摘要：简要介绍了数字射线检测技术使用的辐射探测器的基本类型。从射线检测技术应用角度介绍了非晶硅、非晶硒、CCD、CMOS、IP板、图像增强器等辐射探测器的基本结构与射线探测过程，并简单叙述了模/数（A/D）转换器的基本知识。
在数字射线检测技术中，采用辐射探测器完成射线的探测和转换。它是获得射线检测图像的器件，是影响获得的图像质量的基本因素。用于工业数字射线检测技术的辐射探测器按原理可分为三类：气体辐射探测器、闪烁辐射探测器以及半导体辐射探测器。气体辐射探测器利用的是辐射可以使气体电离来实现辐射探测。气体探测器的基本结构是，在容器中安装两个同轴电极（由绝缘体分开），充上一定气压的气体，电极之间加上一定的高压。气体是辐射探测器的探测介质，辐射与气体作用，损失的能量使气体电离，电离产生的离子对在电场作用下形成电离电流，测量电离电流实现对辐射的探测。电离产生的离子对数与气体类别、辐射类型和能量相关。图１是其探测原理示意图。气体辐射探测器的主要类型是电离室、正比计数器和Ｇ-Ｍ计数器等。闪烁辐射探测器利用的是闪烁现象实现对辐射的探测。闪烁现象是指高能粒子照射物质时引起瞬时闪光的现象，闪光的持续时间一般不大于10-6s。可以产生闪烁现象的物质称为闪烁体。闪烁体将射线转换为荧光辐射的过程是一种光致发光过程。从能带理论对闪烁现象可给出简单说明。在晶体内掺入杂质（即激活剂），改变了纯晶体的能级结构，产生了一些杂质能级。入射到晶体的射线所损失的能量使电子跃迁，可导致激活剂处于激发态。激活剂从激发态跃迁到基态释放能量，形成荧光辐射或磷光辐射。荧光辐射是辐射照射后在很短时间发生的辐射，磷光辐射是吸收和发射之间延迟比较长的辐射。将光信号转换为电信号则可实现对辐射的探测。常用的闪烁晶体是碘化钠、碘化铯、锗酸铋、钨酸钙和钨酸镉等。半导体辐射探测器的基本结构是PN结。半导体辐射探测器利用的是内光电效应。即，半导体材料吸收辐射能量后，产生电子-空穴对，由此可引起半导体材料的电导率改变，或引起电流、电压现象，通过外电路测量电流，实现对辐射的探测。图２是半导体探测器的探测原理示意图。对于辐射探测器，从制造角度应考虑的性能主要包括：量子检出效率、灵敏度、动态范围（线性范围）、信噪比、时间分辨力（率）、能量分辨力（率）、空间分辨力（率）等。（1）量子检出效率（DQE）是探测器将输入辐射信号转换为输出信号的效率。输入信号强度与输出信号强度常用粒子数或光子数表示。量子效率与探测器种类、入射射线类型与能量等相关。它直接影响得到的图像质量。（２）灵敏度指探测器输出可检测信号时所需要的最少输入信号强度。好的探测器灵敏度可达到一个光子。（３）动态范围即探测器输出信号与输入信号成正比的范围，也称为线性范围。（５）时间分辨力是探测器可分辨的两个相邻入射粒子的最小时间间隔。（６）能量分辨力是探测器分辨不同能量粒子的能力，通常以某一能量的输出脉冲的半高宽度除以脉冲高度。（７）空间分辨力是探测器分辨最小几何细节的能力，常用（调制传递函数降为0.2的）空间频率或不清晰度表示。应注意，空间分辨力与采用的具体技术相关。ASTME 2597-2007《数字探测器阵列制造性能》标准规定，评价数字探测器阵列制造性能应包括基本空间分辨力、效率、对比度灵敏度、特定材料厚度范围及有关图像的一些因素。从使用角度最关心的探测器性能指标常为：像素（元）尺寸、空间分辨力、动态范围、适用能量、使用寿命等。一些辐射探测器性能目前的基本情况见表１。关于空间分辨力应注意的是，表中给出的空间分辨力是探测器可达到的最高空间分辨力。在直接数字化射线检测技术中，实际使用的辐射探测器主要有非晶硅辐射探测器、非晶硒辐射探测器、CCD或CMOS辐射探测器等。非晶硅辐射探测器由闪烁体、非晶硅层（光电二极管阵列）、TFT阵列（大面积薄膜晶体管阵列）构成。图３是非晶硅辐射探测器结构示意图。闪烁体将辐射转换为光，非晶硅层将光转换为电信号，TFT阵列作为开关实现信号的读出，供给后续测量电路。可见，非晶硅辐射探测器对射线探测需要经过两个过程，它是一种间接转换的探测器。图４是非晶硅辐射探测器的内部结构示意图。图5是平板非晶硅辐射探测器的外形图。光电二极管是一类光探测器件。光电二极管的基本结构是PN结，其基于光伏效应探测光信号。在半导体界面存在空间电荷区，它建立了很强的自建电场。光照时产生的电子-空穴对在自建电场的作用下运动，形成光生电流。光生电流大小仅决取决于光照度。在很宽的光照范围内，光电二极管可以产生与入射光强度成正比的光生电流。即可以把光信号转变成电信号，实现对光信号的探测。TFT即大面积薄膜晶体管。其基本结构是在玻璃基板上制做半导体膜层，然后对膜层加工制成大规模半导体集成电路。TFT的单元实际是一个由源极、漏极、栅极组成的三端器件，利用栅极电压控制源极与漏极间的电流。在非晶硅辐射探测器中，TFT单元与一个电容器组成探测单元，贮存电荷与入射辐射对应。读出时，作为开关控制电信号传送。非晶硒辐射探测器是一种直接转换的探测器，其基本组成部分是非晶硒（作为光电材料）和薄膜晶体管阵列（TFT）。图６是非晶硒辐射探测器的结构示意图。
图６非晶硒辐射探测器的结构示意图当射线照射到非晶硒时，将产生电子-空穴对，在外加偏压作用下，产生的电子-空穴对向相反方向移动，形成电流。电流在TFT电容上积聚，形成贮存电荷。每个TFT上的贮存电荷正比于射线的照射量。TFT实际起到像开关的作用。读出时，施加电压信号，开关打开，从辐射转换出的贮存电荷沿数据线流出，经放大、数字化，完成数字图像信息贮存与处理。即每个TFT单元成为采集信息的最小单元，也即像素。CCD（电荷耦合器件）或CMOS（互补金属氧化物半导体）辐射探测器的基本结构为三部分。第一部分为闪烁体，用于将辐射转换为光信号；第二部分为CCD或CMOS感光成像器件，将光信号转换为电信号；第三部分为后续电路，测量电信号，实现对辐射的探测。可见，实现辐射探测转换的是闪烁体，CCD或CMOS实现的是对光信号的转换和探测。CCD是将可见光转换为数字信号的器件。CCD的基本结构是密排的MOS（金属氧化物半导体）二极管阵列，即金属-氧化物-半导体构成的电容，MOS电容的基本结构见图７。在光照条件下，MOS电容衬底发生电子跃迁，形成电子-空穴对。在外电场作用下，电子和空穴分别向两极运动，形成电子电荷，即光生电荷。光生电荷存储在MOS电容的每个单元中。光生电荷的多少决定于射线能量和光子的数量，即每个MOS电容单元的电荷与图像的亮度对应。按一定相位顺序加上时钟脉冲时，在序列脉冲驱动下，光生电荷（信息电荷）将按规定方向沿衬底表面转移，形成图像视频信号。
图7 MOS电容的基本结构CMOS的感光元可为光电二级管或MOS单元。在光电信号产生上与CCD相同，但在结构和信号读取上不同于CCD。基本的不同是，CMOS的各像素单元本身具有放大功能电路，产生的信号电荷在经过放大后传输到输出电路，使信号在传输路径中不易受到噪声影响。IP板（成像板）主要由保护层、荧光层、支持层、背衬层构成，基本结构如图８所示。
图8 IP板的结构示意图
