X射線檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代檢測(cè)和成像的基礎(chǔ)，在醫(yī)療診斷、工業(yè)檢測(cè)、安全檢查和科學(xué)研究等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。自從1895年Wilhelm Conrad Roentgen發(fā)現(xiàn)X射線以來(lái)，X射線檢測(cè)技術(shù)經(jīng)歷了巨大的發(fā)展。近年來(lái)，隨著材料科學(xué)、電子學(xué)、制造和人工智能等領(lǐng)域的快速進(jìn)步，X射線檢測(cè)領(lǐng)域取得了顯著的突破。

X射線檢測(cè)器的性能主要受到材料特性和電路設(shè)計(jì)的影響。關(guān)鍵性能參數(shù)包括最小可檢測(cè)劑量率、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍和采樣速度。

材料科學(xué)和電子工程的協(xié)同作用推動(dòng)了高效電子檢測(cè)方法的發(fā)展，例如用于控制半導(dǎo)體材料暗電流的化學(xué)界面工程，以及自供電光子計(jì)數(shù)探測(cè)器和異質(zhì)結(jié)光電晶體管等新型器件。

此外，隨著其他工程技術(shù)和人工智能的快速發(fā)展，一些令人興奮的新型X射線檢測(cè)和成像方法也應(yīng)運(yùn)而生，如多光譜X射線成像、可攝入X射線劑量計(jì)和相襯X射線成像傳感器等。

一、直接X射線檢測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新

半導(dǎo)體材料在直接X射線檢測(cè)中扮演著核心角色。傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料如硅、CdZnTe和GaAs仍然是研究的重點(diǎn)。

硅因其低成本和成熟的加工工藝而廣泛應(yīng)用，但其對(duì)高能X射線的檢測(cè)效率較低。研究人員正在探索各種方法來(lái)提高硅探測(cè)器的性能，如使用深度耗盡區(qū)結(jié)構(gòu)和背照式設(shè)計(jì)。

CdZnTe因其高原子序數(shù)和寬禁帶而備受關(guān)注，特別適合室溫操作的高能X射線檢測(cè)。然而，大尺寸高質(zhì)量CdZnTe晶體的生長(zhǎng)和材料均勻性仍然是挑戰(zhàn)。

GaAs具有高電子遷移率的優(yōu)勢(shì)，但較高的暗電流限制了其應(yīng)用。研究人員正在開(kāi)發(fā)新的生長(zhǎng)技術(shù)和器件結(jié)構(gòu)來(lái)克服這些限制。

近年來(lái)，新興的二維材料為X射線檢測(cè)帶來(lái)了新的可能性。石墨烯因其超高的載流子遷移率而受到廣泛關(guān)注，但其X射線吸收效率低的問(wèn)題需要解決。研究人員正在探索各種方法來(lái)增強(qiáng)石墨烯的X射線敏感性，如使用高原子序數(shù)納米顆粒修飾或構(gòu)建多層結(jié)構(gòu)。過(guò)渡金屬二硫化物(如MoS2)因其直接帶隙和高光電響應(yīng)而成為另一個(gè)研究熱點(diǎn)。這些材料在柔性和可穿戴X射線檢測(cè)器方面展現(xiàn)出巨大潛力。

檢測(cè)器結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新也是推動(dòng)直接X射線檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要方向。異質(zhì)結(jié)構(gòu)，如石墨烯/硅異質(zhì)結(jié)，結(jié)合了不同材料的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度和寬光譜響應(yīng)。垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有助于提高電荷收集效率和時(shí)間分辨率，特別適用于高能X射線檢測(cè)。柔性檢測(cè)器的研究則為曲面和可穿戴應(yīng)用開(kāi)辟了新的領(lǐng)域，這在醫(yī)療影像和個(gè)人劑量監(jiān)測(cè)方面具有重要意義。

此外，納米技術(shù)的引入為直接X射線檢測(cè)帶來(lái)了新的機(jī)遇。納米線、量子點(diǎn)等納米結(jié)構(gòu)可以顯著增強(qiáng)X射線的吸收和電荷的收集。這些納米結(jié)構(gòu)檢測(cè)器不僅可以提高靈敏度，還可以實(shí)現(xiàn)能量分辨探測(cè)，為多能譜成像技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

圖1 直接X射線檢測(cè)中的電模型和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)策略

a-c. 典型間接X(jué)射線檢測(cè)策略的布局：傳統(tǒng)電容器模式的簡(jiǎn)化橫截面圖(a)，X射線光電導(dǎo)體的簡(jiǎn)化橫截視圖(b)和具有集成空穴傳輸層(HTL)和電子傳輸層(ETL)的直接探測(cè)器(c)。d. 光電晶體管的簡(jiǎn)化等效電路。e-f. 說(shuō)明X射線響應(yīng)半導(dǎo)體內(nèi)電子-空穴運(yùn)動(dòng)的模型：通過(guò)電流測(cè)量產(chǎn)生電子-空穴對(duì)和劑量檢測(cè)(e)，通過(guò)HTL和ETL收集空穴和載流子，導(dǎo)致半導(dǎo)體兩側(cè)的電荷積累(f)。g. 最先進(jìn)和最近開(kāi)發(fā)的探測(cè)器的X射線探測(cè)靈敏度總結(jié)。h. 電荷捕獲對(duì)分辨率的影響，取決于捕獲的電荷載流子的類型及其朝向頂部或底部電極的方向。i2表示中心像素，而i1和i3表示相鄰的左像素和右像素。對(duì)進(jìn)入這些像素的瞬態(tài)電流進(jìn)行積分，以確定相鄰像素中收集的電荷。i. 圖示像素化X射線探測(cè)器陣列操作的數(shù)字信號(hào)鏈圖。

二、間接X射線檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)展

閃爍體材料是間接X射線檢測(cè)的核心，其性能直接影響檢測(cè)器的整體表現(xiàn)。傳統(tǒng)閃爍體材料如CsI:Tl和NaI:Tl仍然廣泛應(yīng)用，但研究人員正在不斷優(yōu)化這些材料的性能。例如，通過(guò)精確控制摻雜濃度和改進(jìn)生長(zhǎng)工藝，可以顯著提高CsI:Tl的光輸出和空間分辨率。同時(shí)，新型閃爍體如Lu2SiO5:Ce(LSO)因其高密度和高有效原子序數(shù)而受到關(guān)注，特別適用于高能X射線和γ射線檢測(cè)。

近年來(lái)，新型閃爍體材料的開(kāi)發(fā)成為研究熱點(diǎn)。鈣鈦礦材料，如CsPbBr3，因其高光輸出和快速衰減時(shí)間而備受關(guān)注。這類材料不僅可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測(cè)，還能滿足高計(jì)數(shù)率應(yīng)用的需求。納米結(jié)構(gòu)閃爍體，如量子點(diǎn)閃爍體，提供了調(diào)節(jié)發(fā)射波長(zhǎng)的可能性，這對(duì)于優(yōu)化與光電轉(zhuǎn)換器件的匹配至關(guān)重要。復(fù)合閃爍體，如CsI:Tl/Lu2SiO5:Ce雙層結(jié)構(gòu)，通過(guò)結(jié)合不同材料的優(yōu)勢(shì)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高光輸出和優(yōu)良的時(shí)間特性。

光電轉(zhuǎn)換器件的創(chuàng)新也是推動(dòng)間接X射線檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的光電倍增管正逐漸被新型器件取代。硅光電倍增管(SiPM)因其高增益、快速響應(yīng)和在高磁場(chǎng)環(huán)境下的工作能力而成為熱門選擇，特別適用于PET-MRI等復(fù)合成像系統(tǒng)。有機(jī)光電二極管的研究為大面積、柔性X射線檢測(cè)器的開(kāi)發(fā)提供了新的可能性。這種器件不僅成本低，還可以通過(guò)卷對(duì)卷工藝實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。光電晶體管則因其高靈敏度和可調(diào)節(jié)增益的特性，在低劑量X射線檢測(cè)中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

此外，閃爍體與光電轉(zhuǎn)換器件的集成技術(shù)也在不斷進(jìn)步。例如，通過(guò)直接在閃爍體上生長(zhǎng)有機(jī)光電二極管，可以顯著提高光子收集效率，減少光損失。微柱結(jié)構(gòu)閃爍體的應(yīng)用則可以大幅提高空間分辨率，這在醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域具有重要意義。

間接X射線檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)展不僅體現(xiàn)在材料和器件層面，還反映在系統(tǒng)集成和信號(hào)處理方面。例如，時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)的引入使得檢測(cè)器能夠同時(shí)獲得能量和時(shí)間信息，為4D X射線成像技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

圖2 間接X射線檢測(cè)：材料、工程技術(shù)和電氣工程

a. X射線發(fā)射閃爍體中從紫外到近紅外(NIR)的發(fā)射波長(zhǎng)調(diào)諧。b. 代表性閃爍體的晶體結(jié)構(gòu)和歷史時(shí)間線，包括傳統(tǒng)和新報(bào)道的無(wú)機(jī)和有機(jī)閃爍體。c–e. 將閃爍體層與光學(xué)傳感器耦合的各種方法，包括直接耦合(c)、光學(xué)透鏡耦合(d)和光纖耦合(e)。直接耦合將成本效益的粘合劑粘合與直接沉積相結(jié)合，以提高分辨率。光學(xué)透鏡耦合主要由閃爍體層、光學(xué)透鏡和成像傳感器組成，從而顯著提高了空間分辨率。光纖耦合方法具有散射最小和成像分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。f-g. 兩種常見(jiàn)的檢測(cè)電路：光子計(jì)數(shù)(f)和光電積分(g)。光子計(jì)數(shù)由許多并行的微單元組成，每個(gè)微單元包括一個(gè)單光子雪崩二極管(SPAD)及其相關(guān)的前端電路。這些二極管在蓋革模式下工作，產(chǎn)生的輸出脈沖的幅度與檢測(cè)到的光子數(shù)量直接相關(guān)。相比之下，光電集成依賴于PN結(jié)光電二極管(PD)。當(dāng)這些二極管反向偏置時(shí)，電流隨光強(qiáng)度線性增加。

三、電氣工程在X射線檢測(cè)中的關(guān)鍵作用

電路設(shè)計(jì)和信號(hào)處理在提高X射線檢測(cè)器性能方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。讀出電路設(shè)計(jì)是一個(gè)核心領(lǐng)域，其中電荷敏感前置放大器、電流積分器和跨阻放大器是三種主要的前端電路拓?fù)洹?/span>

電荷敏感前置放大器以其低噪聲和寬動(dòng)態(tài)范圍的特性，成為許多高性能X射線檢測(cè)器的首選。研究人員正在探索各種新技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提高其性能，如使用深亞閾值CMOS技術(shù)來(lái)降低功耗，或采用自適應(yīng)偏置技術(shù)來(lái)擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍。

電流積分器在高計(jì)數(shù)率應(yīng)用中表現(xiàn)出色，特別適用于同步輻射源等高強(qiáng)度X射線環(huán)境。最新的研究焦點(diǎn)包括開(kāi)發(fā)快速?gòu)?fù)位機(jī)制和非線性校正技術(shù)，以提高在極端高計(jì)數(shù)率下的性能。

跨阻放大器因其高帶寬和快速響應(yīng)特性，在需要高時(shí)間分辨率的應(yīng)用中得到廣泛使用。研究人員正在開(kāi)發(fā)新的反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，以在保持高帶寬的同時(shí)降低噪聲水平。

創(chuàng)新的讀出電路設(shè)計(jì)不斷涌現(xiàn)，如開(kāi)關(guān)電容電路和自觸發(fā)讀出電路。開(kāi)關(guān)電容技術(shù)可以有效減少1/f噪聲，提高低頻性能，這對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間X射線曝光特別有利。自觸發(fā)讀出電路能夠?qū)崿F(xiàn)事件驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)采集，大大降低數(shù)據(jù)量和功耗，特別適用于便攜式和可穿戴X射線檢測(cè)器。

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在X射線檢測(cè)中的應(yīng)用日益重要。高速、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是連接模擬前端和數(shù)字處理單元的關(guān)鍵橋梁。最新的ADC設(shè)計(jì)趨勢(shì)包括使用時(shí)間交錯(cuò)結(jié)構(gòu)來(lái)提高采樣率，以及采用動(dòng)態(tài)元件匹配技術(shù)來(lái)提高線性度。數(shù)字濾波技術(shù)，如維納濾波和小波變換，被廣泛用于優(yōu)化信噪比。研究人員正在探索自適應(yīng)濾波算法，以更好地應(yīng)對(duì)不同的信號(hào)和噪聲特征。

脈沖堆積處理是高計(jì)數(shù)率X射線檢測(cè)中的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的數(shù)字脈沖整形技術(shù)正在被更先進(jìn)的算法取代，如基于模板匹配的解卷積方法和機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的脈沖識(shí)別技術(shù)。這些新方法能夠在高計(jì)數(shù)率下顯著提高能量分辨率和計(jì)數(shù)效率。

機(jī)器學(xué)習(xí)算法在X射線檢測(cè)信號(hào)處理中的應(yīng)用正在快速擴(kuò)展。深度學(xué)習(xí)模型被用于能譜重建，可以從不完整或噪聲較大的數(shù)據(jù)中恢復(fù)高質(zhì)量能譜。在圖像處理方面，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被用于去噪、偽影校正和圖像增強(qiáng)，顯著提高了X射線成像的質(zhì)量。

系統(tǒng)集成是電氣工程在X射線檢測(cè)中的另一個(gè)重要方面。多通道ASIC(專用集成電路)的設(shè)計(jì)使得大規(guī)模探測(cè)器陣列成為可能。最新的ASIC設(shè)計(jì)趨勢(shì)包括使用3D集成技術(shù)來(lái)增加功能密度，以及采用自適應(yīng)偏置和動(dòng)態(tài)功耗管理來(lái)優(yōu)化性能和功耗。

FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)因其靈活性和實(shí)時(shí)處理能力，在X射線檢測(cè)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。研究人員正在開(kāi)發(fā)高級(jí)FPGA固件，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理算法，如在線能譜分析和動(dòng)態(tài)范圍壓縮。

分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展使得大型X射線檢測(cè)器陣列的實(shí)現(xiàn)成為可能。這種系統(tǒng)通過(guò)將數(shù)據(jù)處理任務(wù)分散到多個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以顯著提高數(shù)據(jù)吞吐量和系統(tǒng)可擴(kuò)展性。最新的研究焦點(diǎn)包括開(kāi)發(fā)高效的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和負(fù)載均衡算法，以優(yōu)化系統(tǒng)性能和可靠性。

上一篇：鋼筋檢測(cè)每個(gè)批次需要多少噸？

下一篇：一檢測(cè)機(jī)構(gòu)被罰，直接責(zé)任人員三...