注：本文由論文作者（課題組）投稿

人眼具有藍(lán)、綠、紅三色視錐細(xì)胞。通過三色視錐細(xì)胞對(duì) 400～780 nm 波段的可見光的協(xié)同響應(yīng)，我們看到了彩色的世界。然而，在更短波長的 X 射線波段（1 pm～10 nm），作為“眼睛”的 X 射線探測器目前普遍采用電荷積分式探測，不具備波長與能量分辨能力，因而在日常生活中常見的 X 光片、CT 檢查等都僅能獲得黑白的灰度成像。

實(shí)際上，X 射線的光子能量攜帶了很多信息。射線的衰減情況取決于發(fā)射光子的能量和被穿透物體的密度與組成。例如，人體軟組織等低密度有機(jī)物質(zhì)對(duì)高能的硬 X 射線幾乎全透射，僅在小于 30 keV 的低能射線下具有較好的成像對(duì)比度；而高密度的骨骼對(duì)低能射線全吸收，必須使用 80 keV-140 keV 的高能射線才能穿透成像。

為了從高能和低能X射線中獲得更多信息，發(fā)展雙能或多能分辨的 X 射線探測是相關(guān)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。這種探測器有利于區(qū)分不同密度的物質(zhì)，增強(qiáng)有機(jī)和無機(jī)物體之間的成像對(duì)比度，以及識(shí)別對(duì)射線吸收差的軟物質(zhì)（橡膠、塑料和軟組織等）。此外，該探測器還可以使用數(shù)字減影來提取同一位置的不同物質(zhì)的圖像，例如在胸片中減去骨骼只顯示肺部。

目前實(shí)現(xiàn)雙能 X 射線探測的方法包括改變射線源能量與增加探測器層數(shù)兩條路徑。前者將物體連續(xù)兩次暴露在能量范圍改變的X射線源下，為了減少兩次曝光間的移動(dòng)（心臟跳動(dòng)、呼吸運(yùn)動(dòng)等），需要快速切換X射線源的電壓，這對(duì)設(shè)備提出了非常高的技術(shù)要求。此外，在多次 X 射線曝光過程中不可避免地增加了輻射劑量。后者由于可以在單次輻照下完成探測，避免兩次輻照的缺點(diǎn)而成為更優(yōu)的選擇。雙層檢測器的頂層優(yōu)先探測低能光子，底層探測過濾后的高能光子。但僅有兩層的能量分辨能力無法滿足復(fù)雜的成像需求，且普遍使用的間接 X 射線探測（X射線-可見光-電信號(hào)）限制了探測靈敏度，需要較高的輻射劑量才能清晰成像。

為此，華中科技大學(xué)武漢國家光電研究中心，唐江 教授領(lǐng)銜的光電子器件與三維集成團(tuán)隊(duì)，牛廣達(dá) 教授等人采用高靈敏的金屬鹵化鈣鈦礦進(jìn)行直接式 X 射線探測（X 射線 → 電信號(hào)），設(shè)計(jì)了一種沿 X 射線入射方向排列的垂直陣列電極結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在單次曝光下具備高能量分辨的多能X射線探測器。

該成果以"Vertical matrix perovskite X-ray detector for effective multi-energy discrimination"為題發(fā)表在 Light: Science & Applications。

本文中，研究者利用在垂直陣列內(nèi)X射線光子衰減深度隨光子能量的變化，構(gòu)建了 5 個(gè)范圍的射線能量與陣列電極響應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系（圖1），并證明這一參數(shù)僅取決于探測器本身的結(jié)構(gòu)與性能，對(duì)不同的射線光譜具有普適性。針對(duì)光譜矩陣和響應(yīng)矩陣數(shù)據(jù)集進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練可得到最優(yōu)的響應(yīng)轉(zhuǎn)換矩陣。

圖1 多能分辨X射線探測工作原理示意圖

研究者采用 MAPbBr? 鈣鈦礦單晶制備該結(jié)構(gòu)的多能探測器，對(duì) 30 keV - 70 keV 能量范圍的 X 射線進(jìn)行了能量分辨驗(yàn)證。該工作中的鈣鈦礦探測器具有良好的響應(yīng)線性度，線性擬合系數(shù)  R2> 0.99。線性響應(yīng)是探測器準(zhǔn)確分辨未知 X 射線光譜的前提，保證信號(hào)分布不受射線強(qiáng)度影響。實(shí)驗(yàn)證明射線響應(yīng)分布起伏合理，隨著射線源的驅(qū)動(dòng)電壓從 30 kV 提升至 70 kV，射線高能光子增多，3、4、5 號(hào)后端電極的響應(yīng)比例有所增大。

圖2 多能分辨探測器的X射線響應(yīng)

文中根據(jù)如 圖2 所示的測試數(shù)據(jù)集及模擬光譜矩陣集獲得響應(yīng)轉(zhuǎn)換矩陣，并驗(yàn)證了此矩陣的準(zhǔn)確性。該探測器準(zhǔn)確地識(shí)別了 45 kVp，55 kVp，65 kVp 工作電壓下發(fā)射的 X 射線光譜截止能量邊，與模擬光譜的誤差低至 2.77% (55 kVp), 2.97% (65 kVp)，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)換矩陣的有效性（如圖3a）。

圖3 多能分辨X射線探測器的應(yīng)用

多能分辨X射線探測器實(shí)現(xiàn)物質(zhì)區(qū)分成像的原理如 圖3b 所示。輕密度物質(zhì)在前端電極成像中具有更高的對(duì)比度，重密度物質(zhì)在后端電極的成像中更清晰，兩組成像進(jìn)行數(shù)字減影可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離。文中利用密度與元素相近的人造樣品分別模擬了人體骨骼、肌肉以及脂肪，該人造樣品的三種物質(zhì)在本研究中的多能探測器下實(shí)現(xiàn)了清晰的區(qū)分成像（圖3c-f）。

綜上所述，該工作在理論和實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了一種可實(shí)現(xiàn)多能分辨的垂直陣列鈣鈦礦X射線探測器設(shè)計(jì)，有望用于具有能譜辨別、物質(zhì)區(qū)分和成像對(duì)比度增強(qiáng)的新一代X射線探測，給黑白的X射線相片“繪制顏色”，在疾病診斷等應(yīng)用中提供更多隱蔽的信息。

| 論文信息 |

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

監(jiān)制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

閱讀原文