哈嘍！哈嘍！大家好，正式給大家做個自我介紹，我叫小V，來自成都善思微科技有限公司。以后將由我——英俊瀟灑、風流倜儻、玉樹臨風、年少多金、神勇威武、天下無敵……咳咳，小V童鞋給大家?guī)硪恍澳芰俊毖a充點心。讓我們走進今天的第一課——探測器的壽命與輻照損傷！

背景 BACKGROUND

近年來，對X射線與電子學器件相互作用的研究中，人們得出結論：X射線會對電子設備造成損傷。理想中的X射線探測應該是有高靈敏度，能捕捉到每一個入射的X射線光子，同時不產(chǎn)生任何附加噪聲，且試用過程中性能不存在任何衰減的。然而，但現(xiàn)實中不可能存在這種理想的探測器。

目前的圖像傳感器可以盡可能做到上述高靈敏度、低噪聲兩點，通過采取一定的輻照防護措施來盡量實現(xiàn)性能不衰減。這里不得不提到種子選手——CMOS圖像傳感器，它具有很高的靈敏度，且對信號引入的附加電子噪聲很小。CMOS圖像傳感器號稱輻照耐受程度可達100 krad (10 kGy)。然而，1Gy = 1 J·kg-1，這就意味著，每1g的芯片也就承受大約1焦耳的能量就會失效。不過值得慶幸的一點是，在實際應用場景中，X射線強度有限，輻照劑量的累積是一個非常緩慢的過程。

Gy（戈瑞）、rad（拉德）、和下文出現(xiàn)的R（倫琴），都是表征輻射強度（劑量）的單位，換算關系為：1Gy=100rad, 1Gy = 114R.

X射線對芯片的輻照損傷機制

簡單地扔出一個結論——集成電路吸收1焦耳量級的電離輻射能量后會失效。實際上輻射損傷是一個漸變的過程，在電子器件失效前，其內(nèi)部就已經(jīng)積累了許多變化。對于能量在1 MeV以下的X光子，其與物質(zhì)相互作用主要是對核外電子的激發(fā)（光電效應）和散射（康普頓效應）。與物質(zhì)中電子的相互作用不會對材料的晶格結構和晶體的原子有序程度造成影響，僅會產(chǎn)生大量自由電子和帶正電的離子或空穴。

咳咳，換句話說，如果被輻照的材料是導體，產(chǎn)生的正負電荷會迅速復合，使得材料內(nèi)快速恢復電中性。若吸收X射線能量的材料是絕緣體，當電子被激發(fā)或散射開后，正負電荷無法快速復合，就會在材料內(nèi)留下永久的正電荷聚集區(qū)。

集成電路恰恰是依靠絕緣介質(zhì)來對導體、半導體材料進行分隔，以此來形成器件內(nèi)部的電場的。CCD和CMOS器件均采用二氧化硅(SiO2)絕緣介質(zhì)將電極與下方的硅襯底分隔開。如果X射線與SiO2絕緣層發(fā)生相互作用，導致其內(nèi)部累積正電荷，會導致器件的電荷遷移特性發(fā)生改變，晶體管的閾值電壓緩慢地發(fā)生漂移，直到器件始終導通或完全關斷。數(shù)字集成電路或經(jīng)過特定設計的模擬電路是可以容忍一定程度的閾值電壓漂移，并保持正常工作的。但是當晶體管因電荷積累而失去通斷能力后，器件最終會徹底失效。

在CMOS圖像傳感器中，輻照帶來的最顯著的影響即暗電流變化。

在傳感器中的晶體管發(fā)生功能失效前，來自光電二極管的暗電流就已經(jīng)逐漸增加了，這就是絕緣介質(zhì)中電荷逐漸累積的表現(xiàn)。CMOS傳感器的X射線探測器，其起始暗電流很低(25 pA/cm2量級)，即便輻照環(huán)境下使用相當一段時間，暗電流的增加也不會對成像品質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。暗電流隨著輻照劑量累積而增加的機制就是上述的氧化絕緣層中正電荷的積累。耗盡區(qū)與光電二極管接觸的邊界處的電荷分布對CMOS器件內(nèi)部電場的擾動很明顯。積累的正電荷增加了二極管PN結的漏電流，直到二極管漏電速度超過電荷讀出的速度時，器件徹底失效。

探測器壽命時長

輻射成像探測器的總壽命時長主要取決于其使用環(huán)境

例如：

探測器在應用受到的輻射是什么樣的能譜？

其劑量率是多少？

X光子最大能量是多少？

射線源是否有附加濾過？

X射線曝光是連續(xù)進行的，還是按照逐次拍攝脈沖進行的？

探測器在典型的一天、一周或一個月內(nèi)處于曝光使用的時間有多少？

探測器前放置什么類型的被拍攝物體——探測器是否經(jīng)常接收無遮擋的X射線，或者是它主要用來對屏蔽掉了大部分輻射的厚金屬板進行成像？

探測器是否在設計上就進行了輻射加固，還是本身性能就會在輻照下快速衰減？

最后，探測器“失效”的標準是什么？

所有這些問題都會影響探測器在特定環(huán)境下的壽命時長。

當然，上述這些不同的使用條件很多可以通過統(tǒng)計探測器吸收的總劑量來概括。但不同的照射能譜會有區(qū)別。如在管電壓50kVp下使用的探測器在接收到一定劑量后會與150 kVp下相同輻照劑量有不同的結果。此外，測量或計算晶體硅中吸收的實際能量是很困難的。在實際操作中往往是測量空氣，或者說是探測器入射表面處的曝光量，以此來評估劑量率。只要射線能譜不發(fā)生明顯變化，這種測量方式是可以適應不同的應用情況的。

大家可能注意到了，不管任何類型的探測器廠家，在給出探測器壽命的時候，使用的單位都是kGy，而不是10年。我們需要先了解客戶的使用場景，然后據(jù)此評估出一個時間。所以當客戶直接問我們，探測器能用多少年的時候，我們只能說，這得看情況，我們需要更多的信息。

直接給出探測器使用年限，小V表示

測試條件

為了確定探測器性能隨輻射劑量增加而退化的程度，國外廠商在不同條件下對其兩臺不同配置的探測器進行了測試，分別是標準版和經(jīng)過輻射防護加固的版本。表1為不同試驗條件。對標準版探測器在25、45、100和160 kVp射線能譜下進行了測試。輻射加固版本(EV 版本)在25 kVp下基本無性能衰減，因此僅在45、100和160 kVp電壓下進行了測試。

表格 1測試條件

測試標準

制約探測器壽命的主要輻射效應是其暗電流隨累積曝光量而增加。在室溫條件下，暗電流使得探測器達到飽和前，所有被測試的探測器都沒有以任何其他方式失效。當然，飽和點可以通過冷卻傳感器或者減少積分時間來推遲。

選取的測試標準為500 ms積分時間的探測器暗場信號(以ADU計)和探測器暗電流(以電子/秒計)。后者可由不同積分時間拍攝的兩幅圖像的暗場信號之差計算得到；例如500 ms和1500 ms兩個積分時間下的暗場圖像做差，再除以積分時間的差。還測量了部分探測器的平均增益(固定曝光條件下的信號水平)、信噪比(在同樣固定的曝光水平下)和空間分辨率(線對卡,刃邊法測量的MTF)。

測試結果

測試結果匯總在圖1~3所示的圖表中。由于暗場信號和暗電流是強溫度依賴的(大約每升高8℃，暗電流增加一倍)，因此將數(shù)據(jù)歸一化到探測器平均溫度為25℃。由于這些參數(shù)隨X射線能量的變化不大，因此顯示了平場信號和信噪比的典型響應曲線。MTF在能量和總劑量下均保持恒定。

圖 1標準CMOS探測器（左）和輻照加強版（右）的暗場信號

（請注意橫軸單位的不同）

圖 2 標準CMOS探測器（左）和輻照加強版（右）的暗電流

（請注意橫軸單位的不同）

正如預期的那樣，與標準版CMOS探測器相比，經(jīng)過抗輻射加固的CMOS 輻照加強版探測器表現(xiàn)出至少一個數(shù)量級的抗輻射性能提升。根據(jù)X射線能量的不同，標準CMOS的暗電流在總曝光劑量約10 kR后開始擠占了總動態(tài)范圍的很大一部分。另一方面，CMOS 輻照加強版在100 kV以下的X射線能量下可以堅持幾百kR，即使在160 kV下也達到了約50 kR的使用壽命。值得注意的是，這些測試的曝光劑量是在探測器的入口測量的。在典型的射線照相裝置中，探測器接收的劑量通常比成像物體少得多。

圖 3 標準CMOS探測器（左）和輻照加強版（右）的平場信號與信噪比

（請注意橫軸單位的不同）

典型的平場信號（灰度值）變化曲線本質(zhì)上是傳感器壽命期間探測器輸出變化的度量。在標準CMOS探測器中，隨著總曝光劑量的增加，信號輸出略有增加，這是由于暗電流的增加使得暗場本底（偏置）有所增加。當然，通過暗場（偏置）校正，可以抵消掉這部分變化，使得信號保持正確的X光衰減圖像信息。在輻照加強版版本中，其壽命期內(nèi)的輸出下降較小，大部分變化發(fā)生在前20~40 kR的曝光劑量內(nèi)。與標準CMOS傳感器的輸出變化相比，這些變化相對較小，并且不會導致探測器的性能下降。

信噪比圖如預期的那樣緊隨平場信號曲線。需要注意的是，即使CMOS 輻照加強版的靈敏度(ADU/mR)通常比標準版CMOS探測器低20%-40%，而其信噪比明顯更高（這是影響圖像效果的更主要因素）。其原因是硅傳感器中直接吸收的X射線減少。沉積能量在硅中而不是閃爍體中的這部分X射線會產(chǎn)生大的電荷，反映在圖像上是圖像中的白色孤立亮點，這會增加圖像中的噪聲，盡管它們也會對信號產(chǎn)生貢獻。因此，對標準版CMOS探測器，給定曝光劑量的整體信噪比較低。

值得一提的是，如果有條件的話，將探測器冷卻到0℃可以將探測器的使用壽命延長一個數(shù)量級。與之對應的是，在高溫下工作，會導致其更早飽和。

圖4顯示了隨著探測器溫度和積分時間變化，CMOS輻照加強版探測器中的暗信號如何變化。

圖 4 CMOS 輻照加強版探測器在不同溫度與積分時間下的信號

圖5展示了標準版CMOS和CMOS 輻照加強版的MTF典型值隨總曝光劑量變化曲線。兩者MTF的測量均采用“傾斜刃邊”法。無論是在X射線能量還是在總劑量方面，分辨率都沒有顯著變化。與標準版的CMOS探測器相比，輻照加強版通常具有稍稍偏低的MTF，其分辨率在圖像的不同部分之間可能會有更大的差異（實驗因素，如用于測量的邊緣或狹縫的質(zhì)量和厚度,以及射線源的焦點尺寸和散射的存在等都容易導致測量結果產(chǎn)生±5%以上的變化）。

圖 5同樣的閃爍體的兩種探測器的MTF對比

綜上，兩種類型的探測器的對應性能差別如下表所示。

表2標準版探測器和輻照加強版探測器的區(qū)別

結論

在高能輻射環(huán)境下，任何電子設備都做不到永不失效。但是通過適當?shù)念A防措施，CMOS X射線探測器可以在大多數(shù)應用環(huán)境中運行多年而性能沒有明顯下降。標準版CMOS探測器和輻照加強版探測器在其預設的應用環(huán)境中都表現(xiàn)良好。在確定選擇哪種探測器時，首先必須仔細確定預期應用的射線能量和劑量要求。

提高探測器時間壽命的方法tips：

1.使用輻照加強版

2.優(yōu)化系統(tǒng)布局，減少無用的照射

3.使用高的幀速率（較短的積分時間）

4.使用較低的增益檔位

5.探測器置于低溫環(huán)境中

值得注意的是，每一個X射線成像應用都是獨特的，在一種情況下起作用的東西在另一種情況下可能不合適。有的時候一個小小參數(shù)的設置，可能會使得探測器使用時間壽命增加10倍。所以如有需要，盡管向我司咨詢。

注：本文使用數(shù)據(jù)來源于Teledyne Dalsa的研究。未來敬請期待我司自己的測量數(shù)據(jù)。

審核編輯：湯梓紅