三维阵列式X射线探测器、X射线探测单元及其制备方法

本发明属于x射线成像技术领域，具体地讲，涉及一种三维阵列式x射线探测器、x射线探测单元及其制备方法。

背景技术：

x射线具有很高的穿透本领。基于x射线的原理，我们将x射线的应用扩展到了很多领域。x射线探测器是一种将x射线能量转换为可供记录的电信号的装置。x射线探测器作为医疗医学影响设备中关键的器件，在医疗检测和疾病诊断中都起了重要的作用。其作用原理是：它接收到射线照射，然后产生与辐射强度成正比的电信号。通常探测器所接受到的射线信号的强弱，取决于该部位的人体截面内组织的密度。密度高的组织，例如骨骼吸收x射线较多，探测器接收到的信号较弱；密度较低的组织，例如脂肪等吸收x射线较少，探测器获得的信号较强。这种不同组织对x射线吸收值不同的性质可用组织的吸收系数m来表示，所以探测器所接收到的信号强弱所反映的是人体组织不同的m值，从而对组织性质做出判断。

市面商用x射线探测器主要分为两类：直接型x射线探测器以及间接型x射线探测器。其中，直接型x射线探测器因为其以其较少的光损失以及较小的辐射需求剂量备受科研领域的关注。已经成熟的直接型x射线探测器由非晶硒作为光电转化层，由于不产生可见光，没有散射光的影响，可以获得较高的空间分辨率。但是非晶硒可能出现受热结晶的现象导致探测器性能下降，探测器寿命缩短。

钙钛矿作为一种发展迅速且有效的光电材料，他的八面体结构对x射线的吸收优于非晶硒，吸光效率高，寿命长，毫米级别的厚度可以实现对x射线的完全吸收，且对缺陷容忍度好，稳定性好。

目前的钙钛矿半导体型x射线探测器主要使用大块的钙钛矿单晶作为半导体吸光层材料，钙钛矿材料与顶电极直接接触，也与信号读出薄膜晶体管阵列直接接触。这样的结构导致输入信号像素化程度低，对于能量无较好的分辨能力，导致图像信号分辨率低。

技术实现要素：

(一)本发明所要解决的技术问题

如何提高x射线探测器的成像空间分辨率与灵敏度。

(二)本发明所采用的技术方案

一种x射线探测单元，所述x射线探测单元包括同轴电极线和至少两个探测段体，各个所述探测段体同轴且间隔排列，所述同轴电极线沿轴向方向穿过各个所述探测段体以将各个所述探测段体串联，所述探测段体用于在x射线辐照下产生电信号，并将电信号分别通过所述探测段体的内表面传导至所述同轴电极线以及通过所述探测段体的外表面传导至外界。

优选地，所述探测段体包括依次远离同轴电极线的光电转换层、空穴传输层和导电涂层，所述光电转换层包覆于所述同轴电极线的外表面，所述空穴传输层包覆于所述光电转换层的外表面，导电涂层包覆于所述空穴传输层的外表面。

优选地，所述同轴电极线包括导电纤维线、包覆于所述导电纤维线的外围的致密层以及包覆于所述致密层的外围的介孔层，所述光电转换层包覆于所述介孔层的外围。

优选地，所述光电转换层的材料为钙钛矿材料。

本申请还公开了一种x射线探测单元的制备方法，所述制备方法包括：

制备同轴电极线；

在同轴电极线的外表面制作形成探测层；

沿径向方向在不同位置上对所述探测层进行截断，形成至少两个探测段体，其中

各个所述探测段体同轴且间隔排列，所述同轴电极线沿轴向方向穿过各个所述探测段体以将各个所述探测段体串联，所述探测段体用于在x射线辐照下产生电信号，并将电信号分别通过所述探测段体的内表面传导至所述同轴电极线以及通过所述探测段体的外表面传导至外界。

优选地，所述制备同轴电极线的方法包括：

在导电纤维线的外表面上制作形成致密层；

在所述致密层的外表面上制作形成介孔层，所述导电纤维线、所述致密层和所述介孔层构成所述同轴电极线。

优选地，在同轴电极线的外表面制作形成探测层的方法包括：

在介孔层外表面制作形成光电转换层；

在所述光电转换层的外表面制作形成空穴传输层；

在所述空穴传输层制作形成导电涂层。

优选地，所述沿径向方向在不同位置上对所述探测层进行截断，形成至少两个探测段体的方法包括：

沿着径向方向在依次刻蚀所述导电涂层、所述空穴传输层和导电涂层，直至暴露出所述同轴电极线，形成至少两个探测段体。

本申请还公开了一种三维阵列式x射线探测器，包括：

探测器阵列，包括若干x射线探测单元或者若干由上述的制备方法制作得到的x射线探测单元，各个x射线探测单元并排设置，径向方向上相邻的x射线探测单元的探测段体的外表面相互贴合且电导通，形成至少两个探测区块，各个所述探测区块沿着轴向方向上间隔分布；

若干集流电极线，所述集流电极线捆绑于所述探测区块的外侧，以将所述探测区块中各个探测段体产生的电信号导出至外界。

优选地，探测器阵列包括m排探测单元面，每一排探测单元面包括n根x射线探测单元，径向相邻两根x射线探测单元的探测段体通过导电环氧树脂胶进行连接，m与n均为大于或等于2的正整数。

(三)有益效果

本发明公开了一种三维阵列式x射线探测器、x射线探测单元及其制备方法，相对于传统的x射线探测器，具有如下技术效果：

基于像素化思想，形成了立体式探测器阵列，深度方向上包含了不同吸收厚度的探测段体，基于x射线光子的穿透深度的能量依赖性，从而利用深度方向的空间分辨探测技术获得系统的能量分辨成像能力。在二维平面上，利用不同位置上的探测段体，实现了二维平面上的x射线能量分辨。

附图说明

图1为本发明的实施例一的x射线探测单元的结构示意图；

图2为本发明的实施例一的x射线探测单元的剖面示意图。

图3为本发明的实施例二的x射线探测单元的的制备方法的流程图；

图4为本发明的实施例三的三维阵列式x射线探测器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在详细描述本申请的各个实施例之前，首先简单描述本申请的发明构思：现有的x射线探测器采用大块的钙钛矿单晶作为半导体吸光层材料，具有成像空间分辨率较低的技术问题，本方案采用像素化思想，利用多根x射线探测单元组成三维阵列式的x射线探测器，每根x射线探测单元包括多个间隔且导通的探测段体，可在轴向方向上实现不同深度方向的x射线能量分辨，在径向方向上实现平面空间的x射线能量分辨，提高了成像分辨率，可实现二维成像和三维成像。

具体来说，如图1所示，本实施例一公开的x射线探测单元包括同轴电极线10和至少两个探测段体20，各个探测段体20同轴且间隔排列，同轴电极线10沿轴向方向穿过各个探测段体20以将各个探测段体20串联，探测段体20用于在x射线辐照下产生电信号，并将电信号分别通过探测段体20的内表面传导至同轴电极线10以及通过探测段体20的外表面传导至外界。当x射线沿着轴向方向辐射时，x射线的能量在不断降低，对应的探测段体产生的电信号也在不断减弱，从而实现深度方向上x射线能量的探测与分辨。需要说明的是，本实施例一以三个探测段体20为例，当然在其他实施方式中可以设置更多数量的探测段体。

示例性地，如图2所示，同轴电极线10包括导电纤维线11、包覆于导电纤维线11的外围的致密层12以及包覆于致密层12的外围的介孔层13。作为优选实施例，导电纤维线11可采用钛线、铂线、不锈钢线等金属线，致密层12的材料为二氧化钛，介孔层13的材料为二氧化钛纳米颗粒。导电纤维线11的直径范围为120微米至250微米，致密层12的厚度范围为10纳米至100纳米，介孔层的厚度范围为50纳米至200纳米。

进一步地，探测段体20包括依次远离同轴电极线10的光电转换层21、空穴传输层22和导电涂层23，光电转换层21包覆于同轴电极线10的外表面，空穴传输层22包覆于光电转换层21的外表面，导电涂层23包覆于空穴传输层22的外表面。作为优选实施例，光电转换层21采用钙钛矿材料，其厚度范围为50纳米至200纳米；空穴传输层采用2,2',7,7'-四溴-9,9'-螺二、三(4-碘苯)胺，其厚度范围为20纳米至100纳米；导电涂层23优选采用金或银等材料制成的金属涂层，其范围为100纳米至300纳米。

如图3所示，本实施例二公开的x射线探测单元的制备方法包括如下步骤：

步骤s10：制备同轴电极线10；

步骤s20：在同轴电极线10的外表面制作形成探测层；

步骤s30：沿径向方向在不同位置上对探测层进行截断，形成至少两个探测段体20。其中，各个探测段体20同轴且间隔排列，同轴电极线10沿轴向方向穿过各个探测段体20以将各个探测段体20串联，探测段体20用于在x射线辐照下产生电信号，并将电信号分别通过探测段体20的内表面传导至同轴电极线10以及通过探测段体20的外表面传导至外界。

具体来说，步骤s10包括在导电纤维线11的外表面上制作形成致密层12；在致密层12的外表面上制作形成介孔层13，导电纤维线11、致密层12和介孔层13构成同轴电极线10。

示例性地，首先制备导电纤维线11，将导电纤维线11依次在丙酮、乙醇和异丙醇中超声处理30分钟后，在空气中干燥。

接着制备致密层12，将清洗干净的导电纤维线11用乙醇(70毫升-100毫升)、异丙醇(30毫升-60毫升)、zncl2(25克-50克)和alcl3(4克-8克)的混合电解质阳极氧化10分钟。将导电纤维线11取出干燥并抛光表面。其中，抛光步骤为，以pt纱网为对电极，在60伏特和25摄氏度的条件下进行20秒的电抛光。

最后制备介孔层12，上述步骤后依次用乙醇和蒸馏水洗涤，将上述结构浸泡在稀释的tio2纳米颗粒溶液中，在上述结构表面形成介孔tio2薄膜，移入马弗炉，45摄氏度退火30分钟。冷却至室温后，将所得的钛丝浸入ticl4水溶液中，在烘箱中70-100摄氏度浸泡30分钟。

具体来说，步骤s20中，在同轴电极线10的外表面制作形成探测层的方法包括：在介孔层13外表面制作形成光电转换层21；在光电转换层21的外表面制作形成空穴传输层22；在空穴传输层22制作形成导电涂层23。

首先制备光电转换层21。用蒸馏水洗涤上述同轴电极线10，将上述同轴电极线10放在热板上，在450摄氏度的氛围下加热。以pbi2和合成的mai粉为原料，制备有机-无机杂化钙钛矿溶液。用浸镀法在上述溶液中沉积有机-无机杂化钙钛矿薄膜，浸镀时间为30-60秒。为了制备均匀的钙钛矿，将有机-无机杂化钙钛矿溶液浸泡，直接移入制备好的装有甲苯的瓶子中浸泡。然后将浸泡完的结构放在热板上加热。

接着制备空穴传输层22，用浸泡法制备空穴传输层。有机无机杂化钙钛矿沉积后，首先制备空穴传输层溶液：将2,2',7,7'-四溴-9,9'-螺二、三(4-碘苯)胺、双(三氟甲基磺酰)亚胺、乙腈、4-叔丁基吡啶浸于氯苯中，溶解并混合。然后将上述结构浸泡在空穴传输层溶液中10秒-20秒。

最后制备导电涂层23，用喷金仪在上述结构上喷涂一层金属金或金属银。截断前的光电转换层21、空穴传输层22和导电涂层23构成探测层。

进一步地，在步骤s30中，沿径向方向在不同位置上对所述探测层进行截断，形成至少两个探测段体20的方法包括：沿着径向方向在依次刻蚀导电涂层23、空穴传输层22和导电涂层23，直至暴露出同轴电极线10，形成至少两个探测段体20。

示例性地，用激光将上述探测层均匀地分成三段，该三段互相不接触，每一段的间隔为0.5毫米-2毫米，即形成了三个探测段体20。

如图4所示，本实施例三公开的三维阵列式x射线探测器，包括探测器阵列100和若干集流电极线200。其中，探测器阵列包括若干实施例一中的x射线探测单元或者若干由实施例二所述的制备方法制作得到的x射线探测单元，各个x射线探测单元并排设置，径向方向上相邻的x射线探测单元的探测段体(20)的外表面相互贴合且电导通，形成至少两个探测区块，各个所述探测区块沿着轴向方向上间隔分布，示例性地，探测器阵列100包括第一探测区块101、第二探测区块102和第三探测区块103。所述集流电极线捆绑于所述探测区块的外侧，以将所述探测区块中各个探测段体20产生的电信号导出至外界。集流电极线的数量为三根，分别是捆绑于第一探测区块101外侧的第一集流电极线201、捆绑于第二探测区块102外侧的第二集流电极线202和捆绑于第三探测区块103外侧的第三集流电极线203。

示例性地，探测器阵列包括m排探测单元面，每一排探测单元面包括n根x射线探测单元，径向相邻两根x射线探测单元的探测段体20通过导电环氧树脂胶进行连接，m与n均为大于或等于2的正整数。

进一步地，本实施例四还公开了一种三维阵列式x射线探测器的制备方法，具体包括：

首先制备一排探测单元面：取出第一根制备好的x射线探测单元，在x射线探测单元的探测段体20的外表面涂抹上导电环氧树脂胶，随后再取出第二根制备好的x射线探测单元，趁第一根探测段体20的外表面的导电环氧树脂胶未干的情况下，将第二根射线探测单元的探测段体20紧密粘合在第一根探测段体20的探测段体20上。其粘合方式为，第一根x射线探测单元的探测段体20和第二根x射线探测单元的探测段体20侧面相切。按照上述的方法，将第三根x射线探测单元粘合在第二根x射线探测单元的另一侧。以此类推，直到粘合完n根x射线探测单元。值得注意的是，此时n根x射线探测单元形成了一排探测单元面。

接着制备探测器阵列。取出制备好的第一排探测单元面，在第一排探测单元面的探测段体20的一面涂抹上导电环氧树脂胶，随后取出制备好的第二排探测单元面，趁第一排探测单元面的导电环氧树脂胶未干的情况下，将第二排探测单元面紧密粘合在第一排探测单元面上。其粘合方式为，第一排探测单元面的探测段体20与第二排探测单元面的探测段体20表面相切。按照上述的方法，将第二排探测单元面粘合在第一排探测单元面的另一面。以此类推，直到粘合完m排探测单元面。值得注意的是，此时m排探测单元面形成了一块探测器阵列。

最后设置集流电极线200。示例性地，取出第一集流电极线201，将探测器阵列的第一探测区块101紧密地缠绕一周，并留余部分作为引出的电极。接着骤二，取出第二集流电极线202，将探测器阵列的第二探测区块102紧密的缠绕一周，并留余部分作为引出的电极。取出第三集流电极线203，将探测器阵列的第三探测区块203紧密地缠绕一周，并留余部分作为引出的电极。

本实施例公开的三维阵列式x射线探测器及其制备方法，基于像素化思想，形成了立体式探测器阵列，深度方向上包含了不同吸收厚度的探测段体，基于x射线光子的穿透深度的能量依赖性，从而利用深度方向的空间分辨探测技术获得系统的能量分辨成像能力。在二维平面上，利用不同位置上的探测段体，实现了二维平面上的x射线能量分辨。

上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。