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Quantitative modeling of perovskite-based direct X-ray flat panel detectors

Zihao Song, Gaozhu Wang, Jincong Pang, Zhiping Zheng, Ling Xu, Ying Zhou, Guangda Niu, Jiang Tang

2024, 17(4): 32.https://doi.org/10.1007/s12200-024-00136-0

Abstract：Direct X-ray detectors based on semiconductors have drawn great attention from researchers in the pursuing of higher imaging quality. However, many previous works focused on the optimization of detection performances but seldomly watch them in an overall view and analyze how they will influence the detective quantum efficiency (DQE) value. Here, we propose a numerical model which shows the quantitative relationship between DQE and the properties of X-ray detectors and electric circuits. Our results point out that pursuing high sensitivity only is meaningless. To reduce the medical X-ray dose by 80%, the requirement for X-ray sensitivity is only at a magnitude of 103 μC Gyair −1⋅cm−2. To achieve the DQE = 0.7 at X-ray sensitivity air from 1248 to 8171 μC Gyair −1⋅cm−2, the requirements on dark current density ranges from 10 to 100 nA⋅cm−2 and the fluctuation of current density should fall in 0.21 to 1.37 nA⋅cm−2.

研究背景

X射线平板探测器广泛应用于医学成像和无损检测，探测量子效率（DQE）是评估其成像性能的主要指标，依赖于探测器的灵敏度、空间分辨率和均匀性。基于闪烁体（如掺铊CsI）的间接型探测器的DQE大多数低于0.7，其致命弱点在于强烈的光学串扰以及来自X射线-可见光-电子转换过程的低灵敏度（< 103 μC Gy−1air⋅cm−2）。相比之下，基于半导体材料的直接型探测器能够一步将X射线转换为电子，具有更高的空间分辨率和灵敏度，从而也具有更高的理论DQE。

基于钙钛矿的X射线探测器（PeroXD）展示出高的X射线灵敏度（>104 μC Gy−1air⋅cm−2）和低的检测极限，成为下一代X射线探测器有竞争力的候选者。尽管钙钛矿材料在X射线探测器领域展现出巨大潜力，但以往的研究多集中于优化探测器性能，而很少从整体角度分析这些性能如何影响侦探量子效率（DQE）值。本文提出的定量模型旨在填补这一空白，为实现高质量X射线成像提供指导。

主要内容

本文提出了一个基于钙钛矿的直接型X射线平板探测器的定量模型，并以PerkinElmer的商用X射线图像传感器Dexela 2923为例，展示了探测器的灵敏度、暗电流密度、噪声等性能参数对DQE的影响。

创新点

提出了一个定量模型，可以用于分析在电路属性（如满阱容量、帧率等）限制下，X射线探测器的特性如何影响DQE。该模型可以作为一个有用的工具，告诉研究人员为了实现高质量成像X射线探测器所需满足的要求。

方法

通过将系统级参数（如转换增益、图像噪声等）分解为器件级参数（如X射线灵敏度、暗电流、电子噪声等），建立了在电路属性（如满阱容量、帧率等）限制下DQE与探测器特性之间的定量关系。他们还针对典型商用器件进行了验证，计算了，高DQE所需的探测器参数的定量值。

结果

研究结果表明，为了追求更高的成像质量，仅仅追求探测器的高灵敏度是没有意义的。对Dexela 2923的计算结果表明，钙钛矿探测器灵敏度达到103 μCGy−1air⋅cm−2足以将医用X射线摄影的成像剂量降低80%，而灵敏度在1248-8171 μCGy−1air⋅cm−2时实现高DQE（0.7）要求暗电流密度在10~100 nA⋅cm−2之间，电流密度波动范围为0.21-1.37 nA⋅cm−2。