Light | 绘“彩色”射线：多能分辨X射线探测器

注：本文由论文作者（课题组）投稿

人眼具有蓝、绿、红三色视锥细胞。通过三色视锥细胞对 400～780 nm 波段的可见光的协同响应，我们看到了彩色的世界。然而，在更短波长的 X 射线波段（1 pm～10 nm），作为“眼睛”的 X 射线探测器目前普遍采用电荷积分式探测，不具备波长与能量分辨能力，因而在日常生活中常见的 X 光片、CT 检查等都仅能获得黑白的灰度成像。

实际上，X 射线的光子能量携带了很多信息。射线的衰减情况取决于发射光子的能量和被穿透物体的密度与组成。例如，人体软组织等低密度有机物质对高能的硬 X 射线几乎全透射，仅在小于 30 keV 的低能射线下具有较好的成像对比度；而高密度的骨骼对低能射线全吸收，必须使用 80 keV-140 keV 的高能射线才能穿透成像。

为了从高能和低能X射线中获得更多信息，发展双能或多能分辨的 X 射线探测是相关领域的一个重要研究方向。这种探测器有利于区分不同密度的物质，增强有机和无机物体之间的成像对比度，以及识别对射线吸收差的软物质（橡胶、塑料和软组织等）。此外，该探测器还可以使用数字减影来提取同一位置的不同物质的图像，例如在胸片中减去骨骼只显示肺部。

目前实现双能 X 射线探测的方法包括改变射线源能量与增加探测器层数两条路径。前者将物体连续两次暴露在能量范围改变的X射线源下，为了减少两次曝光间的移动（心脏跳动、呼吸运动等），需要快速切换X射线源的电压，这对设备提出了非常高的技术要求。此外，在多次 X 射线曝光过程中不可避免地增加了辐射剂量。后者由于可以在单次辐照下完成探测，避免两次辐照的缺点而成为更优的选择。双层检测器的顶层优先探测低能光子，底层探测过滤后的高能光子。但仅有两层的能量分辨能力无法满足复杂的成像需求，且普遍使用的间接 X 射线探测（X射线-可见光-电信号）限制了探测灵敏度，需要较高的辐射剂量才能清晰成像。

为此，华中科技大学武汉国家光电研究中心，唐江 教授领衔的光电子器件与三维集成团队，牛广达 教授等人采用高灵敏的金属卤化钙钛矿进行直接式 X 射线探测（X 射线 → 电信号），设计了一种沿 X 射线入射方向排列的垂直阵列电极结构，实现了在单次曝光下具备高能量分辨的多能X射线探测器。

该成果以"Vertical matrix perovskite X-ray detector for effective multi-energy discrimination"为题发表在 Light: Science & Applications。

本文中，研究者利用在垂直阵列内X射线光子衰减深度随光子能量的变化，构建了 5 个范围的射线能量与阵列电极响应的转换关系（图1），并证明这一参数仅取决于探测器本身的结构与性能，对不同的射线光谱具有普适性。针对光谱矩阵和响应矩阵数据集进行机器学习训练可得到最优的响应转换矩阵。

图1 多能分辨X射线探测工作原理示意图

研究者采用 MAPbBr₃ 钙钛矿单晶制备该结构的多能探测器，对 30 keV - 70 keV 能量范围的 X 射线进行了能量分辨验证。该工作中的钙钛矿探测器具有良好的响应线性度，线性拟合系数  R²> 0.99。线性响应是探测器准确分辨未知 X 射线光谱的前提，保证信号分布不受射线强度影响。实验证明射线响应分布起伏合理，随着射线源的驱动电压从 30 kV 提升至 70 kV，射线高能光子增多，3、4、5 号后端电极的响应比例有所增大。

图2 多能分辨探测器的X射线响应

文中根据如 图2 所示的测试数据集及模拟光谱矩阵集获得响应转换矩阵，并验证了此矩阵的准确性。该探测器准确地识别了 45 kVp，55 kVp，65 kVp 工作电压下发射的 X 射线光谱截止能量边，与模拟光谱的误差低至 2.77% (55 kVp), 2.97% (65 kVp)，验证了转换矩阵的有效性（如图3a）。

图3 多能分辨X射线探测器的应用

多能分辨X射线探测器实现物质区分成像的原理如 图3b 所示。轻密度物质在前端电极成像中具有更高的对比度，重密度物质在后端电极的成像中更清晰，两组成像进行数字减影可以实现物质分离。文中利用密度与元素相近的人造样品分别模拟了人体骨骼、肌肉以及脂肪，该人造样品的三种物质在本研究中的多能探测器下实现了清晰的区分成像（图3c-f）。

综上所述，该工作在理论和实验上验证了一种可实现多能分辨的垂直阵列钙钛矿X射线探测器设计，有望用于具有能谱辨别、物质区分和成像对比度增强的新一代X射线探测，给黑白的X射线相片“绘制颜色”，在疾病诊断等应用中提供更多隐蔽的信息。

| 论文信息 |

Pang, J., Zhao, S., Du, X. et al. Vertical matrix perovskite X-ray detector for effective multi-energy discrimination. Light Sci Appl 11, 105 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00791-y

监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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