東南大學多維探測與智能識別團隊X射線多能探測成像取得重要進展

　　近日，東南大學多維探測與智能識別團隊自主研發了一款X射線多能探測與成像系統。該系統不同于單光子X射線多能探測，采用高通量X射線，實現了快速的4通道X射線成像。通過引入與不同能量X射線衰減系數比值（σ(Ei)/σ(Ej)）數字剪影算法，實現堆疊擺放目標識別。相關成果以《通過改變工作電壓調節鈣鈦礦探測器中單極性載流子收集實現多能x射線探測和成像》（Multi-energy X-ray detection and imaging enabled by working voltage regulating unipolar carrier collection in perovskite detector）為題發表在《科學進展》（Science Advances）上。

　　圖1（A）單極性n-i-n探測器中多能探測的工作機制；（B）16cm長（320像素點）的多能X射線成像線列樣機及其讀出系統原理圖；（C）多能X射線成像線列樣機與商用安檢機的物質識別結果對比。

　　X射線的探測與成像在醫學診斷、無損檢測、安全檢查、科學研究等方面得到了廣泛的應用。常規X射線影像僅可以提供被檢樣品形貌信息，盡管計算機斷層掃描（CT）可以獲得目標的橫截面或三維成像，但重心仍集中在對比度和形狀特征上。X射線能量分辨影像有望在形貌信息上增加一維物質成分信息，被認為是下一代X射線成像技術。過去二十年中，雙能X射線探測，通過堆疊探測器或快速切換X射線源方式，已實現商業化應用，并在兒童檢測以及血管檢測中體現巨大優勢。但該技術面臨著高輻射計量和多次掃描圖像對齊的挑戰，且能量通道不足以進行復雜材料分析。近些年，單光子計數在能量分辨X射線傳感和成像領域引起了廣泛關注。然而，這些探測器需要低X射線通量才能準確識別單個光子并避免“堆積”效應，延長了成像過程，且對探測器性能要求高，數據采集量大。亟須研發一種高性價比的多能X射線探測成像方式。

　　本研究繞過單光子計數，另辟蹊徑開發簡單高效的多能X射線直接型探測線列成像系統。本研究設計了單極性n-i-n探測器，采用Bi-MAPbBr3(n)/MAPbBr3(i)/Bi-MAPbBr3(n）結構，實現其電子遷移率（e）相對空穴遷移率（h）大兩個數量級。根據光生電子的深度隨X射線能量的變化而變化，通過調節施加工作電壓來改變電場分布，從而精確調節電子漂移長度實現電子的選擇性收集。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，實現光電流到X射線光子能量的逆向推導。最終，開發多能X射線探測成像，實用普通X射線源（非同步輻射源），在20秒內實現4能量通道的多能圖像。該系統配套的不同能量X射線衰減系數比值（σ(Ei)/σ(Ej)）相關的多能數字剪影算法，減輕被測物體厚度變化對投影圖像的影響，實現并排放置或堆疊放置物體的形態和物質識別。

　　東南大學電子科學與工程學院徐曉寶教授、雷威教授、浙江大學楊旸教授為本文的共同通訊作者。東南大學電子科學與工程學院博士生李雨巍為本文的第一作者。該研究受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和江蘇省自然科學基金等項目的資助。

　　論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads2995

　　供稿：電子科學與工程學院