学术会议邀请 - iWoRiD第26届辐射成像探测器国际研讨会

iWoRiD 辐射成像探测器国际研讨会每年举行一次，其目的是为从事辐射成像探测器领域的科研学者提供一个分享新进展新成就，探讨未来发展和深化交流合作的国际化平台。

研讨会聚焦半导体、气体和闪烁体探测器，主题包括探测器材料的处理和表征、混合和互连技术、计数或集成电子器件的设计、读出和数据采集系统，以及涉及科研及工业领域的多项应用。

今年的会议将于7月6-10日在美丽的斯洛伐克（Slovakia）首都伯拉第斯拉瓦（Bratislava）召开。

众星联恒的合作伙伴ADVACAM研究团队的三位主要成员将在会议上发表相关报告：

采用CdTe传感器的混合像素半导体探测器在医疗和工业X射线成像领域具有广泛应用。这类探测器能够高效地将电离辐射转化为电信号，从而实现直接辐射检测。其设计不仅具备卓越的检测灵敏度，还能消除模拟噪声。然而，CdTe传感器存在晶体缺陷问题，可能影响检测稳定性和成像质量。这些时效性影响可通过硬件方案（如脉冲偏压调制）和软件算法有效解决。本文将展示采用图像校正方法可提升CdTe传感器的极化稳定性，从而使图像均匀性获得数倍增强，这标志着图像质量与分辨率改进的重大突破。

我们将以搭载CERN合作组研发Medipix芯片的WidePIX MPX3 5x5探测器为例，展示图像校正技术的应用效果。这款创新型设备拥有7x7厘米CdTe传感器区域和1280×1280像素分辨率，特别适合大物体成像。依托MediPIX3技术，该探测器能获取高对比度、宽动态范围的X射线图像，即使是软组织或塑料等低对比度结构也能清晰呈现。其能量甄别功能更支持能谱X射线成像，可生成多通道"彩色"X射线图像，通过不同颜色区分各类材料。图像校正技术与大面积传感器的结合，为放射成像技术的进一步发展开辟了广阔前景。

碳化硅（SiC）探测器已成为高能大剂量率放射治疗剂量学的关键技术突破。要实现大剂量率条件下的精准剂量追踪，必须采用能耐受极端环境并提供可靠测量的剂量计。传统硅探测器虽灵敏度高，但在辐射损伤、温度效应和剂量率依赖性影响下易出现性能退化，难以保证长期测量的准确性与稳定性。相比之下，SiC探测器凭借其宽带隙特性、高抗辐照能力和对环境波动低敏感度，展现出卓越的辐射耐受性、极低漏电流和优异的热稳定性。搭载SiC传感器和Timepix3读出芯片的高分辨率辐射检测相机，能实现实时束流监测与粒子追踪。这种基于SiC的探测器是复杂辐射环境下进行精确稳定测量的理想选择，为现代放射治疗所需的可靠剂量投递提供了关键支持。本研究旨在通过新型碳化硅（SiC）像素化探测器，对质子、碳离子、电子等多种粒子的初级及混合辐射场进行束流结构、粒子追踪及通量等辐射场特性表征，并建立相应的辐射品质测量方法。

该探测器采用65微米厚有源SiC传感器，通过凸点键合技术与Timepix3专用集成电路芯片集成，形成像素化辐射敏感单元，可实现空间分辨测量与精细粒子追踪。在+200V偏压工作条件下，探测器支持像素级能量校准，能精确记录像素矩阵内每个粒子的相互作用。55×55微米的像素尺寸可高分辨率追踪粒子径迹与能量沉积，全视场（4π）探测能力配合先进的像素电子学系统，使其能检测质子、碳离子、电子乃至快中子等多种辐射。相较于硅传感器，结合SiC和Timepix3的MInipix探测器在中子探测方面具有更宽能域和更高选择性。

该探测器的紧凑结构和便捷的数据系统集成特性，使其特别适合实时剂量测定与辐射成像，为精确追踪和剂量分布测量提供支持。我们在MedAustron离子治疗中心开展了实验验证，该医疗设施可将质子加速至62-250MeV、碳离子加速至402MeV/u，临床模式下粒子通量高达10^9粒子/平方厘米/秒，并设有10^5粒子/平方厘米/秒的低流强模式供精细测量。

图1  在MedAustron 使用带有 SiC 传感器的 Minipix Timepix3 进行实验设置

实验中，将Minipix Timepix3 SiC探测器置于束流等中心上方，通过单能笔形束照射获取粒子相互作用数据。图2展示了该探测器对120MeV碳离子束的粒子径迹可视化及能谱分析结果，证实了其作为新型探测器材料在各类加速器质控与束流表征中的应用潜力。

a) 碳离子产生的单粒子轨迹可视化；        b) 辐射场可视化 

c) 沉积的能量谱

图2  使用带有 SiC 传感器的 Minipix Timepix3 

对 120 MeV/u 的碳离子束进行表征

对外太空辐射场的认知与测量对于科学研究（太空天气、日地物理）、卫星工业工程及航天器运营具有重要价值。随着航天器元器件对复杂空间辐射场特性变化及巨大梯度的敏感性日益增强^[1]，准确测量这一高度动态的混合辐射场需要探测器具备粒子甄别能力，并能响应辐射场强度、粒子能谱、方向性、空间位置（卫星轨道）及时间等多维参数的宽动态范围。为此，半导体像素探测器Timepix3已搭载于OneWeb公司JoeySat卫星（2023年5月发射，极地轨道高度600-1200公里）进入近地轨道运行。该探测器可获取卫星环境中复杂空间辐射场的全维度精细数据，其采用商用现货电子元件^[2]的微型化载荷设计，具有质量轻、功耗低、部署成本优势显著等特点。

如图3所示，MiniPix-TPX3 Space探测器通过定制化控制与读出计算机连接卫星SOCAN总线接口。为适应高强度辐射环境，探测器配置了5毫米铝屏蔽层以抵御等离子体与极端电场，并过滤≈1 MeV以下电子、≈30 MeV以下质子及≈10 keV以下低能X射线。辐射场测量以毫秒至25秒不等的间隔持续进行，每分钟均形成完整数据集，原始数据总量最高达24MB/天并下传至地面站进行离线处理。

图3

(a) The miniaturized MiniPix-Timepix3 Space detector (Advacam) onboard JoeySat. Size 95 mm × 28 mm × 21 mm, mass ≈ 100 g (with casing). Power consumption ≈ 2 W. The detector is controlled and readout by serial flexi connector (shown on the side). 

(b) The MPX payload with the control/readout computer (Oledcomm) and interface to JoeySat satellite SOCAN bus (OneWeb/Eutelsat)

基于卫星轨道的辐射数据分析具备粒子种类分辨能力，可精确输出宽强度范围内的总/部分粒子通量（图4）与剂量率。带有精确时间戳的详细数据（图4a,b）为后续物理分析提供基础，图中初期观测到的巨大通量峰值对应卫星穿越极区辐射带的时刻。不同粒子类型呈现明显差异化的轨道-时间关联特征：质子组分与磁暴起始期高度相关，电子、低能γ/X射线（未显示）则表现出部分重叠又各具特色的轨道-时间依赖性。分析结果还包括粒子剂量率（总/部分）、沉积能量分布、线性能量转移（LET）谱及方向通量等参数，并沿卫星轨道进行量化评估。图4c,d展示了地磁暴事件前后数日内的所有粒子通量变化，测量值跨越近6个数量级。针对卫星变轨过程（600公里、1200公里及转移段）及不同日地活动期的系统化成果，包括后期物理评估结果将陆续发布。

图4 (left panel) Time dependance of particle flux (displayed in log scale) of space radiation measured by Timepix3 in LEO orbit at 600 km onboard the JoeySat OneWeb satellite:a) all particles, b) protons. Data are given for a 14-hour interval on 23 March 2024 (left) and an 11-hour interval on 24 March (middle) 2024. (right panel) Earth maps of particle flux (a) prior and (b) during the 11 May 2024 solar storm. Particle flux data are displayed by the color bar (log scale) for all particles in log scale (color bar) acquired in interval of 9 days:(c) 1-10 May 2024 and (d) 11-19 May 2024.