【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，東南大學(xué)多維探測(cè)與智能識(shí)別團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了一款X射線多能探測(cè)與成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)不同于單光子X射線多能探測(cè)，采用高通量X射線，實(shí)現(xiàn)了快速的4通道X射線成像。通過引入與不同能量X射線衰減系數(shù)比值(σ(Ei)/σ(Ej))數(shù)字剪影算法，實(shí)現(xiàn)堆疊擺放目標(biāo)識(shí)別。相關(guān)成果以《通過改變工作電壓調(diào)節(jié)鈣鈦礦探測(cè)器中單極性載流子收集實(shí)現(xiàn)多能x射線探測(cè)和成像》(Multi-energy X-ray detection and imaging enabled by working voltage regulating unipolar carrier collection in perovskite detector)為題發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上。
圖1 (A)單極性n-i-n探測(cè)器中多能探測(cè)的工作機(jī)制；(B)16cm長(320像素點(diǎn))的多能X射線成像線列樣機(jī)及其讀出系統(tǒng)原理圖；(C)多能X射線成像線列樣機(jī)與商用安檢機(jī)的物質(zhì)識(shí)別結(jié)果對(duì)比。
X射線的探測(cè)與成像在醫(yī)學(xué)診斷、無損檢測(cè)、安全檢查、科學(xué)研究等方面得到了廣泛的應(yīng)用。常規(guī)X射線影像僅可以提供被檢樣品形貌信息，盡管計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)可以獲得目標(biāo)的橫截面或三維成像，但重心仍集中在對(duì)比度和形狀特征上。X射線能量分辨影像有望在形貌信息上增加一維物質(zhì)成分信息，被認(rèn)為是下一代X射線成像技術(shù)。過去二十年中，雙能X射線探測(cè)，通過堆疊探測(cè)器或快速切換X射線源方式，已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，并在兒童檢測(cè)以及血管檢測(cè)中體現(xiàn)巨大優(yōu)勢(shì)。但該技術(shù)面臨著高輻射計(jì)量和多次掃描圖像對(duì)齊的挑戰(zhàn)，且能量通道不足以進(jìn)行復(fù)雜材料分析。近些年，單光子計(jì)數(shù)在能量分辨X射線傳感和成像領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。然而，這些探測(cè)器需要低X射線通量才能準(zhǔn)確識(shí)別單個(gè)光子并避免“堆積”效應(yīng)，延長了成像過程，且對(duì)探測(cè)器性能要求高，數(shù)據(jù)采集量大。亟須研發(fā)一種高性價(jià)比的多能X射線探測(cè)成像方式。
本研究繞過單光子計(jì)數(shù)，另辟蹊徑開發(fā)簡單高效的多能X射線直接型探測(cè)線列成像系統(tǒng)。本研究設(shè)計(jì)了單極性n-i-n探測(cè)器，采用Bi-MAPbBr3(n)/MAPbBr3(i)/Bi-MAPbBr3(n)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)其電子遷移率(??e)相對(duì)空穴遷移率(??h)大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)光生電子的深度隨X射線能量的變化而變化，通過調(diào)節(jié)施加工作電壓來改變電場(chǎng)分布，從而精確調(diào)節(jié)電子漂移長度實(shí)現(xiàn)電子的選擇性收集。隨后，提出了一種簡單有效的解耦X射線能量信息的算法，通過分析不同電壓下的光電流，實(shí)現(xiàn)光電流到X射線光子能量的逆向推導(dǎo)。最終，開發(fā)多能X射線探測(cè)成像，實(shí)用普通X射線源(非同步輻射源)，在20秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)4能量通道的多能圖像。該系統(tǒng)配套的不同能量X射線衰減系數(shù)比值(σ(Ei)/σ(Ej))相關(guān)的多能數(shù)字剪影算法，減輕被測(cè)物體厚度變化對(duì)投影圖像的影響，實(shí)現(xiàn)并排放置或堆疊放置物體的形態(tài)和物質(zhì)識(shí)別。
東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院徐曉寶教授、雷威教授、浙江大學(xué)楊旸教授為本文的共同通訊作者。東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生李雨巍為本文的第一作者。該研究受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
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