研究背景

X射线平板探测器广泛应用于医学成像和无损检测。探测量子效率（DQE）用于评估其成像性能，依赖于探测器的灵敏度、空间分辨率和均匀性。目前，市场上主要是基于闪烁体（如掺铊CsI）的间接探测器，它们的DQE大多数低于0.7。间接探测器的致命弱点在于强烈的光学串扰以及来自X射线-可见光-电子转换过程的低灵敏度（< 10³ μCGy⁻¹_air⋅cm⁻²）。相比之下，基于半导体的直接探测器能够一步将X射线转换为电子，这使得它们在空间分辨率和灵敏度上具有更高的理论DQE。因此，研究人员投入大量精力研究直接探测器，如基于钙钛矿的探测器，包括a-Se、CdTe和钙钛矿基探测器。

基于钙钛矿的X射线探测器（PeroXD）显示出高X射线灵敏度（>10⁴ μCGy⁻¹_air⋅cm⁻²）和低检测限，这证明它们是下一代X射线探测器的优秀候选者。许多先前的研究集中在优化晶体质量和材料成分，以提高灵敏度和检测限性能。为了进一步应用，钙钛矿应与前端像素电路（如薄膜晶体管（TFT））集成。然而，之前的研究很少对平板探测器的性能进行全局的思考，即分析各个参数对DQE的影响。单纯追求某项性能的极限对DQE值而言是无意义的。此外，关于DQE的理论建模研究很少涉及直接X射线探测器。因此无法指导钙钛矿平板探测器朝着进一步应用的发展。

研究内容及结果

唐江教授团队的该工作专注于建立DQE与钙钛矿探测器相关属性（如灵敏度、暗电流密度和均匀性）之间的定量关系。我们的方法包括将DQE定义方程中的系统级参数（转换增益、图像噪声等）分解为设备级参数（X射线灵敏度、暗电流、电子噪声等）。我们还在电路特性（满井容量、帧率等）的限制下计算了高DQE的探测器级参数的定量值。我们发现，灵敏度达到10³ μCGy⁻¹_air⋅cm⁻²的钙钛矿足以将一般放射摄影的成像剂量降低80%，而实现高DQE（0.7）需要暗电流密度在10到100 nA⋅cm⁻²之间，当前密度波动范围为0.21到1.37 nA⋅cm⁻²，适用于灵敏度从1248到8171 μCGy⁻¹_air⋅cm⁻²的情况。

DQE与钙钛矿探测器相关属性之间的定量关系如下，推导过程详见正文：

图1. (a) Dexela 2923 在RQA5 0.5 μGy下，噪音，灵敏度和DQE之间的定量关系。(b) RQA5射线源下，Dexela 2923单像素噪音和射线剂量的关系。

图2. (a) Dexela 2923的暗电流密度，满阱剂量和探测器灵敏度之间的关系 (b) Dexela 2923电路集成的探测器的灵敏度和暗电流之间的关系。(c) Dexela 2923 满阱条件下，噪音、暗电流密度和DQE的关系。(d) DQE=0.7时，在RQA5 0.5 μGy下，Dexela 2923 上集成的探测器的噪音、灵敏度和暗电流密度的关系。

致谢

该工作得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划，湖北省自然科学基金，深圳基础研究项目，博士后创新人才支持计划等项目的资助，在此一并表示感谢。

论文链接

https://doi.org/10.1007/s12200-024-00136-0