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/00 前言/
前面介绍的主要是可见、紫外、红外波段的光电探测器。从能量角度来说，由于紫外到近红外，入射光子能量(0.1eV~10 eV)和材料带隙基本是一个水平，所以探测原理基本以直接探测为主。而对于X射线和高能电子，其能量在KeV及其以上量级，此时光的粒子性更强，而波动性减弱。从光学设计上讲，难以通过类似可见波段的光学设计，实现透镜聚焦；从探测器件上讲，光电作用过程更加复杂，且需要考虑高能辐照损伤问题。
/01 X射线探测原理/
自伦琴于1895年发现X射线以来, X射线就以其较高的能量、较强的穿透力等一系列特性得到广泛应用。基于X射线影像和检测设备是一种利用X射线的穿透特性，并基于X射线与物质的相互作用，将人体组织或工件内部的结构信息、缺陷信息、物质信息等转化为图像的技术。它广泛应用于医疗健康、工业无损探测等领域，在疾病诊断、缺陷检测等方面发挥着重要作用。近年来，随着科技的进步，X射线影像设备不断发展，朝着更高空间分辨率、更低X射线剂量、更低成本的方向发展。基于X射线的成像、探测等设备主要基于X射线的穿透作用、差别吸收、感光作用和荧光作用来实现特定功能。此外由于X射线的高能特性，其与物质相互作用时会产生各种离化作用，从而带来辐照损伤等问题，因此低剂量是X射线探测和成像的一大目标，而辐照防护是X射线相关应用中必须考虑的一大问题。
由于X射线的波动性弱，其基于光学的聚焦、调制等较为困难，因此成像系统相比可见红外光而言更加简单，乃至整个系统没有中间的光学部件，只有一个X射线源和探测器。这时X射线探测器成了X射线成像系统中最为重要的一环，对成像的好坏起决定性作用。
根据X射线探测器的工作原理，X射线探测器可以分为直接探测和间接探测器。
- 直接探测器:直接探测器利用X射线与材料的相互作用直接产生电信号。
- 间接探测器:间接探测器利用X射线与材料的相互作用产生光信号，再将光信号转换为电信号，比如闪烁体探测器。
X射线探测器目前正向着更高灵敏度，更大阵列，更高空间分辨率等方向发展。直接X射线探测器具有空间分辨率更高、响应速度更快、响应度更强等优势，目前得到广泛的研究。间接探测器虽然和直接探测器相比，没有性能上的优势，但是其具备成本低，可大面积，易柔性设计等优势，在医疗、工业等领域具有广泛应用。
从微观物理过程上说，X射线的探测主要还是基于光和物质的相互作用，不过有别于紫外可见波段，紫外可见波段主要基于内光电效应为主，通过光生载流子和后续的载流子分离实现光电信号的转换。X射线波段由于其入射光子的高能量特性和强的粒子性，使得其与物质作用后会产生一系列复杂的效应，其中对光电信号转换有贡献的主要包括：内光电效应、外光电效应、康普顿散射、瑞利散射、电子对效应等。
X射线与物质相互作用后的系列效应中对光电信号产生有贡献的包括：
(i) 瑞利散射（弹性散射）：X 射线光子与整个原子碰撞，导致可以忽略的能量和动量转移，因此不参与放射增敏效应。
(ii) 光电效应：当 X 射线能量低于几百 keV 时，光电效应占主导地位。在这个过程中，X射线的直接吸收会导致外光电效应产生电子。随后，空穴被来自更高轨道的一个电子填补，释放出 X 射线荧光。如果 X 射线荧光光子被另一个束缚电子吸收而不是从原子发射，则会产生一个俄歇电子。外光电发射的电子在材料中会产生电子-电子相互作用，从而产生倍增效应。
(iii) 康普顿散射（非弹性相互作用）：X 射线光子被外层壳电子散射，光子的一部分能量转移到反冲电子上，当入射光子能量在几百 keV 到几 MeV 范围内时最为突出。
(iv)电子对效应: X射线光子在原子核附近转化为电子和正电子，称为对偶产生。
X射线与物质的相互作用和光电效应这一部分相当复杂，涉及一系列的粒子-电子，电子-电子，光子-电子作用过程，本质上是连锁的光子-电子-声子多体作用过程，由于高能量的属性还会伴随一系列的激发、倍增、离化过程。
/ 02 X射线探测器件/
X射线探测器按照不同的方式可以进行不同的分类，比如按照原理分可以分为直接型和间接型，按照阵列构型分为单片集成和混合集成。直接X射线探测器根据所用的探测材料，还可以进一步分为非晶硒、硅基、钙钛矿基等。按照像素设计，X射线可以分为PN结型，SDD型，光电导型。
从器件规模上说，X射线探测器可以分为单点探测器和成像阵列。单点X射线探测器 经常用于需要快速检测的应用，例如安全检查。X 射线成像阵列 经常用于需要高分辨率图像的应用，例如医学成像。
从探测原理上说，闪烁体X射线探测器的工作原理是将X射线的光子能量转换为可见光信号，再利用光电探测器将可见光信号转换成电信号。闪烁体材料是闪烁体X射线探测器中的关键部件，其性能直接影响着探测器的灵敏度、空间分辨率、响应时间和能量分辨能力。
闪烁体是一类吸收高能粒子或射线后能够发光的功能材料，可以分为有机闪烁体和无机闪烁体。有机闪烁体的密度和有效原子序数小、光产额低 、能 量 分 辨 率 和 X 射 线 吸 收 效 率 等 特 性 通 常 较差。无机闪烁体按形态可以分为单晶闪烁体、粉末闪烁体、陶瓷闪烁体和玻璃闪烁体。一般在间接型X射线探测器中使用的闪烁体通常需要具备高密度、较大的有效原子序数、发光主波长与图像传感器的响应匹配良好、快衰减、高光产额、耐辐射及稳定的物化性质等特性[2]。因此一般间接型X射线探测器为无机闪烁体。
近年来，随着材料科学技术的发展，人们开始研究新型闪烁体材料，例如钙钛矿闪烁体、纳米闪烁体等。新型闪烁体X射线探测器的发展主要向着更高光产率，更短decaytime、更好能量分辨率和更高空间分辨率方向发展。
三星公司推出一种directly deposited CsI scintillators技术用于平板式 X 射线探测器，直接沉积 CsI 闪烁体可以减少光学散射，从而提高空间分辨率。此外直接沉积工艺也有望提高集成度，简化系统，降低成本。
虽然闪烁体探测器近年来获得了诸多进展，但是转换层内闪烁光的横向扩散问题、像素光串扰问题、空间分辨率问题, 闪烁体寿命问题、仍然是限制间接型 X 射线探测器的性能等的关键因素。而直接型探测器由于去掉了闪烁体层，直接用感光像素层接受X射线信号，因此有望实现高灵敏度和高分辨率 X 射线探测。
直接型 X 射线探测器是基于半导体器件的探测器。直接通过半导体材料实现X射线信号-电信号的转换过程。与基于闪烁体的间接探测相比，半导体可以直接将 X 射线光子转换为电荷载流子，具有更高的信号线性度、更低噪声、更小光学串扰、更高空间分辨率、更高光能利用率、更快响应速度等优势，从原理上就能实现更高性能的Xray探测。直接X射线探测器包括掺杂锂(Si(Li)或Ge(Li))半导体探测器 、硅漂移探测器(SDD)、硅基PIN结探测器、非晶硒探测器等，目前也有宽禁带半导体X射线探测器、钙钛矿X射线探测器等直接型X射线探测器在研究。直接型X射线探测器虽然有望获得高性能，但是其辐照损伤问题确实在器件设计时需要着重考虑的问题，这一块儿在后面将会展开讨论。
/ 03 X射线探测阵列/
X射线的成像需要用到阵列型探测器。X射线成像经历了摄影胶片阶段，气体电离式阶段、到现在的数字探测器阶段（又分为闪烁体探测器，半导体探测器）。早期的X射线探测阵列主要采用荧光屏幕或放射底片进行成像，但这些方法存在灵敏度不高、分辨率低以及辐射剂量大的问题。后来出现了气体电离室探测方式，20世纪初，闪烁平板探测器的出现标志着X射线探测技术的进入数字探测阵列时代。闪烁探测器利用闪烁晶体或闪烁液体来测量X射线的能量和位置，提高了探测器的灵敏度和分辨率。后来直接探测性体半导体探测器的出现使得X射线探测器具有更高的能量分辨率和空间分辨率，在医学影像、工业检测等领域得到广泛应用。
数字式X射线探测器可以按照原理分为间接型和直接型，按照形态分为TFT平板探测器、CCD探测器、CMOS探测器。按照感光像素和读出电路的集成方式又可以分为单片集成和混合集成方式。1990年，美国施乐公司首次提出PIN结构的非晶硅(a-Si)光电二极管阵列结合二维非晶硅TFT(薄膜晶体管)阵列探测器实现方式开启了间接型X射线平板探测器的研究历程。随后出现了各种基于TFT,CMOS,CCD的直接型和间接型数字探测阵列。
下图展示了CCD型和TFT型X射线探测器。a中是基于电荷耦合器件的光学透镜耦合间接转换数字化射线成像系统示意图。入射 X 射线被闪烁体转换成紫外-可见光，然后通过光学透镜聚焦并导向电荷耦合器件阵列，最终转换为电信号。b图是基于平板探测器内部结构示意图，根据X射线能量转换方式可分为间接型平板探测器（左）和直接型平板探测器（右）。对于间接型，其与a类似，穿过闪烁体（紫色）的 X 射线被转换成紫外-可见光，然后由像素化的非晶硅光电二极管进一步转换成电荷，最终借助TFT读出电路读出；而直接转换探测器中，X 射线光子直接转换成电荷，再由TFT读出电路读出。
根据上面的图，可以看出从读出电路上区分，X射线探测器可以分为TFT平板式、CCD式、CMOS式。TFT平板式X射线探测器多为大的阵列面，像素大（近百微米量级），靶面大（几十cm量级）因此可以借鉴显示领域的TFT工艺实现LAE（large area electronics）级别的读出电路，实现低成本。CCD式和CMOS式适用于对读出速度要求更高，靶面小，性能要求更高的工业检测、半导体检测等领域。
TFT读出电路在显示领域的发展是比较成熟的。无论是LCD还是现在比较多的OLED都用到TFT作为显示像素的驱动电路，TFT尤其适合这类非硅基的LAE领域电子器件的读出电路，可以在保证性能前提下实现低成本、轻量化设计。值得一提的是TFT面板工艺是低温工艺（一般小于400℃），因此在其上制备像素只能是低温工艺兼容的，比如非晶硅、非晶硒等。
显示领域目前TFT的主流基础包括早期的非晶硅，近年推出的IGZO，以及LTPS，LTPO等技术，从性能上说，LTPS和IGZO相比非晶硅具有更好的速度性能。
TFT常用材料体系
目前显示领域TFT技术正在不断发展，出现更多具有更有性能的TFT技术，而TFT平板X射线探测器也可以借鉴显示领域的技术进步，推出更高性能、更低成本、柔性、轻量化的TFT平板探测器设计。
从读出电路上区分，X射线探测器有单光子计数工作模式、电流积分工作模式、及其混合读出模式。单光子计数型像素探测器主要基于过阈值判断和数字积分原理。每个光子产生的电荷信号在像素单元电路中被低噪声放大, 并与对应能量阈值的电平信号进行比较. 当信号超过阈值电平时, 电路数字逻辑执行计数累加功能. 该方法的主要优点是：具有前端数字化带来的噪声抑制功能，此外计数方式可以实现更高动态范围、更高刷新率。电流积分读出则类似目前的CIS读出电路，通过电容积分并转换为电压信号，由ADC转化为数字信号读出。
/04 X射线探测的辐照损伤问题/
X射线是一种波长极短(0.001—10 nm)、能量很强的电磁波。从X射线本身的特点出发，其对探测器的需求相比可见光探测器更加苛刻，尤其是对其抗辐照特性。
图片其中辐照损伤问题是可见光中不用考虑，但是在高能粒子探测器中老生常谈的问题。辐照损伤主要包括三大效应：TID效应，单粒子效应，位移损伤效应。辐照损伤在高能粒子（包括光子、电子、质子等）与材料相互作用时产生，对传感器而言，辐照损伤会导致界面、晶格的损伤，从而导致暗电流增加，器件性能波动，乃至器件失效。
以FET器件为例，辐照会导致栅氧层积累电荷从而导致Vth移动；势垒层产生各种trap或电荷累积导致转移曲线变化从而Vth移动，SS恶化；沟道层产生缺陷，器件迁移率下降，从而影响gm，ft等参数。
/ 05 X射线相关应用/
1. 半导体检测和工业检测
由于X射线的穿透深度比较强，此外X射线检测具有无损、快速、灵敏等优点，因此基于X射线成像在半导体检测和工业检测中有很多应用。在半导体检测中，X射线可以用于失效分析和结构检测，在工艺制造中，可以检测半导体材料和器件的缺陷，例如晶体缺陷、掺杂缺陷、工艺缺陷等；在后道封装中，可用于检测封装缺陷，例如焊点开裂。在工业检测中，X射线可以用于检测各种材料和产品的内部结构和缺陷，例如铸件、焊缝、管道、木材、食品等。X 射线检测可以帮助企业提高产品质量，确保产品安全。
虽然X射线目前主要在半导体应用中用于后道封装工序，但是由于其穿透性强，无损等特性，并且随着半导体芯片由平面向着3D复杂堆叠方向发展，研究人员也在探索其用于前道半导体制造中的可能性。小角X射线散射（SAXS）是一种利用X射线与材料中原子或分子的散射来表征材料微观结构的技术。SAXS 在半导体检测中具有重要的应用价值，主要包括晶体缺陷检测、薄膜表征、颗粒物分析、 应力分析、 相变分析等。CD-SAXS 具有较深的穿透深度，可以对复杂的层叠结构进行无损测量，无需将薄膜横切。CD-SAXS 技术成为少数几种能够测量复杂 3DVLSI 堆叠结构（无需将薄膜横切）的方法之一，但是由于测量时间长，目前还很少在生产线上使用。
2.材料表征
X射线的穿透能力强，不同密度的物体对X射线能量的吸收不同，因此除了直接成像，还常可以用于材料表征和结构分析。从原理上说，X射线和物质的相互作用有别于紫外可见波段，紫外可见波段主要基于内光电效应为主，通过光生载流子和后续的载流子分离实现光电信号的转换。X射线波段由于其入射光子的高能量特性和强的粒子性，使得其与物质作用后会产生一系列复杂的效应，包括吸收（内光电、外光电）、散射（弹性、非弹性）、穿透、二次电子激发等过程，对应不同的过程有不同的X射线表征技术和成像技术。
3. 同步辐射装置
X射线像素探测器是先进光源线站的关键探测器。同步辐射装置对探测器有相当高的性能要求，基于像素探测器所开展的同步辐射实验方法以X射线衍射、小角散射、大分子晶体学等为代表，这些实验都要求探测器具有探测面积大、空间分辨率高、量子效率高、动态范围大、信号事例率高等性能。间接探测的方式有低空间分辨率、响应速度慢、读出噪声大、动态范围小、刷新率低等问题，难以用于同步辐射场景。因此一般是用于同步辐射装置的是高性能的直接X射线探测器，这部分之前一直是卡脖子技术，但是国内目前也取得了很多进展。
4.医用CT
CT即计算机断层扫描，是一种利用X射线对人体进行扫描成像的医学影像技术。CT成像可以提供人体横断面、矢状面和冠状面的高分辨率图像，帮助医生诊断疾病。CT成像的基本原理是利用X射线对人体进行不同角度的扫描，并利用计算机对采集到的数据进行处理，重建人体断层图像。近日，美国医学物理学家协会候任主席、约翰·霍普金斯大学医学院放射学教授兼医学物理学家Mahadevappa Mahesh接受《Radiology Business》采访时，概述了RSNA 2023讨论的医学成像六大发展趋势。其中提到光子计数CT、锥形束CT、CT灌注成像等CT成像技术。
5.诊疗一体化
除了用于CT成像外，X射线在诊疗一体化领域引起了广泛关注。这类纳米系统能够利用 X 射线能量进行诊断和治疗，具有潜在的临床应用价值。通过 X 射线与纳米系统的相互作用机制，实现 X 射线激活纳米系统在肿瘤诊疗、光动力治疗、放射增敏等方面的应用。通过设计特殊的纳米材料系统，使得材料能够吸收 X 射线能量并将其转化为其他形式的能量，例如光、热或化学能。这些能量可以用于诊断或治疗疾病。比如：
- 肿瘤诊疗：X 射线激活纳米系统可以用于肿瘤的诊断和治疗。例如，纳米造影剂可以增强肿瘤的 X 射线成像对比度，帮助医生更准确地诊断肿瘤；纳米药物可以利用 X 射线能量杀死肿瘤细胞。
- 光动力治疗：X 射线可以激活纳米光敏剂，产生单线态氧等活性物质，杀死肿瘤细胞。
- 放射增敏：X 射线激活纳米系统可以增强肿瘤细胞对放射线的敏感性，提高放射治疗的效果。
“X-ray-activated nanosystems for theranostic applications”一文详细综述X射线在诊疗一体化这方面的应用。下图为X射线激活纳米系统的示意图，纳米系统可以将吸收到的 X 射线能量转换为可见光，同时X射线辐照引起放射增敏效应。光电效应和康普顿散射产生的电子可以被靶点的分子捕获，形成具有细胞毒性的自由基，从而实现放射增敏。
/06 X射线新型探测器的相关研究（序）/
X射线探测器一方面向着更高性能发展，比如近年来很多低剂量探测，高速X射线探测的研究，另一方面向着多功能的研究，比如柔性X射线探测器，光场X射线成像等。
除了硅、非晶硒等传统的X射线探测器外，人们还在研究其他材料在X射线直接探测器中的应用，比如钙钛矿X射线探测器有望实现低剂量、低成本、柔性，宽禁带X射线探测器有辐照特性好等优势。
最近，liu xiaogang等人提出了一种X射线光场成像的新方式，利用像素化彩色转换进行X射线到可见光的转换实现光场检测。该方法使用图案化的钙钛矿纳米晶体阵列将X射线转换为不同方向的光，然后使用彩色 CCD 相机检测这些光。通过分析光的颜色和强度，可以重建 X 射线的入射方向和强度，从而获得光场信息，实现X光的三维相衬成像。
柔性X射线探测器也是目前的一大研究热点,大曲面上制造大面积、灵活的X射线探测器可以实现对物体的直接三维成像，由于和成像物体更加贴合，其成像质量也可以得以提高。此外柔性S射线探测器具备更高灵活性、轻便性、更低成本，有望用于小型医疗设备，乃至POCT中。
参考资料：
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（说明1：由于涉及的参考文献和图片比较多，如有遗漏还请谅解）
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