探测器的寿命与辐照损伤

哈喽！哈喽！大家好，正式给大家做个自我介绍，我叫小V，来自成都善思微科技有限公司。以后将由我——英俊潇洒、风流倜傥、玉树临风、年少多金、神勇威武、天下无敌……咳咳，小V童鞋给大家带来一些“能量”补充点心。让我们走进今天的第一课——探测器的寿命与辐照损伤！

    背景 BACKGROUND

近年来，对X射线与电子学器件相互作用的研究中，人们得出结论：X射线会对电子设备造成损伤。理想中的X射线探测应该是有高灵敏度，能捕捉到每一个入射的X射线光子，同时不产生任何附加噪声，且试用过程中性能不存在任何衰减的。然而，但现实中不可能存在这种理想的探测器。

目前的图像传感器可以尽可能做到上述高灵敏度、低噪声两点，通过采取一定的辐照防护措施来尽量实现性能不衰减。这里不得不提到种子选手——CMOS图像传感器，它具有很高的灵敏度，且对信号引入的附加电子噪声很小。CMOS图像传感器号称辐照耐受程度可达100 krad (10 kGy)。然而，1Gy = 1 J·kg-1，这就意味着，每1g的芯片也就承受大约1焦耳的能量就会失效。不过值得庆幸的一点是，在实际应用场景中，X射线强度有限，辐照剂量的累积是一个非常缓慢的过程。

 

Gy（戈瑞）、rad（拉德）、和下文出现的R（伦琴），都是表征辐射强度（剂量）的单位，换算关系为：1Gy=100rad, 1Gy = 114R. 

X射线对芯片的辐照损伤机制

简单地扔出一个结论——集成电路吸收1焦耳量级的电离辐射能量后会失效。实际上辐射损伤是一个渐变的过程，在电子器件失效前，其内部就已经积累了许多变化。对于能量在1 MeV以下的X光子，其与物质相互作用主要是对核外电子的激发（光电效应）和散射（康普顿效应）。与物质中电子的相互作用不会对材料的晶格结构和晶体的原子有序程度造成影响，仅会产生大量自由电子和带正电的离子或空穴。

咳咳，换句话说，如果被辐照的材料是导体，产生的正负电荷会迅速复合，使得材料内快速恢复电中性。若吸收X射线能量的材料是绝缘体，当电子被激发或散射开后，正负电荷无法快速复合，就会在材料内留下永久的正电荷聚集区。

集成电路恰恰是依靠绝缘介质来对导体、半导体材料进行分隔，以此来形成器件内部的电场的。CCD和CMOS器件均采用二氧化硅(SiO2)绝缘介质将电极与下方的硅衬底分隔开。如果X射线与SiO2绝缘层发生相互作用，导致其内部累积正电荷，会导致器件的电荷迁移特性发生改变，晶体管的阈值电压缓慢地发生漂移，直到器件始终导通或完全关断。数字集成电路或经过特定设计的模拟电路是可以容忍一定程度的阈值电压漂移，并保持正常工作的。但是当晶体管因电荷积累而失去通断能力后，器件最终会彻底失效。

在CMOS图像传感器中，辐照带来的最显著的影响即暗电流变化。

在传感器中的晶体管发生功能失效前，来自光电二极管的暗电流就已经逐渐增加了，这就是绝缘介质中电荷逐渐累积的表现。CMOS传感器的X射线探测器，其起始暗电流很低(25 pA/cm2量级)，即便辐照环境下使用相当一段时间，暗电流的增加也不会对成像品质产生显著影响。暗电流随着辐照剂量累积而增加的机制就是上述的氧化绝缘层中正电荷的积累。耗尽区与光电二极管接触的边界处的电荷分布对CMOS器件内部电场的扰动很明显。积累的正电荷增加了二极管PN结的漏电流，直到二极管漏电速度超过电荷读出的速度时，器件彻底失效。

探测器寿命时长

辐射成像探测器的总寿命时长主要取决于其使用环境

例如：

探测器在应用受到的辐射是什么样的能谱？

其剂量率是多少？

X光子最大能量是多少？

射线源是否有附加滤过？

X射线曝光是连续进行的，还是按照逐次拍摄脉冲进行的？

探测器在典型的一天、一周或一个月内处于曝光使用的时间有多少？

探测器前放置什么类型的被拍摄物体——探测器是否经常接收无遮挡的X射线，或者是它主要用来对屏蔽掉了大部分辐射的厚金属板进行成像？

探测器是否在设计上就进行了辐射加固，还是本身性能就会在辐照下快速衰减？

最后，探测器“失效”的标准是什么？

所有这些问题都会影响探测器在特定环境下的寿命时长。

当然，上述这些不同的使用条件很多可以通过统计探测器吸收的总剂量来概括。但不同的照射能谱会有区别。如在管电压50kVp下使用的探测器在接收到一定剂量后会与150 kVp下相同辐照剂量有不同的结果。此外，测量或计算晶体硅中吸收的实际能量是很困难的。在实际操作中往往是测量空气，或者说是探测器入射表面处的曝光量，以此来评估剂量率。只要射线能谱不发生明显变化，这种测量方式是可以适应不同的应用情况的。

大家可能注意到了，不管任何类型的探测器厂家，在给出探测器寿命的时候，使用的单位都是kGy，而不是10年。我们需要先了解客户的使用场景，然后据此评估出一个时间。所以当客户直接问我们，探测器能用多少年的时候，我们只能说，这得看情况，我们需要更多的信息。

直接给出探测器使用年限，小V表示

测试条件

为了确定探测器性能随辐射剂量增加而退化的程度，国外厂商在不同条件下对其两台不同配置的探测器进行了测试，分别是标准版和经过辐射防护加固的版本。表1为不同试验条件。对标准版探测器在25、45、100和160 kVp射线能谱下进行了测试。辐射加固版本(EV 版本)在25 kVp下基本无性能衰减，因此仅在45、100和160 kVp电压下进行了测试。

表格 1 测试条件

峰值能量	25 kV	45 kV	100 kV	160 kV
靶材料	钨	钨	钨	钨
滤过	0.5 mm铝	0.5 mm铝	无滤过	无滤过
管电流	1.5 mA	1 mA	100 μA	100 μA
SID	100 mm	100 mm	65 mm	65 mm
剂量率	100 R/min	240 R/min	106 R/min	230 R/min

测试标准

制约探测器寿命的主要辐射效应是其暗电流随累积曝光量而增加。在室温条件下，暗电流使得探测器达到饱和前，所有被测试的探测器都没有以任何其他方式失效。当然，饱和点可以通过冷却传感器或者减少积分时间来推迟。    

选取的测试标准为500 ms积分时间的探测器暗场信号(以ADU计)和探测器暗电流(以电子/秒计)。后者可由不同积分时间拍摄的两幅图像的暗场信号之差计算得到；例如500 ms和1500 ms两个积分时间下的暗场图像做差，再除以积分时间的差。还测量了部分探测器的平均增益(固定曝光条件下的信号水平)、信噪比(在同样固定的曝光水平下)和空间分辨率(线对卡,刃边法测量的MTF)。

测试结果

测试结果汇总在图1~3所示的图表中。由于暗场信号和暗电流是强温度依赖的(大约每升高8℃，暗电流增加一倍)，因此将数据归一化到探测器平均温度为25℃。由于这些参数随X射线能量的变化不大，因此显示了平场信号和信噪比的典型响应曲线。MTF在能量和总剂量下均保持恒定。

图 1 标准CMOS探测器（左）和辐照加强版（右）的暗场信号

（请注意横轴单位的不同）

图 2 标准CMOS探测器（左）和辐照加强版（右）的暗电流

（请注意横轴单位的不同）

正如预期的那样，与标准版CMOS探测器相比，经过抗辐射加固的CMOS 辐照加强版探测器表现出至少一个数量级的抗辐射性能提升。根据X射线能量的不同，标准CMOS的暗电流在总曝光剂量约10 kR后开始挤占了总动态范围的很大一部分。另一方面，CMOS 辐照加强版在100 kV以下的X射线能量下可以坚持几百kR，即使在160 kV下也达到了约50 kR的使用寿命。值得注意的是，这些测试的曝光剂量是在探测器的入口测量的。在典型的射线照相装置中，探测器接收的剂量通常比成像物体少得多。

图 3 标准CMOS探测器（左）和辐照加强版（右）的平场信号与信噪比

（请注意横轴单位的不同）

典型的平场信号（灰度值）变化曲线本质上是传感器寿命期间探测器输出变化的度量。在标准CMOS探测器中，随着总曝光剂量的增加，信号输出略有增加，这是由于暗电流的增加使得暗场本底（偏置）有所增加。当然，通过暗场（偏置）校正，可以抵消掉这部分变化，使得信号保持正确的X光衰减图像信息。在辐照加强版版本中，其寿命期内的输出下降较小，大部分变化发生在前20~40 kR的曝光剂量内。与标准CMOS传感器的输出变化相比，这些变化相对较小，并且不会导致探测器的性能下降。

信噪比图如预期的那样紧随平场信号曲线。需要注意的是，即使CMOS 辐照加强版的灵敏度(ADU/mR)通常比标准版CMOS探测器低20%-40%，而其信噪比明显更高（这是影响图像效果的更主要因素）。其原因是硅传感器中直接吸收的X射线减少。沉积能量在硅中而不是闪烁体中的这部分X射线会产生大的电荷，反映在图像上是图像中的白色孤立亮点，这会增加图像中的噪声，尽管它们也会对信号产生贡献。因此，对标准版CMOS探测器，给定曝光剂量的整体信噪比较低。

值得一提的是，如果有条件的话，将探测器冷却到0℃可以将探测器的使用寿命延长一个数量级。与之对应的是，在高温下工作，会导致其更早饱和。

图4显示了随着探测器温度和积分时间变化，CMOS 辐照加强版探测器中的暗信号如何变化。

图 4 CMOS 辐照加强版探测器在不同温度与积分时间下的信号

图5展示了标准版CMOS和CMOS 辐照加强版的MTF典型值随总曝光剂量变化曲线。两者MTF的测量均采用“倾斜刃边”法。无论是在X射线能量还是在总剂量方面，分辨率都没有显著变化。与标准版的CMOS探测器相比，辐照加强版通常具有稍稍偏低的MTF，其分辨率在图像的不同部分之间可能会有更大的差异（实验因素，如用于测量的边缘或狭缝的质量和厚度,以及射线源的焦点尺寸和散射的存在等都容易导致测量结果产生±5%以上的变化）。

图 5同样的闪烁体的两种探测器的MTF对比

综上，两种类型的探测器的对应性能差别如下表所示。

表2  标准版探测器和辐照加强版探测器的区别

	寿命	信噪比	空间分辨率MTF	成本	使用场景
标准版	中等	中等	中等	低	通常医疗场景
辐照加强版	提高一个数量级以上	更好	几乎一致	成本上升	通常工业、安检场景

结论

在高能辐射环境下，任何电子设备都做不到永不失效。但是通过适当的预防措施，CMOS X射线探测器可以在大多数应用环境中运行多年而性能没有明显下降。标准版CMOS探测器和辐照加强版探测器在其预设的应用环境中都表现良好。在确定选择哪种探测器时，首先必须仔细确定预期应用的射线能量和剂量要求。

提高探测器时间寿命的方法tips：

1. 使用辐照加强版

2. 优化系统布局，减少无用的照射

3. 使用高的帧速率（较短的积分时间）

4. 使用较低的增益档位

5. 探测器置于低温环境中

值得注意的是，每一个X射线成像应用都是独特的，在一种情况下起作用的东西在另一种情况下可能不合适。有的时候一个小小参数的设置，可能会使得探测器使用时间寿命增加10倍。所以如有需要，尽管向我司咨询。

注：本文使用数据来源于Teledyne Dalsa的研究。未来敬请期待我司自己的测量数据。

审核编辑：汤梓红