基于碘化汞的X射线成像控测器理论与实验研究

摘要

硬X射线相位衬度成像是一门极具前景的新技术，主要用于观察弱吸收材料内部的精细结构，同传统的吸收成像不同，它提取结构细节信息不依赖于X射线曝光样品吸收强度的差异，而是通过重构物体内部不同区域的折射引起的相位变化信息，从而获得更好的成像对比度。但是它的应用要求高灵敏度、高空间分辨率的大面积数字X射线成像探测器，为此，本文将研制一种全面符合该要求的成像探测器。
　　 本文提出了一种直接转换X射线成像探测器的研制方案，该方案采用碘化汞(HgI2)光电导材料和基于绿光半导体激光器的激光诱导放电(PID)信号读出方式，采用极细的线激光束扫描和窄的并行条形电极读出，从而可获得高灵敏度、高空间分辨率、大面积数字X射线成像探测器。
　　 本论文从总体方案设计入手，分析了本方案的特色和难点，给出了膜层和电极的设计，探测器的制作工艺流程，并给出了读出电路、光机扫描和系统同步控制的初步方案。
　　 对探测器的主要性能参数进行了深入的理论分析和数值模拟，包括灵敏度、空间分辨率、像素放电时间和零频探测量子效率DQE(0)，给出了每个性能参数的计算模型和计算方法，其中对空间分辨率和像素放电时间的计算分别用到蒙特卡罗和迭代算法，对有关影响因素作了数值模拟研究，给出了影响关系曲线和设计探测器时的一些优化值。
　　 根据HgI2 所特有的性质，自行特殊设计并研制了HgI2 物理气相沉积(PVD)实验装置，该装置不容易被HgI2 腐蚀，可以维持高的真空和长的寿命，并使周围环境不被污染。利用该装置和低纯度(普通分析纯，99.5％)廉价的HgI2 原料，对成膜工艺参数进行了实验研究，获得了优化的工艺参数，在氧化铟锡(ITO)玻璃衬底上，制备了直径为Φ130 mm的大面积高质量HgI2 多晶膜。该装置可用于生长更大面积的多晶膜，不同膜厚，晶粒大小和晶体性能的样品可通过调整生长工艺参数获得。对膜的基本物理特性和暗电流，X射线响应特性进行了测试。实验测试结果表明：
　　 该多晶膜具有良好的(00l)生长取向，暗电流密度小于10 pA/mm2，电阻率达1013 Ω·cm，X射线响应灵敏度为16 μC/cm2·R左右。这些结果与国外获得的性能相当。采用低纯度原料制得高性能多晶膜，大大降低了探测器制作成本。