2.3 分立辐射探测器（DDA）

数字射线检测技术使用的分立辐射探测器（或称为数字探测器），主要是非晶硅辐射探测器、非晶硒辐射探测器、CCD和CMOS辐射探测器。

2.3.1 非晶硅辐射探测器（*）

1.非晶硅辐射探测器的结构

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（薄膜晶体管阵列）、读出电路构成。图2-5是面阵（平板）非晶硅探测器的外形与结构示意图。

探测器的每个探测单元包括一个非晶硅光电二极管和起开关作用的TFT场效应管，它们共同构成像素。图2-6是像素的基本组成图。

2.非晶硅辐射探测器的探测过程

闪烁体将射线信号转换为可见光信号。对于非晶硅辐射探测器，常用的闪烁体是碘化铯（铊作为激活剂）或（荧光物质）硫氧化钆（铽作为激活剂）。

非晶硅层，即光电二极管阵列层，是光电探测器件，它的作用是把入射的光信号转换为电信号。光电二极管积累电信号，读取时，经外围电路输出、A/D转换，获得数字检测图像信号。

概括起来，非晶硅探测器探测射线的过程如下。闪烁体层将入射射线信号转换为可见光信号，非晶硅光电二极管将可见光信号转换为电信号，电信号在TFT控制下由读出电路顺序读出，完成处理，形成数字检测图像信号。

*3.光电二极管探测原理

光电二极管的基本结构是PN结。在PN结上施加反向电压（N区为正，P区为负），则构成光电二极管。当光照射PN结时，在半导体中产生电子-空穴对，在内建电场作用下形成光生电流。光生电流基本与光照强度成正比，其线性范围很宽。图2-7是光电二极管探测原理示意图。

2.3.2 非晶硒辐射探测器

非晶硒辐射探测器的基本组成部分是非晶硒（作为光电材料）、薄膜晶体管（TFT）阵列、读出电路。图2-8是非晶硒探测器结构示意图。

非晶硒辐射探测器用非晶硒作为光电转换材料。入射到非晶硒的辐射，部分能量产生电子-空穴对，射线信号转换为电信号。电信号在TFT集成电路中的电容上积聚形成储存电荷。在TFT集成电路的读出电路控制下，储存的电荷被顺序读出，经处理、放大、A/D转换等，形成数字射线检测图像。

电容和TFT开关构成采集信息的最小单元，即非晶硒探测器的像素。

概括起来，非晶硒辐射探测器的探测过程：非晶硒直接将射线信号转换为电信号，产生的电荷存储到各个探测器单元，在TFT控制下由读出电路将储存电荷顺序读出，经处理、放大、A/D转换等，形成数字检测图像信号。

非晶硒探测器不存在中间转换过程，是一种直接转换的辐射探测器。

2.3.3 CCD或CMOS辐射探测器

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闪烁体与CCD或CMOS感光成像器件。在闪烁体与CCD或CMOS感光成像器件之间采用光耦合器件传输信号。

闪烁体将射线信号转换为光信号，CCD或CMOS感光成像器件将光信号转换为电信号。读出CCD或CMOS各探测单元电荷（信息电荷），经信号处理电路处理，形成数字检测图像信号，获得数字检测图像。可见，闪烁体实现射线信号探测，CCD或CMOS实现对光信号的转换和探测。图2-9是CCD辐射探测器的基本结构，图2-10是CMOS辐射探测器的基本结构。

CCD（电荷耦合器件）的基本结构单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容，实现电荷信号的产生、存储、转移、检测。简单地说，CCD光电信号的转换过程如下：当光信号照射在CCD上时，半导体中产生电子-空穴对，电子被吸引、收集，形成信号电荷，实现了光信号向电信号的转换。在CCD的栅极上施加按一定规律变化的电压，使电荷沿半导体表面转移，形成输出信号。输出的电荷信号正比于照射光强。

CMOS主要组成部分是像敏阵列（光电二极管阵列）和MOS场效应管集成电路，它们集成在同一硅片上。光电二极管完成光信号向电信号转换，MOS场效应管构成光电二极管的负载、放大器，传送电信号。

显然，CCD、CMOS辐射探测器是间接转换的辐射探测器。

2.3.4 分立辐射探测器的性能（*）

分立辐射探测器（DDA）的结构构成和基本结构（独立的探测单元——像素）特点，决定了其性能的特点。

*1.转换特性

DDA的基本探测结构是闪烁体与光电二极管（非晶硒探测器的基本探测结构仅是光电二极管）。闪烁体的光发射在饱和前与入射辐射呈线性关系，光电二极管的光电转换在相当范围内为线性关系，这决定了分立辐射探测器具有线性转换特性。即探测器像素电荷与曝光量（射线照射量）呈线性关系。当曝光量过大时，探测器的转换将进入饱和状态。图2-11是具有代表性的DDA的转换特性。

2.基本空间分辨力

分立辐射探测器的基本空间分辨力，理论上由其有效像素尺寸决定，即

SRb=Pe

对于非晶硒类结构的直接转换型分立辐射探测器，可认为有效像素尺寸与其几何像素尺寸P相等。对于非晶硅类结构的间接转换型分立辐射探测器，闪烁体的特性、厚度将影响有效像素尺寸。但一般情况下可认为有效像素尺寸与其几何像素尺寸P近似相等，因此一般近似有

P≈SRb

这样，探测器的固有不清晰度将简化为

UD≈2P （2-6）

图2-12显示的是像素尺寸为200μm的非晶硅探测器，采用双丝型像质计测定检测图像不清晰度的图像，从图中可见测定数据为D7（最小可分辨丝对的直径为0.20mm），对应的不清晰度为0.40mm，其与上面叙述的可近似采用几何像素尺寸P作为有效像素尺寸处理相符合。其他像素尺寸的非晶硅探测器的测定试验同样如此。

3.规格化（标准化、归一化）信噪比

DDA可获得的信噪比主要决定于探测器本身结构与特性，也与射线束谱（能量）、射线剂量、滤波物体相关。由于对探测器各个分立单元（像素）可进行严格测定和处理（响应校正），分立辐射探测器可以在很大的曝光剂量范围内，获得规格化（标准化、归一化）信噪比与曝光剂量平方根间的线性关系。图2-13显示了规格化信噪比与曝光剂量平方根间的这种线性关系。实际应用的分立辐射探测器，其响应校正给出的规格化信噪比与剂量平方根间的（近似）线性关系将限定在一定的剂量范围内。不同的响应校正得到的规格化信噪比与剂量平方根间关系也存在差别，图2-14显示的是实际应用的不同探测器响应校正获得的结果。一般地，在较小的曝光量下，DDA的规格化信噪比就可以达到数百以上的数值。

*4.时间响应特性

由于光电发射几乎具有瞬时性，对DDA的时间响应特性，需要关注的仅是闪烁体结构部分采用具有长衰减常数荧光物质情况。例如，当采用硫氧化钆时，因其衰减常数为480μs（激发停止后响应信号降低到37%需要的时间），则必须注意以高帧速采集图像时，可能出现的前一帧的某些信息叠加到后一帧图像的情况。