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 實時X 射線成像系統

Varian 公司推出的PaxScan™ 產品在非晶硅傳感器表板、輻射轉換材料、低噪音模擬和高
速度數字電子組件、定制ASIC 控制和處理電子組件以及緊湊型包裝方面都是最佳的。隨
著新材料、流程、電路和技術的出現(將相應地改善性能,并擁有新的用途),它們將成為
我們成像技術的一部分?,F在,我們擁有如下技術:
非晶硅傳感器表板
X 射線轉換
實時成像
非晶硅傳感器表板
使用傳感器表板旨在積累因吸收X 射線而生成的電荷,并在掃描期間將其逐列地提供給電
荷放大器。電荷存儲設備為光導成像儀中的電容器或表板中的光電二極管(與閃爍器結合使
用)。用來釋放電荷的開關可以是單二極管或對二極管,也可以是薄膜晶體管。這些存儲設
備可以進行各種可能的組合以便達到相應的效果,但每種組合都擁有特定的優勢和劣勢。
Varian 公司的產品使用光電二極管TFT 組合的原因在于,其使用簡單、設計靈活以及購買
方便。
非晶硅傳感器表板的顯微照片
在此處圖示的陣列中,使用的開關是一種薄膜
晶體管(TFT),很像有效矩陣液晶顯示器中使
用的開關。表板設計的一個重要目標就是,最
大程度地擴大成像儀被光電二極管占用的區
域,以便最大程度地減少對到達光線的浪費。
信號通過細金屬線傳送。此傳感器表板中像素
的中心到中心的距離為127 微米,填充因子
為35%。Varian 公司現在推出的產品采用了
填充因子更高的傳感器表板。
非晶硅傳感器表板電路圖
工作時,光電二極管會被外部電壓(作用于所有這些
光電二極管)反向偏置。TFT 開關關閉時,由閃爍器
發出的光線生成的電荷會在二極管上累積起來。需要
讀出裝置時,會給一排線路提供能量,以便打開該排線路的開關。選定線路中所有二極管累
積的電荷都將通過所有數據線同時流出。在大型陣列中,這將生成幾千個信號,而這些信號
必須同時讀出。為此,Varian 公司根據客戶要求開發出了擁有高電荷容量的128 通道低噪
音設備,此設備可容納多種非晶硅傳感器表板。
X 射線轉換方法
在將X 射線轉換為電荷進行電子閱讀的方法中,有三種常用的方法可以通過非晶硅實施。
這三種方法是:內在法、光電導體法和閃爍器法。每種方法都有自己的優劣勢,而且每種方
法在實用X 射線成像儀中的使用上都具有一定的局限性。在所有三種方法中,都是在讀出
之前的幀周期中積累電荷。與之相反的是,加瑪射線照像機是在每個X 射線光子到達時進
行計算。由于X 射線光子的到達率太高,無法進行計算,通常不采用此技術進行X 射線
成像。
內在法
到達的X 射線將被非晶硅二極管捕獲,并生成電洞電
子對。外加的偏壓會將電荷分開,以防重新組合。由于
大約每5 電子伏特的X 射線能量生成一對電荷,因
此,信號較高。不幸的是,硅對X 射線的吸收率非常
低,因此,光電二極管的厚度必須介于10 到20 厘米
之間。此類非晶硅設備很難制造。內在設備都采用晶體
硅制造,但只有一條或兩條線路的陣列是實用的,即使
這樣,這些設備仍然非常昂貴。
光電導體法
光電導體材料(擁有比硅更高的X 射線吸收能
力)可以涂到一系列導電陽極板(每塊陽極板都附
帶一個存儲電容器)上。在吸收X 射線時,這些
材料會生成電洞電子對,但是必須將生成的電荷存
儲到涂層外,以免發生橫向串擾現象。涂層區域不
僅會將電荷分隔,而且會直接將電荷導向集電板下
方,以保持影像的清晰。目前,唯一在產的光電導
體(硒)還擁有相對較低的X 射線吸收率,并且
需要大約50 電子伏特的能量才能生成一個電洞電子對。這樣一來,不僅限制了所需的最低
劑量,而且限制了所生成信號的大小。至于擁有較低能力需求和較高X 射線吸收率的其他
材料,目前還在開發中。
閃爍器法
閃爍器是一種可以吸收X 射線并將能量轉換為可見光的復合物。好的閃爍器每吸收一個X
射線光子,可以生產許多光子;通常情況下,每接收1 千伏的X 射線能量,就可以生成
20-50 個可見光子。閃爍器通常由高原子序數材料(擁有較高的X 射線吸收率)和低濃度
激活劑(可進行直接的波段轉換,促使可見光子發射)構成。閃爍器可能為顆粒狀(像磷光
體),也可能為晶體狀(像碘化銫)。
磷光體閃爍器的結構
磷光體屬于接收到X 射線時會發光的材料。
為了獲得最大的亮度,在X 射線成像中使用
的磷光體都采用稀土硫氧化物摻雜其他稀土
材料制成。最常見的就是,釓與鑭氧硫化物摻
雜鋱材料。通常情況下,這些磷光體都會發射
藍色到綠色的光(與膠片的敏感度極其相符)。
使用不同的顆粒大小和化學混合物可以生成
不同分辨率和亮度的影像。使用時,先將這些
材料與膠粘合劑混合到一起,然后將其涂到塑料片上。將這些磷光體涂到X 射線膠片上的
目的在于提高敏感度,但是,這些磷光體也可以涂到一系列非晶硅光電二極管上,使電子X
射線探測器擁有至少與膠片相當的敏感度。在一塊磷光屏上生成每個可見光子都需要數十電
子伏特的能量,而且X 射線吸收率還不錯。如果涂層必須很厚才能阻止高能量的X 射線,
則光的散射可能是一個問題。
碘化銫閃爍器的結構
為了獲得分辨率和亮度的完美組合,使用了碘化
銫材料。碘化銫有著非常有用的屬性,可以在適
當的蒸發條件下,成長為密集的細針(直徑為
10-20 微米)陣列。最終會形成晶體,作為可見
光子(在涂層輸入端附近生成)的光管,并且允
許使用非常厚(最多1 毫米)的涂層,且保持
很好的分辨率。銫的原子序數較高,是一種很好
的X 射線吸收材料,因此,此材料可以非常充
分的利用到來的X 射線。每生成一個光子大約需要20-25 電子伏特的能量。如果與鉈摻
雜使用,碘化銫會在約550 納米,也就是在非晶硅光譜靈敏度的峰值處發射光子。如果將
碘化銫和非晶硅結合使用,將擁有目前在產的所有材料中最高的DQE。
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