2.1 輻射探測器概述

2.1.1 輻射探測器的類型（*）

輻射探測器完成射線的探測和轉(zhuǎn)換，是獲得射線檢測圖像的基本器件，也是影響獲得檢測圖像質(zhì)量的基本因素。下面介紹輻射探測器按探測原理的分類以及構(gòu)成輻射探測器的某些公共部分的簡要相關(guān)知識。

1.輻射探測器按探測原理的分類

按輻射探測原理，輻射探測器可分為三類：氣體輻射探測器、閃爍輻射探測器、半導(dǎo)體輻射探測器。

（1）氣體輻射探測器 氣體輻射探測器采用氣體作為輻射探測介質(zhì)，利用輻射使氣體電離實現(xiàn)輻射探測。輻射與氣體作用，一部分能量使氣體電離，電離產(chǎn)生的離子對在電場作用下形成電離電流，通過測量電離電流完成對輻射的測定。圖2-1給出了氣體輻射探測器的探測原理。

（2）閃爍輻射探測器 閃爍輻射探測器采用閃爍體作為輻射探測介質(zhì)，利用閃爍現(xiàn)象（光致發(fā)光過程）實現(xiàn)對輻射的探測。閃爍現(xiàn)象是指閃爍體受輻射照射引起瞬時發(fā)射可見光現(xiàn)象。閃爍體是探測器的基本探測介質(zhì)。入射輻射與閃爍體作用時，閃爍體吸收輻射的能量，并把吸收的部分能量以可見光的形式發(fā)射出來。將光信號轉(zhuǎn)換為電信號（光電陰極受光照射發(fā)射光電子），測定電信號實現(xiàn)對輻射的探測。圖2-2給出了閃爍輻射探測器的探測原理。

（3）半導(dǎo)體輻射探測器 半導(dǎo)體輻射探測器利用半導(dǎo)體作為探測介質(zhì)進行輻射探測。輻射入射到半導(dǎo)體時，損失的能量產(chǎn)生大量電子-空穴對。在電場作用下，電子和空穴分別向兩極漂移，在輸出回路形成電信號。通過檢測電信號完成對輻射的測定。半導(dǎo)體輻射探測器的探測原理如圖2-3所示。

半導(dǎo)體輻射探測器可看作是一個探測介質(zhì)為半導(dǎo)體的固體電離室。

在工業(yè)數(shù)字射線檢測技術(shù)中實際使用的輻射探測器，一般具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（并不是上述的簡單原理型探測器結(jié)構(gòu)），常包括了射線信號的探測、轉(zhuǎn)換、處理、讀出等功能結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)的輻射探測器，探測的具體過程也不同。

*2.閃爍體

閃爍體是部分輻射探測器的基本組成部分，用于將輻射信號轉(zhuǎn)換為可見光信號，提供給探測器后續(xù)結(jié)構(gòu)進行轉(zhuǎn)換、探測。

輻射照射可引起瞬時發(fā)射可見光的物體一般稱為發(fā)光材料。發(fā)光材料以粉狀細小顆粒制作探測器部件時稱為熒光物質(zhì)，發(fā)光材料以透明單晶體制作探測器部件時稱為閃爍（晶）體。對于高能射線情況，發(fā)光材料常簡單統(tǒng)稱為閃爍體。

簡單地說，閃爍體在輻射照射時的發(fā)光過程是：閃爍體吸收輻射能量，在閃爍體中產(chǎn)生高能電子；高能電子的部分動能在閃爍體中產(chǎn)生激發(fā)態(tài)；從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)釋放能量，形成可見光輻射。與激勵能量（射線吸收）同時的光發(fā)射稱為熒光，在激勵源去除后持續(xù)的光發(fā)射稱為磷光。

對于輻射探測器，常用的熒光物質(zhì)是硫氧化釓（鋱作為激活劑）、硫化鋅（銀作為激活劑）、硫化鋅鎘（銀作為激活劑）、鎢酸鈣等，常用的閃爍晶體是鍺酸鉍、碘化銫（鉈作為激活劑）、氟化鈣（銀作為激活劑）、碘化鈉（鉈作為激活劑）和鎢酸鎘等。表2-1列出了部分材料的部分主要特性。

①射線激發(fā)停止后光發(fā)射從最大強度降到其37%所需要的時間。

*3.非晶態(tài)半導(dǎo)體

按半導(dǎo)體的原子排列，半導(dǎo)體可分為晶態(tài)半導(dǎo)體和非晶態(tài)半導(dǎo)體。

非晶態(tài)半導(dǎo)體不同于晶態(tài)半導(dǎo)體，其基本特點是原子排列短程有序、長程無序。實驗證明，非晶態(tài)半導(dǎo)體中每個原子周圍的最鄰近原子排列有規(guī)則，與同質(zhì)晶體一樣。但從次鄰近原子開始可能是無規(guī)則排列，這不同于晶態(tài)半導(dǎo)體的原子排列長程有序。這使非晶態(tài)半導(dǎo)體（能帶結(jié)構(gòu)）出現(xiàn)了不同于晶態(tài)半導(dǎo)體的特點。

*4.TFT

TFT，即薄膜晶體管大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路。TFT的主要單元是三端器件——場效應(yīng)管，場效應(yīng)管通過施加在絕緣柵極上的控制電壓（可控制源極和漏極間的電流）實現(xiàn)對輸出電流的控制。利用這種集成電路，可容易地（用場效應(yīng)管作為開關(guān)）實現(xiàn)對大面積下、數(shù)量眾多的矩陣單元進行控制。

在TFT中，也包含了實現(xiàn)其他功能的集成電路。

*2.1.2 輻射探測器的一般特性

從輻射探測器的一般特性考慮，數(shù)字射線檢測用的輻射探測器的主要性能可分為四個方面：轉(zhuǎn)換特性、噪聲特性、空間響應(yīng)特性和時間響應(yīng)特性。

1.轉(zhuǎn)換特性

轉(zhuǎn)換特性描述的是探測器輸入物理量與輸出物理量間的關(guān)系，主要的描述參數(shù)是量子探測效率與動態(tài)范圍。

量子探測效率（DQE）可簡單地定義為單位時間（秒）輸出信號光量子數(shù)與輸入信號光量子數(shù)之比。它給出的是探測器將輸入信號轉(zhuǎn)換為輸出信號的效率，值越高性能越好。在工業(yè)數(shù)字射線檢測領(lǐng)域一般不采用該指標（在醫(yī)療領(lǐng)域重視該指標）。

動態(tài)范圍定義為探測器可探測的最大信號與最小信號之比。由于數(shù)字射線檢測的輻射探測器一般都工作在線性響應(yīng)范圍，所以動態(tài)范圍實際常指探測器處于線性響應(yīng)下可探測的最大信號與最小信號之比（有時也簡單地指線性響應(yīng)范圍）。

2.噪聲特性

噪聲特性描述的是探測器的信號響應(yīng)波動情況。

探測器的主要噪聲是量子噪聲、電流噪聲、熱噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲等。這些噪聲與信號大小相關(guān)，簡單地說隨信號增大而增加。為此，采用信噪比描述探測器成像過程產(chǎn)生的噪聲特性。信噪比定義為獲得的圖像信號與圖像信號噪聲之比（要注意的是，這里的信噪比概念與以前常用的一般意義信噪比概念不同）。信噪比越高，圖像質(zhì)量會越好。

3.空間響應(yīng)特性

探測器空間響應(yīng)特性描述的是探測器給出的輸出信號空間分布與輸入信號空間分布的關(guān)系。定量描述探測器的空間響應(yīng)特性可采用探測器的點擴散函數(shù)或光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)（或調(diào)制傳遞函數(shù)）。

在數(shù)字射線檢測技術(shù)中，實用的描述探測器空間響應(yīng)特性的參數(shù)是探測器的空間分辨力，它給出了探測器分辨幾何細節(jié)的能力。

4.時間響應(yīng)特性

時間響應(yīng)特性表示的是探測器跟蹤輸入信號變化的能力。

一般說，探測器對輸入信號的響應(yīng)（跟蹤）存在一定的滯后情況。即加載輸入信號后，探測器的響應(yīng)信號（輸出信號）常會需要一定時間逐步達到對應(yīng)輸入信號的響應(yīng)數(shù)值；輸入信號停止后，探測器的響應(yīng)信號會保持一段下降時間才能逐步減少到無響應(yīng)信號狀態(tài)（如熒光屏余輝）。

描述探測器時間響應(yīng)特性的概念是惰性。表示惰性常用的參數(shù)是響應(yīng)時間（響應(yīng)時間常數(shù)）、衰減時間、余輝等。也引入了一些實際描述探測器時間響應(yīng)特性的概念，如圖像刷新時間等。

對于數(shù)字射線檢測技術(shù)，由于光電發(fā)射幾乎具有瞬時性，多數(shù)探測器的組成器件的光電轉(zhuǎn)換過程都在微秒或納秒數(shù)量級；而對于一般的檢測技術(shù)，都不需要關(guān)注探測器的時間響應(yīng)特性。但探測器涉及熒光物質(zhì)時，由于某些熒光物質(zhì)的衰減時間可能處于毫秒級別，對于快速檢測技術(shù)，則需要關(guān)注探測器的時間響應(yīng)特性。

2.1.3 輻射探測器系統(tǒng)

在數(shù)字射線檢測技術(shù)中實際使用的輻射探測器具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并不是上面介紹的簡單的原理性結(jié)構(gòu)。按照結(jié)構(gòu)特點可以分為兩大類：分立輻射探測器和連續(xù)結(jié)構(gòu)輻射探測器。分立輻射探測器主要有非晶硅探測器、非晶硒探測器、CCD（或CMOS）輻射探測器，連續(xù)結(jié)構(gòu)輻射探測器主要有成像板（IP板）、圖像增強器等。

非晶硅探測器、非晶硒探測器、CCD（或CMOS）輻射探測器，它們本身具有一個個分立輻射探測單元（像元），結(jié)構(gòu)中還包含模/數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）部分，它們常統(tǒng)稱為分立輻射探測器陣列（或稱為數(shù)字探測器陣列），常用縮寫符號DDA表示。這類探測器不僅完成對射線的探測與信號轉(zhuǎn)換，同時也完成圖像數(shù)字化，可以直接給出數(shù)字化的檢測圖像。探測器性能直接影響給出的檢測圖像質(zhì)量。

成像板（IP板）、圖像增強器等探測器，本身是連續(xù)性結(jié)構(gòu)（不分為一個個分立輻射探測單元），結(jié)構(gòu)中也不包含模/數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）部分。對應(yīng)于上面的分立輻射探測器，可以稱這類探測器為連續(xù)結(jié)構(gòu)輻射探測器。這類探測器僅完成對射線的探測與信號轉(zhuǎn)換，直接獲得的是常規(guī)模擬檢測圖像。為了給出數(shù)字化的檢測圖像，需要結(jié)合另外的圖像數(shù)字化單元。探測器性能與相結(jié)合的圖像數(shù)字化單元性能（包括采用的技術(shù)參數(shù)）共同決定了其整體的性能（例如可給出的像素尺寸），共同影響檢測圖像質(zhì)量。從獲得檢測圖像的質(zhì)量考慮，對這類探測器必須從整體角度討論。

為此，可以引用“探測器系統(tǒng)”概念。對于分立輻射探測器陣列，“探測器系統(tǒng)”就是它們本身；對于連續(xù)結(jié)構(gòu)輻射探測器，“探測器系統(tǒng)”則是由探測器、檢測圖像數(shù)字化相關(guān)技術(shù)單元、該技術(shù)單元采用的技術(shù)參數(shù)等共同構(gòu)成的整體。引入該概念，后續(xù)可以方便、統(tǒng)一討論檢測圖像質(zhì)量和檢測技術(shù)。

在后面的敘述中，在不會引起混淆的情況下，常常簡單地使用“探測器”這一術(shù)語，對于連續(xù)結(jié)構(gòu)輻射探測器常是指“探測器系統(tǒng)”。