1.射线探测器的材料与性能
射线探测器采用的将射线转换为信号所用的材料主要是荧光物质、闪烁晶体和半导体材料。荧光物质和闪烁晶体一般统称为闪烁体或荧光体。
荧光物质和闪烁晶体将射线直接转换为荧光（可见光）。常用的荧光物质是硫化锌镉、硫氧化钆、溴氧化镧和硫化锌等，它们的基本特性见表2.2-39。常用的闪烁晶体是碘化钠、碘化铯、锗酸铋、钨酸钙和钨酸镉等，它们的基本特性见表2.2-40。图2.2-76是部分荧光屏材料的发射光谱特性。
半导体材料利用PN结将射线转换为电荷，常使用的对X射线敏感的光电导材料是三硫化二锑、碲化锌镉、硒化镉、氧化铅、硫化镉等，它们的主要特性见表2.2-41。
表2.2-39 常用荧光物质的主要特性
表2.2-40 常用闪烁晶体的主要特性
①碘化钠转换X射线为光的效率约为15%，其他材料数据以其为100%。
②信号衰减到最大强度的37%所需要的时间。
图2.2-76 部分荧光屏材料的发射光谱特性
P-11-ZnS（Ag）P-20-ZnCdS（Ag）P-31-ZnS（Cu）
表2.2-41 光导材料的主要特性
①光照后，信号出现所需要时间。
利用这些材料制作成射线探测器。目前，在工业射线实时成像检测系统中应用的射线探测器主要是：图像增强器、线阵列探测器、平板探测器等。
2.射线探测器材料的射线转换过程
（1）闪烁体在辐射照射下能产生荧光的物质称为闪烁体。闪烁体按化学性质可分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类。闪烁体将射线转换为荧光辐射的过程是一种光致发光过程。
无机闪烁体的发光机制由晶格的能量状态决定。电子在晶格中具有离散的能带。在价带，电子被束缚在晶格内；在导带，电子可以在晶体内自由运动；价带和导带之间为禁带，对纯晶体禁带不允许存在电子。在晶体内掺入杂质，即激活剂，则可改变纯晶体的能级结构，也就是在禁带中产生了一些杂质能级。
入射到晶体的射线所损失的能量，可激发激活剂，使其进入激发态。激活剂从激发态跃迁到基态释放能量，形成荧光辐射（实际需经历复杂过程）。图2.2-77是无机闪烁体发光过程的示意图。有机闪烁体的发光过程要复杂一些。
图2.2-77 无机闪烁体发光过程的示意图
闪烁体的发光可分为荧光和磷光。荧光是指激发体作用终了后，立即中止的发光现象（无机闪烁体的发光持续时间约为10-6～10-7s，有机闪烁体的发光持续时间约为10-8～10-9s），磷光是指激发体作用停止后，仍保持相当长时间的发光现象。
（2）半导体半导体探测器实质是一个介质为半导体的固体电离室，是一个工作在反向偏压的PN结二极管。在PN结内自建电场作用下，电子和空穴被自建电场收集，结区内无载流子，形成耗尽层。耗尽层即为灵敏层（结区），在反向偏压作用下，耗尽层进一步加大。
当射线入射到半导体时，损失的能量在耗尽层产生大量电子-空穴对。在电场作用下，电子和空穴分别向两极漂移，在输出回路形成脉冲信号，实现对射线的探测。图2.2-78是利用光伏效应实现射线转换的原理图。
图2.2-78 光伏探测器工作原理示意图
3.主要的射线探测器件
（1）图像增强器图2.2-79是图像增强器的外形图，图2.2-80是图像增强器基本结构示意图。图像增强器的基本结构由包括外壳、射线窗口、输入屏、聚焦电极、输出屏。图2.2-81是图像增强管的结构示意图。
图2.2-79 图像增强器的外形图
图2.2-80 图像增强器结构示意图
图2.2-81 图像增强管结构示意图
射线窗口由铝板或钛板制作，铝板的厚度一般为0.7～1.2mm。既具有一定的强度，又可以减少对射线的吸收。
输入屏主要由基板、闪烁体和光电（阴极）层构成，其结构如图2.2-82所示。基板为铝板，厚度一般约为0.5mm。闪烁体（输入转换屏）主要采用CsI晶体制作。CsI晶体具有类似光纤的针状结构（见图2.2-83），它可以限制光的漫散射。单个针的直径约为51μm，典型的CsI晶体层厚度为300～450μm。光电（阴极）层为多碱金属（锑与多碱金属的混合物），厚度很小（仅为20nm）。光电（阴极）层的灵敏度会随使用时间增加而降低。由于增强管内真空度随着时间而降低，也将影响光电（阴极）层的灵敏度，因此无论使用与否，光电（阴极）层的灵敏度都会随着时间的增加而降低。
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图2.2-82 输入屏结构示意图
图2.2-83 CsI针状结构SEM（电子扫描显微）图（右为放大图）
聚焦电极加有25～30kV的高压。
输出屏的直径一般在15～35mm之间，多采用P20[ZnCdS（Ag）]荧光材料，沉积在很薄的铝膜上（200～300nm），荧光物质层厚度一般为4～8μm。P20荧光材料发射光的峰值波长为520～540nm。
图像增强器工作的基本过程如下。射线透过工件，穿过图像增强器的窗口入射到输入转换屏上，输入转换屏吸收射线的部分能量，将其能量转换为荧光发射。发射的荧光被光电层接收，并将荧光能量转换为电子发射。发射的电子在聚焦电极的高压作用下被聚焦和加速，高速撞击到输出屏上。输出屏将电子能量转换为荧光发射。在图像增强器中完成的转换过程可概括为
射线→荧光→电子→荧光
图像增强器输出屏上的可见光图像，经光学系统（附加在图像增强器中）由摄像机拾取，将图像信号转换为视频信号，经A/D转换后送入图像处理单元，进行各种图像增强处理，改善图像质量，处理后的图像送入图像显示单元显示。
图像增强器的性能直接关系到这种系统的综合性能，表2.2-42给出的是某型号图像增强器典型的主要性能。
表2.2-42 图像增强器的主要性能
（2）半导体探测器从20世纪90年代以后，半导体探测器已成为工业射线实时成像检测系统的重要射线探测器，在分辨力性能上明显优于图像增强器。近年实际应用的半导体探测器，主要是非晶硅和非晶硒平板探测器和线阵探测器，也在研究其他材料的探测器，如CZT探测器等。图2.2-84是平板探测器的外形图，图2.2-85是平板探测器的内部结构示意图。图2.2-86是一种线阵探测器的结构示意图。
图2.2-84 平板探测器的外形图
图2.2-85 平板探测器内部结构示意图
图2.2-86 线阵探测器（CMOS）的结构示意图
按照对射线的转换过程，它们可分为两类（见图2.2-87）：
图2.2-87 半导体探测器的转换过程
直接转换探测器：将射线能量直接转换为电荷信号。它要求探测器的灵敏层应具有较大的厚度，如对非晶硅需具有20μm以上的厚度。
间接转换探测器：探测器的灵敏层由闪烁体和半导体构成，射线能量首先由闪烁体转换为荧光，再由半导体将荧光信号转换为电荷信号。这时，PN结本征层只需要较小厚度，如对非晶硅只需要0.5～1.0μm的厚度。
转换过程不同，探测器的结构也不同，图2.2-88是平板探测器的原理图，图2.2-89是线阵探测器的工作原理图。
图2.2-88 平板探测器原理
图2.2-89 线阵探测器工作原理图
目前，典型的平板探测器的主要性能指标如下：
像素尺寸：127μm×127μm。
动态范围：＞2000：1。
成像时间（包括数据修正）：5s左右。
目前，在工业应用中的线阵探测器的主要性能指标如下：
线阵列尺寸：157～614mm。
像素尺寸：80μm，有报告报道，可以得到更小的像素尺寸。
动态范围：＞2000：1。
适用能量：20～450kV。
寿命：10年。
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