基本介紹
- 中文名：X射線探測器
- 外文名：X-ray detector
- 用途：作為CT成像的核心
- 功能：將X射線能量轉為可記錄的電信號
- 運用單位：科研、醫院
- 運用對象：人、動物
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介紹
x射線探測器是一種將X射線能量轉換為可供記錄的電信號的裝置。它接收到射線照射，然後產生與輻射強度成正比的電信號。通常探測器所接受到的射線信號的強弱，取決於該部位的人體截面內組織的密度。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。這種不同組織對x射線吸收值不同的性質可用組織的吸收係數m來表示，所以探測器所接收到的信號強弱所反映的是人體組織不同的m值，從而對組織性質做出判斷。
結構
CT機種的X射線探測器結構如圖所示。位於管套中的真空管為旋轉陽極式的射線管。管內設有陽極、陰極、燈絲和轉子，在真空管外部對應陽極轉子處設有定子線圈。定子線圈通入電流產生旋轉磁場，在銅質的轉子中產生。
X射線探測器構造
X射線探測器構造一個典型的探測器包括：閃爍體、光電轉換陣列和電子學部分。此外還有軟體、電源等附屬檔案。目CT中常用的探測器類型有兩種：
(1)是收集螢光的探測器，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。它收集電離作用產生的電子和離子，記錄由它們的電荷所產生的電壓信號。
基本參數
能量—電荷係數
X射線在介質物質中平均得到的電荷（N）與損耗的能量（E）的比值，被我們稱為能量—電荷轉換係數。由於能量—電荷轉換具有統計性，所以一般表示為平均值。
能量解析度
X射線探測器中最為重要的系統參數便是能量解析度，能量解析度反映了探測器對不同類型的入射粒子的能量分辨能力。能量解析度越小，則表示探測器可區分更小的能量差別。通常我們將能量解析度分為絕對、相對解析度兩種類型。以能量高斯分布的半高寬（FWHM）來表示的被稱為絕對解析度；而相對解析度則是使用絕對解析度與峰位的比值來表示。
探測器的能量解析度受諸多因素的影響，如：探測器的有效探測面積、探測元器件類型、甑別和計數器能力、後續處理電路時間常數等。在此時間常數通常指脈衝處理器所耗費時間，也就是是射線從進入探測器後，其測量並處理能量所需時長。探測器解析度與其時間常數、面積、分析效率幾者之間有著明晰的關聯，即：面積大小與解析度高低成反比；當面積不變時，時間常數與光子測量準確度同時增加時，其分辨效果越好[5]。由此不難看出，時間常數是影響分析效率與能量解析度的重要因素，然而兩者卻無法同一，因此從儀器實用層面出發，必須讓解析度與靈敏度兼顧。
輸出穩定性
探測器能量—電荷轉換係數對於環境溫度t和供電電源電壓V等相關條件的敏感性常被稱作其輸出穩定性。
探測效率
探測效率多被定義為記錄到的脈衝數與入射X射線光量子數的比值。由於X射線和物質的作用並不是連續進行的，同時X射線光量子與物質作用產生磷光或電離也並非絕對，因此X射線探測器探測效率不會大於1。一般我們按照探測效率的不同特性將其分為兩類：絕對效率和本徵效率。X射線總入射光量子數與輻射源發射的量子數的比值稱為絕對效率。通常由於探測器的感應區相對於輻射發射光量子只是一個很小的範圍，而輻射源是均勻光發射，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，也和探測器系統的外觀設計有關。本徵效率是指系統所記錄到的脈衝個數同入射到探測器感應區的光量子數之比。
時間分辨
探測器時間分辨能力主要由探測器系統信號輸出的上升時間和數據信號獲取的採集時間兩方面決定[6]。當然也和探測器的光敏面積、探測器材料、環境溫度等條件相關。
分類
氣體探測器
氣體探測器均以氣體作為探測介質，內部多充有以多種惰性氣體為主混合氣體，並在探測器兩極加上電壓小室。其小室的形狀大小結構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現的，因為射線粒子在靈敏體積內產生電子離子對，在電離室中電子離子對由於收集電場的作用分別向內壁和中心絲運動，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構上基本相同.其典型結構分為平板型與圓柱型，如圖所示。在這些結構類型中均包括：
- 高壓極(K)：正高壓或負高壓；
- 收集極(C)：與測量儀器相聯的電極，處於與地接近的電位；
- 保護極(G)：又稱保護環，處於與收集極相同的電位；
- 負載電阻(RL)：電流流過時形成電壓信號。
氣體探測器具有製備簡單、性能可靠、成本低廉、使用方便等優點，有廣泛的套用。20世紀70年代以來，氣體探測器有很大發展，在高能物理和重離子物理實驗中獲得新的套用，並套用於核醫學、生物學、天體物理、凝聚態物理和電漿物理等領域。
閃爍探測器
在介紹閃爍探測器之前，必須先了解光脈衝，當閃爍物質受到放射線或其他高能粒子輻照時會激發阻止介質原子，被激發的原子由激發態退激回到基態時會形成螢光脈衝[7]。閃爍探測器正是利用某些物質在核輻射的作用下會發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裡的閃爍體、接收光的收集系統、光—電子轉換的光探測光電器件（如光電管、光電倍增管、光電二極體），以及光電探測器後續電路輸出系統等組合而成。這些器件組合在一起被統稱為閃爍探測器系統。閃爍探測器的結構示意圖如圖所示。
閃爍探測器的工作原理是：放射線入射到閃爍體後發出螢光；螢光光子被收集到光電倍增管的光陰極，通過光電效應轉換出光電子；光電子通過電子運動並在光電倍增管各級間倍增，最後在陽極輸出迴路輸出信號。閃爍探測器的探測動態範圍很寬，對能量在1eV到1GeV範圍內的輻射粒子都適用[8]，如今己成為最常用的探測器，在高能物理學、地球物理學、輻射醫學、放射化學等眾多領域都得到了廣泛的套用。其主要套用類型種類可分為：能譜測量、劑量測量、強度測量、時間測量。閃爍體探測器主要具備以下幾方面的優點：
- 其外形結構和大小的製作相對隨意，可以做成任意大小和形狀；
- 探測效率高，適合於測量不帶電粒子，如γ射線、X射線和中子等；三是時間特性好，有的探測器（如塑膠閃爍體、BaF2）能夠實現ns的時間分辨。基於以上優點，閃爍體探測器被廣泛套用於空間X射線探測領域。
半導體探測器
半導體探測器是以半導體材料為探測介質的輻射探測器。鍺和矽是我們最通用的半導體探測材料，其基本原理與氣體電離室相類似。晶體計數器可以認為是半導體探測器的前身，20世紀初期人們發現在核輻射下可以通過某些固體電介質產生電導現象，在這之後金剛石、氯化銀等晶體計數器又相繼被人們發明。可是我們至今無法解決晶體極化效應的問題，所以目前可以達到實用水平的只有金剛石探測器。20世紀中期有人在使用α粒子照射鍺半導體點接觸型二極體時，發現有電脈衝輸出。1958年第一個金矽面壘型探測器被設計完成，直到20世紀60年代初期鋰漂移型探測器被研製成功後，半導體探測器才得到迅速的發展。
半導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上後，固體介質內部會形成很強的電場區。這時進入介質後的帶電粒子,因為電離作用從而會產生電子——空穴對,並且在強電場作用下,電子和空穴將各自按照自身相反的電極方向迅速移動,並產生感應電荷,隨之形成信號脈衝輸出在負載RL上。由於半導體產生的電信號同入射粒子的能量損失成正比關係，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性質。半導體探測器的優缺點均十分明顯，其能量解析度高，探測效率高（可與閃爍探測器相比擬），體積小，較快的回響時間等優點是其他設備所無法比擬的。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，也嚴重製約了其發展與套用。
發展
增大z軸的覆蓋寬度
從發展的角度看，希望X射線管旋轉一周就能獲得更多的層面，即可完成一個臟器的掃描，實現所謂的容積掃描(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，不僅取決於增加探測器的排數，建立更多的數據採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解析度。由於半導體技術的發展，數據處理晶片具備處理海量數據的能力，極大的提高了採集速度，而且體積更小。
提高靈敏度
隨著技術的發展，CT圖像的質量有了明顯改善，解析度也有很大的提高，但這多是以提高X射線能量為代價的。既要獲得高質量的圖像，又要使患者儘量地少接收x射線輻射，這應該是下一步CT改革的重點之一。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，提高圖像質量。
雙探測器系統
在2005年，西門子公司首次在新SOMATOM Definition產品上同時使用兩個x射線源和兩台探測器，它也是世界上第一個雙源CT系統。由於它同時使用兩個X射線源和兩台探測器，現在的CT系統只使用一台射線源和探測器，所以雙探測器系統比任何一種現有的CT技術更高效。
