[科普中國]-X射線探測器

概述

x射線探測器是一種將X射線能量轉(zhuǎn)換為可供記錄的電信號的裝置。它接收到射線照射，然后產(chǎn)生與輻射強(qiáng)度成正比的電信號。1通常探測器所接受到的射線信號的強(qiáng)弱，取決于該部位的人體截面內(nèi)組織的密度。密度高的組織，例如骨骼吸收x射線較多，探測器接收到的信號較弱；密度較低的組織，例如脂肪等吸收x射線較少，探測器獲得的信號較強(qiáng)。這種不同組織對x射線吸收值不同的性質(zhì)可用組織的吸收系數(shù)m來表示，所以探測器所接收到的信號強(qiáng)弱所反映的是人體組織不同的m值，從而對組織性質(zhì)做出判斷。 2

結(jié)構(gòu)CT機(jī)種的X射線探測器結(jié)構(gòu)如圖所示。位于管套中的真空管為旋轉(zhuǎn)陽極式的射線管。管內(nèi)設(shè)有陽極、陰極、燈絲和轉(zhuǎn)子，在真空管外部對應(yīng)陽極轉(zhuǎn)子處設(shè)有定子線圈。定子線圈通入電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，在銅質(zhì)的轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生。2

一個典型的探測器包括：閃爍體、光電轉(zhuǎn)換陣列和電子學(xué)部分。此外還有軟件、電源等附件。目CT中常用的探測器類型有兩種：

(1)是收集熒光的探測器，稱閃爍探測器，也叫固體探測器。

(2)是收集氣體電離電荷的探測器稱為氣體探測器。它收集電離作用產(chǎn)生的電子和離子，記錄由它們的電荷所產(chǎn)生的電壓信號。3

基本參數(shù)能量—電荷系數(shù)X射線在介質(zhì)物質(zhì)中平均得到的電荷（N）與損耗的能量（E）的比值，被我們稱為能量—電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)。由于能量—電荷轉(zhuǎn)換具有統(tǒng)計性，所以一般表示為平均值。

能量分辨率X射線探測器中最為重要的系統(tǒng)參數(shù)便是能量分辨率，能量分辨率反映了探測器對不同類型的入射粒子的能量分辨能力。能量分辨率越小，則表示探測器可區(qū)分更小的能量差別。通常我們將能量分辨率分為絕對、相對分辨率兩種類型。以能量高斯分布的半高寬（FWHM）來表示的被稱為絕對分辨率；而相對分辨率則是使用絕對分辨率與峰位的比值來表示。

探測器的能量分辨率受諸多因素的影響，如：探測器的有效探測面積、探測元器件類型、甑別和計數(shù)器能力、后續(xù)處理電路時間常數(shù)等。在此時間常數(shù)通常指脈沖處理器所耗費(fèi)時間，也就是是射線從進(jìn)入探測器后，其測量并處理能量所需時長。探測器分辨率與其時間常數(shù)、面積、分析效率幾者之間有著明晰的關(guān)聯(lián)，即：面積大小與分辨率高低成反比；當(dāng)面積不變時，時間常數(shù)與光子測量準(zhǔn)確度同時增加時，其分辨效果越好[5]。由此不難看出，時間常數(shù)是影響分析效率與能量分辨率的重要因素，然而兩者卻無法同一，因此從儀器實(shí)用層面出發(fā)，必須讓分辨率與靈敏度兼顧。

輸出穩(wěn)定性探測器能量—電荷轉(zhuǎn)換系數(shù)對于環(huán)境溫度t和供電電源電壓V等相關(guān)條件的敏感性常被稱作其輸出穩(wěn)定性。

探測效率探測效率多被定義為記錄到的脈沖數(shù)與入射X射線光量子數(shù)的比值。由于X射線和物質(zhì)的作用并不是連續(xù)進(jìn)行的，同時X射線光量子與物質(zhì)作用產(chǎn)生磷光或電離也并非絕對，因此X射線探測器探測效率不會大于1。一般我們按照探測效率的不同特性將其分為兩類：絕對效率和本征效率。X射線總?cè)肷涔饬孔訑?shù)與輻射源發(fā)射的量子數(shù)的比值稱為絕對效率。通常由于探測器的感應(yīng)區(qū)相對于輻射發(fā)射光量子只是一個很小的范圍，而輻射源是均勻光發(fā)射，這樣一來探測器可以接收到有限的輻射光子，所以絕對探測效值率既受到探測器本生特性的影響，也和探測器系統(tǒng)的外觀設(shè)計有關(guān)。本征效率是指系統(tǒng)所記錄到的脈沖個數(shù)同入射到探測器感應(yīng)區(qū)的光量子數(shù)之比。

時間分辨探測器時間分辨能力主要由探測器系統(tǒng)信號輸出的上升時間和數(shù)據(jù)信號獲取的采集時間兩方面決定[6]。當(dāng)然也和探測器的光敏面積、探測器材料、環(huán)境溫度等條件相關(guān)4。

分類氣體探測器氣體探測器均以氣體作為探測介質(zhì)，內(nèi)部多充有以多種惰性氣體為主混合氣體，并在探測器兩極加上電壓小室。其小室的形狀大小結(jié)構(gòu)因氣體探測器的不同會有加大差別。在探測器使用時我們多將內(nèi)部氣體大氣壓加至2到3個大氣壓，這樣可以有效提高氣體探測器的探測效率。氣體探測器的工作原理是通過收集電離電荷獲取核輻射信息來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樯渚€粒子在靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生電子離子對，在電離室中電子離子對由于收集電場的作用分別向內(nèi)壁和中心絲運(yùn)動，從而通過探測器捕捉到所需信息。氣體探測器不同類型的電離室在結(jié)構(gòu)上基本相同.其典型結(jié)構(gòu)分為平板型與圓柱型，如圖所示。在這些結(jié)構(gòu)類型中均包括：

高壓極(K)：正高壓或負(fù)高壓；

收集極(C)：與測量儀器相聯(lián)的電極，處于與地接近的電位；

保護(hù)極(G)：又稱保護(hù)環(huán)，處于與收集極相同的電位；

負(fù)載電阻(RL)：電流流過時形成電壓信號。

氣體探測器具有制備簡單、性能可靠、成本低廉、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)70年代以來，氣體探測器有很大發(fā)展，在高能物理和重離子物理實(shí)驗(yàn)中獲得新的應(yīng)用，并應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、天體物理、凝聚態(tài)物理和等離子體物理等領(lǐng)域。

閃爍探測器在介紹閃爍探測器之前，必須先了解光脈沖，當(dāng)閃爍物質(zhì)受到放射線或其他高能粒子輻照時會激發(fā)阻止介質(zhì)原子，被激發(fā)的原子由激發(fā)態(tài)退激回到基態(tài)時會形成熒光脈沖[7]。閃爍探測器正是利用某些物質(zhì)在核輻射的作用下會發(fā)光的這一特性工作的。閃爍探測器主要是由被封閉在一個不透明的外殼里的閃爍體、接收光的收集系統(tǒng)、光—電子轉(zhuǎn)換的光探測光電器件（如光電管、光電倍增管、光電二極管），以及光電探測器后續(xù)電路輸出系統(tǒng)等組合而成。這些器件組合在一起被統(tǒng)稱為閃爍探測器系統(tǒng)。閃爍探測器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。

閃爍探測器的工作原理是：放射線入射到閃爍體后發(fā)出熒光；熒光光子被收集到光電倍增管的光陰極，通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換出光電子；光電子通過電子運(yùn)動并在光電倍增管各級間倍增，最后在陽極輸出回路輸出信號。閃爍探測器的探測動態(tài)范圍很寬，對能量在1eV到1GeV范圍內(nèi)的輻射粒子都適用[8]，如今己成為最常用的探測器，在高能物理學(xué)、地球物理學(xué)、輻射醫(yī)學(xué)、放射化學(xué)等眾多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。其主要應(yīng)用類型種類可分為：能譜測量、劑量測量、強(qiáng)度測量、時間測量。閃爍體探測器主要具備以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：

其外形結(jié)構(gòu)和大小的制作相對隨意，可以做成任意大小和形狀；

探測效率高，適合于測量不帶電粒子，如γ射線、X射線和中子等；三是時間特性好，有的探測器（如塑料閃爍體、BaF2）能夠?qū)崿F(xiàn)ns的時間分辨。基于以上優(yōu)點(diǎn)，閃爍體探測器被廣泛應(yīng)用于空間X射線探測領(lǐng)域。

半導(dǎo)體探測器半導(dǎo)體探測器是以半導(dǎo)體材料為探測介質(zhì)的輻射探測器。鍺和硅是我們最通用的半導(dǎo)體探測材料，其基本原理與氣體電離室相類似。晶體計數(shù)器可以認(rèn)為是半導(dǎo)體探測器的前身，20世紀(jì)初期人們發(fā)現(xiàn)在核輻射下可以通過某些固體電介質(zhì)產(chǎn)生電導(dǎo)現(xiàn)象，在這之后金剛石、氯化銀等晶體計數(shù)器又相繼被人們發(fā)明。可是我們至今無法解決晶體極化效應(yīng)的問題，所以目前可以達(dá)到實(shí)用水平的只有金剛石探測器。20世紀(jì)中期有人在使用α粒子照射鍺半導(dǎo)體點(diǎn)接觸型二極管時，發(fā)現(xiàn)有電脈沖輸出。1958年第一個金硅面壘型探測器被設(shè)計完成，直到20世紀(jì)60年代初期鋰漂移型探測器被研制成功后，半導(dǎo)體探測器才得到迅速的發(fā)展。

半導(dǎo)體探測器的工作原理如圖所示。將工作電壓加在電極K和A上后，固體介質(zhì)內(nèi)部會形成很強(qiáng)的電場區(qū)。這時進(jìn)入介質(zhì)后的帶電粒子,因?yàn)殡婋x作用從而會產(chǎn)生電子——空穴對,并且在強(qiáng)電場作用下,電子和空穴將各自按照自身相反的電極方向迅速移動,并產(chǎn)生感應(yīng)電荷,隨之形成信號脈沖輸出在負(fù)載RL上。由于半導(dǎo)體產(chǎn)生的電信號同入射粒子的能量損失成正比關(guān)系，所以我們可以由所測到的電信號計算出入射粒子的能量大小及其它相關(guān)性質(zhì)。半導(dǎo)體探測器的優(yōu)缺點(diǎn)均十分明顯，其能量分辨率高，探測效率高（可與閃爍探測器相比擬），體積小，較快的響應(yīng)時間等優(yōu)點(diǎn)是其他設(shè)備所無法比擬的。但同時探測器尺寸無法隨意增大，器件本身容易被射線損傷，價格偏高等劣勢，也嚴(yán)重制約了其發(fā)展與應(yīng)用。

發(fā)展增大z軸的覆蓋寬度從發(fā)展的角度看，希望X射線管旋轉(zhuǎn)一周就能獲得更多的層面，即可完成一個臟器的掃描，實(shí)現(xiàn)所謂的容積掃描(Volume Scan)。為此勢必要增大探測z軸的覆蓋寬度，要想延長z軸的覆蓋寬度，不僅取決于增加探測器的排數(shù)，建立更多的數(shù)據(jù)采集通道同樣非常重要，這樣才能既保證Z軸的覆蓋寬度又不降低空間分辨率。由于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)處理芯片具備處理海量數(shù)據(jù)的能力，極大的提高了采集速度，而且體積更小。2

提高靈敏度隨著技術(shù)的發(fā)展，CT圖像的質(zhì)量有了明顯改善，分辨率也有很大的提高，但這多是以提高X射線能量為代價的。既要獲得高質(zhì)量的圖像，又要使患者盡量地少接收x射線輻射，這應(yīng)該是下一步CT改革的重點(diǎn)之一。因此就要提高探測器的靈敏度，在不增加甚至減少輻射劑量的前提下，提高圖像質(zhì)量。2

雙探測器系統(tǒng)在2005年，西門子公司首次在新SOMATOM Definition產(chǎn)品上同時使用兩個x射線源和兩臺探測器，它也是世界上第一個雙源CT系統(tǒng)。由于它同時使用兩個X射線源和兩臺探測器，現(xiàn)在的CT系統(tǒng)只使用一臺射線源和探測器，所以雙探測器系統(tǒng)比任何一種現(xiàn)有的CT技術(shù)更高效。2