非晶硅平板探测器bate参考文献Word文件下载.docx
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非晶硅平板探测器基本结构如图1所示，由碘化铯闪烁体层，非晶硅光电二极管阵列，行驱动电路以及图像信号读取电路四部分构成。
非晶硅平板X射线探测器成像的基本过程为：
a：
位于探测器顶层的碘化铯闪烁晶体将入射的X射线图像转换为可见光图像，
b：
位于碘化铯层下的非晶硅光电二极管阵列将可见光图像转换为电荷图像
每一像素电荷量的变化与入射X射线的强弱成正比，同时该阵列还将空间上连续的X射线图像转换为一定数量的行和列构成的点阵式图像。
点阵的密度决定了图像的空间分辨率
c：
在中央时序控制器的统一控制下，居于行方向的行驱动电路与居于列方向的读取电路将电荷信号逐行取出，转换为串行脉冲序列并量化为数字信号。
获取的数字信号经通信接口电路传送至图像处理器从而形成X射线数字图像
以上为较为典型的非晶硅平板X射线探测器工作过程，实际应用中还有其它的探测器形式。
如用X射线荧光体取代闪烁体，以非晶硅薄膜晶体管阵列取代二极管阵列来构造探测器，但其基本结构及成像过程与上述典型探测器是一致的。
下面将以典型探测器为例详细介绍构成探测器各部分的工作原理，结构特征及其主要的性能参数同时还将涉及对不同形式的探测器性能对比的内容
1．1碘化铯闪烁晶体（CesiumIodidescintillator）
图2：
针状碘化铯晶体层显微照片
探测器所采用的闪烁体材料由连续排列的针状碘化铯晶体构成，针柱的直径约6微米，外表面由重元素铊包裹以形成可见光波导减少漫射。
出于防潮的需要闪烁体层生长在薄铝板上，应用时铝板位于X射线的入射方向同时还可起到光波导反射端面的作用。
闪烁体层的厚度为500至600微米,通常将碘化铯晶体的这种针状结构称作CsI:
T1闪烁体。
1．1．1碘化铯晶体的X射线吸收特性（X-rayabsorption）
图3：
不同能量X射线的CsI与Se吸收系数对比
由上图可见SCIX射线吸收系数是X射线能量的函数，随着X射线能量的增高材料的吸收系数逐渐降低，材料厚度增加吸收系数升高；
在常规诊断X射线能量范围内CsI材料具有优于Se材料及其他X射线荧光体材料的吸收性能。
从理论上讲增加材料的厚度可提高材料的吸收系数，但增加材料的厚度会导致图像分辨率的降低。
图中给出的厚度为探测器设计中通常采用的典型厚度
1．1．2碘化铯晶体的发射光谱特性（SpectralofCsIlightemission）
图4：
CsI发射光谱与a-Si光电二极管量子效率谱匹配特性
由图4可见CsI发射光谱与a-Si光电二极管量子效率谱均以波长550nm处出现峰值且具有很好的匹配关系。
碘化铯晶体以上两方面特性使得该材料具有良好的X射线---电荷转换特性（单个DN5X射线光子可产生800-1000个光电子）
1．1．3结构化碘化铯晶体（CsI：
T1）的空间频率响应
图5：
500μM层厚结构化碘化铯晶体CsI：
T1与粉末状增感屏MTF对比
线性系统的空间频率响应通常采用系统的调制传递函数来（MTF）表示，在系统应用的空间频率范围内MTF值越高则空间频率特性越好，对于影像系统来说可以获得更好的图像对比度，出于提高MTF的需要应采用尽量薄的X射线转换层；
但降低转换层的厚度又会带来X射线吸收效率的降低。
这是在转换材料的选择和设计上需要平衡的一对矛盾，因此人们通常选用稀有重元素的化合物作为制备X射线闪烁体的材料，另一方面人们还从改变晶体结构着手来改善空间频率响应特性。
结构化碘化铯晶体CsI：
T1正是这一指导思想下提出的一个较好的解决方案。
其具体方法是：
通过创造适宜的条件使CsI：
T1材料晶体沿着垂直于基底的方向生长，成为相互独立的直径仅为几微米的柱状晶体，晶体的长度可达毫米量级，从而形成类光纤结构。
入射X射线激发闪烁晶体产生可见光，其中小于波导全反射角的部分将沿着波导的方向直达探测器表面；
大于全反射角的部分将通过在临近晶体表面的多次反射最终进入全反射角而到达探测器表面。
因此与粉末状闪烁体屏相比此种结构对于层厚的依赖大为降低，具有较好的空间频率响应特性。
当然，结构化碘化铯晶体CsI：
T1的光波导特性并不意味着可以无限制的增加闪烁体的厚度，其它的限制性因素也需要加以考虑,如：
视差效应（X射线入射角应小于由象素大小/转换层厚度决定的角度）等。
1．2非晶硅光电二极管阵列（AmorphousSilicondiodearray）
探测器结构中由非晶硅光电二极管阵列完成可见光图像向电荷图像转换的过程，同时还实现了连续图像的点阵化采样。
作为探测器的核心其性能特征是决定探测器成像质量的关键因素
1．2．1非晶硅光电二极管阵列基本结构
图6：
非晶硅光电二极管阵列及像素放大照片
典型探测器的阵列结构如图6所示：
由间距为143μm的非晶硅光电二极管按行列矩阵式排列，17’*17’的探测器阵列由3000行乘3000列共900万个像元构成，根据临床应用要求的不同也可采用不同的像元尺寸以及不同的阵列大小。
图6右边的照片为单个像元的放大照片，每一像元由具有光敏性的非晶硅光电二极管及不能感光的开关二极管，行驱动线和列读出线构成。
位于同一行所有像元的行驱动线相连，位于同一列所有像元的列读出线相连，则构成了探测器矩阵的总线系统。
1．2．2探测器像元基本结构
图7：
探测器像元等效电原理图
每一像元由负极相连的一个光电二极管和一个开关二极管对构成，通常将这种结构称作双二极管结构（2XD）。
也有采用光电二极管——晶体管对构造探测器像元的结构形式。
为了以示区别通常将采用前一种结构的探测器阵列称作TFD阵列而后一种则称作TFT阵列
1．2．3TFD的电性能及工作原理
双二极管结构（2XD）大大简化了阵列的制造工艺同时也具有良好的电性能，开关二极管SD为20μm*20μm的PIN二极管具有良好的电流开关特性（44mA/cm*时不大于5nS）因而具有读出速度快的优点，反向漏电流（Leakagecurrent）为10nA/cm*,-4v；
NIP光电二极管的反向漏电流为1nA/cm*,-4v；
光量子效率为550nm时>
80%；
感光区域填充系数（Fill-factors）（感光区域面积占像元总面积的百分比）为70%；
光电二极管结电容及分布电容约为1.9pF。
以上的电性能参数说明TFD阵列具有较高的光量子效率及读出效率满足大规模图像阵列的需要。
图8：
TFD阵列等效电原理及工作时序
双二极管结构（2XD）工作基本流程如下：
在像素读出期间被选中的行驱动线产生一个相对与列电位的负脉冲（VP2），这时开关二极管SD导通将光电二极管电容充电
行驱动脉冲结束后则两只二极管均处于反偏状态，电容将维持在充电状态
当有X射线照射时，其产生的光电荷将电容放电
d：
下一次行驱动脉冲（下一个VP2）到来时将再次对光电二极管电容冲电。
充电电荷的数量与光电荷的数量相对应
探测器通过检出每一像元的充电电荷量而获取图像信息
由于光电二极管电容不可能被完全充电的机制会导致惰性和弱信号时线性变差，因此在实际的探测器工作时序中增加了预置脉冲（presetpulse）VP1和背景可见光复位（opticalreset）过程，以改善探测器性能。
1．3探测器外围电路
探测器的外围电路由：
时序控制器，行驱动电路，读出电路，A/D转换电路，通信及控制电路组成。
在时序控制器的统一指挥下行驱动将像元的电荷逐行检出，读出电路由专用低功耗CMOS模拟集成电路构成，该芯片集成了120路读出放大器及120对1多路开关，将并行的列脉冲信号转换为串行脉冲信号。
一个具有3000列的图像矩阵需要25个读出单元，而这些单元均采用柔性电路布置于探测器板上并通过导电膜与背面的主电路板相连。
主电路板上包含的A/D转换电路将脉冲信号转换为14BIT数字信号，并通过数字接口发送到图像处理器。
1．4探测器系统接口
图像数据光纤接口：
图像数据被编码为160Mbits/S串行数据流通过光电转换器发送给数据光纤。
900万像素图像矩阵的读出时间为1.2秒，图像采集循环的典型时间间隔为5秒
双向通讯接口：
波特率为9600的RS-232C通讯接口用于控制及状态信息的传输
5VDC，24VDC探测器工作电源
3：
探测器性能参数（DetectorPerformances）
3．1调制传递函数MTF（Modulationtransferfunction）
MTF为探测器对比度空间频率转移函数,通常用来表示探测器对于图像细节的分辨能力
图：
非晶硅探测器MTF
3．2噪声功率谱（Noisespectrum）
对于平板探测器图像系统来说，系统的噪声水平是影响最终成像质量的关键因素，因此对探测器噪声及其相关因素的分析和控制，亦成为探测器设计及质量评价的重要指标。
平板探测器的噪声主要来源于两个方面：
探测器电子学噪声
X射线图像量子噪声
在普通X射线摄影条件下，电子学噪声要远小于量子噪声。
在RQA5测试标准下一个大小为150μm的像素通常可以吸收1400个X光子，此时量子噪声约为37个X光子，而读出噪声则仅相当于3—5个X光子。
3．3量子检测效率DQE（DETECTIVEQUANTUMEFFICIENCY）
探测器的ＤＱＥ被定义为输出信噪比的平方与输入信噪比的平方之比通常用百分数来表示。
用以表征探测器对于图像信噪比的传递性能
CsIDQE示意图
3．4探测器的其它品质因素
3．4．1灵敏度（Sensitivity）
非晶硅探测器的灵敏度由四个方面的因素决定：
X射线吸收率，X射线－可见光转换系数，填充系数和光电二极管可见光－电子转换系数。
通常用X射线灵敏度S表示。
如可标注某探测器X射线灵敏度S为：
S～1000e-/nGy/pelDN-5Beam
表示该探测器在标准DN-5X射线下每nGy在单个像素上产生的电荷数为1000个。
由于X射线灵敏度S与线质有关通常同时给出线质标准如：
DN-5Beam
3．4．2线性（Linearity）
探测器的线性通常用以下几个参数来表示
最大的线性剂量（X-raymaximumlineardose@DN5）：
表示探测器可达到线性度要求的剂量范围上限（与线质有关DN5）
非线性度（Non-linearity）：
用百分比来表示在０－Ｄmax最大的线性剂量之间输出的非线性程度，通常包含微分非线性度（Linearity-differential-FT），积分非线性度（Linearity-integral-FT），空间非线性度（Linearity-spatial-FT）三个参数
3．4．3记忆效应（memoryeffect）
表示图像残留的参数，通常用两个参量来表示残留因子的变化
一次曝光20S后探测器短期记忆效应（Short-termmemoryeffect20s）如：
0.1%
一次曝光60S后探测器短期记忆效应（Short-termmemoryeffect60s）如：
0.02%
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