CN108183119B - 一种具有能量分辨的x射线探测器及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有能量分辨的X射线探测器及其探测方法，该探测器从上往下依次包括：前收集电极、N⁺掺杂层、用于光电转换的MAPbX₃钙钛矿单晶活性材料层、P+掺杂层、后收集电极；MAPbX₃钙钛矿单晶活性材料层的厚度不低于5mm；前收集电极与探测器电源正极相连接；后收集电极与探测器电源负极相连接。该探测方法通过在一次X射线曝光中对该探测器施加不同的反向偏压，根据不同偏压下的探测电流，并基于相应算法来提取不同能量的X射线光子的探测信号电流。本发明(1)可实现具有能量分辨能力的X射线探测和不同能量X射线光子成像的影像减影；(2)仅需要一次X射线曝光，减小了病患所接受的X射线剂量；(3)不需要附加的造影剂，减小了病患的毒副作用。

Description

一种具有能量分辨的X射线探测器及其探测方法

技术领域

本发明涉及一种X射线探测器及其探测方法，尤其涉及一种具有能量分辨的X射线探测器及其探测方法。

技术背景

X射线影像在医疗诊断、工业探伤以及国土安全等领域具有重要的应用。

一方面，常规的X射线数字探测有间接探测和直接探测两种类型。在间接式X射线探测中，X射线光子首先入射到由无机材料构成的闪烁体上，闪烁体将X射线光子能量转换为可见光光子出射，然后再用硅基CCD或者CMOS图像传感器接收可见光子信号进行成像。在这种工作模式下，探测器所获得的电信号不能直接分辨X射线光子的能量。直接式X射线探测不需要闪烁体，X射线光子直接入射到非晶硒等活性材料，由于X射线光子的光电效应以及康普顿散射效应等，活性材料吸收X射线光子后将产生光生载流子，探测器通过对光生载流子形成的电信号的探测来获得X射线的强度信息。但是由于非晶硒活性层的厚度比较薄，而且非晶硒对X射线光子的吸收、转换效率很低，所以大部分低能X射线光子以及高能X射线光子都能够穿透非晶硒活性层，整个能谱区间不同能量的X射线光子对探测器电流都有贡献，，探测器再借助于时间积分的过程将探测电信号适当增强。在这样一种直接探测的工作模式下，没有办法区分不同能量X射线光子所产生的电信号。

另一方面，常规的X射线影像技术只是探测被检测体的线性衰减系数，并不能很好的进行组织区分，例如无法区分实体瘤和囊性肿瘤，也无法分辨出线性衰减系数很接近的组织，如钙化部分和血液等。

能量型减影方法是通过测量不同能量的X射线光子穿过被探测物体的影像来实现被测物体的特征图像减影。在医疗诊断中大都采用X射线管产生X射线光子，当X射线光子穿过人体时，X射线光子与人体主要发生光电吸收效应和康普顿散射效应。光电吸收效应的强度与人体组织的原子量有关，像骨骼、钙、碘造影剂等高密度物质主要是产生光电效应；而康普顿散射效应则与组织密度有关，主要产生于软组织等。如果首先选用较低能量的X射线光子对物体进行拍照，然后再用较高能量的X射线光子对物体进行拍照。后一幅图像比前一幅图像的碘信号将大幅度减小，骨信号有一定程度减小，软组织信号减小程度比较低，而气体信号则几乎没有减少。将这两幅图像相减，就可以有效地消除气体影像，保留少量的软组织影像及明显的骨骼与碘信号。

能量型X射线减影主要有基于放射源的方式和基于探测器的方式。第一种方式的实现需要利用到两个独立的X射线管和两套数据采集装置，两个X射线管的阳极高压典型值为80KVp和140KVp以提供不同能量的X射线光子。但是在这种工作方式下，需要经过两次X射线的曝光成像，病患所接收的X射线剂量较大。

现在常用的X射线管都是多色源，即X射线光子的能谱范围很宽。利用这一特性人们提出了双探测器方案，在一次X射线曝光中就获取低能X射线光子图像和高能X射线光子图像。所谓双探测器方案是在两块探测器之间采用滤波片将X射线整形后分离为低能和高能射线分别探测，通常使用的是铜滤波片和铝滤波片。高能射线光子通过上层探测器的时候不会有大的能量衰减，但是低能光子基本上都在上层探测器和滤波片上衰减完全。这样，两层探测器分别采集两种不同能量下衰减得到的数据。飞利浦的Brilliance iCT采用的就是这种方式。这种方式的缺陷在于，采用滤波片得到的高低能射线的能谱区分度不大，因此重建结果存在较大的误差，被称为“伪双能”成像。另外，为了获得更好的物体影像特征，很多时候人们希望对三种能量X射线光子，甚至更多能量差值的X射线光子进行影像减影。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出一种X射线探测器以及基于该X射线探测器的探测方法，以在一次X射线曝光中实现具有能量分辨的X射线探测。

技术方案：本发明所述的具有能量分辨的X射线探测器从上往下依次包括：前收集电极、N⁺掺杂层、用于光电转换的MAPbX₃钙钛矿单晶活性材料层、P+掺杂层和后收集电极；所述MAPbX₃钙钛矿单晶活性材料层的厚度不低于5mm；所述前收集电极与探测器电源正极相连接；所述后收集电极与探测器电源负极相连接。

进一步地，所述前收集电极上方还设置有前盖板，所述后收集电极下方还设置有后盖板。

进一步地，在所述MAPbX3钙钛矿中，X为Br、Cl或者I。

进一步地，所述N+掺杂层为C60、PCBM、ZnO或TiO2层。

进一步地，所述P+掺杂层为poly(Nvinylcarbazole)PVK、N，N′-bis(4-butylphenyl)-N、N′-bis(phenyl)-benzi poly-TPD或Spiro-OMeTAD层。

基于上述具有能量分辨的X射线探测器的探测方法包括如下步骤：(S1)对由所述N+掺杂层、所述MAPbX3钙钛矿单晶活性材料层和所述P+掺杂层构成的PIN探测结构施加不同大小的多个反向偏压，并测量所述X射线探测器在所述多个反向偏压下的多个对应的探测电流；(S2)基于所述多个对应的探测电流提取出多色X射线源发出的位于不同能量区间内的X射线光子所产生的探测信号电流。

进一步地，在步骤(S1)中，所述多个反向偏压、以V_min为起始值，以ΔV为步长，逐步上升到V_max，且有：

V_min＝d²/(μ_holeτ_hole)

V_max＝d²/(μ_electronτ_electron)

ΔV＝I_noised/(μ_electronτ_electron+μ_holeτ_hole)

其中，μ_hole和μ_electron分别为MAPbX₃钙钛矿单晶的空穴迁移率和电子迁移率，τ_hole和τ_electron分别为MAPbX₃钙钛矿单晶的空穴寿命和电子寿命，d为所述MAPbX₃钙钛矿单晶活性材料层的厚度，I_noise为所述X射线探测器的噪声电流；在大小为V_min+nΔV的反向偏压下测得的探测电流由I_Vmin+nΔV表示，n＝0、1、2......。

进一步地，在步骤(S2)中，能量在E_min+(n-1)ΔE至E_min+nΔE范围内的X射线光子所产生的探测信号电流为I_Vmin+nΔV与I_{Vmin+(n-1)ΔV}之差，其中，

E_max和E_min分别是所述多色X射线源在固定阳极电压下发射X射线光子的最高能量和最低能量。

工作原理：如图3所示，以MAPbBr₃钙钛矿单晶作为X射线探测器的活性材料层为例，能量不同的X射线光子入射到MAPbBr₃钙钛矿单晶时，其入射深度不同。这些能量不同的光子在钙钛矿单晶的不同区域被吸收，并在这些区域产生光生电子空穴对。如图4，当X射线光子能量比较低，如30keV，其入射深度很浅，光生载流子基本上都产生在0～1mm区间以内。当X射线的光子能量增加到50keV时，其在MAPbBr3单晶中的透射深度可以达到2mm。因此该能量的X射线光子在0～2mm内产生的光生载流子。同理，当X射线光子能量达到100keV时，其在MAPbBr3单晶中的透射深度大于3mm，因此该能量的光子在0～3mm的范围内都可以产生光生载流子。利用不同能量的X射线光子在不同区域产生光生载流子的特性，便可以选择性地收集不同区域所产生的光生载流子，从而获得不同能量X射线光子的探测信号。

为了选择性地收集不同区域所产生的光生载流子，可以通过设置不同的反向偏压来实现。由于MAPbX₃单晶一般呈P型半导体特征，光生空穴的迁移率远高于光生电子的迁移率。这样一来，在对探测器施加从0开始逐渐增大的反向偏压时，首先会出现光生空穴全部被收集电极所接收，而光生电子则全部在钙钛矿单晶内被复合，此时在收集极上获得的探测电流仅为光生空穴贡献。随着反向偏压的增大，少数距收集电极(阳极)距离较近的光生电子也可以被收集电极所收集，此时的探测电流不仅包括全部光生空穴的贡献，还包括这些少数光生电子的贡献。当反向偏压进一步增加到一定值时，全部光生电子都将被收集电极所接收，从而此时的探测电流将包括光生空穴和光生电子的贡献。

因此，为了实现具有能量分辨的X射线探测，首先需要确定探测具有能量分辨率的X射线光子的最低偏压反向V_min和最高反向偏压V_max。最低偏压V_min是指在该电压配置情况下，所有光生空穴都可以被电极所收集，而光生电子则在到达收集电极前被再次复合。即在该偏压电场下，光生空穴的漂移长度(μ_hole×τ_hole×V_min/d)大于MAPbX₃单晶的厚度d，而光生电子的漂移长度(μ_electron×τ_electron×V_min/d)则非常小。反向偏压V_min可以采用下式估算：

V_min＝d²/(μ_holeτ_hole) (1)最高偏压V_max是指在该电压配置情况下，所有能量X射线光子所产生的光生空穴以及光生电子都可以被电极有效收集。即在该偏压电场下，光生电子的漂移长度(μ_electron×τ_electron×V_max/d)大于MAPbX₃单晶的厚度d。反向偏压V_max可以采用下式估算：

V_max＝d²/(μ_electronτ_electron) (2)

当探测偏压从V_min以步长ΔV上升到电压V_max，ΔV引起的光生电子漂移长度的增加量Δd为：

Δd＝μ_electronτ_electronΔV/d (3)

其中，ΔV可以用下式估算：

ΔV＝I_noised/(μ_eleectronτ_electron+μ_holeτ_hole) (4)

I_noise即为所述X射线探测器的噪声电流；ΔV越小，可以分辨的X射线光子能量等级数越高。

在不同的偏压情况下，探测器所获得的探测电流为：

…

其中I_hole为光生空穴电流，I_{electron(Δd)}为距离阳极表面Δd距离内的光生电子所产生的电流，I_{electron(2Δd)}为距离阳极表面2Δd距离内的光生电子所产生的电流...。可见，通过探测电流I_Vmin、I_Vmin+ΔV、I_Vmin+2ΔV、I_Vmin+3ΔV、……I_Vmax便可以计算得到I_{electron(Δd)}、I_{electron(2Δd)}-I_{electron(Δd)}、I_{electron(3Δd)}-I_{electron(2Δd)}……。而这些电流则分别代表能量为E_min至E_min+ΔE、E_min+ΔE至E_min+2ΔE、E_min+2ΔE至E_min+3ΔE、……的X射线光子所产生的探测信号电流，其中E_min是X射线管发射出的多色X射线谱中最低光子能量，而E_max则是X射线管发射出的多色X射线谱中最高光子能量，能量分辨范围ΔE为：

ΔE＝(E_max-E_min)/(V_max-V_min)·ΔV。

换言之，通过对探测器施加不同大小的反向偏压，并测量在不同反向片压下对应的探测电流，便可以在一次探测过程中提取出多色X射线源发射出的对应于不同能量区间的X射线光子所产生的探测信号。

有益效果：

1、现有的积分型X射线探测器不具备X射线能量分辨能力。相比之下，本发明可以获得不同能量的X射线光子通过被探测物体后所产生的电信号，进而获得不同能量X射线光子所形成的影像。利用不同能量X射线光子的影像，可以实现X射线的影像减影，从而提高成像质量。

2、在现有的减影成像技术中，需要通过多次曝光以获取不同能量X射线光子的影像。本发明可以在一次X射线曝光成像过程中，通过快速改变偏置电压，同时获得不同能量X射线光子的影像。因此，病患所接受的X射线剂量可以减少一半以上。

3、现有的时间型减影成像技术中，需要向病患注入造影剂。本发明可以不需要造影剂实现探测图像的减影，因此减小了对病患造成的痛苦和毒副作用。

4、本发明的能谱区分度大。

附图说明

图1为本发明的基于MAPbX₃钙钛矿单晶的能量分辨X射线探测器结构图；

图2为图1的部面图；

图3为不同能量X射线光子对MAPbBr₃单晶的入射深度；

图4为不同能量X射线光子对MAPbBr₃单晶入射时所产生的光生载流子分布。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明的探测器采用X射线管作为发射源，在固定阳极电压工作情况下，发射出宽谱多色X射线光子。如图1，本发明采用MAPbX₃钙钛矿单晶作为探测器的X射线光子吸收的活性材料层1。在MAPbX₃钙钛矿材料中，X为Br、Cl或者I。由于MAPbX₃钙钛矿材料含有重元素Pb、Br、Cl以及I等，所以可以高效地吸收X射线光子能量，并将其直接转换为电子-空穴对。另外，MAPbX₃钙钛矿活性材料具有很好的载流子传输特性，如载流子迁移率、载流子寿命和扩散长度等，所以吸收X射线光子后产生的光生载流子可以被高效地接收，从而获得较高的探测效率。MAPbX₃钙钛矿单晶可以采用变温法溶液制备。需要注意的是，制备的MAPbX₃单晶需要具有很大的厚度(不低于5mm)。这样一来，即使高能X射线(能量大于100keV)也可以被MAPbX₃钙钛矿单晶活性材料层1完全吸收。MAPbX₃钙钛矿单晶活性材料层的上方设置有N+掺杂层2，其可以通过在MAPbX3钙钛矿单晶衬底上方通过热蒸发或者磁控溅射法制备形成，以避免在形成N+掺杂层2时对之前沉积的MAPbX₃钙钛矿单晶活性材料层产生不良影响。在N+掺杂层2的上方还有利用薄膜蒸镀方法制备形成的前收集电极3，前收集电极上方为前盖板4。在MAPbX₃钙钛矿单晶活性材料层下方采用旋涂法制备形成P⁺掺杂层5，以防止在生成P⁺掺杂层5的过程中对之前沉积的MAPbX₃钙钛矿单晶活性材料层产生不良影响。P⁺掺杂层5的下方利用薄膜蒸镀方法制备形成后收集电极6，后收集电极下方为后盖板7。由N+掺杂层2、MAPbX3钙钛矿单晶活性材料层1和P+掺杂层5构成的PIN探测结构可以降低X射线探测的暗电流。

利用上述X射线探测器进行的具有能量分辨的探测方法包括以下步骤：

S1：对由N+掺杂层2、MAPbX₃钙钛矿单晶活性材料层1和P+掺杂层5构成的PIN探测结构施加以V_min为起始值，以ΔV为步长，逐步上升到V_max的不同大小的多个反向偏压，并测量X射线探测器在多个反向偏压下的多个对应的探测电流。其中，

V_min＝d²/(μ_holeτ_hole)

V_max＝d²/(μ_electronτ_eleectron)

ΔV＝I_noised/(μ_electronτ_electron+μ_holeτ_hole)。

MAPbX₃单晶的载流子迁移率μ_hole和μ_electron可以通过一些公开报道的SCLC(spacecharge limit current)方法或者TOF(time of flight)方法进行测量，其载流子寿命τ_hole、τ_electron以及暗电流噪声I_noise可以采用TPV(transient photovoltaic)方法或者IS(impedance spectroscopy)方法进行测量。X射线探测器在上述多个反向偏压V_min、V_min+ΔV、V_min+2ΔV、......、V_max下测得的多个对应的探测电流分别由I_Vmin、I_Vmin+ΔV、I_Vmin+2ΔV、......、I_Vmax表示。

S2：基于所述多个对应的探测电流提取出多色X射线源发出的位于不同能量区间内的X射线光子所产生的探测信号电流。

该步骤中具体的提取过程如下：如果分别用E_max和E_min表示多色X射线源在固定阳极电压下发射X射线光子的最高能量和最低能量，那么能量在E_min～E_min+ΔE之间的X射线光子所产生的探测信号电流为I_Vmin+ΔV-I_Vmin，能量在E_min+ΔE～E_min+2ΔE之间的X射线光子所产生的探测信号电流为I_Vmin+2ΔV-I_Vmin+ΔV；能量在在E_min+2ΔE～E_min+3ΔE之间的X射线光子所产生的探测信号电流为I_Vmin+3ΔV-I_Vmin+2ΔV……。其中，ΔE＝(E_max-E_min)/(V_max-V_min)·ΔV。

Claims (5)

1.一种具有能量分辨的X射线探测器的探测方法，所述X射线探测器从上往下依次包括：前收集电极(3)、N⁺掺杂层(2)、用于光电转换的MAPbX₃钙钛矿单晶活性材料层(1)、P+掺杂层(5)和后收集电极(6)；所述MAPbX₃钙钛矿单晶活性材料层(1)的厚度不低于5mm；所述前收集电极(3)与探测器电源正极相连接；所述后收集电极(6)与探测器电源负极相连接；其特征在于，所述探测方法包括如下步骤：

(S1)经由所述前收集电极(3)和所述后收集电极(6)对由所述N+掺杂层(2)、所述MAPbX3钙钛矿单晶活性材料层(1)和所述P+掺杂层(5)构成的PIN探测结构施加不同大小的多个反向偏压，并测量所述X射线探测器在所述多个反向偏压下的多个对应的探测电流；

(S2)基于所述多个对应的探测电流提取出多色X射线源发出的位于不同能量区间内的X射线光子所产生的探测信号电流；

在步骤(S1)中，所述多个反向偏压以V_min为起始值，以ΔV为步长，逐步上升到V_max，且有：

V_min＝d²/(μ_holeτ_hole)

V_max＝d²/(μ_electronτ_electron)

ΔV＝I_noised/(μ_electronτ_electron+μ_holeτ_hole)

其中，μ_hole和μ_electron分别为MAPbX₃钙钛矿单晶的空穴迁移率和电子迁移率，τ_hole和τ_electron分别为MAPbX₃钙钛矿单晶的空穴寿命和电子寿命，d为所述MAPbX₃钙钛矿单晶活性材料层(1)的厚度，I_noise为所述X射线探测器的噪声电流；在大小为V_min+nΔV的反向偏压下测得的探测电流由I_Vmin+nΔV表示，n＝0、1、2......；

在步骤(S2)中，能量在E_min+(n-1)ΔE至E_min+nΔE范围内的X射线光子所产生的探测信号电流为I_Vmin+nΔV与I_{Vmin+(n-1)ΔV}之差，其中，

E_max和E_min分别是所述多色X射线源在固定阳极电压下发射X射线光子的最高能量和最低能量。

2.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于，所述前收集电极(3)上方还设置有前盖板(4)，所述后收集电极(6)下方还设置有后盖板(7)。

3.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于，在所述MAPbX3钙钛矿中，X为Br、Cl或者I。

4.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于，所述N+掺杂层(2)为C60、PCBM、ZnO或TiO2层。

5.根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于，所述P+掺杂层(5)为poly(Nvinylcarbazole)PVK、N,N'-bis(4-butylphenyl)-N、N'-bis(phenyl)-benzi poly-TPD或Spiro-OMeTAD层。

Images