CN116755132A - 一种双能x射线探测器结构及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双能X射线探测器结构及探测方法，包括电源组件、探测组件；探测组件包括光子吸收体、第一电极组件及第二电极组件；光子吸收体包括第一侧、以与第一侧对置的第二侧；第一电极组件贴设在第一侧，第二电极组件贴设在第二侧；第一电极组件包括第一电极及第二电极，第一电极与正极输出端连接，第二电极与接地输出端连接；第二电极组件包括第三电极及第四电极，第三电极与正极输出端连接，第四电极与接地输出端连接。本发明技术方案中该双能X射线探测器不需要时间和空间的校准；探测速度快，探测器成本低；可分别获取低能和高能X射线的信号，能更好地区分被探测物体的密度。
Description
技术领域
本发明涉及高能光子射线探测领域，尤其涉及一种双能X射线探测器结构及探测方法。
背景技术
双能X射线是由能量很高的光子(几十千电子伏特至几百兆电子伏特)构成的射线，它同时具有波动和粒子特性。由于射线的光子能量很高，它对物体有很强的穿透能力，所以在医学诊断和治疗、核辐射技术、空间探测、物质科学、工业无损探伤，以及生物技术都有很重要的应用。在这些应用中，需要知道双能X射线穿过被探测物体的强度和能量分布，因此，双能X射线的强度和能量探测具有重要的应用需求。
目前，在现有技术中，常用的一种探测器为能量积分探测器，能量积分探测器可以分为积分型直接探测结构和积分型间接探测结构两种形式。如图5所示，是积分型直接探测结构，积分型直接探测结构包括公共电极40、高原子序数光电半导体41、及读出电路46，射线入射到探测器后，其光子能量在探测器中逐步沉积，并通过光电效应等产生第一光生电子/空穴对49。第一光生电子/空穴对49在偏置电场作用下分离，被电极所收集，产生光电流(或者光电压)信号，并通过阵列读出电路46将光电流(或者光电压)信号读出，如：第一光电流空间分布情况47。如图6所示，在积分型间接探测结构中，射线首先入射到闪烁体42，然后产生可见荧光43，可见荧光43再照射到半导体探测器，产生第一光生电子/空穴对49，进而产生光电流(或者光电压)信号，并通过阵列读出电路46将光电流(或者光电压)信号，如：第二光电流空间分布情况48。由于可见荧光43的光子能量远低于射线光子能量，所以这里可以使用普通的硅探测器获取可见荧光43的探测信息。积分型间接探测器探测过程中需要将射线首先转为可见荧光43，再将可见荧光43转换为光电流信号。如图10-图13所示，是一种典型的光子计数探测结构，该光子计数探测结构包括传感器11、高压电源14、电荷放大器15、整形电路16、比较电路17、反重合电路18、及计数电路19。在该典型的光子计数探测结构中，入射的高能光子10照射到传感器11上，传感器11上产生一些物理效应，如光电效应，产生第二光生电子/光生空穴对13。传感器11在高压电源14的偏置电压作用下，形成偏置电场，第二光生电子/光生空穴对13在偏置电场内产生分离，形成探测电流，这一物理过程和能量积分探测器物理过程相似，但是对传感器11的暗电流和噪声要求更加严苛，与能量积分探测器区别之处在于，光子计数探测结构读出电路不是通过一个积分电容在一定时间内对第二光生电子/光生空穴对13进行累加，而是设定一系列的读数触发脉冲，读出电路在触发脉冲的边沿(一般是上升沿)读取电流或者电压信号，再通过电荷放大器15对该读取信号进行放大，经过电荷放大电路15放大后获得的时间序列探测脉冲信号，在一定的时间间隔内产生第一探测脉冲20、第二探测脉冲21、及第三探测脉冲22，其中，第一探测脉冲20、第二探测脉冲21、及第三探测脉冲22的脉冲幅值不用，由于读数触发时间非常短，可以近似地认为在一个读数脉冲中只接受一个入射光子，因此第一探测脉冲20、第二探测脉冲21、及第三探测脉冲22的信号幅值正比于入射的高能光子10的能量。该光子计数探测结构中可设定第一阈值23，将信号幅值小于第一阈值23的部分都认为是背底信号，在此基础上整形电路16对第一探测脉冲20、第二探测脉冲21、及第三探测脉冲22进行整形得到整形脉冲波形。第一探测脉冲20、第二探测脉冲21、及第三探测脉冲22经过整形后得到对应的第四探测脉冲24、第五探测脉冲25、及第六探测脉冲26。在该光子计数探测结构中可以设定第二阈值27、第三阈值28、及第四阈值29，第二阈值27、第三阈值28、及第四阈值29分别对应三个能量通道(或者波长通道)，根据探测到的脉冲幅值高度，以判定探测到的射线光子归属于哪一个能量通道，最终获得射线得能量，如获取到的伽马射线谱。在该光子计数探测结构探测过程中，通过设置不同的阈值，以识别不同的射线的光子能量，但是，因为每一个探测脉冲对应一个入射光子，为了获得高质量的探测和成像，需要记录大量的光子数。受到传感器11的载流子渡越时间的限制，该光子计数探测结构的技数率较低，所以该光子计数探测结构成像时间远高于能量积分探测器的成像时间，成像时间较长对动态物体的探测形成很大的制约。另外，该光子计数探测结构在探测过程中每一个触发计数时只捕捉一个入射光子产生的信号。当入射的射线通量很大，单位时间入射的射线光子数很多，很难保证在触发沿只捕捉到一个射线光子的探测信号，导致探测到的射线能量谱分布误差较大。该光子计数探测结构探测信号较弱时，需要增益较高的电荷放大器15，同时，该光子计数探测结构还需要对探测到的信号通过整形电路16、比较电路17比较、反重合电路18、计数电路19等电路。
目前，主要存在以下问题：
1、探测器结构复杂，在使用时，需要时间和空间的校准；
2、光子计数探测结构需要记录单个光子探测脉冲，导致探测速度慢，另外，光子计数探测架构中还需要整形、比较、读数等电路，因此，生产成本较高；
3、现有的积分型直接探测器和间接探测器不能分别获得低能X射线的探测信号和高能X射线的探测信号，因此，不能更好的区分被探测物体的密度。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种双能X射线探测器结构及探测方法，该双能X射线探测器结构可以分别获得低能X射线信号和高能X射线信号。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种双能X射线探测器结构，包括具有正极输出端和接地输出端的电源组件、探测组件；
所述双能X射线包括低能X射线和高能X射线；
所述探测组件包括光子吸收体、对称贴设在所述光子吸收体两侧的第一电极组件及第二电极组件；
所述光子吸收体包括供所述双能X射线入射的第一侧、以及与所述第一侧相对设置的第二侧，所述低能X射线在所述第一侧产生光生电子/空穴对，所述高能X射线在所述第二侧产生光生电子/空穴对；
所述第一电极组件贴设在所述光子吸收体的所述第一侧，所述第二电极组件贴设在所述光子吸收体的所述第二侧；
所述第一电极组件包括至少一个第一电极及第二电极，所述第一电极或所述第二电极与所述正极输出端连接，对应的所述第二电极或所述第一电极与所述接地输出端连接，当所述第一电极组件上施加偏置电压时，所述第一电极和所述第二电极之间形成电位差，以使在靠近所述第一侧的区域由所述低能X射线入射产生的所述光生电子/空穴对产生光生电子和光生空穴，并分别向所述第一电极和第二电极漂移，形成所述低能X射线的探测信号；
所述第二电极组件包括至少一个第三电极及第四电极，所述第三电极或所述第四电极与所述正极输出端连接，对应的所述第四电极或所述第三电极与所述接地输出端连接，当第二电极组件上施加偏置电压时，所述第三电极和所述第四电极之间形成电位差，以使在靠近所述第二侧的区域由所述高能X射线入射产生的所述光生电子/空穴对产生光生电子和光生空穴，并分别向所述第三电极和第四电极漂移，形成所述高能X射线的探测信号。
优选地，所述低能X射线的能量级为数万电子伏特；
所述高能X射线的能量级为数十万至数百万电子伏特。
优选地，所述光子吸收体为碲化镉、碲锌镉、或钙钛矿单晶中的一种。
优选地，所述光子吸收体沿所述双能X射线入射方向的厚度为5mm～10mm。
优选地，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极、及所述第四电极均为叉齿电极；
所述叉齿电极包括底部以及对称设置在所述底部两侧并延伸出所述底部的矩形齿，所述矩形齿与所述底部形成“凹型”结构。
优选地，所述电源组件为具有所述正极输出端和所述接地输出端的偏置电源，所述第一电极与所述第三电极接所述正极输出端，所述第二电极与所述第四电极接所述接地输出端。
优选地，所述探测组件还包括第一差分放大器、第二差分放大器，所述第一差分放大器分别与所述第一电极及所述第二电极连接，以与所述第一电极及所述第二电极形成电回路，用于放大所述第一电极组件上的电流信号，所述第二差分放大器分别与所述第三电极及所述第四电极连接，以与所述第三电极及所述第四电极形成电回路，用于放大所述第二电极组件上的电流信号。
本发明还提供了一种射线探测方法，应用任一项所述的射线探测器结构，包括以下步骤：
S1：所述电源组件向所述第一电极组件或所述第二电极组件施加偏置电压，当所述第一电极组件上施加偏置电压时，所述第二电极组件悬空，所述第一电极与所述第二电极之间形成所述电位差，当所述第二电极组件上施加偏置电压时，所述第一电极组件悬空，所述第三电极与所述第四电极之间形成所述电位差；
S2：入射所述双能X射线至所述第一侧，所述低能X射线在靠近所述第一侧产生所述光生电子/空穴对，所述高能X射线在靠近所述第二侧产生所述光生电子/空穴对，其中，当所述第一电极组件上施加偏置电压时，所述第一电极和所述第二电极之间的所述电位差使所述低能X射线产生的所述光生电子/空穴对产生所述光生电子和所述光生空穴，并分别向所述第一电极和所述第二电极产生漂移，当所述第二电极组件施加偏置电压时，所述第三电极和所述第四电极之间的所述电位差使所述高能X射线产生的所述光生电子/空穴对产生所述光生电子和所述光生空穴，并分别向所述第三电极和所述第四电极产生漂移；
S3：获取所述第一电极组件一侧产生漂移的光生电子和光生空穴，获取第二电极组件一侧产生漂移的光生电子和光生空穴；
S4：基于所述第一电极组件一侧产生漂移的光生电子和光生空穴，获取所述电流信号，以获取对应的所述低能X射线的探测信号，基于所述第二电极组件一侧产生漂移的光生电子和光生空穴，获取所述电流信号，以获取对应的所述高能X射线的探测信号。
优选地，在所述步骤S1中，当所述第一电极组件施加偏置电压时，所述第一电极组件在所述第一侧形成有与所述双能X射线垂直的电场，当所述第二电极组件施加偏置电压时，所述第二电极组件在所述第二侧形成有与所述双能X射线垂直的电场。
优选地，在所述步骤S1之前包括：
步骤S0：所述第一电极组件贴设在所述第一侧，所述第二电极组件贴设在所述第二侧，其中，所述第一电极及所述第三电极接所述电源组件的所述正极输出端，所述第二电极及所述第四电极接所述电源组件的所述接地输出端。
优选地，在所述步骤S4后还包括：
S5：基于所述低能X射线的探测信号和所述高能X射线的探测信号，获取被探测物体的密度，并对所述低能X射线的探测信号和所述高能X射线的探测信号进行彩色化。
该双能X射线探测器结构具有以下有益效果：
1、采用一个射线源以及一个探测器，相对应下探测成像系统的结构更加简单，因此，不需要时间和空间的校准；
2、与常用的光子计数探测方法相比较，该双能X射线探测器结构采用信号积分工作模式，不需要记录单个光子的探测脉冲，所以探测速度更快，另外，该双能X射线探测器结构不需要昂贵的灵敏电荷放大电路和整形电路等，降低了探测器成本；
3、由于本发明提出的X射线探测器可以分别获取低能和高能X射线的信号，因此，能更好地区分被探测物体的密度。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明射线探测器结构的示意图；
图2是本发明光生电子/空穴对产生率与光子能量的关系图；
图3是本发明射线探测器结构的电场分布图；
图4是本发明第一电极与第二电极(第三电极与第四电极)的安装示意图；
图5是现有技术中能量积分探测器中的直接探测结构示意图；
图6是现有技术中能量积分探测器中的间接探测结构示意图；
图7是现有技术中两X射线球管平行设置探测器的结构示意图；
图8是现有技术中两X射线球管交叉设置探测器的结构示意图；
图9是现有技术中一X射线球管上设置两探测器的结构示意图；
图10是现有技术中光子计数探测结构的示意图；
图11是现有技术中光子计数探测结构设置有背底信号的探测成像图；
图12是现有技术中光子计数探测结构探测成像图进行滤波后的成像图；
图13是现有技术中光子计数探测结构形成的伽马射线谱。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，是本发明提供的一种双能射线探测器结构，该双能X射线探测器结构可包括电源组件、探测组件。电源组件用于在探测过程中提供偏置电压。探测组件用于测量入射后的射线的能量。其中，双能X射线具有很宽的能量谱。该双能X射线包括低能X射线30和高能X射线31，其中，低能X射线的能量为数万电子伏特，高能X射线的能量为数十万电子伏特至数百万电子伏特，具体地，低能X射线的能量为(20000-80000)电子伏特，高能X射线的能量为(80000-150000)电子伏特。
电源组件为偏置电源，但不限于偏置电源。该偏置电源上有多组输出通道，例如，两组输出通道，每一组输出通道中有一正极输出端口和一接地输出端。
探测组件可包括第一电极组件、第二电极组件、光子吸收体32、第一差分放大器、及第二差分放大器。双能X射线在入射至光子吸收体32后，在光子吸收体32内的不同位置产生光生电子/空穴对，其中，低能X射线在靠近入射的一侧产生光生电子/空穴对，高能X射线在入射的相对侧产生光生电子/空穴对。第一电极组件与第二电极组件对称贴设在光子吸收体32的两侧，且第一电极组件与第二电极组件均可与电源组件连接。其中，当第一电极组件与电源组件连接，且第一电源组件向第一电极组件施加偏置电压时，第一电极组件在贴设的一侧形成电位差，以使靠近第一电极组件一侧的光生电子/空穴对产生光生电子38和光生空穴37，并分别向第一电极34和第二电极33产生漂移。当第二电极组件与电源组件连接，且电源组件向第二电极组件施加偏置电压时，第二电极组件在贴设的一侧形成电位差，以使靠近第二电极组件一侧的光生电子/空穴对产生光生电子38和光生空穴37，并分别向第三电极36和第四电极35产生漂移。第一差分放大器与第一电极组件连接，形成电回路，用于放大第一电极组件上的电流信号，当电流信号经第一放大器放大后通过模数转换后，将放大后的电流信号传输至上位机，进而获取到第一电极组件侧双能X射线中对应射线的探测信号。第二差分放大器与第二电极组件连接，形成电回路，用于放大第二电极组件上的电流信号，同样，将放大后的电流信号传输至上位机，进而获取到探测到的第二电极组件侧双能X射线中对应射线的探测信号。
如图1、图2所示，光子吸收体32可呈立方体，但不限于立方体。该光子吸收体32可包括供所述双能X射线入射的第一侧、以及与第一侧相对设置的第二侧。该第一侧上可设置一入射窗口，以使双能X射线更为准确的入射至光子吸收体32。该入射窗口可设置成矩形窗，但不限于矩形窗，例如，圆形窗；再例如，入射窗口还可设置成菱形窗。在本实施例中，第一侧设置时，在满足双能X射线入射要求的前提下，第一侧可设置在光子吸收体32的任一侧，这里，双能X射线入射要求指双能X射线的入射面的横截面和沿双能X射线入射方向光子吸收体32的入射厚度需满足要求，即：入射面的横截面保证双能X射线入射时，可完全入射至光子吸收体32上，入射厚度需保证在双能X射线入射至光子吸收体32后，没因穿出光子吸收体32而损失能量。探测时，双能X射线从第一侧的入射窗口入射，低能X射线在入射窗口一侧产生光生电子/空穴对，高能X射线在入射窗口的相对侧产生光生电子/空穴对。
该光子吸收体32的材质可为碲化镉、碲锌镉、或钙钛矿单晶中的一种，优选：钙钛矿单晶。该光子吸收体32沿射线入射方向的厚度为5mm～10mm，优选：5mm。需要说明的是，在光子吸收体32厚度的选用过程中，需保证射线在探测过程中不会穿射出光子吸收体32，因此，光子吸收体32的厚度与入射的双能X射线能量强度相关，当入射的双能X射线能量强时，光子吸收体32的厚度就相对较厚，在本实施例中，以入射的双能X射线能量为70keV，光子吸收体32的材质为钙钛矿单晶为例进行说明，光子吸收体的厚度需要达到5mm。
如图1所示，第一电极组件可包括至少一个第一电极34及第二电极33。第一电极34贴设在光子吸收体32的第一侧，其与偏置电源的正极输出端通过线缆连接；第二电极33贴设在光子吸收体32的第一侧，其与偏置电源的接地输出端通过线缆连接。第一电极34与第二电极33之间有一定的距离，当偏置电源施加偏置电压至第一电极34及第二电极33后，第一电极34与第二电极33之间在贴设的一侧形成电位差，进而，第一电极34与第二电极33之间形成有与射线垂直的电场，以使靠近第一电极组件一侧(第一侧)的光生电子/空穴对产生光生电子38和光生空穴37，并分别向第一电极34和第二电极33漂移。当然，第一电极34也可通过线缆连接到偏置电源的接地输出端，第二电极33通过线缆连接到偏置电源的正极输出端。
进一步地，如图4所示，第一电极34、第二电极33可为规格尺寸相同的叉齿电极，但不限于规格尺寸相同，也可设置成规格尺寸不同的叉齿电极。该叉齿电极可包括底部331，以及对称设置在底部两侧并延伸出底部的矩形齿332，使得矩形齿332与底部331形成“凹型”结构。其中，底部331呈矩形，底部331的长度为2mm。矩形齿332呈矩形，矩形齿332沿底部331两侧向外延伸的长度为2.4mm。第一电极34与第二电极33在贴设时，第二电极33的两矩形齿332贴设于第一电极34的两矩形齿342之间。贴设后的第一电极34的两矩形齿342与第二电极33的两矩形齿331之间的高度差均为0.4mm，第二电极33贴设在第一电极34的两矩形齿342之间的矩形齿332与第一电极34底部341的距离差为0.4mm。需要说明的是，第一电极34和第二电极33在满足在贴设的一侧形成电位差的要求下，第一电极34和第二电极33还可设置成其它类型的电极，例如，环形电极。
进一步地，在另一实施例中，第一电极34可设置两个，或其它数量，当第一电极34设置两个以上时，多个第一电极34沿射线的入射方向平行贴设在光子吸收体32的表面，且多个第一电极34贴设在同一侧。当贴设有多个第一电极34时，可提高探测器的响应度。需要说明的是，当设置有多个第一电极34时，所有第一电极34通过线缆连接到偏置电源的同一输出端。当然，第二电极33也可设置多个，具体设置方式与第一电极34设置多个时相同，在此不再赘述，同样，多个第二电极33通过线缆连接到偏置电源的同一输出端。
如图1所示，第二电极组件可包括至少一个第三电极36及第四电极35，该第三电极36与第四电极35均为尺寸规格相同的叉齿电极，同样，不限于尺寸规格相同的叉齿电极。第三电极36贴设于第二侧，其与偏置电源的正极输出端通过线缆连接，第四电极35贴设于第二侧，其与偏置电源的接地输出端通过线缆连接。第三电极36与第四电极35之间有一定的距离，当偏置电压施加偏置电压至第三电极36与第四电极35后，贴设的一侧形成电位差，进而，第三电极36与第四电极35之间形成有与射线垂直的电场，以使靠近第二电极组件一侧(第二侧)的光生电子/空穴对产生光生电子38和光生空穴37，并分别向第三电极36和第四电极35产生漂移。其中，第三电极36及第四电极35的安装方式与上述第一电极34及第二电极33的安装方式相同，在此不再赘述。同样，第三电极36可通过线缆连接至接地输出端，第四电极35可通过线缆连接至正极输出端。需要说明的是，第三电极36和第四电极35在满足在贴设的一侧形成电位差的要求下，第三电极36和第四电极35还可设置成其它类型的电极，例如，环形电极。
进一步地，在另一实施例中，第三电极36可设置两个，或其它数量，当第三电极36设置两个以上时，第三电极36与上述的两个以上的第一电极34的贴设方式相同，在此不再赘述。当贴设有多个第三电极36时，可提高探测器的响应度。需要说明的是，当设置有多个第三电极36时，所有第三电极36通过线缆连接到偏置电源的同一输出端。当然，第四电极35也可设置多个，具体设置方式与第一电极34设置多个时相同，在此不再赘述，同样，多个第四电极35通过线缆连接到偏置电源的同一输出端。
进一步地，在另一实施例中，第二电极组件可贴设在第一侧，第一电极组件贴设在第二侧。与上述第一电极组件贴设在第一侧，第二电极组件贴设在第二侧的不同之处在于，当第二电极组件贴设在第一侧，第一电极组件贴设在第二侧时，当第二电极组件上施加偏置电压时，第二电极组件使低能X射线所产生的光生电子/空穴对产生光生电子38和光生空穴37，并分别向第三电极36和第四电极35产生漂移，第一电极组件使高能X射线所产生的光生电子/空穴对产生光生电子38和光生空穴37，并分别向第一电极34和第二电极33产生漂移。
在本实施例中，第一电极34、第二电极33、第三电极36、及第四电极35均为尺寸规格相同的叉齿电极，且第三电极36和第四电极35的安装方式与第一电极34和第二电极33的安装方式相同，在此不再赘述。
在本实施例中，第一差分放大器分别与第一电极34和第二电极33分别连接，以使第一电极34与第二电极33之间形成电回路，通过第一差分放大器对第一电极24和第二电极33上的电流信号放大后，进行模数转换，放大后的电流信号传输至上位机进行显示，进而获取到第一侧探测到双能X射线对应射线的探测信号。同样，第二差分放大器分别与第三电极36及第四电极35分别连接，以使第三电极36与第四电极35之间形成电回路，第二差分放大器对第三电极36和第四电极35上的电流信号放大后，进行模数转换，放大后的电流传输至上位机进行显示，进而获取到第二侧探测到双能X射线对应射线的探测信号。
进一步地，在另一实施例中，电流信号的获取还可采用其它方式进行获取，例如，直接用标准电流表进行测量获取；再例如，还可在贴设在同一侧的两电极之间加设一电阻，通过测量电阻两端的电压，进而转换成电流信号，如通过加设电阻测量第一电极组件一侧的电流信号时，第一电极34与第二电极33之间加设一电阻，测量电阻两端的电压，进而转换成电流信号。
如图3所示，该双能X射线探测器在应用时，打开发射源，双能X射线中包含了低能X射线30、高能X射线31，双能X射线入射至光子吸收体2后，低能X射线30在入射侧(第一侧)产生光生电子/空穴对，高能X射线31在入射的相对侧(第二侧)产生光生电子/空穴对。以第一电极组件贴设在第一侧具体探测过程为例进行说明：
打开偏置电源，调节输出电压至符合要求，在本实施例中，正极输出端的输出电压为200V，接地输出端的输出为0V，先通过偏置电源向第一电极组件上施加偏置电压，此时，第二电极组件悬空，在偏置电源的作用下，光子吸收体32的在贴设有第一电极组件一侧产生与双能X射线入射方向垂直的电场，靠近第一电极组件一侧的光生电子/空穴对在该电场的作用下，产生光生电子38和光生空穴37，并分别向第一电极34和第二电极33产生漂移，进而读取到低能X射线的探测信号；然后，通过偏置电源向第二电极组件上施加偏置电压，此时，第一电极组件悬空，在偏置电压的作用下，光子吸收体32在贴设有第二电极组件一侧产生与双能X射线入射方向垂直的电场，靠近第二电极组件一侧的光生电子/空穴对在该电场的作用下，产生光生电子38和光生空穴37，并分别向第三电极36和第四电极35产生漂移，进而读取到高能X射线的探测信号。在本实施例中，该双能X射线探测器结构可分别获得低能X射线的探测信号和高能X射线的探测信号，因此，能更好的区分被探测物体的密度，在对X射线影像彩色化时，提高了双能X射线影像对被探测物体的识别能力。
在这里，还想说明的是，在现有技术中，常用到能量积分探测器、双能X射线探测器等。
其中，如图5所示，能量积分探测器常用于获取高能量的射线的信息，即光电流与一定时间内射线在探测器中沉积的总能量成正比。通过测量光电流的大小获得射线的强度。利用能量积分探测器可以获得射线灰度影像，其灰度值正比于I/I0的比值，其中，可通过公式一Lambert-Beer定律中描述射线在被探测物体中能量衰减来确定I/I0的比值，公式一的计算过程为：
I＝I0e-μd公式一
式中I0和I分别是射线入射到被探测物体前后的强度，d是被探测物体的厚度，μ则是被探测物体的线性衰减系数。μ主要决定于射线与物体互作用截面、物体密度和有效原子序数，它与被探测物体的物质组分直接相关联。d只决定于被探测物体的几何尺寸，与物质的组分无关。
从上述公式一种可以看出，参数μ和d同时影响I/I0的比值。因此，我们从常规的射线灰度影像(I/I0)并不能直接得到被探测物体的成分(即求解出μ)，所以常规的射线影像只能给出被探测物体的形态学信息，而不能提供组织学信息。
该能量积分探测器可包括能量直接积分探测器、能量间接积分探测器。
双能X射线探测器有三种不同结构，第一种为两X射线球管平行设置的结构，第二种为两X射线球管交叉设置的结构，第三种为一X射线球管上设置两探测器的结构。
如图7所示，在两X射线球管平行设置的结构中，该双能X射线探测器可包括高阳极电压X射线球管1、低阳极电压X射线球管2、高能X射线线束3、低能X射线线束4、及X射线探测器6。高阳极电压X射线球管1安装在高能X射线线3束的一端，一X射线探测器6与高阳极电压X射线球管1相对安装在高能X射线线束3的另一端；低阳极电压X射线球管2安装在低能X射线线束4的一端，另一X射线探测器6与低阳极电压X射线球管2的相对安装在低能X射线线束4的另一端。该双能X射线探测器的阳极电压可在较高电压和较低电压之间切换。当采用较高的阳极电压时，则X射线能量比较高；当采用较低的阳极电压时，则X射线能量较低；探测时，被探测物体5首先被高阳极电压所产生的X射线照射，获得高能X射线影像，然后，被探测物体5被低阳极电压所产生的X射线照射，获得低能X射线影像。上述该双能X射线探测器中，被探测物体的射线成像不能同时进行，所以需要对图像进行时间对准，它对动态物体的成像会产生较大的误差。
如图8所示，在两X射线球管交叉设置的结构中，该双能X射线探测器中的高能X射线线束3和低能X射线线束4倾斜交叉设置，倾斜交叉设置的方式使得高能X射线线束3和低能X射线线束4可以同时对被探测物体5成像，同时，避免了被探测物体5的空间位移。但是，高能X射线线束3的成像投影角度和低能X射线线束4的投影角度不相同，射线影像需要进行空间上对准。由于高能X射线线束3和低能X射线线束4投影角度的不同，对重构图像引入一定的误差。
如图9所示，在一X射线球管上设置两探测器的结构中，仅采用了一个高阳极电压X射线球管1，高阳极电压X射线球管1安装在X射线球管的一端，在高阳极电压X射线球管1的相对端安装有低能X射线探测器7、低能X射线滤板8、及高能X射线探测器9，低能X射线探测器7安装在靠近高阳极电压X射线球管1的一侧，高能X射线探测器9安装在远离高阳极电压X射线球管1的一侧，低能X射线滤板8安装在低能X射线探测器7与高能X射线探测器9之间，其中，低能X射线探测器7探测低能X射线信号，高能X射线探测器9探测高能X射线信号。当高阳极电压X射线球管1所产生的X射线照射到被探测物体5以后，X射线首先投射到低能X射线探测器7，低能X射线探测器7采用比较薄的光子吸收层以对低能X射线进行测量；而高能X射线光子则穿过低能X射线探测器7进入低能X射线滤板8，低能X射线滤板8过滤低能X射线，高能X射线通过低能X射线滤板8，高能X射线通过低能X射线滤板8被高能X射线探测器9进行测量。该一X射线球管上设置两探测器的结构避免了被探测物体的空间和时间对准的问题。但是，该一X射线球管上设置两探测器的结构复杂，增加了生产成本，另外，该一X射线球管上设置两探测器在探测时，金属框架和读出电路等会吸收射线，形成一些伪影，对高能X射线探测器形成的图像产生串扰。
通过对上述能量积分探测器、双能X射线探测器的分析，该射线探测器结构相对于上述的能量积分探测器、双能X射线探测器具有以下有益效果：
(1)、相对于能量积分探测器，该双能X射线探测器结构能够提供组织学信息；
(2)、相对于两X射线球管平行设置的结构，该双能X射线探测器结构架构简单，不需要对图像进行时间对准，因此，成像误差小；
(3)、相对于两X射线球管交叉设置的结构，该双能X射线探测器结构不需要进行空间校准，因此，不会出现重构图像引入误差的问题；
(4)、相对于一X射线球管上设置两探测器的结构，该双能X射线探测器结构不会出现因金属框架而形成伪影，进而对形成的图像产生串扰的问题。
基于同样的发明构思，本发明还提供了一种双能X射线探测方法。该双能X射线探测方法所提供的解决问题的实现方案与上述射线探测结构中所记载的实现方案相似，故下面射线探测方法的具体限定可以参考上述双能X射线探测结构中的限定，在此不再赘述。
该双能X射线探测结构具体包括以下步骤：
S0：第一电极组件贴设在第一侧，第二电极组件贴设在第二侧，其中，第一电极34及第三电极36接电源组件的正极输出端，第二电极33及第四电极35接电源组件的接地输出端。
该步骤中，光子吸收体32可包括供双能X射线入射的第一侧，以及与第一侧相对设置的第二侧。
S1：电源组件向所述第一电极组件或第二电极组件施加偏置电压，当第一电极组件上施加偏置电压时，第二电极组件悬空，第一电极34与第二电极33之间形成电位差，当第二电极组件上施加偏置电压时，第一电极组件悬空，第二电极组件上的第三电极36与第四电极35之间形成电位差。
该步骤中，第一电极组件贴设在第一侧，第二电极组件贴设在第二侧，当偏置电源向第一电极组件上施加偏置电压后，第一电极组件在第一侧形成有与双能X射线入射方向垂直的电场，当偏置电源向第二电极组件上施加偏置电压后，第二电极组件在第二侧形成有与双能X射线入射方向垂直的电场。
S2：入射双能X射线至第一侧，低能X射线在靠近第一侧产生光生电子/空穴对，高能X射线在靠近第二侧产生光生电子/空穴对，其中，当第一电极组件上施加偏置电压时，第一电极34和第二电极33之间的电位差使低能X射线产生的光生电子/空穴对产生光生电子38和光生空穴37，并分别向第一电极34和第二电极33产生漂移，当第二电极组件施加偏置电压时，第三电极36和第四电极35之间的电位差使高能X射线产生的光生电子/空穴对产生光生电子38和光生空穴37，并分别向第三电极36和第四电极35产生漂移。
该步骤中，可在第一侧上设置入射窗口，双能X射线从入射窗口入射至光子吸收体32。另外，在探测过程中，可先将偏置电压加载到第一电极组件上，第二电极组件全部接地或悬空，以获取到低能X射线对应的电流信号，然后，将第一电极组件全部接地或悬空，将偏置电压加载第二电极组件上，以获取到高能X射线对应的电流信号，通过上述过程，以减小极化对探测电流的影响，并将获得电流信号的平均值作为双能X射线的电流信号。可以理解的是，第二电极组件也可贴设在入射窗口一侧，当入射窗口设置在第二电极组件一侧时，切换的方式与上述相同，在此不再赘述。
S3：获取第一电极组件一侧产生漂移的光生电子38和光生空穴37，获取第二电极组件一侧产生漂移的光生电子38和光生空穴37。
S4：基于第一电极组件一侧产生漂移的光生电子38和光生空穴37，获取电流信号，以获取对应的低能X射线的探测信号，基于第二电极组件一侧的光生电子38和光生空穴37，获取电流信号，以获取对应的高能X射线的探测信号。
该步骤中，获取对应的低能X射线的探测信号与对应高能X射线的探测信号的具体过程为上述通过第一差分放大器及第二差分放大器获取对应的电流信号，进而获取双能X射线的探测信号过程相同，在此不再赘述。
在另一实施例中，可在第一电极组件的第一电极34与第二电极33之间加设一电阻，通过获取电阻两端的电压信号，以最终转换成测得的双能X射线对应射线的探测信号；同样，可在第二电极组件的第三电极36与第四电极35之间加设一电阻，通过获取电阻两端的电压信号，以最终转换成测得的双能射线对应射线的探测信号。
S5：基于低能X射线的探测信号和高能X射线的探测信号，获取被探测物体的密度，并对低能X射线的探测信号和高能X射线的探测信号进行彩色化。
该步骤中，根据获取到的第一电极组件和第二电极组件上的探测信号，以确定被探测物体的密度，采用上位机对低能X射线的探测信号和高能X射线的探测信号进行彩色化，提高了双能X射线影像的识别能力。
可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (11)
1.一种双能X射线探测器结构，其特征在于，包括具有正极输出端和接地输出端的电源组件、探测组件；
所述双能X射线包括低能X射线和高能X射线；
所述探测组件包括光子吸收体、对称贴设在所述光子吸收体两侧的第一电极组件及第二电极组件；
所述光子吸收体包括供所述双能X射线入射的第一侧、以及与所述第一侧相对设置的第二侧，所述低能X射线在所述第一侧产生光生电子/空穴对，所述高能X射线在所述第二侧产生光生电子/空穴对；
所述第一电极组件贴设在所述光子吸收体的所述第一侧，所述第二电极组件贴设在所述光子吸收体的所述第二侧；
所述第一电极组件包括至少一个第一电极及第二电极，所述第一电极或所述第二电极与所述正极输出端连接，对应的所述第二电极或所述第一电极与所述接地输出端连接，当所述第一电极组件上施加偏置电压时，所述第一电极和所述第二电极之间形成电位差，以使在靠近所述第一侧的区域由所述低能X射线入射产生的所述光生电子/空穴对产生光生电子和光生空穴，并分别向所述第一电极和第二电极漂移，形成所述低能X射线的探测信号；
所述第二电极组件包括至少一个第三电极及第四电极，所述第三电极或所述第四电极与所述正极输出端连接，对应的所述第四电极或所述第三电极与所述接地输出端连接，当第二电极组件上施加偏置电压时，所述第三电极和所述第四电极之间形成电位差，以使在靠近所述第二侧的区域由所述高能X射线入射产生的所述光生电子/空穴对产生光生电子和光生空穴，并分别向所述第三电极和第四电极漂移，形成所述高能X射线的探测信号。
2.根据权利要求1所述的双能X射线探测器结构，其特征在于，所述低能X射线的能量级为数万电子伏特；
所述高能X射线的能量级为数十万至数百万电子伏特。
3.根据权利要求1所述的双能X射线探测器结构，其特征在于，所述光子吸收体为碲化镉、碲锌镉、或钙钛矿单晶中的一种。
4.根据权利要求3所述的双能X射线探测器结构，其特征在于，所述光子吸收体沿所述双能X射线入射方向的厚度为5mm～10mm。
5.根据权利要求1所述的双能X射线探测器结构，其特征在于，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极、及所述第四电极均为叉齿电极；
所述叉齿电极包括底部以及对称设置在所述底部两侧并延伸出所述底部的矩形齿，所述矩形齿与所述底部形成“凹型”结构。
6.根据权利要求1-5任一项所述的双能X射线探测器结构，其特征在于，所述电源组件为具有所述正极输出端和所述接地输出端的偏置电源，所述第一电极与所述第三电极接所述正极输出端，所述第二电极与所述第四电极接所述接地输出端。
7.根据权利要求1-5任一项所述的双能X射线探测器结构，其特征在于，所述探测组件还包括第一差分放大器、第二差分放大器，所述第一差分放大器分别与所述第一电极及所述第二电极连接，以与所述第一电极及所述第二电极形成电回路，用于放大所述第一电极组件上的电流信号，所述第二差分放大器分别与所述第三电极及所述第四电极连接，以与所述第三电极及所述第四电极形成电回路，用于放大所述第二电极组件上的电流信号。
8.一种双能X射线探测方法，应用权利要求1-7任一项所述的双能X射线探测器结构，其特征在于，包括以下步骤：
S1：所述电源组件向所述第一电极组件或所述第二电极组件施加偏置电压，当所述第一电极组件上施加偏置电压时，所述第二电极组件悬空，所述第一电极与所述第二电极之间形成所述电位差，当所述第二电极组件上施加偏置电压时，所述第一电极组件悬空，所述第三电极与所述第四电极之间形成所述电位差；
S2：入射所述双能X射线至所述第一侧，所述低能X射线在靠近所述第一侧产生所述光生电子/空穴对，所述高能X射线在靠近所述第二侧产生所述光生电子/空穴对，其中，当所述第一电极组件上施加偏置电压时，所述第一电极和所述第二电极之间的所述电位差使所述低能X射线产生的所述光生电子/空穴对产生所述光生电子和所述光生空穴，并分别向所述第一电极和所述第二电极产生漂移，当所述第二电极组件施加偏置电压时，所述第三电极和所述第四电极之间的所述电位差使所述高能X射线产生的所述光生电子/空穴对产生所述光生电子和所述光生空穴，并分别向所述第三电极和所述第四电极产生漂移；
S3：获取所述第一电极组件一侧产生漂移的光生电子和光生空穴，获取第二电极组件一侧产生漂移的光生电子和光生空穴；
S4：基于所述第一电极组件一侧产生漂移的光生电子和光生空穴，获取所述电流信号，以获取对应的所述低能X射线的探测信号，基于所述第二电极组件一侧产生漂移的光生电子和光生空穴，获取所述电流信号，以获取对应的所述高能X射线的探测信号。
9.根据权利要求8所述的双能X射线探测方法，其特征在于，在所述步骤S1中，当所述第一电极组件施加偏置电压时，所述第一电极组件在所述第一侧形成有与所述双能X射线垂直的电场，当所述第二电极组件施加偏置电压时，所述第二电极组件在所述第二侧形成有与所述双能X射线垂直的电场。
10.根据权利要求8所述的双能X射线探测方法，其特征在于，在所述步骤S1之前包括：
步骤S0：所述第一电极组件贴设在所述第一侧，所述第二电极组件贴设在所述第二侧，其中，所述第一电极及所述第三电极接所述电源组件的所述正极输出端，所述第二电极及所述第四电极接所述电源组件的所述接地输出端。
11.根据权利要求8所述的双能X射线探测方法，其特征在于，在所述步骤S4后还包括：
S5：基于所述低能X射线的探测信号和所述高能X射线的探测信号，确定被探测物体的密度，并对所述低能X射线的探测信号和所述高能X射线的探测信号进行彩色化。
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