不同X射线探测器之间有什么区别

来源:电子技术应用_资讯
近两年来,工业安防上使用X射线探测器的份额正在逐年增加,未来发展的潜力也越来越凸显。

  在中国的医疗器械市场上,医疗影像设备占据着绝对的大头。而在众多的医疗影像设备中,X射线探测器又占据着相当大的份额。X射线探测器是CT影像设备的核心,可以将X射线转换成电信号并最终通过图像显示出来。X射线探测器不仅可以用于医用领域对患者的身体状况进行透视检查,也可以用于工业领域进行损伤检查。根据统计,在2018年,全世界X射线探测器的市场规模达到了20亿美元,其中医用X射线探测器占了市场的三分之二。不过,近两年来,工业安防上使用X射线探测器的份额正在逐年增加,未来发展的潜力也越来越凸显。

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  X射线探测器的分类

  X射线探测器从上个世纪发展至今,经历了模拟图像阶段、间接数字化阶段和直接数字化阶段三个时期。在模拟图像阶段,X射线探测器主要通过胶片、增感屏来反映X射线的透视状况,最后洗印出片。到上个世纪八十年代至新世纪之初,间接数字化阶段的X射线探测器用一块IP板成像,一次只能存储一张图片。最后在直接数字化阶段,不仅存储图片的数量不再受限,成像的速度和质量都得到了质的飞跃。

  X射线探测器的工作原理基本都是把X射线的光信号转换为电信号,通过计算投在显示屏上的电荷量来计算所捕获到的光子数量,而计算电荷量进而计算光子量的方式有两种,根据方式的不同可以分为积分式探测器和单光子计数式探测器。顾名思义,前者是用积分的方式计算,后者是直接计算一个个光子的数量。后者相比前者,拥有空间分辨率高、具有能量分辨能力和噪声/能量比较器、接近理想的宽线性范围、高对比度和可直接探测等优点。但目前市面上主流的X射线探测器依然是积分式探测器。

  现有的X射线探测器几乎都是由一个把X射线的光信号转换成电信号的光电二极管和一个接收电信号并成像的装置组成,根据后者的工作原理不同大致上目前可以分成三个种类:CCD(电荷耦合器件)、TFT(平板薄膜晶体管)和IGZO(铟镓锌氧化物)三个种类。CCD技术最早,成本也最低。TFT比较晚,是目前的主流应用技术。IGZO是最晚出现的新技术,也就在近几年才强势进入市场。而从光电二极管的工作原理上分,又可以分为非晶硅(a-Si)探测器、互补型金属氧化物半导体(CMOS)/单晶硅探测器、非晶硒探测器和碲化镉/碲锌镉(CdTe/CZT)探测器等。下面就据以上分类分别介绍每种探测器的原理和优劣。

  CCD探测器

  CCD探测器是以闪烁体或荧光体加光学镜头再加CCD构成,闪烁体的作用是将X射线转换成可见光,再把转换出的可见光通过CCD转换成电信号,最终成像。因为不是直接把X射线转换成电信号,所以CCD探测器严格意义上不是直接数字化摄影,而是间接数字化摄影。

  相比于采用TFT阵列开关的探测器,CCD探测器工作不需要很严格的低温环境,对温度适应度更广,而且仪器运输过程中更震动对其损伤也小,并且TFT在X射线的辐射下会产生不可逆的损伤,维护成本更高。但CCD探测器转换效率相对更低,并且CCD面积难以做大,在大尺寸X射线探测器上,用TFT阵列开关更多。

  非晶硅探测器

  非晶硅探测器是由闪烁体或荧光体层涂上有光电二极管作用的非晶硅层,再加上一个TFT阵列组成。它和CCD探测器的工作原理基本相同,都需要闪烁体将X射线转换成可见光,再把转换出的可见光通过光敏元件转换成电信号,再通过TFT阵列开关成像,也是间接数字化摄影。而将X射线转换成可见光的过程也会存在散射,影响成像的清晰度。但可以通过将闪烁体加工成针状以提高对X线的利用来降低散射,但散射光对空间分辨率的影响也不能完全消除。

  根据其闪烁晶体涂层的材料不同,非晶硅探测器一般又分为碘化铯(CsI)非晶硅探测器和硫氧化钆(GOS)非晶硅探测器两种主流。这两种探测器的成像原理基本一致,但从性能上对比,碘化铯因为具有针状晶体结构,将X射线转换成可见光的综合转换效率比硫氧化钆涂层更高,冲激响应的光斑弥散也更小。因此,采用碘化铯作为闪烁体材料,X射线使用剂量更小,成像更清晰。但因为硫氧化钆涂层不需要长时间的沉积过程,因此制造工艺简单,成本低廉,碘化铯非晶硅探测器的生产成本比硫氧化钆非晶硅探测器更高,所以一般情况下,碘化铯非晶硅探测器更受青睐。

  不过,就在前不久日本东丽公司也推出过一项新技术,据相关报道称,该公司的科研人员在硫氧化钆涂层上加入了“第二种荧光层”(second phosphor),可以把350-400纳米之间的短波光能够转换成接近550纳米的长波光,而光电传感器对硫氧化钆涂层发射光谱中350-400纳米的短波光灵敏度较低,对550纳米长波光则具有较高的灵敏度。因此,它的这项技术可以将硫氧化钆非晶硅探测器的成像亮度提高30%,可以达到与碘化铯非晶硅探测器的成像效果。而其生产成本又比后者更低,具有相当可观的市场应用前景。

  CMOS/单晶硅探测器

  互补型金属氧化物半导体(CMOS)/单晶硅探测器的集成度非常高,将光电二极管阵列、读出芯片等集成在一块单晶硅晶圆上。相比于非晶硅探测器,CMOS探测器的分辨率更高、图像噪声更低、采集速度更快。但由于受到半导体产业中晶圆大小的限制,制作大尺寸探测器需要进行拼接,工艺较为复杂,因此工艺和原材料成本均高于非晶硅探测器。因此,CMOS探测器主要应用在齿科CBCT领域这种对小尺寸动态X线影像设备的需求上。

  非晶硒探测器

  非晶硒探测器是将非晶态硒涂在TFT阵列上构成。与非晶硅探测器相比,它不需要通过闪烁晶体将X射线转换成可见光。当X射线射入非晶态硒层时会产生电子-空穴对。这些电子和空穴在外加偏压电场作用下会向着相反的方向移动形成电流,电流在TFT积分形成储存电荷。通过读出电荷量,就可以知道每点的X射线剂量。

  因此非晶硒探测器比非晶硅探测器是直接的数字化摄影,可以完全避免X射线转换成可见光过程中的散射带来的清晰度损失。但其缺陷在于其偏压电场高达数千伏,高压电场会对TFT开关造成损伤,减少使用寿命。并且生产成本也比非晶硅探测器更高。

  碲化镉/碲锌镉探测器

  碲化镉/碲锌镉探测器的工作原理和非晶硒探测器的工作原理完全一样,就是把非晶态硒涂层换成碲化镉涂层,或在碲化镉中加入少量的锌做成碲锌镉涂层,碲化镉探测器比碲锌镉探测器成本更低,更适合大批量生产和可重复性。与非晶硅、非晶硒探测器相比,它最大的优点在于非晶硅、非晶硒探测器一般要在低温环境下使用,而碲化镉/碲锌镉探测器则可以在普通室温环境中使用,可以用于对环境要求不高的环境监测、天体物理研究等领域。但缺陷在于碲化镉的晶体最大尺寸只有3英寸,因此也只能用于小尺寸的探测器上面。

  IGZO探测器

  IGZO探测器就是把上述的几种带TFT阵列开关的探测器中的TFT阵列开关换成了IGZO传感器阵列。简单地说TNF的作用就是够提升显示屏幕的反应速度和精确控制画面灰度。TFT是由非晶硅薄膜晶体管制成,但随着显示器尺寸的不断增大,非晶硅薄膜晶体管会出现了电子迁移率不足、均一性差、占用像素面积等缺陷,导致透光率降低。用由铟、镓、锌三种金属元素组成的IGZO传感器阵列相比TFT阵列,晶体尺寸更小、全透明,可以使设备更轻薄,并对可见光不敏感,提高了亮度,又降低了功耗。另外,IGZO的电子迁移率与临界电压飘移几乎一致,比TFT阵列提升了20至50倍。既能大面积制造有更高的采集速度及更低的噪声。

  钙钛矿探测器

  在最新的探测器技术方面,钙钛矿材料的应用可能是未来X射线探测器的一个重要突破方向。钙钛矿是特定类型的周期性晶体结构的总称,主要是由银、铋等重元素组成,目前最受青睐的是Cs2AgBiBr6材料。由于这种材料能够结合银、铋两个重原子核,因此具有出色的电荷形成和传输性能,是替代非晶硒、碲化镉和碲锌镉等材料,实现X射线直接转换的理想材料选择。

  各种X射线探测器的市场状况

  非晶硅探测器以其相对低廉的成本、较高的成像质量、较长的使用寿命和适用大批量生产在X射线探测器市场上占据最大的份额,CMOS探测器则以其小而精的特性在小尺寸的X射线探测器中也占据主流。美国Varex、法国 Trixell则是平板探测器领域的两大巨头,两家合计占据了全世界一半左右的市场。

  目前X射线探测器的主流是积分式探测器,但单光子计数技术是目前X射线探测器的一个重要发展方向。在这个领域,美国的Varex公司也做了布局,收购了在单光子计数技术很有优势的Direct Conversion公司。另外,芬兰的Detection Technology也收购致力于单光子计数方面研究的MulTIX公司。预计未来单光子计数将不再是前沿技术层面的东西,而会被很快得到商业化。

  在IGZO探测器方面,在2019年开始逐渐得到商业化,美国的Varex、韩国的Rayence和中国的奕瑞(iRay)都推出了IGZO探测器产品。在下一轮的X射线探测器的竞争当中,除了新材料的应用之外,人工智能可能是新的胜负手。因为光谱成像涉及大量数据的处理,通过结合人工智能,可以更快速、精确地得到图像。

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