X射線探測器介紹

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。 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。

CT機(jī)種的X射線探測器結(jié)構(gòu)如圖1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。

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。

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(jì)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(jì)數(shù)器能力、后續(xù)處理電路時(shí)間常數(shù)等。在此時(shí)間常數(shù)通常指脈沖處理器所耗費(fèi)時(shí)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(shí)長。探測器分辨率與其時(shí)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(shí)，時(shí)間常數(shù)與光子測量準(zhǔn)確度同時(shí)增加時(shí)，其分辨效果越好[5]。由此不難看出，時(shí)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(shí)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(jì)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(shí)間分辨

探測器時(shí)間分辨能力主要由探測器系統(tǒng)信號輸出的上升時(shí)間和數(shù)據(jù)信號獲取的采集時(shí)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) 。

X射線探測器氣體探測器

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(shí)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2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(shí)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。

X射線探測器閃爍探測器

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(shí)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(shí)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3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(shí)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(shí)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(shí)間分辨?；谝陨蟽?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。

X射線探測器半導(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(jì)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(jì)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(shí)，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(jì)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4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(shí)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(jì)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(shí)間等優(yōu)點(diǎn)是其他設(shè)備所無法比擬的。但同時(shí)探測器尺寸無法隨意增大，器件本身容易被射線損傷，價(jià)格偏高等劣勢，也嚴(yán)重制約了其發(fā)展與應(yīng)用。

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。

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(jià)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。

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(shí)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(shí)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。 2100433B

探測器分辨率1536×1920，象素127μm，采集速度7.5fps(1×1)，15fps(2×2)。

工業(yè)錐束CT無損檢測系統(tǒng)部件，接收X射線成像。系統(tǒng)細(xì)節(jié)分辨率0.6mm，幾何測量精度±0.08mm，零件差異對測量精度有一定影響。 2100433B