X射线检测技术已经成为现代检测和成像的基础，在医疗诊断、工业检测、安全检查和科学研究等领域发挥着关键作用。自从1895年Wilhelm Conrad Roentgen发现X射线以来，X射线检测技术经历了巨大的发展。近年来，随着材料科学、电子学、制造和人工智能等领域的快速进步，X射线检测领域取得了显著的突破。
X射线检测器的性能主要受到材料特性和电路设计的影响。关键性能参数包括最小可检测剂量率、信噪比、动态范围和采样速度。
材料科学和电子工程的协同作用推动了高效电子检测方法的发展，例如用于控制半导体材料暗电流的化学界面工程，以及自供电光子计数探测器和异质结光电晶体管等新型器件。
此外，随着其他工程技术和人工智能的快速发展，一些令人兴奋的新型X射线检测和成像方法也应运而生，如多光谱X射线成像、可摄入X射线剂量计和相衬X射线成像传感器等。
一、直接X射线检测技术的创新
半导体材料在直接X射线检测中扮演着核心角色。传统半导体材料如硅、CdZnTe和GaAs仍然是研究的重点。
硅因其低成本和成熟的加工工艺而广泛应用，但其对高能X射线的检测效率较低。研究人员正在探索各种方法来提高硅探测器的性能，如使用深度耗尽区结构和背照式设计。
CdZnTe因其高原子序数和宽禁带而备受关注，特别适合室温操作的高能X射线检测。然而，大尺寸高质量CdZnTe晶体的生长和材料均匀性仍然是挑战。
GaAs具有高电子迁移率的优势，但较高的暗电流限制了其应用。研究人员正在开发新的生长技术和器件结构来克服这些限制。
近年来，新兴的二维材料为X射线检测带来了新的可能性。石墨烯因其超高的载流子迁移率而受到广泛关注，但其X射线吸收效率低的问题需要解决。研究人员正在探索各种方法来增强石墨烯的X射线敏感性，如使用高原子序数纳米颗粒修饰或构建多层结构。过渡金属二硫化物(如MoS2)因其直接带隙和高光电响应而成为另一个研究热点。这些材料在柔性和可穿戴X射线检测器方面展现出巨大潜力。
检测器结构的创新也是推动直接X射线检测技术发展的重要方向。异质结构，如石墨烯/硅异质结，结合了不同材料的优势，可以实现高灵敏度和宽光谱响应。垂直结构设计有助于提高电荷收集效率和时间分辨率，特别适用于高能X射线检测。柔性检测器的研究则为曲面和可穿戴应用开辟了新的领域，这在医疗影像和个人剂量监测方面具有重要意义。
此外，纳米技术的引入为直接X射线检测带来了新的机遇。纳米线、量子点等纳米结构可以显著增强X射线的吸收和电荷的收集。这些纳米结构检测器不仅可以提高灵敏度，还可以实现能量分辨探测，为多能谱成像技术的发展奠定基础。
图1 直接X射线检测中的电模型和信号转导策略
a-c. 典型间接X射线检测策略的布局：传统电容器模式的简化横截面图(a)，X射线光电导体的简化横截视图(b)和具有集成空穴传输层(HTL)和电子传输层(ETL)的直接探测器(c)。d. 光电晶体管的简化等效电路。e-f. 说明X射线响应半导体内电子-空穴运动的模型：通过电流测量产生电子-空穴对和剂量检测(e)，通过HTL和ETL收集空穴和载流子，导致半导体两侧的电荷积累(f)。g. 最先进和最近开发的探测器的X射线探测灵敏度总结。h. 电荷捕获对分辨率的影响，取决于捕获的电荷载流子的类型及其朝向顶部或底部电极的方向。i2表示中心像素，而i1和i3表示相邻的左像素和右像素。对进入这些像素的瞬态电流进行积分，以确定相邻像素中收集的电荷。i. 图示像素化X射线探测器阵列操作的数字信号链图。
二、间接X射线检测技术的进展
闪烁体材料是间接X射线检测的核心，其性能直接影响检测器的整体表现。传统闪烁体材料如CsI:Tl和NaI:Tl仍然广泛应用，但研究人员正在不断优化这些材料的性能。例如，通过精确控制掺杂浓度和改进生长工艺，可以显著提高CsI:Tl的光输出和空间分辨率。同时，新型闪烁体如Lu2SiO5:Ce(LSO)因其高密度和高有效原子序数而受到关注，特别适用于高能X射线和γ射线检测。
近年来，新型闪烁体材料的开发成为研究热点。钙钛矿材料，如CsPbBr3，因其高光输出和快速衰减时间而备受关注。这类材料不仅可以实现高灵敏度探测，还能满足高计数率应用的需求。纳米结构闪烁体，如量子点闪烁体，提供了调节发射波长的可能性，这对于优化与光电转换器件的匹配至关重要。复合闪烁体，如CsI:Tl/Lu2SiO5:Ce双层结构，通过结合不同材料的优势，可以同时实现高光输出和优良的时间特性。
光电转换器件的创新也是推动间接X射线检测技术发展的关键。传统的光电倍增管正逐渐被新型器件取代。硅光电倍增管(SiPM)因其高增益、快速响应和在高磁场环境下的工作能力而成为热门选择，特别适用于PET-MRI等复合成像系统。有机光电二极管的研究为大面积、柔性X射线检测器的开发提供了新的可能性。这种器件不仅成本低，还可以通过卷对卷工艺实现大规模生产。光电晶体管则因其高灵敏度和可调节增益的特性，在低剂量X射线检测中展现出独特优势。
此外，闪烁体与光电转换器件的集成技术也在不断进步。例如，通过直接在闪烁体上生长有机光电二极管，可以显著提高光子收集效率，减少光损失。微柱结构闪烁体的应用则可以大幅提高空间分辨率，这在医学影像等领域具有重要意义。
间接X射线检测技术的进展不仅体现在材料和器件层面，还反映在系统集成和信号处理方面。例如，时间相关单光子计数技术的引入使得检测器能够同时获得能量和时间信息，为4D X射线成像技术的发展奠定了基础。
图2 间接X射线检测：材料、工程技术和电气工程
a. X射线发射闪烁体中从紫外到近红外(NIR)的发射波长调谐。b. 代表性闪烁体的晶体结构和历史时间线，包括传统和新报道的无机和有机闪烁体。c–e. 将闪烁体层与光学传感器耦合的各种方法，包括直接耦合(c)、光学透镜耦合(d)和光纤耦合(e)。直接耦合将成本效益的粘合剂粘合与直接沉积相结合，以提高分辨率。光学透镜耦合主要由闪烁体层、光学透镜和成像传感器组成，从而显著提高了空间分辨率。光纤耦合方法具有散射最小和成像分辨率高等优点。f-g. 两种常见的检测电路：光子计数(f)和光电积分(g)。光子计数由许多并行的微单元组成，每个微单元包括一个单光子雪崩二极管(SPAD)及其相关的前端电路。这些二极管在盖革模式下工作，产生的输出脉冲的幅度与检测到的光子数量直接相关。相比之下，光电集成依赖于PN结光电二极管(PD)。当这些二极管反向偏置时，电流随光强度线性增加。
三、电气工程在X射线检测中的关键作用
电路设计和信号处理在提高X射线检测器性能方面发挥着至关重要的作用。读出电路设计是一个核心领域，其中电荷敏感前置放大器、电流积分器和跨阻放大器是三种主要的前端电路拓扑。
电荷敏感前置放大器以其低噪声和宽动态范围的特性，成为许多高性能X射线检测器的首选。研究人员正在探索各种新技术来进一步提高其性能，如使用深亚阈值CMOS技术来降低功耗，或采用自适应偏置技术来扩展动态范围。
电流积分器在高计数率应用中表现出色，特别适用于同步辐射源等高强度X射线环境。最新的研究焦点包括开发快速复位机制和非线性校正技术，以提高在极端高计数率下的性能。
跨阻放大器因其高带宽和快速响应特性，在需要高时间分辨率的应用中得到广泛使用。研究人员正在开发新的反馈网络设计，以在保持高带宽的同时降低噪声水平。
创新的读出电路设计不断涌现，如开关电容电路和自触发读出电路。开关电容技术可以有效减少1/f噪声，提高低频性能，这对于长时间X射线曝光特别有利。自触发读出电路能够实现事件驱动的数据采集，大大降低数据量和功耗，特别适用于便携式和可穿戴X射线检测器。
数字信号处理技术在X射线检测中的应用日益重要。高速、高分辨率的模数转换器(ADC)是连接模拟前端和数字处理单元的关键桥梁。最新的ADC设计趋势包括使用时间交错结构来提高采样率，以及采用动态元件匹配技术来提高线性度。数字滤波技术，如维纳滤波和小波变换，被广泛用于优化信噪比。研究人员正在探索自适应滤波算法，以更好地应对不同的信号和噪声特征。
脉冲堆积处理是高计数率X射线检测中的一个关键挑战。传统的数字脉冲整形技术正在被更先进的算法取代，如基于模板匹配的解卷积方法和机器学习辅助的脉冲识别技术。这些新方法能够在高计数率下显著提高能量分辨率和计数效率。
机器学习算法在X射线检测信号处理中的应用正在快速扩展。深度学习模型被用于能谱重建，可以从不完整或噪声较大的数据中恢复高质量能谱。在图像处理方面，卷积神经网络被用于去噪、伪影校正和图像增强，显著提高了X射线成像的质量。
系统集成是电气工程在X射线检测中的另一个重要方面。多通道ASIC(专用集成电路)的设计使得大规模探测器阵列成为可能。最新的ASIC设计趋势包括使用3D集成技术来增加功能密度，以及采用自适应偏置和动态功耗管理来优化性能和功耗。
FPGA(现场可编程门阵列)因其灵活性和实时处理能力，在X射线检测系统中得到广泛应用。研究人员正在开发高级FPGA固件，实现复杂的实时数据处理算法，如在线能谱分析和动态范围压缩。
分布式数据采集系统的发展使得大型X射线检测器阵列的实现成为可能。这种系统通过将数据处理任务分散到多个节点，可以显著提高数据吞吐量和系统可扩展性。最新的研究焦点包括开发高效的数据传输协议和负载均衡算法，以优化系统性能和可靠性。
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