注：本文由論文作者（課題組）投稿

人眼具有藍、綠、紅三色視錐細胞。通過三色視錐細胞對 400～780 nm 波段的可見光的協同響應，我們看到了彩色的世界。然而，在更短波長的 X 射線波段（1 pm～10 nm），作為“眼睛”的 X 射線探測器目前普遍采用電荷積分式探測，不具備波長與能量分辨能力，因而在日常生活中常見的 X 光片、CT 檢查等都僅能獲得黑白的灰度成像。

實際上，X 射線的光子能量攜帶了很多信息。射線的衰減情況取決于發射光子的能量和被穿透物體的密度與組成。例如，人體軟組織等低密度有機物質對高能的硬 X 射線幾乎全透射，僅在小于 30 keV 的低能射線下具有較好的成像對比度；而高密度的骨骼對低能射線全吸收，必須使用 80 keV-140 keV 的高能射線才能穿透成像。

為了從高能和低能X射線中獲得更多信息，發展雙能或多能分辨的 X 射線探測是相關領域的一個重要研究方向。這種探測器有利于區分不同密度的物質，增強有機和無機物體之間的成像對比度，以及識別對射線吸收差的軟物質（橡膠、塑料和軟組織等）。此外，該探測器還可以使用數字減影來提取同一位置的不同物質的圖像，例如在胸片中減去骨骼只顯示肺部。

目前實現雙能 X 射線探測的方法包括改變射線源能量與增加探測器層數兩條路徑。前者將物體連續兩次暴露在能量范圍改變的X射線源下，為了減少兩次曝光間的移動（心臟跳動、呼吸運動等），需要快速切換X射線源的電壓，這對設備提出了非常高的技術要求。此外，在多次 X 射線曝光過程中不可避免地增加了輻射劑量。后者由于可以在單次輻照下完成探測，避免兩次輻照的缺點而成為更優的選擇。雙層檢測器的頂層優先探測低能光子，底層探測過濾后的高能光子。但僅有兩層的能量分辨能力無法滿足復雜的成像需求，且普遍使用的間接 X 射線探測（X射線-可見光-電信號）限制了探測靈敏度，需要較高的輻射劑量才能清晰成像。

為此，華中科技大學武漢國家光電研究中心，唐江 教授領銜的光電子器件與三維集成團隊，牛廣達 教授等人采用高靈敏的金屬鹵化鈣鈦礦進行直接式 X 射線探測（X 射線 → 電信號），設計了一種沿 X 射線入射方向排列的垂直陣列電極結構，實現了在單次曝光下具備高能量分辨的多能X射線探測器。

該成果以"Vertical matrix perovskite X-ray detector for effective multi-energy discrimination"為題發表在 Light: Science & Applications。

本文中，研究者利用在垂直陣列內X射線光子衰減深度隨光子能量的變化，構建了 5 個范圍的射線能量與陣列電極響應的轉換關系（圖1），并證明這一參數僅取決于探測器本身的結構與性能，對不同的射線光譜具有普適性。針對光譜矩陣和響應矩陣數據集進行機器學習訓練可得到最優的響應轉換矩陣。

圖1 多能分辨X射線探測工作原理示意圖

研究者采用 MAPbBr? 鈣鈦礦單晶制備該結構的多能探測器，對 30 keV - 70 keV 能量范圍的 X 射線進行了能量分辨驗證。該工作中的鈣鈦礦探測器具有良好的響應線性度，線性擬合系數  R2> 0.99。線性響應是探測器準確分辨未知 X 射線光譜的前提，保證信號分布不受射線強度影響。實驗證明射線響應分布起伏合理，隨著射線源的驅動電壓從 30 kV 提升至 70 kV，射線高能光子增多，3、4、5 號后端電極的響應比例有所增大。

圖2 多能分辨探測器的X射線響應

文中根據如 圖2 所示的測試數據集及模擬光譜矩陣集獲得響應轉換矩陣，并驗證了此矩陣的準確性。該探測器準確地識別了 45 kVp，55 kVp，65 kVp 工作電壓下發射的 X 射線光譜截止能量邊，與模擬光譜的誤差低至 2.77% (55 kVp), 2.97% (65 kVp)，驗證了轉換矩陣的有效性（如圖3a）。

圖3 多能分辨X射線探測器的應用

多能分辨X射線探測器實現物質區分成像的原理如 圖3b 所示。輕密度物質在前端電極成像中具有更高的對比度，重密度物質在后端電極的成像中更清晰，兩組成像進行數字減影可以實現物質分離。文中利用密度與元素相近的人造樣品分別模擬了人體骨骼、肌肉以及脂肪，該人造樣品的三種物質在本研究中的多能探測器下實現了清晰的區分成像（圖3c-f）。

綜上所述，該工作在理論和實驗上驗證了一種可實現多能分辨的垂直陣列鈣鈦礦X射線探測器設計，有望用于具有能譜辨別、物質區分和成像對比度增強的新一代X射線探測，給黑白的X射線相片“繪制顏色”，在疾病診斷等應用中提供更多隱蔽的信息。

| 論文信息 |

Pang, J., Zhao, S., Du, X. et al. Vertical matrix perovskite X-ray detector for effective multi-energy discrimination. Light Sci Appl 11, 105 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00791-y

監制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

閱讀原文