碲锌镉光子计数探测器最佳工作温度程序设计

辛元娟，张保强，程栋锐，李建，郝树财

（陕西迪泰克新材料有限公司，陕西西安，710071）

0 引言

碲锌镉（CdZnTe），是一种可在室温下使用的、具有优良性能的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，其原子序数高、禁带宽度大、电阻率高，非常适合于10KeV～1MeV 射线的探测。由碲锌镉制成的辐射探测器，具有能量分辨率高、探测效率高、空间分辨率高等优点，已广泛应用在辐射探测、工业检测、医疗成像、环保等领域[1]。

碲锌镉探测器的应用主要分两种，能谱识别和光子计数。能谱识别应用于剂量率不高的场景，而光子计数则应用于有较大剂量X、γ 射线的场景。不同于基于闪烁体探测器的能量积分模式，光子计数模式可以通过设定阈值把信号幅度超过阈值的光子脉冲提取出来，以消除漏电流导致的噪声，实现真正的“零噪声”。光子计数模式一般可设置2 个以上的能量区间，通过调整能量区间的分布，可提高感兴趣能区的占比、减小能区混叠，从而获得高质量的图像，提高后续算法物质识别精度。

目前，碲锌镉光子计数探测器正逐步应用于医疗CT、乳腺X 摄影、骨密度检查等方向，在医疗成像领域掀起了一场技术升级。但在研究以及应用过程中，人们发现碲锌镉探测器的性能与其工作温度有相关性。2019 年李颖锐等研究了温度与计数性能的关系，初步确定升温能够增大空穴去俘获概率，优化碲锌镉光子计数探测器的计数性能[2]。然而，对于其最佳工作温度以及成像结果的相关性的研究还很少，有必要针对此问题做进一步研究。

文章采用陕西迪泰克新材料有限公司研制的线阵列光子计数探测器，测试了28℃～46℃温度范围内的计数性能，总结了探测器计数率和像素一致性的变化规律，并对不同温度下成像效果做了对比，确定了探测器的最佳工作温度。

1 光子计数探测器与测试系统

本次测试选用陕西迪泰克新材料有限公司生产的线阵列碲锌镉光子计数探测器，每块探测器含16 个像素，像素尺寸0.9mm×2mm，像素间距0.1mm。总共测试20 块。

测试设备为公司生产的多能区X 射线光子计数探测系统，原理框图如图1 所示。

图1 测试设备原理框图

设备使用过程中，当X 射线入射到碲锌镉探测器时，探测器内部会产生电子-空穴对，在外加偏压的作用下，电子和空穴分别向探测器的两极漂移，使探测器两端电极上产生感生电荷。感生电荷被电荷灵敏型前置放大器收集并放大，最终形成电压脉冲，脉冲幅度与入射光子的能量成正比。电压脉冲经主放大器成型、放大后输入阈值比较器。系统可设置多个阈值用来界定各能量区间，当脉冲信号幅度处于预设的阈值范围内时，对应阈值的计数器完成一次计数。最终，所有像素的多能区数据会通过数据采集卡传给上位机，进行后续算法处理以及成像等工作。

测试设备内部如图2 所示。

图2 测试设备内部图

设备由探测器偏压电路、4 块多像素光子计数模块、温度控制电路及一块数字采集卡组成。探测器偏压电路为探测器提供偏压；多像素光子计数模块包含2 个16 像素的线阵列光子计数探测器及一块ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)，电路包含电荷灵敏前置放大器、脉冲成型放大器、多通道比较器以及计数器，可同时输出多能区的计数值；温度控制电路的控温温度由上位机设置，精度0.5℃，同时向上位机实时传输系统内部温度数据；数字采集卡完成采集数据的传输。

2 测试方法

通常情况下，光子计数探测器的性能主要由计数率和像素间一致性体现。

探测器的最大计数率由探测器的计数率以及ASIC 的计数上限共同决定。文章选用ASIC 的计数模型为非瘫痪型[3]，当计数到达ASIC 的计数上限时，其呈饱和趋势，这能够保证整个测量区间内的计数曲线单调。如果计数曲线出现了先增高后降低的情况，可确定是探测器自身存在极化现象，会对后续的算法处理造成不利影响。

探测器像素间一致性指的是同一探测器不同像素间的计数差异，它直接关系到成像效果。当计数差异过大时，由其处理后生成的图像会出现水平条纹，影响物质识别准确性。

文章使用的测试方案如图3 所示。

图3 测试方案图

探测系统放置在铅箱内部，X 光机选用Spellman 公司生产的XRB160PN192，该光机稳定性高，焦点尺寸0.8mm×0.8mm，适用于光子计数探测器的计数性能及成像效果测试。光机管电压设置为80KV，管电流设置为0.1mA～0.65mA（以0.05mA 步长递增），测试温度设置为28℃～46℃（以2℃步长递增）。

文章共测试了20 个光子计数探测器，记录了各探测器不同温度条件下的计数曲线。以下就测试结果进行分析。

3 结果分析

3.1 计数特性

将编号为16L222043F 的4 像素测试结果整理，如图4所示。

图4 16L222043F pixel 4 曲线

工作温度28℃时，计数率在管电流达到0.5mA 时出现了下降趋势；28℃～32℃情况下，计数率降低趋势缓解，当工作温度达到34℃时，计数率不再降低，曲线呈现单调上升趋势。

图5 中，X 轴为测试温度，Y 轴计算公式如下所示：

式中，N0.65指0.65mA 管电流下探测器所有像素的计数均值；MAX 指管电流在0.1mA～0.65mA 范围内探测器各像素计数均值的最大值；y 值代表0.65mA 管电流下探测器的计数值与MAX 的差异，y 小于0 时，意味着计数曲线有下降趋势，y 值越小，下降趋势越严重。

从图中可以看到在28℃～34℃升温过程中，y 值迅速缩小，从最高-10%缩小到最高-2%。这代表着计数率的下降趋势迅速缓解。超过34℃后，仍有个别探测器计数差异存在缩小趋势。而绝大多数的探测器，环境温度达到34℃后，计数率不再降低。

3.2 计数一致性

图6 是探测器16L222043F 在不同温度的计数曲线，能够明显看出随着温度的升高，不同像素之间的一致性逐步提高，尤其在28℃～34℃区间内，变化更为明显。

图6 16L222043F 在不同温度下的计数曲线

对所有探测器在不同温度下的CV（Coefficient of Variation，变异系数）进行统计，结果如图7 所示。

图7 各探测器CV 统计

可以发现，在整个温度区间内，一致性变化相对平稳，文章统计了所有探测器的一致性变化，结果如表1 所示，考虑到测试误差，当CV 变化不超过±0.5%时，认为无变化。

表1 探测器变化统计

20 个探测器中，像素间一致性总体呈优化趋势。

3.3 成像结果对比

对不同温度下成像结果进行对比，结果如图8 所示。

图8 不同温度下成像结果对比

随着温度的升高，图像条纹逐渐消失，显示效果更加清晰。

4 结果与展望

文章对碲锌镉光子计数探测器在不同温度下的计数性能、一致性及成像效果进行了测试与分析。测试结果表明，将光子计数探测器的工作温度控制在35℃～38℃之间，可获得更好的性能表现。碍于测试所用计数电路的限制，对探测器性能测试还有未尽之处，譬如还不能完全排除ASIC 对测试的影响，后期将会搭建更为完备的测试平台，以得到更为准确的数据。