2.1 辐射探测器概述

2.1.1 辐射探测器的类型（*）

辐射探测器完成射线的探测和转换，是获得射线检测图像的基本器件，也是影响获得检测图像质量的基本因素。下面介绍辐射探测器按探测原理的分类以及构成辐射探测器的某些公共部分的简要相关知识。

1.辐射探测器按探测原理的分类

按辐射探测原理，辐射探测器可分为三类：气体辐射探测器、闪烁辐射探测器、半导体辐射探测器。

（1）气体辐射探测器 气体辐射探测器采用气体作为辐射探测介质，利用辐射使气体电离实现辐射探测。辐射与气体作用，一部分能量使气体电离，电离产生的离子对在电场作用下形成电离电流，通过测量电离电流完成对辐射的测定。图2-1给出了气体辐射探测器的探测原理。

（2）闪烁辐射探测器 闪烁辐射探测器采用闪烁体作为辐射探测介质，利用闪烁现象（光致发光过程）实现对辐射的探测。闪烁现象是指闪烁体受辐射照射引起瞬时发射可见光现象。闪烁体是探测器的基本探测介质。入射辐射与闪烁体作用时，闪烁体吸收辐射的能量，并把吸收的部分能量以可见光的形式发射出来。将光信号转换为电信号（光电阴极受光照射发射光电子），测定电信号实现对辐射的探测。图2-2给出了闪烁辐射探测器的探测原理。

（3）半导体辐射探测器 半导体辐射探测器利用半导体作为探测介质进行辐射探测。辐射入射到半导体时，损失的能量产生大量电子-空穴对。在电场作用下，电子和空穴分别向两极漂移，在输出回路形成电信号。通过检测电信号完成对辐射的测定。半导体辐射探测器的探测原理如图2-3所示。

半导体辐射探测器可看作是一个探测介质为半导体的固体电离室。

在工业数字射线检测技术中实际使用的辐射探测器，一般具有复杂的结构（并不是上述的简单原理型探测器结构），常包括了射线信号的探测、转换、处理、读出等功能结构。不同结构的辐射探测器，探测的具体过程也不同。

*2.闪烁体

闪烁体是部分辐射探测器的基本组成部分，用于将辐射信号转换为可见光信号，提供给探测器后续结构进行转换、探测。

辐射照射可引起瞬时发射可见光的物体一般称为发光材料。发光材料以粉状细小颗粒制作探测器部件时称为荧光物质，发光材料以透明单晶体制作探测器部件时称为闪烁（晶）体。对于高能射线情况，发光材料常简单统称为闪烁体。

简单地说，闪烁体在辐射照射时的发光过程是：闪烁体吸收辐射能量，在闪烁体中产生高能电子；高能电子的部分动能在闪烁体中产生激发态；从激发态跃迁到基态释放能量，形成可见光辐射。与激励能量（射线吸收）同时的光发射称为荧光，在激励源去除后持续的光发射称为磷光。

对于辐射探测器，常用的荧光物质是硫氧化钆（铽作为激活剂）、硫化锌（银作为激活剂）、硫化锌镉（银作为激活剂）、钨酸钙等，常用的闪烁晶体是锗酸铋、碘化铯（铊作为激活剂）、氟化钙（银作为激活剂）、碘化钠（铊作为激活剂）和钨酸镉等。表2-1列出了部分材料的部分主要特性。

①射线激发停止后光发射从最大强度降到其37%所需要的时间。

*3.非晶态半导体

按半导体的原子排列，半导体可分为晶态半导体和非晶态半导体。

非晶态半导体不同于晶态半导体，其基本特点是原子排列短程有序、长程无序。实验证明，非晶态半导体中每个原子周围的最邻近原子排列有规则，与同质晶体一样。但从次邻近原子开始可能是无规则排列，这不同于晶态半导体的原子排列长程有序。这使非晶态半导体（能带结构）出现了不同于晶态半导体的特点。

*4.TFT

TFT，即薄膜晶体管大规模半导体集成电路。TFT的主要单元是三端器件——场效应管，场效应管通过施加在绝缘栅极上的控制电压（可控制源极和漏极间的电流）实现对输出电流的控制。利用这种集成电路，可容易地（用场效应管作为开关）实现对大面积下、数量众多的矩阵单元进行控制。

在TFT中，也包含了实现其他功能的集成电路。

*2.1.2 辐射探测器的一般特性

从辐射探测器的一般特性考虑，数字射线检测用的辐射探测器的主要性能可分为四个方面：转换特性、噪声特性、空间响应特性和时间响应特性。

1.转换特性

转换特性描述的是探测器输入物理量与输出物理量间的关系，主要的描述参数是量子探测效率与动态范围。

量子探测效率（DQE）可简单地定义为单位时间（秒）输出信号光量子数与输入信号光量子数之比。它给出的是探测器将输入信号转换为输出信号的效率，值越高性能越好。在工业数字射线检测领域一般不采用该指标（在医疗领域重视该指标）。

动态范围定义为探测器可探测的最大信号与最小信号之比。由于数字射线检测的辐射探测器一般都工作在线性响应范围，所以动态范围实际常指探测器处于线性响应下可探测的最大信号与最小信号之比（有时也简单地指线性响应范围）。

2.噪声特性

噪声特性描述的是探测器的信号响应波动情况。

探测器的主要噪声是量子噪声、电流噪声、热噪声和结构噪声等。这些噪声与信号大小相关，简单地说随信号增大而增加。为此，采用信噪比描述探测器成像过程产生的噪声特性。信噪比定义为获得的图像信号与图像信号噪声之比（要注意的是，这里的信噪比概念与以前常用的一般意义信噪比概念不同）。信噪比越高，图像质量会越好。

3.空间响应特性

探测器空间响应特性描述的是探测器给出的输出信号空间分布与输入信号空间分布的关系。定量描述探测器的空间响应特性可采用探测器的点扩散函数或光学调制传递函数（或调制传递函数）。

在数字射线检测技术中，实用的描述探测器空间响应特性的参数是探测器的空间分辨力，它给出了探测器分辨几何细节的能力。

4.时间响应特性

时间响应特性表示的是探测器跟踪输入信号变化的能力。

一般说，探测器对输入信号的响应（跟踪）存在一定的滞后情况。即加载输入信号后，探测器的响应信号（输出信号）常会需要一定时间逐步达到对应输入信号的响应数值；输入信号停止后，探测器的响应信号会保持一段下降时间才能逐步减少到无响应信号状态（如荧光屏余辉）。

描述探测器时间响应特性的概念是惰性。表示惰性常用的参数是响应时间（响应时间常数）、衰减时间、余辉等。也引入了一些实际描述探测器时间响应特性的概念，如图像刷新时间等。

对于数字射线检测技术，由于光电发射几乎具有瞬时性，多数探测器的组成器件的光电转换过程都在微秒或纳秒数量级；而对于一般的检测技术，都不需要关注探测器的时间响应特性。但探测器涉及荧光物质时，由于某些荧光物质的衰减时间可能处于毫秒级别，对于快速检测技术，则需要关注探测器的时间响应特性。

2.1.3 辐射探测器系统

在数字射线检测技术中实际使用的辐射探测器具有复杂的结构，并不是上面介绍的简单的原理性结构。按照结构特点可以分为两大类：分立辐射探测器和连续结构辐射探测器。分立辐射探测器主要有非晶硅探测器、非晶硒探测器、CCD（或CMOS）辐射探测器，连续结构辐射探测器主要有成像板（IP板）、图像增强器等。

非晶硅探测器、非晶硒探测器、CCD（或CMOS）辐射探测器，它们本身具有一个个分立辐射探测单元（像元），结构中还包含模/数转换（A/D转换）部分，它们常统称为分立辐射探测器阵列（或称为数字探测器阵列），常用缩写符号DDA表示。这类探测器不仅完成对射线的探测与信号转换，同时也完成图像数字化，可以直接给出数字化的检测图像。探测器性能直接影响给出的检测图像质量。

成像板（IP板）、图像增强器等探测器，本身是连续性结构（不分为一个个分立辐射探测单元），结构中也不包含模/数转换（A/D转换）部分。对应于上面的分立辐射探测器，可以称这类探测器为连续结构辐射探测器。这类探测器仅完成对射线的探测与信号转换，直接获得的是常规模拟检测图像。为了给出数字化的检测图像，需要结合另外的图像数字化单元。探测器性能与相结合的图像数字化单元性能（包括采用的技术参数）共同决定了其整体的性能（例如可给出的像素尺寸），共同影响检测图像质量。从获得检测图像的质量考虑，对这类探测器必须从整体角度讨论。

为此，可以引用“探测器系统”概念。对于分立辐射探测器阵列，“探测器系统”就是它们本身；对于连续结构辐射探测器，“探测器系统”则是由探测器、检测图像数字化相关技术单元、该技术单元采用的技术参数等共同构成的整体。引入该概念，后续可以方便、统一讨论检测图像质量和检测技术。

在后面的叙述中，在不会引起混淆的情况下，常常简单地使用“探测器”这一术语，对于连续结构辐射探测器常是指“探测器系统”。