伽马射线检测器和检测伽马射线的方法
【技术领域】
[0001] 各种实施例一般地涉及伽马射线检测器。特别地，各种实施例涉及半导体伽马射 线检测器。
【背景技术】
[0002] -个人可能遭遇放射性辐射(也称为核辐射)，例如由核动力反应堆或由被用于医 疗应用的系统(例如加速器）或材料发射的人造核辐射。此外，在某些材料中可发生自然放 射性辐射。该材料可经历可导致其辐射能级提高的浓缩过程。尽管如此，在日用产品中可 使用此类材料，例如在工业或建筑中，在那里，其可在没有诸如被配置成屏蔽辐射的墙壁之 类的保护性措施的情况下使用。
[0003]此外，然而如果他或她具有任由他或她处置的用于放射性辐射的传感器的话，与 描述的放射性辐射源具有未知接触的某个人还可能感觉更加安全。
[0004] 随着核辐射或发射核辐射的系统的应用和/或辐射意识增加，对检测此类放射性 辐射的便携式传感器的要求也可增加。为了使得许多上述群组的潜在用户能够买得起和使 用此类辐射传感器，可能期望简单的结构、小尺寸、简单的使用和/或低价格。例如可将此 类辐射传感器配置成检测伽马辐射。伽马辐射也可称为伽马射线、伽马光子或伽马量子。在 本申请的上下文中，术语"伽马辐射"（及其同义词）可指的是具有在约40keV以上的量子 能的电磁辐射。
[0005]通常，可以借助于气态电离检测器来检测伽马辐射，比如例如Geiger-MUller管。 此类气态电离检测器可要求用于检测伽马辐射的相对大的体积，使得小型化可能是困难 的。
[0006] 替换地，传统伽马射线检测器可将半导体材料用于伽马光子的直接检测。然 而，相互作用概率（即伽马光子将例如借助于光电效应、康普顿散射或电子对产生（pair production)与半导体材料相互作用的概率）可能是非常低的，至少与用于带电粒子的相互 作用概率相比并且还与具有较低能量的电磁辐射(例如可见光波长范围中的电磁辐射）相 比如此。因此可主要将硅检测器用于贝它（beta)衰变的检测，其可导致电子的释放。作为 带电粒子的此类贝它衰变电子在硅检测器中可具有几乎100%的检测概率。然而，用于伽马 光子的检测概率在硅检测器中将更低得多。为了增加用于伽马光子的检测概率，可使用具 有较高原子序数的半导体作为检测器材料。例如，可使用锗(具有32的原子序数，与用于硅 的14相反)。然而，为了可接受的检测概率，仍可要求大体积的锗(或者更一般地，半导体)， 这再次地使小型化困难。此外，锗是非常昂贵的。
【发明内容】
[0007]在各种实施例中，提供了一种伽马射线检测器。伽马射线检测器可以包括转换器 元件，其被配置成当伽马射线至少部分地移动通过转换器元件时释放电子。该伽马射线检 测器还可包括半导体检测器，其被布置成接收电子并被配置成当电子至少部分地移动通过 半导体检测器时产生信号；放大器电路，其被耦合到半导体检测器并被配置成将由半导体 检测器产生的信号放大；以及屏蔽，其基本上完全地围绕半导体检测器和放大器电路。在伽 马射线检测器中，转换器元件可形成屏蔽的至少一部分。
【附图说明】
[0008] 在图中，遍及不同的视图，相似的参考字符通常指的是相同的部分。附图不一定按 比例，通常作为替代而将重点放在图示出本发明的原理上。在以下描述中，参考以下各图来 描述本发明的各种实施例，在所述附图中： 图1A和1B示出了根据各种实施例的伽马射线检测器的示意性截面； 图2A示出了根据各种实施例的伽马射线检测器的半导体检测器的示意性截面； 图2B示出了根据各种实施例的用于伽马射线检测器的等效电路图；以及 图2C示出了根据各种实施例的用于可在伽马射线检测器中使用的放大器电路的示 例。
[0009] 图3A至图3D示出了根据各种实施例的伽马射线检测器的截面图； 图4提供了用根据各种实施例的伽马射线检测器和比较伽马射线检测器获得的实验 结果的表格。
[0010] 图5示出了根据各种实施例的伽马射线检测器的透视图；以及 图6示出了根据各种实施例的形成伽马射线检测器的方法。
【具体实施方式】
[0011] 以下详细描述参考附图，其以图示的方式示出了其中可实施本发明的特定细节和 实施例。
[0012] 词语"示例性"在本文中用来意指"充当示例、实例或图示"。在本文中描述为"示例 性"的任何实施例或设计不一定要解释为相比于其它实施例或设计而言是优选或有利的。
[0013] 相对于在侧面或表面"之上"形成沉积材料而使用的单词"之上"在本文中可用来 意指可"直接地在其上面"、例如与之直接接触地形成沉积材料。相对于在侧面或表面"之 上"形成沉积材料而使用的单词"之上"在本文中可被用来意指可"间接地在暗示的侧面或 表面上面"形成沉积材料，其中在暗示的侧面或表面与沉积材料之间布置一个或多个附加 层。
[0014] 可将术语"重元素"和"重金属"理解为指代具有大于20的原子序数的化学元素。
[0015] 可将术语"快速粒子"和"快速电子"理解为指代以对应于至少20keV、例如至少 100keV、例如至少511keV、例如在从约20至约10000keV范围中的动能的速度移动的粒 子/电子。
[0016] 可将术语"基本上完全围绕"和"基本上完全包围"理解为在不损害第一特征、第 二特征和/或作为一个单元的两个特征的组合的功能的情况下从尽可能多的方向在第二 特征周围形成第一特征。例如，第二特征可被第一特征包围，具有的例外是其中可以例如为 电接触第二特征提供接近(例如必要接近）的区域，以用于允许被包围空间与外面之间的压 力平衡等。此外，如果被第一特征覆盖的第二特征的一小部分表面面积大于或等于约90%、 例如大于或等于约95%、例如大于或等于约99%的话，可将第二特征理解为被第一特征基本 上完全包围或围绕，换言之，如果第二特征的总表面面积的至少约90%、例如至少约95%、例 如至少约99%被第一特征覆盖的话。
[0017] 在各种实施例中，可提供小伽马射线检测器。伽马射线检测器可例如具有具有小 于5cm2的面积且具有小于5mm的厚度、例如具有在0.5和1.5cm2之间的面积且具有约 0· 3mm的厚度的尺寸。
[0018] 在各种实施例中，可以以相对低的成本生产伽马射线检测器。例如，伽马射线检测 器可在不使用大体积的昂贵半导体(诸如锗）的情况下工作。替代地，伽马射线检测器可使 用小体积的半导体作为其中生成检测信号的体积，和/或可使用更不昂贵的半导体材料， 例如硅。
[0019] 在各种实施例中，伽马射线检测器可对可认为潜在地对人类有害的剂量率（dose rate)敏感。伽马射线检测器可对从约1μSv/h起的剂量率敏感。换言之，可检测大于或等 于约1μSv/h的剂量率。
[0020] 在各种实施例中，伽马射线检测器可在约5V以下的操作电压下操作。例如，伽马 射线检测器的操作电压可对应于移动通信设备(例如移动电话)的操作电压。例如可将伽马 射线检测器集成到移动通信设备(例如移动电话）中，并使用其操作电压作为操作电压。在 各种实施例中，可借助于在低压下操作的数据线来提供检测信号的输出。
[0021] 在各种实施例中，伽马射线检测器可包括转换器元件。在该转换器元件中，入射伽 马福射可经历康普顿散射（comptonscattering)，其可导致康普顿电子的释放。可以快速 或者甚至是相对论性的(其中，可将例如电子之类的相对论性粒子理解为指代具有至少高 达其自己的静能的动能的粒子/电子)的康普顿电子可进入半导体体积。那里，康普顿电子 可生成电子空穴对，其可在形成于半导体中的电场中分离。这可引起可被检测为信号的电 位的变化。
[0022] 可预期要检测的大多数伽马辐射将具有达到几MeV的能量(例如，铯137,其可在 核电站事故之后污染土地、海洋、动物、蘑菇、植物和食物，可发射具有608keV的能量的伽 马辐射)。针对这些能量，与物质(例如与转换器元件)的主导相互作用过程可以是康普顿散 射。然而，电子-正电子-对的产生(所谓的对的产生）也可起到作用，并且可导致电子(例 如快速的、例如相对论性电子）进入半导体体积，基本上正如康普顿电子一样。除非以其它 方式说明，当在下面描述由康普顿电子/快速/相对论性电子在半导体体积中引起的过程 时，所谓的康普顿电子/快速/相对论性电子还可在对的产生过程中具有其原点（origin)。
[0023] 因此，根据各种实施例的伽马射线检测器可不需要依赖于伽马射线直接地与半导 体相互作用（其可具有非常低的概率）以用于产生检测信号。替代地(或另外)，伽马射线可 与转换器元件相互作用，可将该转换器元件选择成具有比半导体更高的与伽马辐射相互作 用的概率，并且如果康普顿电子被散射而进入半导体的话其可生成可引起检测信号的电子 空穴对。例如相对论性的单个快速粒子可在半导体中生成许多电子空穴对。作为示例，在 具有约280μm的厚度的硅芯片中，可生成在20, 000和30, 000之间的电子空穴对。借助于 生成的电子空穴对的用于快速、例如相对论性粒子的检测概率可接近于100%。
[0024] 在各种实施例中，转换器元件可包括具有用于伽马辐射的小吸收长度的材料、例 如具有高原子序数的材料、例如重金属(具有在20以上的原子序数)、例如具有在30以上、 例如在40以上、例如在50以上、例如在60以上、例如在70以上的原子序数的材料、例如铅、 钨或金或者由其组成。
[0025] 在各种实施例中，可将转换元件结合到半导体，例如到半导体芯片，例如到硅芯 片。可将转换元件形成为可结合到半导体的层。
[0026] 在各种实施例中，伽马射线检测器可基本上独立于伽马射线检测器相对于伽马辐 射源的取向而检测伽马辐射。换言之，当伽马射线检测器和伽马射线源的相对取向改变时， 由伽马射线检测器提供的伽马射线检测信号可基本上保持恒定。
[0027] 在各种实施例中，例如借助于至少一个放大器将检测信号放大可能是必需的。可 将至少一个放大器例如布置为放大器电路。可能需要屏蔽放大器电路免受电磁辐射以便正 常地工作。在各种实施例中，可将放大器电路形成或布置于其中可借助于转换器元件至少 部分地屏蔽放大器电路免受电磁辐射的位置处。这样，尽管小尺寸的伽马射线检测器，可获 得高信号质量。
[0028] 在各种实施例中，可在芯片上形成放大器电路，在其上面还形成伽马射线检测器， 从而形成集成检测器一放大器芯片，并且可紧接着转换器元件布置芯片。例如，可将芯片结 合到转换器元件，或者可将芯片夹在转换器元件的两个部分之间。在各种实施例中，可单独 地形成放大器电路和伽马射线检测器并耦合，例如导电地耦合。可紧接着转换器元件布置 伽马射线检测器和放大器电路两者，例如可将检测器结合到转换器元件，并且可在转换器 元件上面布置放大器电路。可例如将伽马射线检测器和放大器电路夹在转换器元件的两个 部分之间。不管其是单独地还是以集成方式形成，在各种实施例中可将伽马射线检测器和 放大器电路基本上完全地包围在转换器元件中或者基本上完全地被其围绕，例如，可在伽 马射线检测器和放大器电路周围以这样的方式形成转换器元件：即其仅为需要引入和/或 引出（leadinand/oroutof)由转换器元件形成的腔体的部分(例如用于至少一个电源 线和/或至少一个数据线的馈通）留下开口。
[0029] 在各种实施例中，可提供（已放大）检测信号的附加处理，例如可对信号进行清洁 和/或整形。举例来说，可将至少一个信号处理器用于处理检测信号，例如可使用集成和区 别的组合以便对检测信号进行整形的所谓"整形器（shaper)"。
[0030] 图1A和图1B示出了根据各种实施例的伽马射线检测器100、101的示意性截面。
[0031] 伽马辐射可以以可认为并未对人类有害的剂量率自然地发生。然而，核电站、核医 疗、自然物质的浓缩过程等可导致可对人类有害的提高水平的伽马辐射。可期望一种用于 至少当伽马辐射的水平提高、使得可认为其对人类有害时检测伽马辐射的廉价检测器。
[0032] 可估计可对应于给定剂量率的伽马光子γ的数目（换言之，作为剂量率的函数的 伽马光子通量的量值)。针对估计，可使用20μSv/h的剂量率，其可被认为至少对于长期暴 露而目是有害的。
[0033] 进入身体的光子(为了此目的，可认为其是类似肉的物质）可以以25%的 概率在一个立方分米(其可对应于1kg的类似肉的物质）内被吸收。光子在 身体中可能损失(每cm2)的能量可以是通量因子（Flux