碲鋅鎘光子計數(shù)探測器最佳工作溫度程序設計

辛元娟，張保強，程棟銳，李建，郝樹財

（陜西迪泰克新材料有限公司，陜西西安，710071）

0 引言

碲鋅鎘（CdZnTe），是一種可在室溫下使用的、具有優(yōu)良性能的Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體材料，其原子序數(shù)高、禁帶寬度大、電阻率高，非常適合于10KeV～1MeV 射線的探測。由碲鋅鎘制成的輻射探測器，具有能量分辨率高、探測效率高、空間分辨率高等優(yōu)點，已廣泛應用在輻射探測、工業(yè)檢測、醫(yī)療成像、環(huán)保等領域[1]。

碲鋅鎘探測器的應用主要分兩種，能譜識別和光子計數(shù)。能譜識別應用于劑量率不高的場景，而光子計數(shù)則應用于有較大劑量X、γ 射線的場景。不同于基于閃爍體探測器的能量積分模式，光子計數(shù)模式可以通過設定閾值把信號幅度超過閾值的光子脈沖提取出來，以消除漏電流導致的噪聲，實現(xiàn)真正的“零噪聲”。光子計數(shù)模式一般可設置2 個以上的能量區(qū)間，通過調(diào)整能量區(qū)間的分布，可提高感興趣能區(qū)的占比、減小能區(qū)混疊，從而獲得高質(zhì)量的圖像，提高后續(xù)算法物質(zhì)識別精度。

目前，碲鋅鎘光子計數(shù)探測器正逐步應用于醫(yī)療CT、乳腺X 攝影、骨密度檢查等方向，在醫(yī)療成像領域掀起了一場技術升級。但在研究以及應用過程中，人們發(fā)現(xiàn)碲鋅鎘探測器的性能與其工作溫度有相關性。2019 年李穎銳等研究了溫度與計數(shù)性能的關系，初步確定升溫能夠增大空穴去俘獲概率，優(yōu)化碲鋅鎘光子計數(shù)探測器的計數(shù)性能[2]。然而，對于其最佳工作溫度以及成像結果的相關性的研究還很少，有必要針對此問題做進一步研究。

文章采用陜西迪泰克新材料有限公司研制的線陣列光子計數(shù)探測器，測試了28℃～46℃溫度范圍內(nèi)的計數(shù)性能，總結了探測器計數(shù)率和像素一致性的變化規(guī)律，并對不同溫度下成像效果做了對比，確定了探測器的最佳工作溫度。

1 光子計數(shù)探測器與測試系統(tǒng)

本次測試選用陜西迪泰克新材料有限公司生產(chǎn)的線陣列碲鋅鎘光子計數(shù)探測器，每塊探測器含16 個像素，像素尺寸0.9mm×2mm，像素間距0.1mm?？偣矞y試20 塊。

測試設備為公司生產(chǎn)的多能區(qū)X 射線光子計數(shù)探測系統(tǒng)，原理框圖如圖1 所示。

圖1 測試設備原理框圖

設備使用過程中，當X 射線入射到碲鋅鎘探測器時，探測器內(nèi)部會產(chǎn)生電子-空穴對，在外加偏壓的作用下，電子和空穴分別向探測器的兩極漂移，使探測器兩端電極上產(chǎn)生感生電荷。感生電荷被電荷靈敏型前置放大器收集并放大，最終形成電壓脈沖，脈沖幅度與入射光子的能量成正比。電壓脈沖經(jīng)主放大器成型、放大后輸入閾值比較器。系統(tǒng)可設置多個閾值用來界定各能量區(qū)間，當脈沖信號幅度處于預設的閾值范圍內(nèi)時，對應閾值的計數(shù)器完成一次計數(shù)。最終，所有像素的多能區(qū)數(shù)據(jù)會通過數(shù)據(jù)采集卡傳給上位機，進行后續(xù)算法處理以及成像等工作。

測試設備內(nèi)部如圖2 所示。

圖2 測試設備內(nèi)部圖

設備由探測器偏壓電路、4 塊多像素光子計數(shù)模塊、溫度控制電路及一塊數(shù)字采集卡組成。探測器偏壓電路為探測器提供偏壓；多像素光子計數(shù)模塊包含2 個16 像素的線陣列光子計數(shù)探測器及一塊ASIC(Application Specific Integrated Circuit，專用集成電路)，電路包含電荷靈敏前置放大器、脈沖成型放大器、多通道比較器以及計數(shù)器，可同時輸出多能區(qū)的計數(shù)值；溫度控制電路的控溫溫度由上位機設置，精度0.5℃，同時向上位機實時傳輸系統(tǒng)內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)；數(shù)字采集卡完成采集數(shù)據(jù)的傳輸。

2 測試方法

通常情況下，光子計數(shù)探測器的性能主要由計數(shù)率和像素間一致性體現(xiàn)。

探測器的最大計數(shù)率由探測器的計數(shù)率以及ASIC 的計數(shù)上限共同決定。文章選用ASIC 的計數(shù)模型為非癱瘓型[3]，當計數(shù)到達ASIC 的計數(shù)上限時，其呈飽和趨勢，這能夠保證整個測量區(qū)間內(nèi)的計數(shù)曲線單調(diào)。如果計數(shù)曲線出現(xiàn)了先增高后降低的情況，可確定是探測器自身存在極化現(xiàn)象，會對后續(xù)的算法處理造成不利影響。

探測器像素間一致性指的是同一探測器不同像素間的計數(shù)差異，它直接關系到成像效果。當計數(shù)差異過大時，由其處理后生成的圖像會出現(xiàn)水平條紋，影響物質(zhì)識別準確性。

文章使用的測試方案如圖3 所示。

圖3 測試方案圖

探測系統(tǒng)放置在鉛箱內(nèi)部，X 光機選用Spellman 公司生產(chǎn)的XRB160PN192，該光機穩(wěn)定性高，焦點尺寸0.8mm×0.8mm，適用于光子計數(shù)探測器的計數(shù)性能及成像效果測試。光機管電壓設置為80KV，管電流設置為0.1mA～0.65mA（以0.05mA 步長遞增），測試溫度設置為28℃～46℃（以2℃步長遞增）。

文章共測試了20 個光子計數(shù)探測器，記錄了各探測器不同溫度條件下的計數(shù)曲線。以下就測試結果進行分析。

3 結果分析

3.1 計數(shù)特性

將編號為16L222043F 的4 像素測試結果整理，如圖4所示。

圖4 16L222043F pixel 4 曲線

工作溫度28℃時，計數(shù)率在管電流達到0.5mA 時出現(xiàn)了下降趨勢；28℃～32℃情況下，計數(shù)率降低趨勢緩解，當工作溫度達到34℃時，計數(shù)率不再降低，曲線呈現(xiàn)單調(diào)上升趨勢。

圖5 中，X 軸為測試溫度，Y 軸計算公式如下所示：

式中，N0.65指0.65mA 管電流下探測器所有像素的計數(shù)均值；MAX 指管電流在0.1mA～0.65mA 范圍內(nèi)探測器各像素計數(shù)均值的最大值；y 值代表0.65mA 管電流下探測器的計數(shù)值與MAX 的差異，y 小于0 時，意味著計數(shù)曲線有下降趨勢，y 值越小，下降趨勢越嚴重。

從圖中可以看到在28℃～34℃升溫過程中，y 值迅速縮小，從最高-10%縮小到最高-2%。這代表著計數(shù)率的下降趨勢迅速緩解。超過34℃后，仍有個別探測器計數(shù)差異存在縮小趨勢。而絕大多數(shù)的探測器，環(huán)境溫度達到34℃后，計數(shù)率不再降低。

3.2 計數(shù)一致性

圖6 是探測器16L222043F 在不同溫度的計數(shù)曲線，能夠明顯看出隨著溫度的升高，不同像素之間的一致性逐步提高，尤其在28℃～34℃區(qū)間內(nèi)，變化更為明顯。

圖6 16L222043F 在不同溫度下的計數(shù)曲線

對所有探測器在不同溫度下的CV（Coefficient of Variation，變異系數(shù)）進行統(tǒng)計，結果如圖7 所示。

圖7 各探測器CV 統(tǒng)計

可以發(fā)現(xiàn)，在整個溫度區(qū)間內(nèi)，一致性變化相對平穩(wěn)，文章統(tǒng)計了所有探測器的一致性變化，結果如表1 所示，考慮到測試誤差，當CV 變化不超過±0.5%時，認為無變化。

表1 探測器變化統(tǒng)計

20 個探測器中，像素間一致性總體呈優(yōu)化趨勢。

3.3 成像結果對比

對不同溫度下成像結果進行對比，結果如圖8 所示。

圖8 不同溫度下成像結果對比

隨著溫度的升高，圖像條紋逐漸消失，顯示效果更加清晰。

4 結果與展望

文章對碲鋅鎘光子計數(shù)探測器在不同溫度下的計數(shù)性能、一致性及成像效果進行了測試與分析。測試結果表明，將光子計數(shù)探測器的工作溫度控制在35℃～38℃之間，可獲得更好的性能表現(xiàn)。礙于測試所用計數(shù)電路的限制，對探測器性能測試還有未盡之處，譬如還不能完全排除ASIC 對測試的影響，后期將會搭建更為完備的測試平臺，以得到更為準確的數(shù)據(jù)。