種輻射探測器已經公知，例如在法國專利FR 2605166中，由非晶矽光電二極體形成的傳感器就帶有一個輻射轉換器。
下面將簡要回顧此種輻射探測器的結構及工作原理。
光敏傳感器通常是由一些排列成矩陣的固態光敏元件製成。光敏元件由半導體材料製成，CCD類型的傳感器通常由單晶矽製成，而CMOS類型的傳感器由多晶或非晶矽製成。一個光敏元件至少包含一個光電二極體，一個光電電晶體或一個光敏電阻器。這些元件沉積在基片上，該基片通常為玻璃片。
這些元件通常對諸如X射線或伽瑪射線等極短波長的輻射並不直接敏感。這就是為什麼光敏傳感器要與一個輻射轉換器相結合的道理，此輻射轉換器包含一層閃爍物質。當此種閃爍物質受到此類輻射激發時，該物質具有發射較長波長輻射的性質，例如發射傳感器敏感的可見光或近可見光。由輻射轉換器發出的光照亮傳感器的光敏元件，該光敏傳感器用於執行光電轉換，並通過適當的電路將可採集的電信號發送出去。在以下的說明中，輻射轉換器將稱為閃爍器。
某些滷化鹼或稀土硫氧化物族的閃爍物質，因其優良的性能而被經常採用。
在這些滷化鹼中，摻雜有鈉或鉈的碘化銫，以具有很強的X光吸收特性和極佳的螢光效率而知名，其中可以分別根據所需發射的光是在400納米左右還是在550納米左右，向碘化銫中摻雜鈉或鉈。在支座上生長的碘化銫呈細針狀。這些細針或多或少會垂直於支座，並部分地限制光射向傳感器。針狀碘化銫的精細度決定了探測器的解析度。硫酸氧化鑭和硫酸氧化釓也因同樣的理由而被廣泛採用。
然而，這些閃爍物質中的某些物質卻存在穩定性差的缺點，當這些物質曝露在水蒸汽中時，易發生部分分解，而其分解釋放出的化學產物趨向傳感器移動，或以背離傳感器的方向移動。這些產物極具腐蝕性。碘化銫和硫酸氧化鑭尤其受此缺點的損害。
對於碘化銫而言，其分解產生銫的氫氧化物CS+OH-和游離碘I2，而游離碘與碘離子結合產生複合原子團I3-對於硫酸氧化鑭而言，其將分解產生化學腐蝕性很強的硫化氫H2S。
水蒸汽是極難去除的。水蒸汽經常存在於周圍的空氣中，以及用於組裝探測器的粘接化合物中。在粘接化合物中存在水蒸汽是由於周圍空氣中存在水蒸汽，或者是聚合反應的副產品，如果後者起因於兩種化學物質的凝聚，那麼這種情況經常發生。
在生產這些探測器時，重要方面之一是，要使探測器內部原有的水蒸汽存量和與閃爍器接觸時原有的水蒸汽存量最小化，並在傳感器運行時避免水蒸汽擴散進入傳感器。
輻射探測器包括一個輸入窗，X光穿過該輸入窗在閃爍器上遊通過。此外，閃爍物質通常沉積在金屬支座上，從而支座和閃爍物質形成了閃爍器。另外，還有一種熟知的方案是將支座用作輸入窗。
當閃爍物質沉積在輸入窗上以形成隨後將放置在傳感器上的閃爍器時，輸入窗必須能承受沉積和閃爍器加工時產生的熱應力而不會破裂，並且還必須優選地具有與閃爍器和傳感器，或尤其是與傳感器基片相近的熱脹係數。也可選擇具有低彈性模量的輸入窗，其將有助於消除，以輸入窗和閃爍器為一方，及以輸入窗和傳感器、尤其是輸入窗和傳感器基片為另一方，這兩方之間的不均勻應力。這樣可以避免閃爍器爆裂或傳感器破裂的危險。
輸入窗表麵條件還必須能允許針狀晶體在儘可能均勻的情況下生長得儘可能的精細，對碘化銫而言這一點尤為重要。針狀的精細度是探測器解析度品質的一個因素。
當前支座是由鋁製成的，鋁對被探測的輻射有極好的透明度和良好的光學性質。在對鋁進行預備熱處理(conditioning processing)後，能獲得滿意的用於閃爍器沉積的表麵條件。遺憾的是，鋁的熱脹係數與傳感器的熱脹係數頗為不同。在熱循環過程中，為了避免在兩元件交界面處存在顯著的應力，需要使用一種柔軟的防漏密封劑，使其有能力緩衝由熱力循環導致的形變而不會破裂。為了在熱循環過程中，緩衝閃爍器支座和傳感器之間的熱膨脹差距，此密封劑必須是柔軟的，從而可以使應力和破裂的風險最小化。然而，柔軟的材料通常可滲透水蒸汽，導致閃爍器對水蒸汽的防護不充分，因而縮短了探測器的壽命。對此類探測器而言，理想的是它們的壽命可與安裝有該探測器的輻射設備或其他設備的成本回收時間相比擬，即10年左右。
發明內容
本發明提供一種長壽命的輻射探測器，其中與現有技術中的情況不同，輸入窗和防漏密封劑的作用並非都由閃爍器支座獨自承擔。
為此目的，本發明的主題是一種固態X光探測器，包括一個光敏傳感器，一個將X光轉換為傳感器敏感的輻射的閃爍器，以及一個X光從中穿越而在閃爍器上遊通過的輸入窗，該探測器的特徵在於輸入窗放置在閃爍器上而不與閃爍器固定在一起，而輸入窗和傳感器用防水蒸汽的密封劑固定。
按照此發明，對閃爍器支座的約束，由支座和新的輸入窗適當分擔。和現有技術一樣，閃爍器支座仍受用於閃爍器沉積的反射性和表麵條件等因素的約束。相比之下，該支座不再需要防漏和支持密封劑，這些約束如今轉加到新附加的輸入窗上。
這種結構允許輸入窗的材料被限定為與構成傳感器的材料相兼容，特別是它們各自的熱脹係數彼此兼容，這樣，就允許所用的密封劑更硬一些，從而水蒸汽難以滲透。
將輸入窗和閃爍器支座的作用分離開來，就可更廣泛地選擇適用於輸入窗的材料。
本發明能實現閃爍器和傳感器的兩種不同組裝結構。
在第一種所謂分離的閃爍器結構中，閃爍物質沉積在支座上，被探測的輻射在到達傳感器之前必須先通過該閃爍物質。然後把整個裝置與傳感器粘接在一起。在此結構中，輸入窗放置在支座上，但並不固定。這樣，就允許輸入窗相對支座保持一個自由度。例如，為了緩衝在探測器溫度變化時任何不均勻的熱膨脹，輸入窗可相對支座滑動。
在第二種所謂直接沉積結構中，傳感器充當閃爍物質的支座，這樣就可以直接並緊密地與傳感器接觸。然後再在閃爍物質上覆蓋保護膜。兩種結構各自都有優、缺點。
第一種結構允許分別優化閃爍器和傳感器。即使閃爍器與傳感器不兼容，閃爍器仍能進行熱加工。碘化銫是通過熱蒸發沉積的，即通過凝聚而沉積在支座上。然後，為了得到最佳的螢光效率，還要把碘化銫在300℃左右的溫度下進行退火處理。在第二種所謂直接沉積結構中，當閃爍物質直接沉積在傳感器上時，需要這種選擇退火溫度以免損害傳感器。
第一種所謂分散閃爍器結構的另一優點是，只有當傳感器和閃爍器測試成功後才把它們組裝起來，這將提高總體生產效率。在第二種所謂直接沉積結構中，每次閃爍器出現故障，傳感器就報廢，因為不值得冒險回收。
在第一種所謂分離閃爍器結構中，用於組裝的粘接化合物的厚度，導致X光探測器在空間解析度和聚光方面有所損失。而另一方面，閃爍器直接沉積在傳感器上，為光學耦合提供了最好的條件。
由支座承載閃爍器的結構，由於需要生產兩個元件，因而能使得生產流程安排得更為有效，即一方面生產閃爍器連同它的支座，另一方面生產傳感器，二者可分開進行。
再者，在所述第一種結構中的支座成本要低於在第二種結構中用傳感器充當閃爍物質支座的成本。這樣，在沉積了有缺陷的閃爍物質的情形下，即意味著閃爍器和它的支座將報廢時，所面臨的損失將會減少。
最後，第一種結構能夠應用於由若干連接元件的組件組成的光敏組件中，例如，在公開的FR 2758654和FR 2758656的法國專利中所描述的那樣。第二種結構不能應用到這種由若干個連接元件的組件組成的光敏組件中去，這是由於在閃爍物質沉積在它的支座上以後，閃爍物質的運行(implementation)需要300℃的溫度，在此溫度下這些組件的尺寸穩定性差。
在這兩種結構中，輸入窗必須滿足下列要求必須對被測輻射儘可能的透明，必須防水蒸汽，以及必須具有與探測器可能經受的操作相適配的機械性能。
如果希望探測器具有很好的解析度，提供一個輸入窗來吸收從閃爍器向後發射的光是有益的，換句話說，向後就是指從閃爍器到傳感器的相反方向。然而，靈敏度將會有所損失。
另一方面，如果需要探測器有良好的靈敏度，則提供一個輸入窗，把閃爍器向後發射的光向傳感器反射是有益的。在此方法中，對相同的輻射量，傳感器接收到的光強度增加了。靈敏度的增益導致解析度損失。因為從一個X光光子產生的直接發射的光和反射的光可能落在傳感器的不同地點，使所獲得的圖像不如前面的情況那麼清晰。
採用本輻射探測器，在一般輻射照相術的信噪比條件下，減小輸入窗的反射率從總體上講更為有益。事實上，通過每一個被吸收的X光光子可產生數百個電子，因此閃爍器把一個X光光子轉變為數目巨大的光線光子。重要的是，每個X光光子是在轉換成電子後被傳感器探測到的。如果在傳感器中獲得噪音可與由吸收一個X光光子產生的信號相比擬，那麼減小反射率可使解析度改善而不會降低信噪比及靈敏度。
附圖簡述閱讀以下參照附圖的說明，將會易理解本發明，並且本發明的某些性質和優點將會更為明晰
圖1示出根據第一種結構的輻射探測器；圖2示出根據第二種結構的輻射探測器。
為清楚起見，這些圖中未標尺寸。
發明詳述稱為分離閃爍器結構的第一種結構如圖1所示。輻射傳感器標記為1。該輻射傳感器包括基片2，該基片基本上是玻璃片，用於支持若干光敏元件3。每個光敏元件3安裝在橫排導體和縱排導體之間，以便於編址。簡單起見，這些導體未在圖中示出。光敏元件3和導體通常塗敷一鈍化層4，來隔離水蒸汽。
在此結構中，傳感器1和閃爍器5一起工作，在示例中，傳感器5通過光學粘接化合物6與傳感器1光學地耦合。閃爍器5包括一層閃爍物質7，該閃爍物質7呈針狀結構沉積在支座8上。這樣，支座8承載閃爍物質7。閃爍物質7，例如，可屬於滷化鹼族，如磺化銫，在存在水蒸汽時，其特別容易氧化；但它也可屬於稀土硫氧化物族，其中某些成員如硫酸氧化鑭顯示出同樣較差的穩定性。
在如圖2所示的稱為直接沉積結構的第二種結構中，把閃爍物質7直接沉積在傳感器1上，並把閃爍物質7用膜9覆蓋，而不是如圖1中示出的那樣，把閃爍物質7沉積在支座8上，並把形成閃爍器5的分離組件安裝在傳感器1上。膜9充當閃爍物質7的保護。簡單起見，在第二種結構中，由閃爍物質7和膜9形成的組件用標號5標明，並和在第一種結構中一樣，命名為閃爍器。
在圖1和圖2中示出的X光探測器，輸入窗10是放在閃爍器5上，但並不固定。用防漏密封劑11把輸入窗10與傳感器1固定，或更確切地說，與傳感器的基片2固定。
根據輸入窗及傳感器的材料來選擇用作防漏密封劑的材料。密封劑可由礦物材料製成。此類密封劑顯示出很好的防水性，而它的實施過程需要400℃左右的高溫。
作為替代品，防漏密封劑可由有機材料製成。這些材料的防漏性能不如礦物材料，但另一方面，它需要的實施溫度較低，200℃左右。在有機材料中，最好的防漏材料是環氧粘合劑。
至於輸入窗10，它可用任何材料構成，但該材料的熱脹係數需要與形成傳感器1的材料的熱脹係數相近。更為有利的是輸入窗的熱脹係數比鋁低。兩種將要組裝在一起的材料的熱脹係數的相似性，即輸入窗和傳感器的熱脹係數的相似性，使得有可能使用硬的防漏密封劑。
輸入窗10可用任何沉積物覆蓋起來，從而提高其反射性或化學抗腐蝕性，例如，其中該腐蝕性來源於在有水蒸汽的情況下閃爍器沉積的副產品。
若干材料能適用於製作輸入窗。通常，一些包含極少量重元素的材料最為合適，因為其具有良好的X光透明度。
輸入窗可用玻璃製成。玻璃是單組分(single component)的，因此容易加工。再者，如果傳感器1的基片2由玻璃構成，選擇防漏密封劑是直截了當的，因為，就玻璃而言，僅需證實防漏密封劑與一種材料的兼容性。
碳纖維也可用來製作輸入窗。碳纖維與玻璃相比，對X光有較高的透明度並且也不易破碎。另一方面，一些碳纖維常用環氧樹脂粘合在一起並由於它們的表面粗糙而更難密封。
作為另一個替代品，輸入窗可用陶瓷材料製成，其X光透明度與玻璃相近。
輸入窗也可由有機材料組成，如聚脂。此材料顯示出比玻璃更高的X光的透明度，且與玻璃相比，不易破碎。當其用輾壓方式生產時，其為一表面光滑的均勻材料。不過，實現對樹脂的防漏密封比玻璃更難。
由所用結構決定的閃爍器8或膜9，可由任何金屬材料，諸如鋁，鈦或其他金屬材料組成。其也可由陶瓷材料或有機材料，例如聚醯亞胺，或含碳纖維的其他合成材料組成。所選材料必須對X光透明，與閃爍物質化學相容，以及與發光的閃爍器的製作加工過程相容，此加工過程包含如真空沉積及退火。更為有益的是，所選材料可吸收或反射由閃爍器5產生的光而不會透過它。事實上，通常由閃爍器5產生的光是可見光或近可見光。如果所選材料透過由閃爍器5產生的光，探測器對外界光就不再是光學屏蔽的，並且傳感器1可接收外界光，將對其運行造成幹擾。
權利要求
1.一種固態X光探測器，包括一個光敏傳感器；一個閃爍器，用於將X光轉換成傳感器敏感的輻射；以及一個輸入窗，通過該輸入窗X光經過閃爍器的上遊，其特徵在於輸入窗放置在該閃爍器上，但不與閃爍器固定在一起，輸入窗和閃爍器用防水蒸汽的密封劑來固定，閃爍器由支座和閃爍物質組成，並且支座與傳感器是截然不同的。
2.如權利要求1中所述的X光探測器，其特徵在於輸入窗的熱脹係數比鋁低。
3.如權利要求2中所述的X光探測器，其特徵在於輸入窗用玻璃製成。
4.如權利要求2中所述的X光探測器，其特徵在於輸入窗用碳纖維製成。
5.如權利要求2中所述的X光探測器，其特徵在於輸入窗用陶瓷材料製成。
6.如權利要求2中所述的X光探測器，其特徵在於輸入窗用有機材料製成。
7.如前述權利要求中的一個權利要求所述的X光探測器，其特徵在於防漏密封劑用礦物材料製成。
8.如權利要求1到6中的一個權利要求所述的X光探測器，其特徵在於防漏密封劑用有機材料製成。
9.如權利要求1到6中的一個權利要求所述的X光探測器，其特徵在於防漏密封劑用環氧粘合劑製成。
10.如前述權利要求中的一個權利要求所述的X光探測器，其特徵在於閃爍器包括一種屬於滷化鹼族的物質，如磺化銫，或屬於稀土硫氧化物族的物質，如硫酸氧化鑭。
11.如前述權利要求中的一個權利要求所述的X光探測器，其特徵在於支座是金屬的。
12.如權利要求11中所述的X光探測器，其特徵在於支座用鋁製成。
13.如權利要求11中所述的X光探測器，其特徵在於支座用鈦製成。
14.如前述權利要求中的一個權利要求所述的X光探測器，其特徵在於支座是有機的或陶瓷的。
15.如權利要求14中所述的X光探測器，其特徵在於支座是聚醯亞胺支座。
全文摘要
本發明涉及一種固態X光探測器，它包括一個帶有輻射轉換器的光敏傳感器，稱為閃爍器，用於將X光轉換成傳感器敏感的輻射；以及一個輸入窗，X光穿越它而通過閃爍器的上遊。輸入窗安裝在閃爍器上，但不與閃爍器固定在一起；以及輸入窗和傳感器用防水蒸氣的密封劑固定。閃爍器包括一有別於傳感器的支座，以及閃爍物質。此類探測器的應用領域尤其是在輻射學領域(輻射照相術，放射透視檢查和乳腺造影術)，但同樣能用於無損檢測。
文檔編號H01L27/146GK1575423SQ02821286
公開日2005年2月2日 申請日期2002年10月25日 優先權日2001年10月26日
發明者傑拉爾德·維厄, 迪迪埃·莫南 申請人:特裡賽爾公司