基于8μm高分辨率非晶硒探测器的科研级相衬微米CT

图1.水和骨头在不同能量下的吸收截面与相移截面对比

为了捕获X射线的相位信息，往往需要添加专门的光学元件，以便将相移信息转换为探测器上的强度信息。使用光栅干涉仪是一个例子，但对于商业化的微米CT，一个更直接的实验方式是通过简单的X射线自由空间传播来产生相位衬度。利用自由空间传播，可以使X射线波前的相位变化（经过样品）在探测器上以强度波动的形式可见，如图2。虽然不需要额外的光学器件，但为了达到好的成像效果，需要足够大的横向空间相干长度（即光源的光斑尺寸要足够小）以及高分辨率探测器。

图2.基于自由空间传播的相衬成像方法

在目前商用的X射线成像探测器中，对于能量高于20 keV的X射线，既要实现高空间分辨率又要有高的探测效率是困难的，而这些性能的兼顾又是基于自由空间传播的相衬成像所迫切需要的。迄今为止报道的混合光子计数型X射线探测器可以使用高原子序数的传感器材料，对硬X射线具有足够高的探测效率（如CdTe，CZT等），但由于读出芯片设计复杂，且需要像素级的电荷灵敏放大器，从而导致该类型探测器具有较大的像素尺寸（通常大于50μm）。基于闪烁体的间接转换X射线探测器，可以使用小像素CMOS有源像素传感器（APS）和放大光学元件来分辨精细特征，但对于大于20 keV的能量来说成像效果不是最佳的。通常闪烁体需要足够薄，保证落在物镜的景深内，才能获得最佳的空间分辨率。与半导体传感器相比，较厚的闪烁体可以提供相同或更好的吸收效率，但会导致内部光学散射增加，从而降低空间分辨率。因此，在吸收效率和闪烁体的空间分辨率之间存在权衡。

非晶硒(a- Se)是一种成熟的大面积热蒸发的光导体，已广泛用于平板X射线成像仪（a-Se/TFT）。非晶硒易于加工成大面积的均匀厚层，具有低漏电流和高电荷收集效率，中等原子序数（Z=34）足以适用于硬X射线成像。最重要的是X射线在非晶硒中被吸收后产生的电荷扩散小，非晶硒具有非常高的本征空间分辨率，如下图3所示。但TFT像素尺寸大，噪声水平较高，因此研究人员想到了用非晶硒耦合CMOS读出器件。

在过去十几年中，滑铁卢大学的科学家利用聚酰亚胺缓冲层突破了a-Se与CMOS结合的技术难题，解决了a-Se/CMOS的界面应变和硒结晶等问题。这里的CMOS读出器件采用电荷积分模式的工作方式，相较于光子计数模式的读出器件，降低了制造成本且可以实现小的像素尺寸。

图3. a-Se/CMOS探测器的量子效率；X射线在非晶硒中产生的电荷扩散区域（右）

KA Imaging公司的技术团队源于滑铁卢大学，基于a-Se/CMOS技术开发了一款1600万像素的直接探测型高空间分辨率X射线探测器—BrillianceSe^TM，详见下图4。该探测器利用3T APS设计8μm像素尺寸的CMOS芯片与100μm厚的非晶硒混合。

图4. BrillianceSeTM探测器与性能参数

探测器在阿贡国家实验室先进光源1-BM-B beamline使用单色的21keV、63keV做了详细的性能测试，包扩线性度、响应度、MTF、空间分辨能力等等，部分结果如下图5，图6。

图5. 在1-BM-B beamline 63keV单色光下用斜边法测试MTF，其中PSF仅有1.1 pixel size

图6. 在1-BM-B beamline 21keV单色光下用分辨率测试卡测试分辨率能力

BrillianceSe^TM对于高能X射线的高探测效率及高分辨率，完美符合了自由空间传播相衬成像的相机需求。KA Imaging公司利用微焦点光源和BrillianceSe^TM搭建了桌面式相衬微米CT—inCiTe^TM，如图7所示。除了能进行实现传统的微米CT，inCiTe^TM还带有相衬成像的边缘衬度增强效果，非常适合用于农业、地质学、生物、无损检测、电子器件等领域。

图7. 桌面式相衬微米CT—inCiTe^TM

inCiTe^TM结构紧凑，操作简单，提供一个直观的图形用户界面，无论是新手还是专家用户都能快速上手。不需要任何样品制备，如造影剂，染色，样品减薄等。CT系统能快速自动初始化，且带有样品位置自动校准和相机校准功能。用户首次上电不到20分钟即可扫描样品。扫描系统支持最大10倍的几何放大倍率，即0.8μm的有效像素尺寸，真实分辨率可达1μm左右。下图8-11分别展示了inCiTe^TM的几个测试结果，包括凯夫拉复合纤维、光纤、薄膜中的气泡、药品、植物种子、肾结石。

图8. 凯夫拉复合材料样品的相衬图像，在左上图看到单个纤维，在右上图看到纤维分层，下图为3D渲染效果图

图9. 光纤检测（左），可以看见光纤的相衬边缘增强；聚酯薄膜中的气泡检测（右），也可以看见气泡边缘的相衬边缘增强

图10. 埃索美拉唑样品检测，由于相衬增强，药粉颗粒的边缘清晰可见

图11. 甜椒种子检测，左图为不含相衬信息的图像，右图是含相衬信息的图像

图12. 肾结石的微观结构特征检测，左图为实例切片，中图为3D渲染效果图，右图为肾结石照片