2.3 分立輻射探測器（DDA）

數字射線檢測技術使用的分立輻射探測器（或稱為數字探測器），主要是非晶硅輻射探測器、非晶硒輻射探測器、CCD和CMOS輻射探測器。

2.3.1 非晶硅輻射探測器（*）

1.非晶硅輻射探測器的結構

非晶硅輻射探測器由閃爍體、非晶硅層（光電二極管陣列）、TFT陣列（薄膜晶體管陣列）、讀出電路構成。圖2-5是面陣（平板）非晶硅探測器的外形與結構示意圖。

探測器的每個探測單元包括一個非晶硅光電二極管和起開關作用的TFT場效應管，它們共同構成像素。圖2-6是像素的基本組成圖。

2.非晶硅輻射探測器的探測過程

閃爍體將射線信號轉換為可見光信號。對于非晶硅輻射探測器，常用的閃爍體是碘化銫（鉈作為激活劑）或（熒光物質）硫氧化釓（鋱作為激活劑）。

非晶硅層，即光電二極管陣列層，是光電探測器件，它的作用是把入射的光信號轉換為電信號。光電二極管積累電信號，讀取時，經外圍電路輸出、A/D轉換，獲得數字檢測圖像信號。

概括起來，非晶硅探測器探測射線的過程如下。閃爍體層將入射射線信號轉換為可見光信號，非晶硅光電二極管將可見光信號轉換為電信號，電信號在TFT控制下由讀出電路順序讀出，完成處理，形成數字檢測圖像信號。

*3.光電二極管探測原理

光電二極管的基本結構是PN結。在PN結上施加反向電壓（N區為正，P區為負），則構成光電二極管。當光照射PN結時，在半導體中產生電子-空穴對，在內建電場作用下形成光生電流。光生電流基本與光照強度成正比，其線性范圍很寬。圖2-7是光電二極管探測原理示意圖。

2.3.2 非晶硒輻射探測器

非晶硒輻射探測器的基本組成部分是非晶硒（作為光電材料）、薄膜晶體管（TFT）陣列、讀出電路。圖2-8是非晶硒探測器結構示意圖。

非晶硒輻射探測器用非晶硒作為光電轉換材料。入射到非晶硒的輻射，部分能量產生電子-空穴對，射線信號轉換為電信號。電信號在TFT集成電路中的電容上積聚形成儲存電荷。在TFT集成電路的讀出電路控制下，儲存的電荷被順序讀出，經處理、放大、A/D轉換等，形成數字射線檢測圖像。

電容和TFT開關構成采集信息的最小單元，即非晶硒探測器的像素。

概括起來，非晶硒輻射探測器的探測過程：非晶硒直接將射線信號轉換為電信號，產生的電荷存儲到各個探測器單元，在TFT控制下由讀出電路將儲存電荷順序讀出，經處理、放大、A/D轉換等，形成數字檢測圖像信號。

非晶硒探測器不存在中間轉換過程，是一種直接轉換的輻射探測器。

2.3.3 CCD或CMOS輻射探測器

CCD（電荷耦合器件）或CMOS（互補金屬氧化物半導體）輻射探測器的基本結構為閃爍體與CCD或CMOS感光成像器件。在閃爍體與CCD或CMOS感光成像器件之間采用光耦合器件傳輸信號。

閃爍體將射線信號轉換為光信號，CCD或CMOS感光成像器件將光信號轉換為電信號。讀出CCD或CMOS各探測單元電荷（信息電荷），經信號處理電路處理，形成數字檢測圖像信號，獲得數字檢測圖像。可見，閃爍體實現射線信號探測，CCD或CMOS實現對光信號的轉換和探測。圖2-9是CCD輻射探測器的基本結構，圖2-10是CMOS輻射探測器的基本結構。

CCD（電荷耦合器件）的基本結構單元是MOS（金屬-氧化物-半導體）電容，實現電荷信號的產生、存儲、轉移、檢測。簡單地說，CCD光電信號的轉換過程如下：當光信號照射在CCD上時，半導體中產生電子-空穴對，電子被吸引、收集，形成信號電荷，實現了光信號向電信號的轉換。在CCD的柵極上施加按一定規律變化的電壓，使電荷沿半導體表面轉移，形成輸出信號。輸出的電荷信號正比于照射光強。

CMOS主要組成部分是像敏陣列（光電二極管陣列）和MOS場效應管集成電路，它們集成在同一硅片上。光電二極管完成光信號向電信號轉換，MOS場效應管構成光電二極管的負載、放大器，傳送電信號。

顯然，CCD、CMOS輻射探測器是間接轉換的輻射探測器。

2.3.4 分立輻射探測器的性能（*）

分立輻射探測器（DDA）的結構構成和基本結構（獨立的探測單元——像素）特點，決定了其性能的特點。

*1.轉換特性

DDA的基本探測結構是閃爍體與光電二極管（非晶硒探測器的基本探測結構僅是光電二極管）。閃爍體的光發射在飽和前與入射輻射呈線性關系，光電二極管的光電轉換在相當范圍內為線性關系，這決定了分立輻射探測器具有線性轉換特性。即探測器像素電荷與曝光量（射線照射量）呈線性關系。當曝光量過大時，探測器的轉換將進入飽和狀態。圖2-11是具有代表性的DDA的轉換特性。

2.基本空間分辨力

分立輻射探測器的基本空間分辨力，理論上由其有效像素尺寸決定，即

SRb=Pe

對于非晶硒類結構的直接轉換型分立輻射探測器，可認為有效像素尺寸與其幾何像素尺寸P相等。對于非晶硅類結構的間接轉換型分立輻射探測器，閃爍體的特性、厚度將影響有效像素尺寸。但一般情況下可認為有效像素尺寸與其幾何像素尺寸P近似相等，因此一般近似有

P≈SRb

這樣，探測器的固有不清晰度將簡化為

UD≈2P （2-6）

圖2-12顯示的是像素尺寸為200μm的非晶硅探測器，采用雙絲型像質計測定檢測圖像不清晰度的圖像，從圖中可見測定數據為D7（最小可分辨絲對的直徑為0.20mm），對應的不清晰度為0.40mm，其與上面敘述的可近似采用幾何像素尺寸P作為有效像素尺寸處理相符合。其他像素尺寸的非晶硅探測器的測定試驗同樣如此。

3.規格化（標準化、歸一化）信噪比

DDA可獲得的信噪比主要決定于探測器本身結構與特性，也與射線束譜（能量）、射線劑量、濾波物體相關。由于對探測器各個分立單元（像素）可進行嚴格測定和處理（響應校正），分立輻射探測器可以在很大的曝光劑量范圍內，獲得規格化（標準化、歸一化）信噪比與曝光劑量平方根間的線性關系。圖2-13顯示了規格化信噪比與曝光劑量平方根間的這種線性關系。實際應用的分立輻射探測器，其響應校正給出的規格化信噪比與劑量平方根間的（近似）線性關系將限定在一定的劑量范圍內。不同的響應校正得到的規格化信噪比與劑量平方根間關系也存在差別，圖2-14顯示的是實際應用的不同探測器響應校正獲得的結果。一般地，在較小的曝光量下，DDA的規格化信噪比就可以達到數百以上的數值。

*4.時間響應特性

由于光電發射幾乎具有瞬時性，對DDA的時間響應特性，需要關注的僅是閃爍體結構部分采用具有長衰減常數熒光物質情況。例如，當采用硫氧化釓時，因其衰減常數為480μs（激發停止后響應信號降低到37%需要的時間），則必須注意以高幀速采集圖像時，可能出現的前一幀的某些信息疊加到后一幀圖像的情況。