探測(cè)器的壽命與輻照損傷

哈嘍！哈嘍！大家好，正式給大家做個(gè)自我介紹，我叫小V，來(lái)自成都善思微科技有限公司。以后將由我——英俊瀟灑、風(fēng)流倜儻、玉樹(shù)臨風(fēng)、年少多金、神勇威武、天下無(wú)敵……咳咳，小V童鞋給大家?guī)?lái)一些“能量”補(bǔ)充點(diǎn)心。讓我們走進(jìn)今天的第一課——探測(cè)器的壽命與輻照損傷！

背景 BACKGROUND

近年來(lái)，對(duì)X射線與電子學(xué)器件相互作用的研究中，人們得出結(jié)論：X射線會(huì)對(duì)電子設(shè)備造成損傷。理想中的X射線探測(cè)應(yīng)該是有高靈敏度，能捕捉到每一個(gè)入射的X射線光子，同時(shí)不產(chǎn)生任何附加噪聲，且試用過(guò)程中性能不存在任何衰減的。然而，但現(xiàn)實(shí)中不可能存在這種理想的探測(cè)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(diǎn)，通過(guò)采取一定的輻照防護(hù)措施來(lái)盡量實(shí)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(duì)信號(hào)引入的附加電子噪聲很小。CMOS圖像傳感器號(hào)稱輻照耐受程度可達(dá)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(huì)失效。不過(guò)值得慶幸的一點(diǎn)是，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，X射線強(qiáng)度有限，輻照劑量的累積是一個(gè)非常緩慢的過(guò)程。

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

X射線對(duì)芯片的輻照損傷機(jī)制

簡(jiǎn)單地扔出一個(gè)結(jié)論——集成電路吸收1焦耳量級(jí)的電離輻射能量后會(huì)失效。實(shí)際上輻射損傷是一個(gè)漸變的過(guò)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(duì)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(duì)核外電子的激發(fā)（光電效應(yīng)）和散射（康普頓效應(yīng)）。與物質(zhì)中電子的相互作用不會(huì)對(duì)材料的晶格結(jié)構(gòu)和晶體的原子有序程度造成影響，僅會(huì)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(shuō)，如果被輻照的材料是導(dǎo)體，產(chǎn)生的正負(fù)電荷會(huì)迅速?gòu)?fù)合，使得材料內(nèi)快速恢復(fù)電中性。若吸收X射線能量的材料是絕緣體，當(dāng)電子被激發(fā)或散射開(kāi)后，正負(fù)電荷無(wú)法快速?gòu)?fù)合，就會(huì)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(lái)對(duì)導(dǎo)體、半導(dǎo)體材料進(jìn)行分隔，以此來(lái)形成器件內(nèi)部的電場(chǎng)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(kāi)。如果X射線與SiO2絕緣層發(fā)生相互作用，導(dǎo)致其內(nèi)部累積正電荷，會(huì)導(dǎo)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(dǎo)通或完全關(guān)斷。數(shù)字集成電路或經(jīng)過(guò)特定設(shè)計(jì)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(dāng)晶體管因電荷積累而失去通斷能力后，器件最終會(huì)徹底失效。

在CMOS圖像傳感器中，輻照帶來(lái)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(lái)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(cè)器，其起始暗電流很低(25 pA/cm2量級(jí))，即便輻照環(huán)境下使用相當(dāng)一段時(shí)間，暗電流的增加也不會(huì)對(duì)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(jī)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(duì)CMOS器件內(nèi)部電場(chǎng)的擾動(dòng)很明顯。積累的正電荷增加了二極管PN結(jié)的漏電流，直到二極管漏電速度超過(guò)電荷讀出的速度時(shí)，器件徹底失效。

探測(cè)器壽命時(shí)長(zhǎng)

輻射成像探測(cè)器的總壽命時(shí)長(zhǎng)主要取決于其使用環(huán)境

例如：

探測(cè)器在應(yīng)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(guò)？

X射線曝光是連續(xù)進(jìn)行的，還是按照逐次拍攝脈沖進(jìn)行的？

探測(cè)器在典型的一天、一周或一個(gè)月內(nèi)處于曝光使用的時(shí)間有多少？

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

探測(cè)器是否在設(shè)計(jì)上就進(jìn)行了輻射加固，還是本身性能就會(huì)在輻照下快速衰減？

最后，探測(cè)器“失效”的標(biāo)準(zhǔn)是什么？

所有這些問(wèn)題都會(huì)影響探測(cè)器在特定環(huán)境下的壽命時(shí)長(zhǎng)。

當(dāng)然，上述這些不同的使用條件很多可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)探測(cè)器吸收的總劑量來(lái)概括。但不同的照射能譜會(huì)有區(qū)別。如在管電壓50kVp下使用的探測(cè)器在接收到一定劑量后會(huì)與150 kVp下相同輻照劑量有不同的結(jié)果。此外，測(cè)量或計(jì)算晶體硅中吸收的實(shí)際能量是很困難的。在實(shí)際操作中往往是測(cè)量空氣，或者說(shuō)是探測(cè)器入射表面處的曝光量，以此來(lái)評(píng)估劑量率。只要射線能譜不發(fā)生明顯變化，這種測(cè)量方式是可以適應(yīng)不同的應(yīng)用情況的。

大家可能注意到了，不管任何類型的探測(cè)器廠家，在給出探測(cè)器壽命的時(shí)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(chǎng)景，然后據(jù)此評(píng)估出一個(gè)時(shí)間。所以當(dāng)客戶直接問(wèn)我們，探測(cè)器能用多少年的時(shí)候，我們只能說(shuō)，這得看情況，我們需要更多的信息。

直接給出探測(cè)器使用年限，小V表示

測(cè)試條件

為了確定探測(cè)器性能隨輻射劑量增加而退化的程度，國(guó)外廠商在不同條件下對(duì)其兩臺(tái)不同配置的探測(cè)器進(jìn)行了測(cè)試，分別是標(biāo)準(zhǔn)版和經(jīng)過(guò)輻射防護(hù)加固的版本。表1為不同試驗(yàn)條件。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)版探測(cè)器在25、45、100和160 kVp射線能譜下進(jìn)行了測(cè)試。輻射加固版本(EV 版本)在25 kVp下基本無(wú)性能衰減，因此僅在45、100和160 kVp電壓下進(jìn)行了測(cè)試。

表格 1測(cè)試條件

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

制約探測(cè)器壽命的主要輻射效應(yīng)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(cè)器達(dá)到飽和前，所有被測(cè)試的探測(cè)器都沒(méi)有以任何其他方式失效。當(dāng)然，飽和點(diǎn)可以通過(guò)冷卻傳感器或者減少積分時(shí)間來(lái)推遲。

選取的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為500 ms積分時(shí)間的探測(cè)器暗場(chǎng)信號(hào)(以ADU計(jì))和探測(cè)器暗電流(以電子/秒計(jì))。后者可由不同積分時(shí)間拍攝的兩幅圖像的暗場(chǎng)信號(hào)之差計(jì)算得到；例如500 ms和1500 ms兩個(gè)積分時(shí)間下的暗場(chǎng)圖像做差，再除以積分時(shí)間的差。還測(cè)量了部分探測(cè)器的平均增益(固定曝光條件下的信號(hào)水平)、信噪比(在同樣固定的曝光水平下)和空間分辨率(線對(duì)卡,刃邊法測(cè)量的MTF)。

測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果匯總在圖1~3所示的圖表中。由于暗場(chǎng)信號(hào)和暗電流是強(qiáng)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(cè)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(chǎng)信號(hào)和信噪比的典型響應(yīng)曲線。MTF在能量和總劑量下均保持恒定。

圖 1標(biāo)準(zhǔn)CMOS探測(cè)器（左）和輻照加強(qiáng)版（右）的暗場(chǎng)信號(hào)

（請(qǐng)注意橫軸單位的不同）

圖 2 標(biāo)準(zhǔn)CMOS探測(cè)器（左）和輻照加強(qiáng)版（右）的暗電流

（請(qǐng)注意橫軸單位的不同）

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

圖 3 標(biāo)準(zhǔn)CMOS探測(cè)器（左）和輻照加強(qiáng)版（右）的平場(chǎng)信號(hào)與信噪比

（請(qǐng)注意橫軸單位的不同）

典型的平場(chǎng)信號(hào)（灰度值）變化曲線本質(zhì)上是傳感器壽命期間探測(cè)器輸出變化的度量。在標(biāo)準(zhǔn)CMOS探測(cè)器中，隨著總曝光劑量的增加，信號(hào)輸出略有增加，這是由于暗電流的增加使得暗場(chǎng)本底（偏置）有所增加。當(dāng)然，通過(guò)暗場(chǎng)（偏置）校正，可以抵消掉這部分變化，使得信號(hào)保持正確的X光衰減圖像信息。在輻照加強(qiáng)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?jī)?nèi)。與標(biāo)準(zhǔn)CMOS傳感器的輸出變化相比，這些變化相對(duì)較小，并且不會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器的性能下降。

信噪比圖如預(yù)期的那樣緊隨平場(chǎng)信號(hào)曲線。需要注意的是，即使CMOS 輻照加強(qiáng)版的靈敏度(ADU/mR)通常比標(biāo)準(zhǔn)版CMOS探測(cè)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(huì)產(chǎn)生大的電荷，反映在圖像上是圖像中的白色孤立亮點(diǎn)，這會(huì)增加圖像中的噪聲，盡管它們也會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生貢獻(xiàn)。因此，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)版CMOS探測(cè)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(cè)器冷卻到0℃可以將探測(cè)器的使用壽命延長(zhǎng)一個(gè)數(shù)量級(jí)。與之對(duì)應(yīng)的是，在高溫下工作，會(huì)導(dǎo)致其更早飽和。

圖4顯示了隨著探測(cè)器溫度和積分時(shí)間變化，CMOS輻照加強(qiáng)版探測(cè)器中的暗信號(hào)如何變化。

圖 4 CMOS 輻照加強(qiáng)版探測(cè)器在不同溫度與積分時(shí)間下的信號(hào)

圖5展示了標(biāo)準(zhǔn)版CMOS和CMOS 輻照加強(qiáng)版的MTF典型值隨總曝光劑量變化曲線。兩者M(jìn)TF的測(cè)量均采用“傾斜刃邊”法。無(wú)論是在X射線能量還是在總劑量方面，分辨率都沒(méi)有顯著變化。與標(biāo)準(zhǔn)版的CMOS探測(cè)器相比，輻照加強(qiáng)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(huì)有更大的差異（實(shí)驗(yàn)因素，如用于測(cè)量的邊緣或狹縫的質(zhì)量和厚度,以及射線源的焦點(diǎn)尺寸和散射的存在等都容易導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生±5%以上的變化）。

圖 5同樣的閃爍體的兩種探測(cè)器的MTF對(duì)比

綜上，兩種類型的探測(cè)器的對(duì)應(yīng)性能差別如下表所示。

表2標(biāo)準(zhǔn)版探測(cè)器和輻照加強(qiáng)版探測(cè)器的區(qū)別

結(jié)論

在高能輻射環(huán)境下，任何電子設(shè)備都做不到永不失效。但是通過(guò)適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，CMOS X射線探測(cè)器可以在大多數(shù)應(yīng)用環(huán)境中運(yùn)行多年而性能沒(méi)有明顯下降。標(biāo)準(zhǔn)版CMOS探測(cè)器和輻照加強(qiáng)版探測(cè)器在其預(yù)設(shè)的應(yīng)用環(huán)境中都表現(xiàn)良好。在確定選擇哪種探測(cè)器時(shí)，首先必須仔細(xì)確定預(yù)期應(yīng)用的射線能量和劑量要求。

提高探測(cè)器時(shí)間壽命的方法tips：

1.使用輻照加強(qiáng)版

2.優(yōu)化系統(tǒng)布局，減少無(wú)用的照射

3.使用高的幀速率（較短的積分時(shí)間）

4.使用較低的增益檔位

5.探測(cè)器置于低溫環(huán)境中

值得注意的是，每一個(gè)X射線成像應(yīng)用都是獨(dú)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(shí)候一個(gè)小小參數(shù)的設(shè)置，可能會(huì)使得探測(cè)器使用時(shí)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(lái)源于Teledyne Dalsa的研究。未來(lái)敬請(qǐng)期待我司自己的測(cè)量數(shù)據(jù)。

審核編輯：湯梓紅