一种具有能量分辨的X射线探测器及其探测方法技术

本发明专利技术提出一种具有能量分辨的X射线探测器及其探测方法，该探测器从上往下依次包括：前收集电极、N+掺杂层、用于光电转换的MAPbX3钙钛矿单晶活性材料层、P+掺杂层、后收集电极；MAPbX3钙钛矿单晶活性材料层的厚度不低于5mm；前收集电极与探测器电源正极相连接；后收集电极与探测器电源负极相连接。该探测方法通过在一次X射线曝光中对该探测器施加不同的反向偏压，根据不同偏压下的探测电流，并基于相应算法来提取不同能量的X射线光子的探测信号电流。本发明专利技术(1)可实现具有能量分辨能力的X射线探测和不同能量X射线光子成像的影像减影；(2)仅需要一次X射线曝光，减小了病患所接受的X射线剂量；(3)不需要附加的造影剂，减小了病患的毒副作用。

【技术实现步骤摘要】
一种具有能量分辨的X射线探测器及其探测方法
本专利技术涉及一种X射线探测器及其探测方法，尤其涉及一种具有能量分辨的X射线探测器及其探测方法。技术背景X射线影像在医疗诊断、工业探伤以及国土安全等领域具有重要的应用。一方面，常规的X射线数字探测有间接探测和直接探测两种类型。在间接式X射线探测中，X射线光子首先入射到由无机材料构成的闪烁体上，闪烁体将X射线光子能量转换为可见光光子出射，然后再用硅基CCD或者CMOS图像传感器接收可见光子信号进行成像。在这种工作模式下，探测器所获得的电信号不能直接分辨X射线光子的能量。直接式X射线探测不需要闪烁体，X射线光子直接入射到非晶硒等活性材料，由于X射线光子的光电效应以及康普顿散射效应等，活性材料吸收X射线光子后将产生光生载流子，探测器通过对光生载流子形成的电信号的探测来获得X射线的强度信息。但是由于非晶硒活性层的厚度比较薄，而且非晶硒对X射线光子的吸收、转换效率很低，所以大部分低能X射线光子以及高能X射线光子都能够穿透非晶硒活性层，整个能谱区间不同能量的X射线光子对探测器电流都有贡献，，探测器再借助于时间积分的过程将探测电信号适当增强。在这样一种直接探测的工作模式下，没有办法区分不同能量X射线光子所产生的电信号。另一方面，常规的X射线影像技术只是探测被检测体的线性衰减系数，并不能很好的进行组织区分，例如无法区分实体瘤和囊性肿瘤，也无法分辨出线性衰减系数很接近的组织，如钙化部分和血液等。能量型减影方法是通过测量不同能量的X射线光子穿过被探测物体的影像来实现被测物体的特征图像减影。在医疗诊断中大都采用X射线管产生X射线光子，当X射线光子穿过人体时，X射线光子与人体主要发生光电吸收效应和康普顿散射效应。光电吸收效应的强度与人体组织的原子量有关，像骨骼、钙、碘造影剂等高密度物质主要是产生光电效应；而康普顿散射效应则与组织密度有关，主要产生于软组织等。如果首先选用较低能量的X射线光子对物体进行拍照，然后再用较高能量的X射线光子对物体进行拍照。后一幅图像比前一幅图像的碘信号将大幅度减小，骨信号有一定程度减小，软组织信号减小程度比较低，而气体信号则几乎没有减少。将这两幅图像相减，就可以有效地消除气体影像，保留少量的软组织影像及明显的骨骼与碘信号。能量型X射线减影主要有基于放射源的方式和基于探测器的方式。第一种方式的实现需要利用到两个独立的X射线管和两套数据采集装置，两个X射线管的阳极高压典型值为80KVp和140KVp以提供不同能量的X射线光子。但是在这种工作方式下，需要经过两次X射线的曝光成像，病患所接收的X射线剂量较大。现在常用的X射线管都是多色源，即X射线光子的能谱范围很宽。利用这一特性人们提出了双探测器方案，在一次X射线曝光中就获取低能X射线光子图像和高能X射线光子图像。所谓双探测器方案是在两块探测器之间采用滤波片将X射线整形后分离为低能和高能射线分别探测，通常使用的是铜滤波片和铝滤波片。高能射线光子通过上层探测器的时候不会有大的能量衰减，但是低能光子基本上都在上层探测器和滤波片上衰减完全。这样，两层探测器分别采集两种不同能量下衰减得到的数据。飞利浦的BrillianceiCT采用的就是这种方式。这种方式的缺陷在于，采用滤波片得到的高低能射线的能谱区分度不大，因此重建结果存在较大的误差，被称为“伪双能”成像。另外，为了获得更好的物体影像特征，很多时候人们希望对三种能量X射线光子，甚至更多能量差值的X射线光子进行影像减影。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术的不足，本专利技术提出一种X射线探测器以及基于该X射线探测器的探测方法，以在一次X射线曝光中实现具有能量分辨的X射线探测。技术方案：本专利技术所述的具有能量分辨的X射线探测器从上往下依次包括：前收集电极、N+掺杂层、用于光电转换的MAPbX3钙钛矿单晶活性材料层、P+掺杂层和后收集电极；所述MAPbX3钙钛矿单晶活性材料层的厚度不低于5mm；所述前收集电极与探测器电源正极相连接；所述后收集电极与探测器电源负极相连接。进一步地，所述前收集电极上方还设置有前盖板，所述后收集电极下方还设置有后盖板。进一步地，在所述MAPbX3钙钛矿中，X为Br、Cl或者I。进一步地，所述N+掺杂层为C60、PCBM、ZnO或TiO2层。进一步地，所述P+掺杂层为poly(Nvinylcarbazole)PVK、N，N′-bis(4-butylphenyl)-N、N′-bis(phenyl)-benzipoly-TPD或Spiro-OMeTAD层。基于上述具有能量分辨的X射线探测器的探测方法包括如下步骤：(S1)对由所述N+掺杂层、所述MAPbX3钙钛矿单晶活性材料层和所述P+掺杂层构成的PIN探测结构施加不同大小的多个反向偏压，并测量所述X射线探测器在所述多个反向偏压下的多个对应的探测电流；(S2)基于所述多个对应的探测电流提取出多色X射线源发出的位于不同能量区间内的X射线光子所产生的探测信号电流。进一步地，在步骤(S1)中，所述多个反向偏压、以Vmin为起始值，以ΔV为步长，逐步上升到Vmax，且有：Vmin＝d2/(μholeτhole)Vmax＝d2/(μelectronτelectron)ΔV＝Inoised/(μelectronτelectron+μholeτhole)其中，μhole和μelectron分别为MAPbX3钙钛矿单晶的空穴迁移率和电子迁移率，τhole和τelectron分别为MAPbX3钙钛矿单晶的空穴寿命和电子寿命，d为所述MAPbX3钙钛矿单晶活性材料层的厚度，Inoise为所述X射线探测器的噪声电流；在大小为Vmin+nΔV的反向偏压下测得的探测电流由IVmin+nΔV表示，n＝0、1、2......。进一步地，在步骤(S2)中，能量在Emin+(n-1)ΔE至Emin+nΔE范围内的X射线光子所产生的探测信号电流为IVmin+nΔV与IVmin+(n-1)ΔV之差，其中，Emax和Emin分别是所述多色X射线源在固定阳极电压下发射X射线光子的最高能量和最低能量。工作原理：如图3所示，以MAPbBr3钙钛矿单晶作为X射线探测器的活性材料层为例，能量不同的X射线光子入射到MAPbBr3钙钛矿单晶时，其入射深度不同。这些能量不同的光子在钙钛矿单晶的不同区域被吸收，并在这些区域产生光生电子空穴对。如图4，当X射线光子能量比较低，如30keV，其入射深度很浅，光生载流子基本上都产生在0～1mm区间以内。当X射线的光子能量增加到50keV时，其在MAPbBr3单晶中的透射深度可以达到2mm。因此该能量的X射线光子在0～2mm内产生的光生载流子。同理，当X射线光子能量达到100keV时，其在MAPbBr3单晶中的透射深度大于3mm，因此该能量的光子在0～3mm的范围内都可以产生光生载流子。利用不同能量的X射线光子在不同区域产生光生载流子的特性，便可以选择性地收集不同区域所产生的光生载流子，从而获得不同能量X射线光子的探测信号。为了选择性地收集不同区域所产生的光生载流子，可以通过设置不同的反向偏压来实现。由于MAPbX3单晶一般呈P型半导体特征，光生空穴的迁移率远高于光生电子的迁移率。这样一来，在对探测器施加从0开始逐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有能量分辨的X射线探测器，其特征在于，从上往下依次包括：前收集电极(3)、N+掺杂层(2)、用于光电转换的MAPbX3钙钛矿单晶活性材料层(1)、P+掺杂层(5)和后收集电极(6)；所述MAPbX3钙钛矿单晶活性材料层(1)的厚度不低于5mm；所述前收集电极(3)与探测器电源正极相连接；所述后收集电极(6)与探测器电源负极相连接。

【技术特征摘要】
1.一种具有能量分辨的X射线探测器，其特征在于，从上往下依次包括：前收集电极(3)、N+掺杂层(2)、用于光电转换的MAPbX3钙钛矿单晶活性材料层(1)、P+掺杂层(5)和后收集电极(6)；所述MAPbX3钙钛矿单晶活性材料层(1)的厚度不低于5mm；所述前收集电极(3)与探测器电源正极相连接；所述后收集电极(6)与探测器电源负极相连接。2.根据权利要求1所述的X射线探测器，其特征在于，所述前收集电极(3)上方还设置有前盖板(4)，所述后收集电极(6)下方还设置有后盖板(7)。3.根据权利要求1所述的X射线探测器，其特征在于，在所述MAPbX3钙钛矿中，X为Br、Cl或者I。4.根据权利要求1所述的X射线探测器，其特征在于，所述N+掺杂层(2)为C60、PCBM、ZnO或TiO2层。5.根据权利要求1所述的X射线探测其，其特征在于，所述P+掺杂层(5)为poly(Nvinylcarbazole)PVK、N，N′-bis(4-butylphenyl)-N、N′-bis(phenyl)-benzipoly-TPD或Spiro-OMeTAD层。6.一种根据权利要求1-4中任一者所述的X射线探测器的探测方法，其特征在于，包括如下步骤：(S1)经由所述前收集电极(3)和所述后收集极(6)对由所述N+掺杂层(2)、所述MAPbX3钙钛矿单晶活性材料层(1)和所述P+掺杂层(5)构成的PI...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷威，王昕，张晓兵，李青，王保平，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32