在中国的医疗器械市场上,医疗影像设备占据着大头。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射线是一种高能电磁波,本质上和光没有区别,区别在于x射线比常见的光的频率更高,波长更短,穿透性更强,但人眼是无法直接看到x射线。图1是电磁波的波谱图,x射线位于紫外线的右侧,人体手骨x线照片下方便是x射线频率范围。 其频率比紫外线要更高,已属于电离辐射的范畴。
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zui早,成本也zui低。TFT比较晚,是目前的主流应用技术。IGZO是zui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。
闪烁体探测器
NaI(Tl)探测器作为一种常用的闪烁体探测器,其优点在于:对光子探测效率和相对发光效率比较高;同时价格便宜、使用方便;尺寸可以做得比较准确,并可以准确计算出探测效率,对于需要测量射线强度而能量分辨率要求不高的场合应用广泛。但是对于探测X射线而言,探测能量的线性度不好,其能量分辨率很差,一般都在50%-60%;而且NaI(Tl)探测器需要配备光电倍增管,系统较为笨重。
气体探测器
正比计数器也普遍用于测量X射线的强度和能量,理论上只要正比计数器中产生一个电子-离子对就能产生气体放大,形成可以探测到的信号,所以正比计数器具有探测能量下限低的优点。在测量低能γ和X射线时,分辨率为14%~20%,相比于NaI(Tl)探测器好2-3倍,但仍远不如半导体探测器。能量谱线加宽除了有离子对数产生的统计涨落原因外,还有制造工艺上的问题,为达到较好的分辨率必须采取纯化气体和选择均匀的阳极丝等措施。
半导体探测器
六十年代以来,半导体探测器作为一种核辐射探测器元件迅速的发展起来。它具有线性响应好,能量分辨率高,脉冲上升时间短,探测效率高,偏压低(除锗和高纯硅探测器需要上千伏的偏压外),结构简单,操作方便。何知宇.硒化镉多晶合成与单晶生长工艺的改进。因此广泛的应用于核物理实验和研究方面,而且在许多核科学技术应用中取代了气体探测器和闪烁计数器。常见的γ/X半导体探测器有高纯锗探测器(HPGe)、硅锂漂移探测器(SiLi)等
Si(Li)半导体探测器具有高能量分辨率、高探测效率、低工作偏压,且能量的线性与粒子种类和质量无关等特点,适合于精密的低能γ/X射线能谱测量。但由于Si(Li)探测器灵敏区较厚,在室温条件下其漏电流的涨落是探测器噪声的主要来源,所以必须工作在低温条件下。针对γ/X射线的测量,为了避免由于温度变化引起的热应力和漂移锂的重新分布,zui好还是要在低温下保存。