碲鋅鎘光子計數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、具有優良性能的Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體材料，其原子序數高、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、空間分辨率高等優點，已廣泛應用在輻射探測、工業檢測、醫療成像、環保等領域[1]。

碲鋅鎘探測器的應用主要分兩種，能譜識別和光子計數。能譜識別應用于劑量率不高的場景，而光子計數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，實現真正的“零噪聲”。光子計數模式一般可設置2 個以上的能量區間，通過調整能量區間的分布，可提高感興趣能區的占比、減小能區混疊，從而獲得高質量的圖像，提高后續算法物質識別精度。

目前，碲鋅鎘光子計數探測器正逐步應用于醫療CT、乳腺X 攝影、骨密度檢查等方向，在醫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，人們發現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性能的關系，初步確定升溫能夠增大空穴去俘獲概率，優化碲鋅鎘光子計數探測器的計數性能[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探測器，測試了28℃～46℃溫度范圍內的計數性能，總結了探測器計數率和像素一致性的變化規律，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 光子計數探測器與測試系統

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

測試設備為公司生產的多能區X 射線光子計數探測系統，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，探測器內部會產生電子-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。電壓脈沖經主放大器成型、放大后輸入閾值比較器。系統可設置多個閾值用來界定各能量區間，當脈沖信號幅度處于預設的閾值范圍內時，對應閾值的計數器完成一次計數。最終，所有像素的多能區數據會通過數據采集卡傳給上位機，進行后續算法處理以及成像等工作。

測試設備內部如圖2 所示。

圖2 測試設備內部圖

設備由探測器偏壓電路、4 塊多像素光子計數模塊、溫度控制電路及一塊數字采集卡組成。探測器偏壓電路為探測器提供偏壓；多像素光子計數模塊包含2 個16 像素的線陣列光子計數探測器及一塊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器，可同時輸出多能區的計數值；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內部溫度數據；數字采集卡完成采集數據的傳輸。

2 測試方法

通常情況下，光子計數探測器的性能主要由計數率和像素間一致性體現。

探測器的最大計數率由探測器的計數率以及ASIC 的計數上限共同決定。文章選用ASIC 的計數模型為非癱瘓型[3]，當計數到達ASIC 的計數上限時，其呈飽和趨勢，這能夠保證整個測量區間內的計數曲線單調。如果計數曲線出現了先增高后降低的情況，可確定是探測器自身存在極化現象，會對后續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差異，它直接關系到成像效果。當計數差異過大時，由其處理后生成的圖像會出現水平條紋，影響物質識別準確性。

文章使用的測試方案如圖3 所示。

圖3 測試方案圖

探測系統放置在鉛箱內部，X 光機選用Spellman 公司生產的XRB160PN192，該光機穩定性高，焦點尺寸0.8mm×0.8mm，適用于光子計數探測器的計數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 個光子計數探測器，記錄了各探測器不同溫度條件下的計數曲線。以下就測試結果進行分析。

3 結果分析

3.1 計數特性

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

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均值；MAX 指管電流在0.1mA～0.65mA 范圍內探測器各像素計數均值的最大值；y 值代表0.65mA 管電流下探測器的計數值與MAX 的差異，y 小于0 時，意味著計數曲線有下降趨勢，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%。這代表著計數率的下降趨勢迅速緩解。超過34℃后，仍有個別探測器計數差異存在縮小趨勢。而絕大多數的探測器，環境溫度達到34℃后，計數率不再降低。

3.2 計數一致性

圖6 是探測器16L222043F 在不同溫度的計數曲線，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℃區間內，變化更為明顯。

圖6 16L222043F 在不同溫度下的計數曲線

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

圖7 各探測器CV 統計

可以發現，在整個溫度區間內，一致性變化相對平穩，文章統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 探測器變化統計

20 個探測器中，像素間一致性總體呈優化趨勢。

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探測器在不同溫度下的計數性能、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。礙于測試所用計數電路的限制，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據。