nature 综述：核电子学是X射线探测应用、器件及材料的“上帝”

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nature reviews electrical engineering

https://doi.org/10.1038/s44287-024-00086-x

Review article

A Check for updates

Materialsinnovation and electrical engineeringin X-ray detection

公众号•核衷科技

Bo Hou©， Qiushui Chen O"， Luying Yi@"

， Paul Sellin ©"， Hong-Tao Sun"， Liang Jie Wong°& Xiaogang Liu@'p

这篇综述由来自新加坡国立大学、福州大学、英国萨里大学、日本 NIMS和南洋理工大学的跨国团队联合完成，作者背景覆盖材料化学、探测物理与电子工程，因此文章能够从“材料一器件一电路一应用”全链条视角系统讨论 × 射线探测技术。重新综述 X射线探测，必须把“材料响应”与“核电子学”一体化看待X射线检测在医学诊断、工业检测、安全检查、科学研究和太空探索等应用中至关重要。材料科学、电子学、制造技术和人工智能领域的最新进展极大地推动了该领域的发展。在本综述中，我们探讨X射线检测与成像技术的基本原理和最新突破，重点关注电子工程技术与X射线响应材料之间的相互作用。我们重点介绍两种主要方法：基于半导体的直接检测和基于闪烁体的间接检测。随后，我们讨论诸如光子计数探测器和异质结光电晶体管等创新技术，并强调核电子学在这些前沿探测器开发中的关键贡献。接着，我们概述X射线检测的应用范围，从生物医学成像、用于材料分析的共振X射线技术到纳米级分辨率电路成像。最后，本综述总结了未来的研究方向，包括三维和四维X射线成像传感器、多光谱X射线成像以及人工智能辅助的医学图像诊断。传统上，很多综述会把问题拆成两半——材料学者讲吸收系数、迁移率寿命积、发光效率；电路工程师讲TFT、ADC、噪声和读出架构。但真正工业可用的 X射线探测器，性能往往由两者的“接口”决定。比如：材料再灵敏，如果暗电流高，低剂量成像照样不行；发光体再亮，如果与光电二极管光谱不匹配，还是白白损失信号；像素再密，如果读出链路噪声大或速度不够，分辨率和帧率都上不去。所以作者一开始就把文章定调为“材料创新＋核电子学”，这个视角是很先进的。引言中特别提到，X射线探测器的关键性能指标包括：最低可探测剂量率；信噪比（SNR）；动态范围；采样速度。这些指标最终取决于两个层面：一是材料能否高效把 ×射线变成电荷或光子；二是电路能否把这些微弱信号低噪声、快速、准确地读出来。我的点评是：这段其实是在给整篇文章立“评判标准”。也就是说，后面无论谈直接探测、间接探测、光子计数、异质结光晶体管，最后都要回答一个问题：它有没有同时改善“信号生成”和“信号读取”这两件事？这也是很多新材料论文容易忽略的地方。实验室里一个材料样品灵敏度很高，不等于它能做成医学平板探测器。因为实际系统中你还要面对：大面积均匀性；偏压可靠性；像素串扰；与后端 CMOS/TFT 的工艺兼容性；封装与长期稳定性。直接探测vs 间接探测

图16：直接探测vs间接探测。这张图最核心。作者说，X射线探测有两条主路线：直接探测：X射线在半导体里直接产生电子-空穴对，然后被电极收集，直接变成电信号。间接探测：X 射线先在闪烁体里转成可见光，再由光电二极管或光传感器把可见光转成电信号。这两类路线的直观理解可以写成一句话：直接探测少走一步，间接探测多一层“光转换”。少走一步，通常意味着更高空间分辨率，因为没有闪烁光在材料内部横向扩散；但多走一步，也并不一定是坏事，因为闪烁体路线往往更成熟、更容易做大面积、更灵活、成本也可能更低。所以行业里不是谁“替代”谁，而是针对不同场景分工。图1c、1d：等效电路的意义：图1c、1d把这两种探测方式画成等效电路。作者的意思很明确：最终进入系统工程语境后，不管前端是半导体还是闪烁体，后端都要回到“电荷采集、积分、放大、读出”这一套电子学问题。这里是全文最值得点赞的地方之一。作者并没有把“材料探测过程”孤立处理，而是强调：所有×射线探测，最后都必须在电路世界里闭环。

C Direct detection

X-ray detection and imaging

SXray photons Top electrode w

X-ray semi- conductor

Pixe. Photodiode Switch Read line

Pixel sizes

ControliC

ReadIC

00o0g

Substrate

（t）

Control line

b

Q，（）

Semiconductor

Typical pixel size：-50 wm

Scintillator

X-ray photons

d Indirect detection

Ejected e-

Charge collector

Photodiode

000

Circuit

d Fixel sizg LL L6o9L

Circuit

Image

公众号心核衷科技Typical pixel size：~100 pm

图1| 典型X射线检测方法的机制及等效电子电路。a.X射线检测中使用的标准像素阵列。b．基于间接闪烁体的X射线探测器和基于直接半导体的X射线探测器，以及X射线光子与物质之间的相互作用机制。X射线光子被吸收后，会产生高能电子-空穴对。在间接检测中，这些电子-空穴对首先被转换为荧光信号，然后由光电二极管检测，并最终转化为电信号。在直接检测中，电子-空穴对直接转换为可测量的电信号。C,d.直接（c）和间接（d）X射线检测的等效电路图。在直接检测中，典型像素尺寸约为50微米，半导体层厚度范围为10纳米至3毫米。在间接检测中，像素尺寸可约为100微米，闪烁体厚度

变化范围为20微米至200微米。

作者为什么说直接探测近年来更受重视？近年来直接探测之所以越来越受关注，是因为它在多个关键指标上表现突出，包括：强 ×射线吸收；高灵敏度；快响应；更好的空间分辨率；更好的能量分辨率。这段背后的逻辑其实很简单：如果 X 射线在半导体中直接转成电荷，系统里就少了一次“x光 可见光-电荷”的中间损失。这样既有利于提升分辨率，也有利于做能谱信息分析，尤其适合高端成像和光子计数探测。专业点评：直接探测路线更像“高性能路线”，但它对材料和工艺的要求也更苛刻。因为一旦采用直接电荷收集，就意味着你必须真正解决：体材料厚度与吸收效率；电荷漂移与复合；深能级陷阱；暗电流；高偏压绝缘；与阵列读出的匹配。也就是说，直接探测性能高，但“工程代价”也高。

直接探测的三种电子学架构

图2非常关键。它不仅介绍材料，还把直接探测拆成三类读出/转导架构：电容模式、电流模式、电压模式（含 HTL/ETL 结构）。同时还给出灵敏度对比、陷阱效应示意和数字信号链。图2a、2d：电容模式：每个像素对应一个存储电容，X射线在半导体中产生的电荷被收集并存到这个电容里，随后在控制信号作用下送入数据线，再通过电荷放大器转换成电压信号输出。这就是很多平板探测器非常经典的读出框架，本质上属于“先积分，再读出”的思路。它的好处是架构成熟、适合阵列化；缺点是对积分时间、漏电流、像素一致性很敏感。图2b、2e：电流模式：给半导体加偏压后，X射线生成的载流子运动形成电流信号。不同 X射线强度，对应不同电流响应。电流模式更接近光电导探测思路，结构较直观，但实际应用里最大挑战往往是暗电流控制。如果暗电流太高，低剂量信号会直接被淹没。图2C、2f：电压模式/传输层辅助模式：通过引入空穴传输层（HTL）和电子传输层（ETL），改善载流子分离和收集，表现为器件两端产生可检测的电压变化。冷甘守休现山派此年照件干积的_人亡向，不口且6悦雨好的材州” 需且溜过用而层和已居姓如 如由齐选择性传输做得更好。这和太阳能电池、光电探测器领域的思路非常相似。它说明 × 射线探测器正在越来越多借鉴成熟半导体器件工程方法。图2g：灵敏度随电场变化的对比，总结了当前和新近报道探测器的灵敏度表现。它传达出的信息是：不同材料体系（如a-Se、CZT、HgI2、PbI2、卤化物钙钛矿等）在不同电场下灵敏度差异很大，而某些钙钛矿体系在较低电场下也能实现很高灵敏度。这张图非常像一个“材料竞赛榜”，但更值得注意的是趋势：不是谁的峰值灵敏度最高，而是谁能在低电场、低暗电流、可制造条件下实现高灵敏度。因为对工程应用来说，低偏压通常意味着更高安全性、更低功耗、更容易与后端集成。图2h：电荷俘获对分辨率的影响，解释了一个非常关键但常被忽略的问题：如果空穴在漂移过程中被陷阱俘获，不但当前像素收到的电荷减少，邻近像素还会因为感应电荷而受到干扰，导致分辨率下降。这是专业读者会非常认同的一点：探测器分辨率不只是几何像素尺寸决定的，还受载流子输运物理影响。也就是说，像素做得再小，如果材料里陷阱多、载流子收集差，实际成像也未必清晰。图2i：数字信号链展示了像素阵列经扫描控制、模拟放大、ADC 转换，最终进入数据处理器的全过程。很多材料论文到这里就不讲了，但真正系统落地恰恰从这里开始。因为一旦进入 ADC 和数据链路，问题就变成：每秒能读多少帧？每个像素的读出噪声是多少？ADC 位数够不够？动态范围是否支持临床或工业应用？系统功耗和热管理怎么做？所以这张图提醒我们：X射线探测器不是一个材料样品，而是一条完整的信号链。

-Electrode

b

a

Electrode

-HTL

Materials

Materials

- Materials ETL

Dielectric

-Electrode

- Electrode

Gate

d

e•

Bias Radiation

U（）

Pixeli.j

X-ray photon

X-ray photon

Materials

Semiconductor

Charge amplifier

i（t）一F

Switch Q

Mgh Electrode V，

v,oh Electrode ET•N~V.

土+ Gate Icapacitor Control line

ETL Semiconductor HTL

h

9

L X-ray photons

105

Top electrode

MAPbBrsSi substrate

104=

MAPbLy CZT -PHg！

CsPbl，103

00n0g0

00n0gt

•賣

a-Se 1，（）1（t）

1（t）

i（）.

P-HgL

Sensitivity （r

i MAPbBrs

10-

p.Pbl

Control lines: Photoconductor array：|

Data lines

MAPb%

Cs, Tel SpHgk

ADC Jaxadgw Data processor

Switch

10 CsAgBiBr。

a-Se

-

ADC

ADC

10- 100 10 102 103 10*

核衷科技

Electric field strength （V mm-）

Scanning control

Scan timing

图2 |直接X射线检测中的电模型和信号转导策略。a-C，典型间接X射线检测策略的布局：传统电容模式的简化横截面图（a），X射线光电导体的简化横截面图（b）

以及具有集成空不传输层（HTL）和电子传输层（ETL）的直接探测甜

（c）。d，光电晶体管的简化等效电路。e,f，

说明X射线响应半导体中电子-空穴运动的模型：通过电流测量产生电子-空

穴对并进行剂量检测（e），以及通过HTL和ETL收集空穴和载流子，导致半导体两侧的电荷积累（f）。9，最先进的和最近开发的探测器中X射线检测灵敏度的总结。h，电荷陷阱对分辨率的影响，取决于被捕获电荷载流子的类型及其朝向顶部或底部电极的方向。i2表示中心像素，而i1和i3表示相邻的左像素和右像素。这些像素中的瞬态电流被积分以确定相邻像素中收集的电荷。i，说明像素化X射线探测器阵列工作原理的数字信号链图。ADC，模数转换器；a-Se，非晶硒；Ci，存

储电容器；Qii，电荷。

直接探测材料怎么选：一个很标准的“选材逻辑”作者在“Material selection”部分把半导体直接探测材料的评估框架说得很清楚。常见材料包括：硅（Si）；CdZnTe（CZT）；GaAs；非晶硒（a-Se）；卤化铅钙钛矿等。高原子序数是第一关。作者举例说明：CZT 平均原子序数约 50，而Si 只有14，所以对 X射线，尤其是较高能量 X 射线，CZT 的吸收效率远高于 Si。1 mm 厚的 CZT 对 60keV 光子的光电探测效率可达97.4%，而同样厚度的硅不到 10%。这就是为什么高 Z 材料在 X 射线探测中这么关键。可见光探测器强调带隙和表面光吸收，而 ×射线探测首先要解决“停得住”问题。停不住，再好的后端电路也没意义。迁移率-寿命积（uT）是第二关。X 射线产生的电子和空穴必须在复合前被电场分离并收集，因此KT 很关键。作者指出，厚材料层中 ut 对灵敏度和收集效率影响尤其明显。高吸收不等于高性能。你可以把高 z 理解成“接得住球”，把高pT 理解成“能把球顺利传到终点”。两者缺一不可。缺陷密度和陷阱是第三关。作者特别强调，材料层必须高质量、低缺陷，否则会发生空穴俘获，既降低灵敏度，也损害空间分辨率。这也是为什么许多“理论上很美”的高Z 材料，在实际器件里表现不如预期。问题常常不在元素组成，而在晶体质量、薄膜致密性、晶界和深能级缺陷。大面积制造能力是第四关。作者提到 CZT、HgI2、PbI2、PbO 等大面积制备都存在挑战，如晶界限制电荷传输、高退火温度与后端电路不兼容等；而近期已经有400cm2的柔性钙钛矿膜被报道，且灵敏度很高。这里直接触到产业化本质：科研中的最佳样品，不等于工程中的最佳方案。实验室单晶很优，但贵、慢、小；大面积薄膜便宜、可扩展，但一致性和稳定性难。谁能在“大面积、低成本、高一致性”里取得平衡，谁才更有机会进入真实市场。关键参数怎么理解：灵敏度、暗电流、SNR、辐射硬度灵敏度反映 X 射线转电信号的效率，本质受两方面影响：电荷收集效率；单位吸收能量产生多少可收集电荷。作者指出，钙钛矿材料由于具有较高 uT 和较宽的电离能范围，已经实现超过1000 mC Gyair- cm-2 的超高灵敏度。灵敏度高意味着在更低剂量下也能获得可用信号，这对医学低剂量成像特别重要。但灵敏度不能孤立看，必须和暗电流、稳定性一起看。否则“高灵敏度”可能只是“高增益＋高噪声”。暗电流：在无辐照条件下，探测器内仍可能有少量可移动载流子，这就是暗电流。暗电流大小主要由材料缺陷决定，并显著影响最低探测阈值。作者举例：典型 a-Se 探测器若要探测单个 20keV 光子，需要极低暗电流密度，约10-10A cm”2。这句话可以翻译成一句非常通俗的话：你要想听见微弱信号，系统自己先别吵。暗电流就是器件自己的“底噪”。所以界面工程、阻挡层设计、表面处理，实际上都在做同一件事——让器件安静下来。信噪比（SNR）：把 SNR 定义为信号电流密度与噪声电流密度之比，并指出噪声来源包括热噪声、1/f 噪声和散粒噪声。这提示了一个重要认知：提高探测能力不只有“把信号做大”一条路，也可以“把噪声做小”。很多高水平电路设计的价值，就体现在后者。辐射硬度：作者对CdTe、GaAs、钙钛矿等材料的抗辐照能力做了比较，指出不同材料在不同剂量和能量条件下表现差异显著。比如 GaAs 在高能v辐照下可保持功能；某些有机/无机卤化物钙钛矿也表现出较强缺陷容忍性。辐射硬度是很多“论文亮点”之外、更接近实际应用的硬指标。特别在航天、高能物理、放疗监测中，探测器不是测一次就结束，而是要长期在辐照环境中工作。所以材料“第一次测得好”不够，“照久了还能不能好”才更关键。表1非常值得细看：它其实是一张“直接探测材料地图”

表1汇总了多种典型半导体材料的关键参数，包括：HT；工作电场；最低探测剂量；光谱响应范围；器件结构；检测电路；这张表最值得我们关注的，不是逐项背参数，而是看出三条趋势：趋势一：传统高稳定材料仍然占据重要位置Si、a-Se、CdTe、CZT 这些传统体系仍然是基础骨架。它们的优势在于：工程成熟；稳定性高；系统兼容性较好。这说明行业不会被“新材料热潮”轻易颠覆。成熟路线的壁垒并不只在材料本身，而在整个工艺链和系统链。趋势二：钙钛矿体系强势进入，但稳定性仍是现实问题表1中多种钙钛矿或铋基无铅体系表现出很低的探测下限和不错的 HT，但“稳定性”往往标成Medium。这是最诚实的一部分。作者没有因为钙钛矿热门就一味拔高，而是明确承认：它们的性能很亮眼，但距离全面替代成熟体系，还隔着稳定性、工艺一致性和长期可靠性。趋势三：异质结和晶体管型器件开始出现表里不只是 PIN 或简单夹层结构，还出现异质结、场效应晶体管等方案。这意味着 ×射线探测器正在从“材料块体传感器”走向“功能型半导体器件”。未来竞争不只是材料本身，而是谁能把材料做成更聪明的器件。Semiconductor wt product Electric field Lowest

Spectrum Sensitive structure

Detection circuit

Stability Refs.

material（cm2v）（Vum-）detection dose response range

Silicon >1 0.01-0.1 <10nGyh- 28keV @320um Si-PIN

Single-photon counting

High 129,130

with 20 bits

107 10

a-Se

5.5 uGys" 100keV @100um Se-PIN

Single-photon counting

High 25

Cs,Tels 5.2×10 0.25 <10 nGyh" 40keV FTO/TiOz/Cs,Tel。/PTAA/AU

Source measure unit

High 131

3×10 CdTe

0.5 <10 nGys' 150keV Au/CdTe/Au single crystal

CV+ASIC

High 132,133

CdZnTe （CZT）103to102

50nGys' -10-600keV

CV+ASIC

0.1-0.5

Au/CdTe/Au single crystal

High 134

-103 InSe

0.1-1 6.35 uGys" 80keV Ag/InSe/Ag

Single-photon counting

High 135

BiOs -102

-10 uGys" -50keV-15 Mev

0.1-1

ITO/PEDOT:PSS/P3HT/

Source measure unit

High 136

PC70BM/Bi,Os/BCP/AL

CsPbBrs 10°t10 1.2

500 nGys' 70keV Ga/CsPbBrs/AU

Source measure unit

Medium 137138

CsPbBrs 10°to104 0.11

Au/CsPbBrJ/ITO

53 nGys' 35keV

Source measure unit

Medium 139,140

CsPbls 10°to10 31.25

220nGys' 80keV Au/CsPbl,/Au

Source measure unit

Medium 141

102 14.3 22.1 uGys' 5Okev

Medium

MAPbBrs

Al/MAPbBr/Au

Source measure unit

7-9

Cs,AgBiBra 103 0.05 45.7nGys'' 50kev Au/Cs,AgBiBrdAU

Source measure unit

Medium 142

Rb,Bila 2.51×10 0.3 8.3 nGys' 50keV Au/Rb,Binb/Au

Source measure unit

Medium 143

4.6×10

9.3nGys' 45kev Au/MA,Bid/AU

Source measure unit

Medium 144

MA,Bisl

0.21

CsPbBrl 10 3to 10:4 300

<1 nGys' 20keV @50nm

eterojunction A！

Source meter B2900A

Medium 145

DPP-BTT/CsPbBrl,/A

1.7×10-2

35 uGys"

Field-effect transistors

Keithley 2614source

TIPS

Vse=-20V

140keV

Medium 146

Vsp=-15V

meter

SCU-12

0.71uGys'

Au/SCU-12/AU

Keithley 6517B

147

NA 0.3-0.4

8OkeV

Medium

electrometer

10 0.2-0.6 Resolution 5.5MeV Au/HgsSeb/Au

Multichannel analyser

High

HgsSezlz

148

-8.1%

8×103

Muitichannelanalyser"

「Mediun斗拉10

CsPbBrs

0.1-01 Resolution 662keV EGaln/CsPbBr3/Au

-1.4%

表1！用于直接X射线检测的一些典型半导体材料的性能和电参数。（a-SE，非晶硒；ASIC，专用集成电路；CdZnTe，碲镉锌；CV，电荷电压转换；PIN，正本征负；T，平均载流子寿命；H，载流子迁移率；NA，不适用）核电子学才是决定材料优势体现出来的主角！文章在“Circuitry development”部分明确指出：X 射线与半导体作用后产生的电子-空穴对数量其实并不算多，这对高密度阵列中的读出电路构成挑战，因此经常需要电荷灵敏前置放大器或电压放大器。同时，TFT 读出通常按行扫描完成。随后作者强调，为了优化探测效果，需要在以下参数之间做平衡：响应速度；偏压；信噪比；噪声滤除；像素尺寸；读出速度。这段实际上告诉我们：X射线探测器设计从来不是“单目标优化”，而是多目标折中。比如，提高偏压有助于增益和灵敏度，但也会带来漏电、击穿和可靠性风险；像素做小能提高空间分辨率，但信号变弱、读出压力变大；高速读出能支持 CT 或动态图像，但噪声和功耗可能上升。这是工程设计最真实的状态。光子计数芯片：这是一条会改变行业格局的路线

文章提到，除了传统积分型读出，还有PILATUS、Medipix、TIMEPIX、HEXITECH等光子计数芯片路线。它们不是把一段时间内的总电荷简单积分，而是对每个光子事件进行计数。作者认为，这大幅推动了X射线探测、成像和光谱分析的发展，甚至可以实现近似“噪声自由”的探测，极限主要由光子统计决定。这是全文里最接近“下一代探测范式”的内容之一。积分型探测器更像在量“总亮度”；光子计数型探测器更像在“逐颗数光子”，甚至还能知道每颗光子的能量信息。它的意义非常大：能做能谱CT；能区分不同材料；能提高低剂量成像质量；能减少电子学噪声影响。但它的挑战也更明显：像素内电路复杂；计数率饱和问题；大面积成本高；数据吞吐量极大。所以这不是简单升级，而是系统架构变化。间接探测，闪烁体进入新阶段，材料、光学耦合、读出电路三位一体进入“Indirect X-ray detection”后，作者并没有把它写成传统路线的保守总结，反而强调它仍然有非常明显的优势：大面积成像；宽动态范围；成本优势；应用灵活性强。这说明作者态度很平衡：直接探测很强，但间接探测仍然是很多商业系统的主力，特别是医学和大面积成像。图3是间接探测的总图，包含：不同闪烁体的发射波长范围；闪烁材料演化历程；三种耦合方式；两种典型电路：光子计数与光电积分。图3a：发射波长调谐。作者展示了从紫外到近红外的闪烁发射波长调谐，说明新型闪烁体不再只是“发不发光”，而是开始追求与特定探测器光谱响应的匹配。这很重要。因为间接探测效率不只看闪烁体亮不亮，还要看它发出的光，是否正好落在光电二极管、CCD、CMOS、SiPM 的高响应区。不匹配，就等于有效光产额打折。图3b：材料演化时间线，从传统 Csl:TI、ZnO:Ga、LaBr3:Ce，一直到2017 年后的钙钛矿、2023年聚合物链闪烁体系，作者用时间线告诉读者：闪烁体并不是“老材料领域”，而是正在经历新一轮创新。这很像 LED 或显示材料的发展路径：先是经典无机体系长期统治，随后新型纳米晶、钙钛矿、聚合物等不断涌入，推动效率、颜色、工艺和柔性应用拓展。图3c-e：三种耦合方式：直接耦合；光学镜头耦合；光纤耦合直接耦合：便宜、简单，但可能有光损失，也会影响分辨率。镜头耦合：空间分辨率更好，但系统更复杂。光纤耦合：传输效率高、散射小，特别适合高分辨率传输。这说明在间接探测里，材料性能只是第一步，光路设计同样决定上限。图3f、3g：两种典型读出。作者把间接探测的读出概括为：光子计数（SPAD/SiPM 等）；光电积分（PN光电二极管、CCD/CMOS）。这再次证明，无论直接还是间接路线，最终都会回到一个共同命题：你是按事件数，还是按总强度来读信号？这其实决定了系统定位：是偏向高通量成像，还是偏向高灵敏和能谱分析。a Activate

Luminescence wavelength UV

VIS

NIR-I

NIR-II

YAlO_：Ce

E1,GeO Csl:Tl

CaPbcl，ZnS:Cu/Co" CaPbBrsd

Srsno，：Bl

X-rays

PbWO，CsPbBr，CaPbL

0.001 01 10 300 400 500 600 700 800 900

b

1960:Csl:Ti （4.51g cm , solid）

1970:Zn0:Ga （5.606 g cm ,sclid）

2001: LaBr;Ce （5.06g cm2, solid）

2017: CaPbCl, Br orl

2023:Polymer chain

d

e X-rays

X-rays

/8.5cm

Scintilator

X-rays

8.5cm

Fibre arrays

Couple Obect

Scintillator

layer

CCD

Imagesensor

CMOS Read circuit

Lens Camera

9

X-rays Cathoae

X-rays

Amplifier

SPAD -Rquench

-PD

Photon counting

Integrated intensity High LOW

◎

Time

Anode

Time

Output

图3|间接X射线探测：材料、工程技术与电气工程。a，X射线激发闪烁体的发射波长从紫外（UV）到近红外（NIR）的调节。b，代表性闪烁体的晶体结构及历史时间线，包括传统和新报道的无机与有机闪烁体。C一e，将闪烁体层与光学传感器耦合的各种方法，包括直接耦合（c）、光学透镜耦合（d）和光纤耦合（e）。直接耦合结合胶粘剂粘接以提高成本效益，并通过直接沉积来增强分辨率。光学透镜耦合主要由闪烁体层、光学透镜和成像传感器组成，显著提高了空间分辨率。e闪烁体 8.5 cm X射线 闪烁体 8.5 cm 光纤阵列 CCD CMOS 读出电路 透镜 相机 g X射线 放大器 SPAD Rquench PD 集成强度 高 低 阳极 时间 输出 光纤耦合方法具有散射最小和高成像分辨率等优势。f，9，两种常见的探测电路：光子计数（f）和光电积分（g）。光子计数由许多并行微单元组成，每个微单元包含一个单光子雪崩二极管（SPAD）及其相关的前端电路。这些二极管在盖革模式下工作，输出脉冲的幅度与检测到的光子数量直接相关。相比之下，光电积分依赖于PN结光电二极管（PD）。当这些二极管反向偏置时，电流随光强度线性增加。CCD，电荷耦合器

件；CMOS，互补金属氧化物半导体；VIS，可见光。

间接探测材料最重要的参数：光产额和余辉

作者指出，对闪烁体来说，最关键的指标之一是光产额（light yield），它直接影响灵敏度和 SNR；另一个关键问题是余辉（afteralow），即停止照射后残余发光、会造成连续成像中的伪影

光产额：作者讨论了理论光产额与实际光产额之间的差距，指出自吸收、非辐射复合和光提取效率不足，都会导致实际值低于理论值。这很像太阳能电池里的“理论效率”和“器件效率”差别。不是材料内部产生了多少光就等于最后被系统利用了多少光。因此，闪烁体优化已经不只是化学成分问题，还涉及微结构、表面处理和光管理设计。余辉：作者指出 CT 这类需要快速成像的场景，对余辉特别敏感；像 Csl:TI 虽然经典，但对现代快速CT来说，余辉可能偏大。新型钙钛矿闪烁体则在快速响应方面展现出潜力。这告诉我们一个很现实的工程事实：“亮”不一定最好，“快且干净”有时更重要。在动态成像里，残影会直接损害图像质量。表2：闪烁体世界不是一条赛道，而是多个维度的竞争表2汇总了多类闪烁体：传统闪烁体；钙钛矿单晶；稀土掺杂钙钛矿和金属卤化物；钙钛矿量子点；有机闪烁体；长余辉材料。这张表最值得总结成三点：1.传统无机闪烁体仍然是工业主力。如BGO、Csl:TI、LYSO:Ce、GOS、YAG:Ce、CeBr3 等，优势在于稳定、高可靠、应用成熟；钙钛矿类闪烁体的亮点是“快”和“可调”。2.表中很多钙钛矿体系具有纳秒级衰减时间、可调发射峰位，还具备高光产额潜力；3.有机和长余辉体系打开了新应用想象。尽管未必适合所有常规成像，但在柔性、特种成像、3D成像和长寿命发光标记方面可能有价值。闪烁体的评价不是单一指标冠军制，而是“亮度、速度、稳定性、波长匹配、制备方式”的综合平衡。

Type

Material

Light yield （phMeV/））

Emission wavelength （nm）

Decay time Stability refs.

Traditional scintillators

BGO （Bi.GesOn）

8,500

480

~300ns High 149

Cslli

65,000

540-550

~30ns High 150

LYSO:Ce

2,900

400

~20 uS High 151

Gd,OSiTb

30,000-50,000

430-450,530-550

~.2 uS High

YAG:Ce

16,400

550

1us-10 ms High

57,000-66,000

380-390

20-270ns High

CeBrs

Perovskite single crystals

CH:NHsPbCls

~20,000

438

5.85ns High

MAPbBr,Cl-x

18,000

410-600

0.14ns Medium

CsPbBrs

21,000

525

8.09ns High

CsEuls

24,000

460

High 158,159

3,400ns

CsSrBrly:Eu

Lanthanide-doped perovskites

65,300

452

1,800 ns High 160

and metal halides

CsSrCIBr，：Eu

35,100

445

3,500ns High 160

CsCaBrl:Eu

51,800

462

2,100ns High 160

csCaly:Eu

40,000

460

2,100ns High 161

Cs,Srle:Eu

71,000

460

3,900ns High 162

Perovskite and metalhalide

CsPbBrs

17,700

550

2.87ns Medium 163

quantum dots

CsPbcls

10,000

420

~4ns Low 164

CsPbBrs@SiOz

16,000

550

~3ns High 165

CsPbBr，@Cs,PbBra

6,000

518

3ns High 166

Cs,Cuzls

79,000

445

1,920 ns Medium 167

Organic scintillators

ITC

520-535

~10ms Medium 59

Anthracene

~37%

420-430

30-40ns Medium 168

P-terphenyl

65-70%

340-360

1.5-3ns Medium 169,170

Polyvinyltoluene

1-2%

410-430

2-4ns High 171,172

40/044

materials

SrAl,O.：EuP*/Dy3*

510-520

>10h High 76

ZnS:Cu2/Co2

510-530

1$t00号 Hig衷科技76

ZnGa,gssO.：Cro.oos

700

~1min to~10h High 76

表2|近期报道的闪烁体性能

间接探测的几何设计和耦合结构同样能显著提升成像能力作者在“Engineering detection efficiency”部分举了很多例子：通过针状 Csl:TI、相分离纤维、阳极氧化铝模板、双锥光纤、纳米晶嵌入等结构设计，可以把空间分辨率推到10-22Ip/mm 左右。这部分体现了一个很现代的工程思想：材料不一定要换，结构设计也能显著提升性能。这几年很多高水平工作都在做同一件事：用微纳结构把“光”驯服得更好，让它少扩散、少损失、朝着正确方向传输。这本质上是把光学工程引入 X 射线探测。间接探测中的电路升级：SiPM/MPPC 是一个很关键的方向

作者提到，除了传统CCD、CMOS、PMT和APD，近年来SiPM/MPPC这类工作在光子计数模式的器件越来越多用于间接探测。其优点包括：不受磁场影响；结构紧凑；高增益；适合低光信号探测。但作者也指出了限制：动态范围受限于 Geiger 模式 APD 像素数，多通道器件的图像分辨率仍较有限。这段很实在。SiPM 看起来很强，但它不是万能解。它特别适合低光、高增益、小型化系统；但如果你追求超大面积高分辨率成像，目前仍有不少工程限制。增强能力部分最值得看：X 射线探测正在从“看清楚”走向“看得更丰富”进入“Enhanced X-ray detection capabilities”后，作者重点讲了三个方向：相位衬度成像；多谱/多能成像；AI 辅助 X射线成像。相位衬度成像，作者指出，相位衬度成像通过测量X射线通过物体后的相位变化来形成高对比图像，特别适合吸收对比度很小的样品。同步辐射条件下甚至可检测0.6 nm 高的分子台阶；而近年来也出现了基于常规 X射线源的角度型相位衬度方法，以及多色纳米闪烁体阵列实现的角度转颜色输出方案。这说明×射线成像不再只是“吸收成像”。过去黑白 X 光图像主要反映“哪里吸收强、哪里吸收弱”；相位衬度则开始去读取“波前怎么变化”

”。这是从“强度信息”走向“波动信息”的升级，科学价值和高端应用价值都很高。

多谱/多能成像，传统黑白 X光缺少光子能量信息，而高光谱或多谱 X射线成像可以提供更丰富的材料判别能力。作者指出，这类系统通常依赖光子计数探测器，CZT 是很有前景的材料，同时多层堆叠闪烁体也为能量区分提供了新方案。这是未来临床和工业检测的重要方向。从“有无”到“是什么”，关键就在能量信息。一旦能区分不同能段，探测器就不只是拍照，而开始“识别材料”。AI 辅助 × 射线成像，作者认为 AI已经显著提升了目标检测、图像增强和自动诊断能力。例如在医学影像中，AI系统能辅助诊断胸片、识别病毒性肺炎，甚至在某些任务上表现优于临床专家。作者还提到AI能减少 3D 成像中所需扫描角度和采集时间，也能自动分割 wCT 数据，如电池中锂结构分析。AI在这里的角色不是“锦上添花”，而是开始改变成像系统本身。以前的流程是：先把图采好，再拿去做算法；现在越来越多是：探测器设计、采样策略、图像重建、诊断算法一起协同优化。应用总览

图4把应用分成四大块：医学成像与放疗；工业与安检；材料科学；航天/天文。图4a：医疗成像与放疗。文章指出，商业间接平板多采用 Csl:TI 或 GOS 配合 a-Si 光电二极管和 TFT；而直接型 a-Se 平板因分辨率高，常用于乳腺摄影。作者还分析了不同医学场景的像素尺寸和能量范围需求，例如乳腺摄影通常要求更高像素分辨率。医学场景是最典型的“多目标折中场景”：剂量要低；图像要清；面积要大；成本要可接受；可靠性要高。因此，临床设备最终采用的路线，常常不是论文里性能最极致的那条，而是综合平衡最优的那条。图4b：工业与安检。作者指出，X射线在芯片无损检测、故障分析和安检中都很关键。比如利用NaLuF4:Tb 纳米闪烁体和 CCD 可清晰看到芯片内部；而 ptychographic X-ray laminography 系统可实现集成电路局部18.9nm 分辨率成像。机场安检中，CdTe 和 CZT 探测器正在越来越普及。这说明工业X射线的要求与医学很不一样。它更关心：穿透深度；高能探测；纳米尺度缺陷识别；特定材料辨识；长时间稳定运行。所以工业场景往往更容易推动高能探测和高分辨系统发展。图4c：材料科学。作者指出，在XRD、XRR、掠入射衍射等系统中，关键需求是高灵敏度、高能量分辨、宽动态范围和快速光子计数。Si、CdTe、CZT 等半导体更受青睐，TIMEPIX、PILATUS、HEXITEC等读出芯片也很常见。这部分很能体现“探测器决定科学仪器上限”。很多材料科学进展，不只是样品或光源厉害，也靠探测器把弱小、快速、角度敏感的散射信号捕捉出来。图4d：航天与天文。作者讨论了空间环境下的极端要求，包括辐照、温度、长期可靠性等。CdTe、CZT、GaAs、TIBr 等半导体在干电子伏到数百干电子伏范围有优势，并已用于 Swift、NuSTAR、AstroSat 等任务。对 MeV y 射线，某些闪烁体仍有潜力，但稳定性仍是问题。航天是最苛刻的试金石。能上天的探测器，往往不是单项性能冠军，而是综合生存能力最强的方案。a Medical imaging and diagnosis

Capsule dosimeters for dose monitoring

CT scans

+Diagnosis-

- Radiography

JUU X-ray dose

pH signal Scintillators

Temperature

b Industry and security

Kiloelectronvolt to megaelectronvolt

Camera Chip imaging

High-resolution imaging

X-ray detection

Scintillator

X-ray Industry

C Materials science Mirror

Lattice analysis

X-ray phase-contrast imaging

X-ray diffraction

（100）

Slt

Detector

X-ray sOurCe Sample

（111）

Absorption Phase gradient

d Astronomy

Radioactive

Space imaging

sOuTCe

Space X-ray

Scintillator Photovoltaic cell

品公众号

核衷科技

500 kpc

Radiation cell

图4|X射线检测与成像的多功能应用。a.医学成像与诊断：一种用于诊断多种医疗状况的非侵入性且极具价值的工具（从左到右：计算机断层扫描成像、胸部X光摄影以及专为放疗期间剂量监测设计的胶囊剂量计）。改编自参考文献95，Springer Nature Limited。 b. 工业与安全应用：一种关键技术，可实现半导体芯片和集成电路的高分辨率成像、核电站的剂量监测以及电离辐射的高灵敏度检测（从左到右：基于相机的间接X射线成像、集成电路的高分辨率X射线成像以及用于千电子伏至兆电子伏范围能量收集优化的光纤耦合）。改编自参考文献77，Springer Nature Limited。 C. 材料科学研究：X射线衍射有助于晶体研究，而X射线相衬成像则探索材料表面拓扑结构（从左到右：X射线衍射装置、晶体晶格分析以及X射线相衬成像与传统X射线吸收衬度成像的对比）。改编自参考文献88，CC BY 4.0（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。d. 天文学应用：一种用于捕捉宇宙源发出的高能X射线并揭示宇宙隐藏方面的专门技术（从左到右：空间剂量监测、空间和宇宙X射线成像以及基于闪烁体的核电池）。改编自参考文

献118，Springer Nature Limited。

Box1：作者亲自概括了挑战

Box 1 把当前 X 射线探测的挑战总结成三类：

材料挑战：更低暗电流，更长载流子扩散/传输能力，更高辐射诱导电子-空穴产生效率电路挑战：高灵敏单光子计数电路，高密度大面积阵列，更高 SNR 的电路设计。其他挑战：柔性高灵敏探测电路，封装与可靠性，AI算法提升探测能力，面向不同应用的定制化探测器。这部分相当于作者自己给出的“路线图”。如果你要把全文压缩成一句行业判断，那就是：未来 ×射线探测的竞争，不是某一种材料单点突破，而是围绕“低剂量、高分辨、大面积、快读出、智能化”的系统协同优化。未来真正值得关注的方向是什么

文章最后提出几个未来重点：更高灵敏度材料，用于低剂量和更高分辨率成像；纳米光子结构、光子晶体、纳米等离激元等工程方法，提高光提取或降低偏压；更低噪读出电路、更高光电填充因子、更高精度ADC；更高性能的光子计数探测器；大面积平面探测器的拼接与低成本制造；将网络算法直接集成进探测芯片，提高重建效率和速度。这一段我认为是全文最前瞻的地方。它说明下一代 X 射线探测器的发展方向并不是线性的，而是至少有四条主线并行：第一条：材料线—一更高 Z、更高 wT、更低缺陷、更高稳定性。第二条：器件线—一异质结、传输层、光子计数、晶体管化。第三条：系统线——大面积拼接、高速低噪读出、低功耗。第四条：智能线—一探测、重建、识别一体化。这也是为什么这篇文章标题里既有“Materials innovation”

，又有“Nuclear electronics”。作者真正想说

的是：未来的 ×射线探测器，不是材料学家的独角戏，也不是电路工程师的独白，而是跨学科系统工程。这篇综述最重要的启发在于，它把 ×射线探测重新定义为一个“材料一器件一电路一算法”耦合系统。直接探测路线强调高 Z 半导体和电荷收集效率，间接探测路线强调闪烁体、光学耦合和光电转换效率；而真正拉开代际差异的，是光子计数、异质结构、大面积制造和 AI协同重建等系统能力。换句话说，未来X射线探测的竞争，不再是谁的材料参数更漂亮，而是谁能把材料优势真正兑现成低剂量、高分辨、快速度、可量产、可智能化的完整解决方案。以上。

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