东南大学多维探测与智能识别团队X射线多能探测成像取得重要进展

文章导读

你是否好奇下一代X射线成像如何突破高辐射和慢速瓶颈？东南大学团队在《科学进展》发表颠覆性成果：自主研发多能X射线探测系统，采用高通量直接型探测，20秒内实现4通道快速成像。通过创新电压调节技术选择性收集电子，并引入数字剪影算法，精准识别堆叠物体物质成分，彻底解决传统双能探测的图像对齐难题。这一高性价比方案成本低、效率高，有望革新安检、医学诊断等应用。揭秘这一技术如何重塑未来成像格局！

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（通讯员李雨巍）近日，东南大学多维探测与智能识别团队自主研发了一款X射线多能探测与成像系统。该系统不同于单光子X射线多能探测，采用高通量X射线，实现了快速的4通道X射线成像。通过引入与不同能量X射线衰减系数比值（σ(E_i)/σ(E_j)）数字剪影算法，实现堆叠摆放目标识别。相关成果以《通过改变工作电压调节钙钛矿探测器中单极性载流子收集实现多能x射线探测和成像》（Multi-energy X-ray detection and imaging enabled by working voltage regulating unipolar carrier collection in perovskite detector）为题发表在《科学进展》（Science Advances）上。

图1 （A）单极性n-i-n探测器中多能探测的工作机制；（B）16cm长（320像素点）的多能X射线成像线列样机及其读出系统原理图；（C）多能X射线成像线列样机与商用安检机的物质识别结果对比。

X射线的探测与成像在医学诊断、无损检测、安全检查、科学研究等方面得到了广泛的应用。常规X射线影像仅可以提供被检样品形貌信息，尽管计算机断层扫描（CT）可以获得目标的横截面或三维成像，但重心仍集中在对比度和形状特征上。X射线能量分辨影像有望在形貌信息上增加一维物质成分信息，被认为是下一代X射线成像技术。过去二十年中，双能X射线探测，通过堆叠探测器或快速切换X射线源方式，已实现商业化应用，并在儿童检测以及血管检测中体现巨大优势。但该技术面临着高辐射计量和多次扫描图像对齐的挑战，且能量通道不足以进行复杂材料分析。近些年，单光子计数在能量分辨X射线传感和成像领域引起了广泛关注。然而，这些探测器需要低X射线通量才能准确识别单个光子并避免“堆积”效应，延长了成像过程，且对探测器性能要求高，数据采集量大。亟须研发一种高性价比的多能X射线探测成像方式。

本研究绕过单光子计数，另辟蹊径开发简单高效的多能X射线直接型探测线列成像系统。本研究设计了单极性n-i-n探测器，采用Bi-MAPbBr₃(n)/MAPbBr₃(i)/Bi-MAPbBr₃(n）结构，实现其电子迁移率（𝜇_e）相对空穴迁移率（𝜇_h）大两个数量级。根据光生电子的深度随X射线能量的变化而变化，通过调节施加工作电压来改变电场分布，从而精确调节电子漂移长度实现电子的选择性收集。随后，提出了一种简单有效的解耦X射线能量信息的算法，通过分析不同电压下的光电流，实现光电流到X射线光子能量的逆向推导。最终，开发多能X射线探测成像，实用普通X射线源（非同步辐射源），在20秒内实现4能量通道的多能图像。该系统配套的不同能量X射线衰减系数比值（σ(E_i)/σ(E_j)）相关的多能数字剪影算法，减轻被测物体厚度变化对投影图像的影响，实现并排放置或堆叠放置物体的形态和物质识别。