淺談光電探測(cè)器和圖像傳感器（七）：X射線探測(cè)器（1）

/00 前言/

前面介紹的主要是可見、紫外、紅外波段的光電探測(cè)器。從能量角度來(lái)說(shuō)，由于紫外到近紅外，入射光子能量(0.1eV~10 eV)和材料帶隙基本是一個(gè)水平，所以探測(cè)原理基本以直接探測(cè)為主。而對(duì)于X射線和高能電子，其能量在KeV及其以上量級(jí)，此時(shí)光的粒子性更強(qiáng)，而波動(dòng)性減弱。從光學(xué)設(shè)計(jì)上講，難以通過(guò)類似可見波段的光學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)透鏡聚焦；從探測(cè)器件上講，光電作用過(guò)程更加復(fù)雜，且需要考慮高能輻照損傷問(wèn)題。

/01 X射線探測(cè)原理/

自倫琴于1895年發(fā)現(xiàn)X射線以來(lái), X射線就以其較高的能量、較強(qiáng)的穿透力等一系列特性得到廣泛應(yīng)用?；赬射線影像和檢測(cè)設(shè)備是一種利用X射線的穿透特性，并基于X射線與物質(zhì)的相互作用，將人體組織或工件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息、缺陷信息、物質(zhì)信息等轉(zhuǎn)化為圖像的技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于醫(yī)療健康、工業(yè)無(wú)損探測(cè)等領(lǐng)域，在疾病診斷、缺陷檢測(cè)等方面發(fā)揮著重要作用。近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，X射線影像設(shè)備不斷發(fā)展，朝著更高空間分辨率、更低X射線劑量、更低成本的方向發(fā)展。基于X射線的成像、探測(cè)等設(shè)備主要基于X射線的穿透作用、差別吸收、感光作用和熒光作用來(lái)實(shí)現(xiàn)特定功能。此外由于X射線的高能特性，其與物質(zhì)相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種離化作用，從而帶來(lái)輻照損傷等問(wèn)題，因此低劑量是X射線探測(cè)和成像的一大目標(biāo)，而輻照防護(hù)是X射線相關(guān)應(yīng)用中必須考慮的一大問(wèn)題。

由于X射線的波動(dòng)性弱，其基于光學(xué)的聚焦、調(diào)制等較為困難，因此成像系統(tǒng)相比可見紅外光而言更加簡(jiǎn)單，乃至整個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有中間的光學(xué)部件，只有一個(gè)X射線源和探測(cè)器。這時(shí)X射線探測(cè)器成了X射線成像系統(tǒng)中最為重要的一環(huán)，對(duì)成像的好壞起決定性作用。

根據(jù)X射線探測(cè)器的工作原理，X射線探測(cè)器可以分為直接探測(cè)和間接探測(cè)器。

• 直接探測(cè)器:直接探測(cè)器利用X射線與材料的相互作用直接產(chǎn)生電信號(hào)。
• 間接探測(cè)器:間接探測(cè)器利用X射線與材料的相互作用產(chǎn)生光信號(hào)，再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，比如閃爍體探測(cè)器。

X射線探測(cè)器目前正向著更高靈敏度，更大陣列，更高空間分辨率等方向發(fā)展。直接X(jué)射線探測(cè)器具有空間分辨率更高、響應(yīng)速度更快、響應(yīng)度更強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，目前得到廣泛的研究。間接探測(cè)器雖然和直接探測(cè)器相比，沒(méi)有性能上的優(yōu)勢(shì)，但是其具備成本低，可大面積，易柔性設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

從微觀物理過(guò)程上說(shuō)，X射線的探測(cè)主要還是基于光和物質(zhì)的相互作用，不過(guò)有別于紫外可見波段，紫外可見波段主要基于內(nèi)光電效應(yīng)為主，通過(guò)光生載流子和后續(xù)的載流子分離實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。X射線波段由于其入射光子的高能量特性和強(qiáng)的粒子性，使得其與物質(zhì)作用后會(huì)產(chǎn)生一系列復(fù)雜的效應(yīng)，其中對(duì)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換有貢獻(xiàn)的主要包括：內(nèi)光電效應(yīng)、外光電效應(yīng)、康普頓散射、瑞利散射、電子對(duì)效應(yīng)等。

X射線與物質(zhì)相互作用后的系列效應(yīng)中對(duì)光電信號(hào)產(chǎn)生有貢獻(xiàn)的包括：

(i) 瑞利散射（彈性散射）：X 射線光子與整個(gè)原子碰撞，導(dǎo)致可以忽略的能量和動(dòng)量轉(zhuǎn)移，因此不參與放射增敏效應(yīng)。

(ii) 光電效應(yīng)：當(dāng) X 射線能量低于幾百 keV 時(shí)，光電效應(yīng)占主導(dǎo)地位。在這個(gè)過(guò)程中，X射線的直接吸收會(huì)導(dǎo)致外光電效應(yīng)產(chǎn)生電子。隨后，空穴被來(lái)自更高軌道的一個(gè)電子填補(bǔ)，釋放出 X 射線熒光。如果 X 射線熒光光子被另一個(gè)束縛電子吸收而不是從原子發(fā)射，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)俄歇電子。外光電發(fā)射的電子在材料中會(huì)產(chǎn)生電子-電子相互作用，從而產(chǎn)生倍增效應(yīng)。

(iii) 康普頓散射（非彈性相互作用）：X 射線光子被外層殼電子散射，光子的一部分能量轉(zhuǎn)移到反沖電子上，當(dāng)入射光子能量在幾百 keV 到幾 MeV 范圍內(nèi)時(shí)最為突出。

(iv)電子對(duì)效應(yīng): X射線光子在原子核附近轉(zhuǎn)化為電子和正電子，稱為對(duì)偶產(chǎn)生。

X射線與物質(zhì)的相互作用和光電效應(yīng)這一部分相當(dāng)復(fù)雜，涉及一系列的粒子-電子，電子-電子，光子-電子作用過(guò)程，本質(zhì)上是連鎖的光子-電子-聲子多體作用過(guò)程，由于高能量的屬性還會(huì)伴隨一系列的激發(fā)、倍增、離化過(guò)程。

/ 02 X射線探測(cè)器件/

X射線探測(cè)器按照不同的方式可以進(jìn)行不同的分類，比如按照原理分可以分為直接型和間接型，按照陣列構(gòu)型分為單片集成和混合集成。直接X(jué)射線探測(cè)器根據(jù)所用的探測(cè)材料，還可以進(jìn)一步分為非晶硒、硅基、鈣鈦礦基等。按照像素設(shè)計(jì)，X射線可以分為PN結(jié)型，SDD型，光電導(dǎo)型。

從器件規(guī)模上說(shuō)，X射線探測(cè)器可以分為單點(diǎn)探測(cè)器和成像陣列。單點(diǎn)X射線探測(cè)器 經(jīng)常用于需要快速檢測(cè)的應(yīng)用，例如安全檢查。X 射線成像陣列 經(jīng)常用于需要高分辨率圖像的應(yīng)用，例如醫(yī)學(xué)成像。

從探測(cè)原理上說(shuō)，閃爍體X射線探測(cè)器的工作原理是將X射線的光子能量轉(zhuǎn)換為可見光信號(hào)，再利用光電探測(cè)器將可見光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。閃爍體材料是閃爍體X射線探測(cè)器中的關(guān)鍵部件，其性能直接影響著探測(cè)器的靈敏度、空間分辨率、響應(yīng)時(shí)間和能量分辨能力。

閃爍體是一類吸收高能粒子或射線后能夠發(fā)光的功能材料，可以分為有機(jī)閃爍體和無(wú)機(jī)閃爍體。有機(jī)閃爍體的密度和有效原子序數(shù)小、光產(chǎn)額低 、能 量 分 辨 率 和 X 射 線 吸 收 效 率 等 特 性 通 常 較差。無(wú)機(jī)閃爍體按形態(tài)可以分為單晶閃爍體、粉末閃爍體、陶瓷閃爍體和玻璃閃爍體。一般在間接型X射線探測(cè)器中使用的閃爍體通常需要具備高密度、較大的有效原子序數(shù)、發(fā)光主波長(zhǎng)與圖像傳感器的響應(yīng)匹配良好、快衰減、高光產(chǎn)額、耐輻射及穩(wěn)定的物化性質(zhì)等特性[2]。因此一般間接型X射線探測(cè)器為無(wú)機(jī)閃爍體。

近年來(lái)，隨著材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們開始研究新型閃爍體材料，例如鈣鈦礦閃爍體、納米閃爍體等。新型閃爍體X射線探測(cè)器的發(fā)展主要向著更高光產(chǎn)率，更短decaytime、更好能量分辨率和更高空間分辨率方向發(fā)展。

三星公司推出一種directly deposited CsI scintillators技術(shù)用于平板式 X 射線探測(cè)器，直接沉積 CsI 閃爍體可以減少光學(xué)散射，從而提高空間分辨率。此外直接沉積工藝也有望提高集成度，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，降低成本。

雖然閃爍體探測(cè)器近年來(lái)獲得了諸多進(jìn)展，但是轉(zhuǎn)換層內(nèi)閃爍光的橫向擴(kuò)散問(wèn)題、像素光串?dāng)_問(wèn)題、空間分辨率問(wèn)題, 閃爍體壽命問(wèn)題、仍然是限制間接型 X 射線探測(cè)器的性能等的關(guān)鍵因素。而直接型探測(cè)器由于去掉了閃爍體層，直接用感光像素層接受X射線信號(hào)，因此有望實(shí)現(xiàn)高靈敏度和高分辨率 X 射線探測(cè)。

直接型 X 射線探測(cè)器是基于半導(dǎo)體器件的探測(cè)器。直接通過(guò)半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)X射線信號(hào)-電信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。與基于閃爍體的間接探測(cè)相比，半導(dǎo)體可以直接將 X 射線光子轉(zhuǎn)換為電荷載流子，具有更高的信號(hào)線性度、更低噪聲、更小光學(xué)串?dāng)_、更高空間分辨率、更高光能利用率、更快響應(yīng)速度等優(yōu)勢(shì)，從原理上就能實(shí)現(xiàn)更高性能的Xray探測(cè)。直接X(jué)射線探測(cè)器包括摻雜鋰(Si(Li)或Ge(Li))半導(dǎo)體探測(cè)器 、硅漂移探測(cè)器(SDD)、硅基PIN結(jié)探測(cè)器、非晶硒探測(cè)器等，目前也有寬禁帶半導(dǎo)體X射線探測(cè)器、鈣鈦礦X射線探測(cè)器等直接型X射線探測(cè)器在研究。直接型X射線探測(cè)器雖然有望獲得高性能，但是其輻照損傷問(wèn)題確實(shí)在器件設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮的問(wèn)題，這一塊兒在后面將會(huì)展開討論。

/ 03 X射線探測(cè)陣列/

X射線的成像需要用到陣列型探測(cè)器。X射線成像經(jīng)歷了攝影膠片階段，氣體電離式階段、到現(xiàn)在的數(shù)字探測(cè)器階段（又分為閃爍體探測(cè)器，半導(dǎo)體探測(cè)器）。早期的X射線探測(cè)陣列主要采用熒光屏幕或放射底片進(jìn)行成像，但這些方法存在靈敏度不高、分辨率低以及輻射劑量大的問(wèn)題。后來(lái)出現(xiàn)了氣體電離室探測(cè)方式，20世紀(jì)初，閃爍平板探測(cè)器的出現(xiàn)標(biāo)志著X射線探測(cè)技術(shù)的進(jìn)入數(shù)字探測(cè)陣列時(shí)代。閃爍探測(cè)器利用閃爍晶體或閃爍液體來(lái)測(cè)量X射線的能量和位置，提高了探測(cè)器的靈敏度和分辨率。后來(lái)直接探測(cè)性體半導(dǎo)體探測(cè)器的出現(xiàn)使得X射線探測(cè)器具有更高的能量分辨率和空間分辨率，在醫(yī)學(xué)影像、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

數(shù)字式X射線探測(cè)器可以按照原理分為間接型和直接型，按照形態(tài)分為TFT平板探測(cè)器、CCD探測(cè)器、CMOS探測(cè)器。按照感光像素和讀出電路的集成方式又可以分為單片集成和混合集成方式。1990年，美國(guó)施樂(lè)公司首次提出PIN結(jié)構(gòu)的非晶硅(a-Si)光電二極管陣列結(jié)合二維非晶硅TFT(薄膜晶體管)陣列探測(cè)器實(shí)現(xiàn)方式開啟了間接型X射線平板探測(cè)器的研究歷程。隨后出現(xiàn)了各種基于TFT,CMOS,CCD的直接型和間接型數(shù)字探測(cè)陣列。

下圖展示了CCD型和TFT型X射線探測(cè)器。a中是基于電荷耦合器件的光學(xué)透鏡耦合間接轉(zhuǎn)換數(shù)字化射線成像系統(tǒng)示意圖。入射 X 射線被閃爍體轉(zhuǎn)換成紫外-可見光，然后通過(guò)光學(xué)透鏡聚焦并導(dǎo)向電荷耦合器件陣列，最終轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。b圖是基于平板探測(cè)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，根據(jù)X射線能量轉(zhuǎn)換方式可分為間接型平板探測(cè)器（左）和直接型平板探測(cè)器（右）。對(duì)于間接型，其與a類似，穿過(guò)閃爍體（紫色）的 X 射線被轉(zhuǎn)換成紫外-可見光，然后由像素化的非晶硅光電二極管進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電荷，最終借助TFT讀出電路讀出；而直接轉(zhuǎn)換探測(cè)器中，X 射線光子直接轉(zhuǎn)換成電荷，再由TFT讀出電路讀出。

根據(jù)上面的圖，可以看出從讀出電路上區(qū)分，X射線探測(cè)器可以分為TFT平板式、CCD式、CMOS式。TFT平板式X射線探測(cè)器多為大的陣列面，像素大（近百微米量級(jí)），靶面大（幾十cm量級(jí)）因此可以借鑒顯示領(lǐng)域的TFT工藝實(shí)現(xiàn)LAE（large area electronics）級(jí)別的讀出電路，實(shí)現(xiàn)低成本。CCD式和CMOS式適用于對(duì)讀出速度要求更高，靶面小，性能要求更高的工業(yè)檢測(cè)、半導(dǎo)體檢測(cè)等領(lǐng)域。

TFT讀出電路在顯示領(lǐng)域的發(fā)展是比較成熟的。無(wú)論是LCD還是現(xiàn)在比較多的OLED都用到TFT作為顯示像素的驅(qū)動(dòng)電路，TFT尤其適合這類非硅基的LAE領(lǐng)域電子器件的讀出電路，可以在保證性能前提下實(shí)現(xiàn)低成本、輕量化設(shè)計(jì)。值得一提的是TFT面板工藝是低溫工藝（一般小于400℃），因此在其上制備像素只能是低溫工藝兼容的，比如非晶硅、非晶硒等。

顯示領(lǐng)域目前TFT的主流基礎(chǔ)包括早期的非晶硅，近年推出的IGZO，以及LTPS，LTPO等技術(shù)，從性能上說(shuō)，LTPS和IGZO相比非晶硅具有更好的速度性能。

TFT常用材料體系

目前顯示領(lǐng)域TFT技術(shù)正在不斷發(fā)展，出現(xiàn)更多具有更有性能的TFT技術(shù)，而TFT平板X射線探測(cè)器也可以借鑒顯示領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，推出更高性能、更低成本、柔性、輕量化的TFT平板探測(cè)器設(shè)計(jì)。

從讀出電路上區(qū)分，X射線探測(cè)器有單光子計(jì)數(shù)工作模式、電流積分工作模式、及其混合讀出模式。單光子計(jì)數(shù)型像素探測(cè)器主要基于過(guò)閾值判斷和數(shù)字積分原理。每個(gè)光子產(chǎn)生的電荷信號(hào)在像素單元電路中被低噪聲放大, 并與對(duì)應(yīng)能量閾值的電平信號(hào)進(jìn)行比較. 當(dāng)信號(hào)超過(guò)閾值電平時(shí), 電路數(shù)字邏輯執(zhí)行計(jì)數(shù)累加功能. 該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：具有前端數(shù)字化帶來(lái)的噪聲抑制功能，此外計(jì)數(shù)方式可以實(shí)現(xiàn)更高動(dòng)態(tài)范圍、更高刷新率。電流積分讀出則類似目前的CIS讀出電路，通過(guò)電容積分并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)讀出。

/04 X射線探測(cè)的輻照損傷問(wèn)題/

X射線是一種波長(zhǎng)極短(0.001—10 nm)、能量很強(qiáng)的電磁波。從X射線本身的特點(diǎn)出發(fā)，其對(duì)探測(cè)器的需求相比可見光探測(cè)器更加苛刻，尤其是對(duì)其抗輻照特性。

圖片其中輻照損傷問(wèn)題是可見光中不用考慮，但是在高能粒子探測(cè)器中老生常談的問(wèn)題。輻照損傷主要包括三大效應(yīng)：TID效應(yīng)，單粒子效應(yīng)，位移損傷效應(yīng)。輻照損傷在高能粒子（包括光子、電子、質(zhì)子等）與材料相互作用時(shí)產(chǎn)生，對(duì)傳感器而言，輻照損傷會(huì)導(dǎo)致界面、晶格的損傷，從而導(dǎo)致暗電流增加，器件性能波動(dòng)，乃至器件失效。

以FET器件為例，輻照會(huì)導(dǎo)致柵氧層積累電荷從而導(dǎo)致Vth移動(dòng)；勢(shì)壘層產(chǎn)生各種trap或電荷累積導(dǎo)致轉(zhuǎn)移曲線變化從而Vth移動(dòng)，SS惡化；溝道層產(chǎn)生缺陷，器件遷移率下降，從而影響gm，ft等參數(shù)。

/ 05 X射線相關(guān)應(yīng)用/

1. 半導(dǎo)體檢測(cè)和工業(yè)檢測(cè)

由于X射線的穿透深度比較強(qiáng)，此外X射線檢測(cè)具有無(wú)損、快速、靈敏等優(yōu)點(diǎn)，因此基于X射線成像在半導(dǎo)體檢測(cè)和工業(yè)檢測(cè)中有很多應(yīng)用。在半導(dǎo)體檢測(cè)中，X射線可以用于失效分析和結(jié)構(gòu)檢測(cè)，在工藝制造中，可以檢測(cè)半導(dǎo)體材料和器件的缺陷，例如晶體缺陷、摻雜缺陷、工藝缺陷等；在后道封裝中，可用于檢測(cè)封裝缺陷，例如焊點(diǎn)開裂。在工業(yè)檢測(cè)中，X射線可以用于檢測(cè)各種材料和產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷，例如鑄件、焊縫、管道、木材、食品等。X 射線檢測(cè)可以幫助企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量，確保產(chǎn)品安全。

雖然X射線目前主要在半導(dǎo)體應(yīng)用中用于后道封裝工序，但是由于其穿透性強(qiáng)，無(wú)損等特性，并且隨著半導(dǎo)體芯片由平面向著3D復(fù)雜堆疊方向發(fā)展，研究人員也在探索其用于前道半導(dǎo)體制造中的可能性。小角X射線散射（SAXS）是一種利用X射線與材料中原子或分子的散射來(lái)表征材料微觀結(jié)構(gòu)的技術(shù)。SAXS 在半導(dǎo)體檢測(cè)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，主要包括晶體缺陷檢測(cè)、薄膜表征、顆粒物分析、 應(yīng)力分析、 相變分析等。CD-SAXS 具有較深的穿透深度，可以對(duì)復(fù)雜的層疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損測(cè)量，無(wú)需將薄膜橫切。CD-SAXS 技術(shù)成為少數(shù)幾種能夠測(cè)量復(fù)雜 3DVLSI 堆疊結(jié)構(gòu)（無(wú)需將薄膜橫切）的方法之一，但是由于測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，目前還很少在生產(chǎn)線上使用。

2.材料表征

X射線的穿透能力強(qiáng)，不同密度的物體對(duì)X射線能量的吸收不同，因此除了直接成像，還?？梢杂糜诓牧媳碚骱徒Y(jié)構(gòu)分析。從原理上說(shuō)，X射線和物質(zhì)的相互作用有別于紫外可見波段，紫外可見波段主要基于內(nèi)光電效應(yīng)為主，通過(guò)光生載流子和后續(xù)的載流子分離實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。X射線波段由于其入射光子的高能量特性和強(qiáng)的粒子性，使得其與物質(zhì)作用后會(huì)產(chǎn)生一系列復(fù)雜的效應(yīng)，包括吸收（內(nèi)光電、外光電）、散射（彈性、非彈性）、穿透、二次電子激發(fā)等過(guò)程，對(duì)應(yīng)不同的過(guò)程有不同的X射線表征技術(shù)和成像技術(shù)。

3. 同步輻射裝置

X射線像素探測(cè)器是先進(jìn)光源線站的關(guān)鍵探測(cè)器。同步輻射裝置對(duì)探測(cè)器有相當(dāng)高的性能要求，基于像素探測(cè)器所開展的同步輻射實(shí)驗(yàn)方法以X射線衍射、小角散射、大分子晶體學(xué)等為代表，這些實(shí)驗(yàn)都要求探測(cè)器具有探測(cè)面積大、空間分辨率高、量子效率高、動(dòng)態(tài)范圍大、信號(hào)事例率高等性能。間接探測(cè)的方式有低空間分辨率、響應(yīng)速度慢、讀出噪聲大、動(dòng)態(tài)范圍小、刷新率低等問(wèn)題，難以用于同步輻射場(chǎng)景。因此一般是用于同步輻射裝置的是高性能的直接X(jué)射線探測(cè)器，這部分之前一直是卡脖子技術(shù)，但是國(guó)內(nèi)目前也取得了很多進(jìn)展。

4.醫(yī)用CT

CT即計(jì)算機(jī)斷層掃描，是一種利用X射線對(duì)人體進(jìn)行掃描成像的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。CT成像可以提供人體橫斷面、矢狀面和冠狀面的高分辨率圖像，幫助醫(yī)生診斷疾病。CT成像的基本原理是利用X射線對(duì)人體進(jìn)行不同角度的掃描，并利用計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，重建人體斷層圖像。近日，美國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)家協(xié)會(huì)候任主席、約翰·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院放射學(xué)教授兼醫(yī)學(xué)物理學(xué)家Mahadevappa Mahesh接受《Radiology Business》采訪時(shí)，概述了RSNA 2023討論的醫(yī)學(xué)成像六大發(fā)展趨勢(shì)。其中提到光子計(jì)數(shù)CT、錐形束CT、CT灌注成像等CT成像技術(shù)。

5.診療一體化

除了用于CT成像外，X射線在診療一體化領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。這類納米系統(tǒng)能夠利用 X 射線能量進(jìn)行診斷和治療，具有潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值。通過(guò) X 射線與納米系統(tǒng)的相互作用機(jī)制，實(shí)現(xiàn) X 射線激活納米系統(tǒng)在腫瘤診療、光動(dòng)力治療、放射增敏等方面的應(yīng)用。通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的納米材料系統(tǒng)，使得材料能夠吸收 X 射線能量并將其轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，例如光、熱或化學(xué)能。這些能量可以用于診斷或治療疾病。比如：

• 腫瘤診療：X 射線激活納米系統(tǒng)可以用于腫瘤的診斷和治療。例如，納米造影劑可以增強(qiáng)腫瘤的 X 射線成像對(duì)比度，幫助醫(yī)生更準(zhǔn)確地診斷腫瘤；納米藥物可以利用 X 射線能量殺死腫瘤細(xì)胞。
• 光動(dòng)力治療：X 射線可以激活納米光敏劑，產(chǎn)生單線態(tài)氧等活性物質(zhì)，殺死腫瘤細(xì)胞。
• 放射增敏：X 射線激活納米系統(tǒng)可以增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞對(duì)放射線的敏感性，提高放射治療的效果。

“X-ray-activated nanosystems for theranostic applications”一文詳細(xì)綜述X射線在診療一體化這方面的應(yīng)用。下圖為X射線激活納米系統(tǒng)的示意圖，納米系統(tǒng)可以將吸收到的 X 射線能量轉(zhuǎn)換為可見光，同時(shí)X射線輻照引起放射增敏效應(yīng)。光電效應(yīng)和康普頓散射產(chǎn)生的電子可以被靶點(diǎn)的分子捕獲，形成具有細(xì)胞毒性的自由基，從而實(shí)現(xiàn)放射增敏。

/06 X射線新型探測(cè)器的相關(guān)研究（序）/

X射線探測(cè)器一方面向著更高性能發(fā)展，比如近年來(lái)很多低劑量探測(cè)，高速X射線探測(cè)的研究，另一方面向著多功能的研究，比如柔性X射線探測(cè)器，光場(chǎng)X射線成像等。

除了硅、非晶硒等傳統(tǒng)的X射線探測(cè)器外，人們還在研究其他材料在X射線直接探測(cè)器中的應(yīng)用，比如鈣鈦礦X射線探測(cè)器有望實(shí)現(xiàn)低劑量、低成本、柔性，寬禁帶X射線探測(cè)器有輻照特性好等優(yōu)勢(shì)。

最近，liu xiaogang等人提出了一種X射線光場(chǎng)成像的新方式，利用像素化彩色轉(zhuǎn)換進(jìn)行X射線到可見光的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)檢測(cè)。該方法使用圖案化的鈣鈦礦納米晶體陣列將X射線轉(zhuǎn)換為不同方向的光，然后使用彩色 CCD 相機(jī)檢測(cè)這些光。通過(guò)分析光的顏色和強(qiáng)度，可以重建 X 射線的入射方向和強(qiáng)度，從而獲得光場(chǎng)信息，實(shí)現(xiàn)X光的三維相襯成像。

柔性X射線探測(cè)器也是目前的一大研究熱點(diǎn),大曲面上制造大面積、靈活的X射線探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的直接三維成像，由于和成像物體更加貼合，其成像質(zhì)量也可以得以提高。此外柔性S射線探測(cè)器具備更高靈活性、輕便性、更低成本，有望用于小型醫(yī)療設(shè)備，乃至POCT中。

參考資料：

1.X射線探測(cè)器的研究現(xiàn)狀與展望，侯玉欣。

2.間接式 X 射線探測(cè)器的核心器件及其耦合方式

3.X-ray-activated nanosystems for theranostic applications

4.Frame-level Redundancy Scrubbing Technique for SRAM-based FPGAs

5.https://faculty.engineering.asu.edu/kalarickal/research/

6.https://www.osti.gov/servlets/purl/1115539

7.https://easii-ic.com/en/radiation-tests/

8.Recent Development in X-Ray Imaging Technology: Future and Challenges

9.https://www.bakerhughes.com/cn/waygate-technologies/industrial-radiography-and-ct/

10.innovative-technologies-and-components/dynamic-41100-detector

11.https://www.top-unistar.com/product/279-cn.html

12.http://www.hzimaging.com/CoreTechnology/info_itemid_346_lcid_40.html#More

13.https://sydortechnologies.com/direct-detectors/sydor-mm-pad/?gad_source=1&gclid=CjwKCAiA0bWvBhBjEiwAtEsoW2XicuseFGcvSmzjmgMJ0FqyCHvPvwCaC7fMM6zIRFdhCIWkWf0ZvhoCHdkQAvD_BwE

14.https://www.amptek.com/products/x-ray-detectors/x-ray-detector-selection-guide
Yi, L., Hou, B., Zhao, H. et al. X-ray-to-visible light-field detection through pixelated colour conversion. Nature 618, 281–286 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05978-w

15.https://wellmanxray.com/blog/everything-you-need-to-know-about-flat-panel-detector/

16.寬禁帶半導(dǎo)體光電導(dǎo)X射線探測(cè)器的制備與性能研究_徐樂(lè)杰

17.李貞杰, 張杰, 李木槿, 等. X射線像素探測(cè)器研究進(jìn)展. 科學(xué)通報(bào), 2022, 67: 3808–3822

18ITER徑向X射線相機(jī)探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)研究_李超智

19.https://analyticalscience.wiley.com/content/news-do/flexible-x-ray-detector-images-3d-objects-ultra-high-resolution

20.Ou, X., Qin, X., Huang, B. et al. High-resolution X-ray luminescence extension imaging. Nature 590, 410–415 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03251-6

21.X-ray sensitivity of photoconductors: application to stabilized a-Se

22.Recent Developments of Amorphous SeleniumBased X-Ray Detectors: A Review

23.Photon Counting and Energy Discriminating X-Ray Detectors - Benefits and Applications

24.X-ray imaging detectors for synchrotron and XFEL sources

25.https://www.researchgate.net/figure/Comparison-between-indirect-left-and-direct-right-detection-of-X-rays-1_fig1_323907723

26.Orji, N.G., Badaroglu, M., Barnes, B.M. et al. Metrology for the next generation of semiconductor devices. Nat Electron 1, 532–547 (2018). https://doi.org/10.1038/s41928-018-0150-9

27.https://doi.org/10.1201/9781315222035

28.https://zhuanlan.zhihu.com/p/629965558

（說(shuō)明1：由于涉及的參考文獻(xiàn)和圖片比較多，如有遺漏還請(qǐng)諒解）