深圳先进院在高灵敏度能量分辨型X射线探测器研究方面获进展

 

　　通常探测器所接受到的射线信号的强弱，取决于该部位的人体截面内组织的密度。密度高的组织，例如骨骼吸收x射线较多，探测器接收到的信号较弱；密度较低的组织，例如脂肪等吸收x射线较少，探测器获得的信号较强。这种不同组织对x射线吸收值不同的性质可用组织的吸收系数m来表示，所以探测器所接收到的信号强弱所反映的是人体组织不同的m值，从而对组织性质做出判断。
 

　　随着技术的发展，CT图像的质量有了明显改善，分辨率也有很大的提高，但这多是以提高X射线能量为代价的。既要获得高质量的图像，又要使患者尽量地少接收x射线辐射，这应该是下一步CT改革的重点之一。因此就要提高探测器的灵敏度，在不增加甚至减少辐射剂量的前提下，提高图像质量。
 

　　近日，中国科学院深圳先进技术研究院先进材料科学与工程研究所研究员杨春雷团队以A novel energy-resolved radiation detector based on the optimized CIGS photoelectric absorption layer为题，在Journal of Power Sources上发表了基于铜铟镓硒(CIGS)薄膜光电器件与GOS闪烁体相结合的间接型X射线探测器研究进展，该探测器具有高灵敏度和能量分辨能力，器件中使用的CIGS薄膜光电材料具有低成本、高效率及可大面积制作等优势。
 

　　瞄准如何提高辐射探测器的探测率以及如何获得能量分辨这两个核心难题，研究人员从材料和器件结构两个方面进行了创新设计。降低CIGS光电器件的暗电流从而提高信噪比，是CIGS应用于探测器领域的核心挑战。该团队系统研究了Ga含量对CIGS薄膜探测器的暗电流调控并获得了最优的组分设计，进一步结合表面态硫化处理和引入超薄Al2O3层作为pn结界面电荷阻挡层，成功将器件的探测率从6×1013 Jones升高至2.3×1014 Jones，这是目前CIGS光电器件的最好水平。基于优化的CIGS光电功能层与GOS闪烁体层制备的X射线探测器，探测灵敏度达到8 μCGyair-1cm-2，响应时间为0.23-0.28 ms。
 

　　为了获得对于X射线的能量分辨能力，该研究提出了新的3D结构X射线探测器的几何构型，新结构一方面可以利用X射线在穿透深度上的空间分辨获得能量分布信息，另一方面可以使闪烁体的可见光荧光信号传播方向与X射线传播方向垂直，成功解决了间接型X射线探测器在高灵敏度和高空间分辨率不可兼得的难题。
 

　　该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市和广东省等科技项目的资助。
 

　　图1 a 3D结构间接型X射线探测器的示意图；b CIGS光电功能层的器件结构；c 光电器件的照片。
 

　　图2 a 研究中使用的CIGS薄膜的Ga/(Ga+In)元素比；b Ga含量0.33的样品中各元素的空间分布；c CIGS吸收层的截面电子显微镜照片；d CIGS的晶体结构示意图；e CIGS薄膜的晶体X射线衍射图谱；f CIGS薄膜的拉曼光谱；g CIGS光电器件的暗电流与Ga组分关系；h 表面钝化处理后的CIGS器件的电流电压曲线。
 

　　图3 在不同深度上的X射线探测器像素对X射线能量的敏感度对比测量，像素的标号越大，其深度越深。
 

　　资料来源：中科院深圳先进技术研究院、Baidu