非晶硅平板探测器bate(参考文献)

          非晶硅X射线平板探测器
非晶硅X射线平板探测器是一种以非晶硅光电二极管阵列为核心的X射线影像探测器。在X射线照射下探测器的闪烁体或荧光体层将X射线光子转换为可见光,而后由具有光电二极管作用的非晶硅阵列变为图像电信号,通过外围电路检出及A/D变换,从而获得数字化图像。由于其经历了X射线-可见光-电荷图像-数字图像的成像过程,通常也被称作间接转换型平板探测器。非晶硅平板探测器具有成像速度快,良好的空间及密度分辨率,高信噪比,直接数字输出等优点。
从而被广泛的应用于各种数字化X射线成像装置。本节将从:非晶硅平板探测器基本结构及成像原理;探测器图像预处理;探测器品质参数三个方面对其加以介绍。
  1:非晶硅平板探测器基本结构及成像原理
            图1:非晶硅平板探测器结构示意图
非晶硅平板探测器基本结构如图1所示,由碘化铯闪烁体层,非晶硅光电二极管阵列,行驱动电路以及图像信号读取电路四部分构成。都市星主播
非晶硅平板X射线探测器成像的基本过程为:
a:位于探测器顶层的碘化铯闪烁晶体将入射的X射线图像转换为可见光图像,
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b:位于碘化铯层下的非晶硅光电二极管阵列将可见光图像转换为电荷图像
每一像素电荷量的变化与入射X射线的强弱成正比,同时该阵列还将空间上连续的X射线图像转换为一定数量的行和列构成的点阵式图像。点阵的密度决定了图像的空间分辨率
c:在中央时序控制器的统一控制下,居于行方向的行驱动电路与居于列方向的读取电路将电荷信号逐行取出,转换为串行脉冲序列并量化为数字信号。获取的数字信号经通信接口电路传送至图像处理器从而形成X射线数字图像
以上为较为典型的非晶硅平板X射线探测器工作过程,实际应用中还有其它的探测器形式。
如用X射线荧光体取代闪烁体,以非晶硅薄膜晶体管阵列取代二极管阵列来构造探测器,但其基本结构及成像过程与上述典型探测器是一致的。
上海互联星空下面将以典型探测器为例详细介绍构成探测器各部分的工作原理,结构特征及其主要的性能参数同时还将涉及对不同形式的探测器性能对比的内容
1.1碘化铯闪烁晶体(Cesium Iodide scintillator)
                图2:针状碘化铯晶体层显微照片
探测器所采用的闪烁体材料由连续排列的针状碘化铯晶体构成,针柱的直径约6微米,外表面由重元素铊包裹以形成可见光波导减少漫射。出于防潮的需要闪烁体层生长在薄铝板上,应用时铝板位于X射线的入射方向同时还可起到光波导反射端面的作用。闪烁体层的厚度为500至600微米,通常将碘化铯晶体的这种针状结构称作CsI:T1闪烁体。
1.1.1碘化铯晶体的X射线吸收特性(X-ray absorption)
        图3:不同能量X射线的CsI与Se吸收系数对比
由上图可见SCIX射线吸收系数是X射线能量的函数,随着X射线能量的增高材料的吸收系数逐渐降低,材料厚度增加吸收系数升高;在常规诊断X射线能量范围内CsI材料具有优于Se材料及其他X射线荧光体材料的吸收性能。从理论上讲增加材料的厚度可提高材料的吸收系数,但增加材料的厚度会导致图像分辨率的降低。图中给出的厚度为探测器设计中通常采用的典型厚度
1.1.2碘化铯晶体的发射光谱特性(Spectral of CsI light emission)
        图4:CsI发射光谱与a-Si光电二极管量子效率谱匹配特性
由图4可见CsI发射光谱与a-Si光电二极管量子效率谱均以波长550nm处出现峰值且具有很好的匹配关系。
碘化铯晶体以上两方面特性使得该材料具有良好的X射线---电荷转换特性(单个DN5 X射线光子可产生800-1000个光电子)
1.1.3结构化碘化铯晶体(CsI:T1)的空间频率响应
图5:500μM层厚结构化碘化铯晶体CsI:T1与粉末状增感屏MTF对比
线性系统的空间频率响应通常采用系统的调制传递函数来(MTF)表示,在系统应用的空间频率范围内MTF值越高则空间频率特性越好,对于影像系统来说可以获得更好的图像对比度,出于提高MTF的需要应采用尽量薄的X射线转换层;但降低转换层的厚度又会带来X
射线吸收效率的降低。这是在转换材料的选择和设计上需要平衡的一对矛盾,因此人们通常选用稀有重元素的化合物作为制备X射线闪烁体的材料,另一方面人们还从改变晶体结构着手来改善空间频率响应特性。结构化碘化铯晶体CsI:T1正是这一指导思想下提出的一个较好的解决方案。其具体方法是:通过创造适宜的条件使CsI:T1材料晶体沿着垂直于基底的方向生长,成为相互独立的直径仅为几微米的柱状晶体,晶体的长度可达毫米量级,从而形成类光纤结构。入射X射线激发闪烁晶体产生可见光,其中小于波导全反射角的部分将沿着波导的方向直达探测器表面;大于全反射角的部分将通过在临近晶体表面的多次反射最终进入全反射角而到达探测器表面。因此与粉末状闪烁体屏相比此种结构对于层厚的依赖大为降低,具有较好的空间频率响应特性。
当然,结构化碘化铯晶体CsI:T1的光波导特性并不意味着可以无限制的增加闪烁体的厚度,其它的限制性因素也需要加以考虑,如:视差效应(X射线入射角应小于由象素大小/转换层厚度决定的角度)等。连环可解也
氢的同位素1.2非晶硅光电二极管阵列(Amorphous Silicon diode array)
探测器结构中由非晶硅光电二极管阵列完成可见光图像向电荷图像转换的过程,同时还实
现了连续图像的点阵化采样。作为探测器的核心其性能特征是决定探测器成像质量的关键因素
1.2.1非晶硅光电二极管阵列基本结构
          图6:非晶硅光电二极管阵列及像素放大照片
典型探测器的阵列结构如图6所示:由间距为143μm的非晶硅光电二极管按行列矩阵式排列,17’*17’的探测器阵列由3000行乘3000列共900万个像元构成,根据临床应用要求的不同也可采用不同的像元尺寸以及不同的阵列大小。
图6右边的照片为单个像元的放大照片,每一像元由具有光敏性的非晶硅光电二极管及不能感光的开关二极管,行驱动线和列读出线构成。位于同一行所有像元的行驱动线相连,位于同一列所有像元的列读出线相连,则构成了探测器矩阵的总线系统。
1.2.2探测器像元基本结构
 
                      图7:探测器像元等效电原理图
每一像元由负极相连的一个光电二极管和一个开关二极管对构成,通常将这种结构称作双二极管结构(2XD)。也有采用光电二极管——晶体管对构造探测器像元的结构形式。为了以示区别通常将采用前一种结构的探测器阵列称作TFD阵列而后一种则称作TFT阵列
    1.2.3TFD的电性能及工作原理
双二极管结构(2XD)大大简化了阵列的制造工艺同时也具有良好的电性能,开关二极管SD为20μm*20μm的PIN二极管具有良好的电流开关特性(44mA/cm*时不大于5nS)因而具有读出速度快的优点,反向漏电流(Leakage current)为10nA/cm*,-4v;NIP光电二极管的反向漏电流为1nA/cm*,-4v;光量子效率为550nm>80%;感光区域填充系数(胶带机Fill-factors)(感光区域面积占像元总面积的百分比)为70%;光电二极管电容及分布电容约为1.9pF。以上的电性能参数说明TFD阵列具有较高的光量子效率及读出效率满足大规模图像阵列的需要。

本文发布于:2023-06-23 15:41:26,感谢您对本站的认可!

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