北航光電子試驗(yàn)與技術(shù)大作業(yè)試論光電探測(cè)器件的最新進(jìn)展

1、試論光電探測(cè)器件的最新進(jìn)展院 系 名 稱 ： 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院班 級(jí) ： 學(xué) 號(hào) ： 姓 名 ： 2016年5月2日摘要光電探測(cè)器是一種采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它具有非接觸、響應(yīng)快、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)光電探測(cè)器飛速發(fā)展在各個(gè)領(lǐng)域也占據(jù)著重要的地位。本文介紹了光電探測(cè)器應(yīng)用的兩種領(lǐng)域，以及在該領(lǐng)域中，光電探測(cè)器的最新發(fā)展?fàn)顩r。通過(guò)對(duì)新探測(cè)器的工作原理、材料、性能指標(biāo)參數(shù)、典型應(yīng)用實(shí)例等探討，從而對(duì)光電探測(cè)器有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。關(guān)鍵詞：巴拉格光柵、氧化鋅半導(dǎo)體、PIN光電二極管、硅光電倍增管摘要4一、緒論6二、光電傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用6（一）光纖傳感器61、光纖布拉格光柵62.F

2、BG在骨科中的應(yīng)用73.FBG在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀7（二）寬禁帶半導(dǎo)體ZnO探測(cè)器81.ZnO薄膜的光電性質(zhì)82.ZnO在神經(jīng)檢測(cè)中的運(yùn)用83.ZnO在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r9三、光電傳感器在粒子探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用9（一）大氣顆粒物檢測(cè)91.PIN光電二極管92.PM2.5探測(cè)器103.大氣顆粒物探測(cè)器研究現(xiàn)狀10（二）PET探測(cè)器101.PET探測(cè)器102.基于MPCC的PET123.基于MPCC的PET探測(cè)器研究現(xiàn)狀13參考文獻(xiàn):14一、緒論傳感器是測(cè)量的第一環(huán)節(jié)，它在對(duì)物體從定性描述到定量描述起了非常重要的作用。隨著材料性能的改進(jìn)與制造工藝的不斷完善，光電探測(cè)器也向著陣列化、集成化、便攜化發(fā)展。

3、光電探測(cè)器作為一個(gè)發(fā)展迅速，性能優(yōu)秀的探測(cè)器件，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天、遙感、材料、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。二、光電傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用醫(yī)學(xué)傳感器是連接醫(yī)學(xué)器件與人體部位的關(guān)鍵器件。而光電傳感器作為醫(yī)用傳感器有速度快、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。（一）光纖傳感器1、光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating, FBG）傳感器是一種近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型光纖傳感器。其基本原理是將光纖特定位置制成折射率周期分布的光柵區(qū)，于是特定波長(zhǎng)（布拉格反射光）的光波在這個(gè)區(qū)域內(nèi)將被反射。反射的中心波長(zhǎng)信號(hào)跟光柵周期和纖芯的有效折射率有關(guān)。 將光柵區(qū)用作傳感區(qū)，當(dāng)被傳感物質(zhì)溫度、

4、結(jié)構(gòu)或是位置發(fā)生變化的時(shí)候，光柵的周期和纖芯模的有效折射率將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而改變 Bragg 中心波長(zhǎng)。通過(guò)光譜分析儀或是其它的波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)對(duì)反射光的Bragg 波長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)就可以獲得待測(cè)參量的變化情況（見圖 1）。 圖 1一般反射光中心波長(zhǎng)變化為皮米(pm)量級(jí)，熱脹冷縮的溫度特性一般為10 pmC，拉伸擠壓應(yīng)變特性為12 pm微應(yīng)變，所以FBG的測(cè)量靈敏度極高。FBG技術(shù)允許在一根光纖上串聯(lián)多個(gè)傳感光柵，同時(shí)測(cè)量多個(gè)位置的應(yīng)變、溫度等參數(shù)，不同光柵之間通過(guò)光纖首尾連接，一條光纖可以覆蓋多個(gè)待測(cè)區(qū)域。FBG準(zhǔn)分布式系統(tǒng)見圖 2。將整個(gè)FBG傳感器與FBG解調(diào)儀聯(lián)接，組成完整的

5、FBG測(cè)量系統(tǒng)，見圖 3。將光柵安裝在人體關(guān)節(jié)處或骨折處，可以測(cè)量關(guān)節(jié)骨骼應(yīng)力；貼裝在四肢體表，可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)恢復(fù)過(guò)程中的體溫變化。當(dāng)FBG傳感器受到外部機(jī)械應(yīng)力或溫度變化的影響時(shí)，F(xiàn)BG傳感器發(fā)生軸向應(yīng)變，導(dǎo)致光柵周期發(fā)生變化，引起反射光譜和投射光譜均發(fā)生變化，可通過(guò)光譜分析儀采集和分析。 圖 2圖 32.FBG在骨科中的應(yīng)用了解骨骼疾病和設(shè)計(jì)骨科相關(guān)的器械必須充分掌握骨骼肌肉系統(tǒng)的生物力學(xué)特點(diǎn)?，F(xiàn)今測(cè)量骨骼受力變形應(yīng)用最廣泛的是應(yīng)變計(jì)(strain gauge，SG)測(cè)量方法，可用于模型試驗(yàn)、實(shí)體試驗(yàn)、靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試中進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等方面的檢測(cè)，其電阻變化與應(yīng)變成比例，可以檢

6、測(cè)骨骼在負(fù)載下發(fā)生的變形。有學(xué)者嘗試把FBG傳感器用 于體內(nèi)作為骨應(yīng)變測(cè)量工具，認(rèn)為FBG在許多方面均比SG 表現(xiàn)出更多的優(yōu)點(diǎn)，例如FBG的主要材料為硅酸鹽，生物相容性極好。Carvalho等將FBG傳感器安置在成骨細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境中，觀察其傳感能力是否會(huì)受到影響，發(fā)現(xiàn)成骨細(xì)胞的不斷發(fā)育確實(shí)會(huì)對(duì)FBG傳感器和光導(dǎo)纖維等產(chǎn)生很強(qiáng)的黏附和包裹作用，但在整個(gè)成骨細(xì)胞的培養(yǎng)階段，光纖光柵的傳感能力幾乎沒(méi)有受到影響，由此可見FBG技術(shù)具有良好的細(xì)胞相容能力和可靠的光學(xué)傳感能力。FBG傳感器導(dǎo)致患者發(fā)生排異反應(yīng)和感染的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)SG會(huì)小很多；FBG傳感器體積小，可以封裝成多種形式和形狀，可以非常方便附著在不規(guī)則

7、的骨骼表面；FBG具有很強(qiáng)的抗電磁干擾的特點(diǎn)，可以被用于各種電磁環(huán)境。3.FBG在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀目前FBG技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于多種生物力學(xué)研究領(lǐng)域中，與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有許多顯著優(yōu)點(diǎn)，如體積小、重量輕、傳感器外形多樣化、耐腐蝕、抗電磁干擾、生物相容性好等。 雖然FBG技術(shù)已經(jīng)逐步證明了它的優(yōu)越性和可行性，在許多方面均超過(guò)現(xiàn)行的傳統(tǒng)技術(shù)，但是還沒(méi)有被廣泛推廣和應(yīng)用。盡管FBG傳感器在骨科相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力很大，但仍存在一些有待解決的問(wèn)題。布置在體內(nèi)的FBG傳感器需要 過(guò)光纖與體外的分析處理設(shè)備相連接，這些設(shè)備的體積和重量雖然不算很大，但是依然與醫(yī)生和患者的期望有很大差距，還有FBG傳感器的封裝形

8、式還需進(jìn)一步改進(jìn)。由于FBG傳感器本身只是要求光路和光源，傳感器本身并不需要任何能源配套就能獨(dú)立工作，鑒于這一獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，北科星達(dá)科技有限公司與河北醫(yī)科大學(xué)已經(jīng)聯(lián)手開始通過(guò)“多光纖技術(shù)”和“改善光源”等技術(shù)手段達(dá)到 FBG傳感器與分析系統(tǒng)主機(jī)分離的構(gòu)想。在國(guó)外，日本奧林巴斯醫(yī)療株式會(huì)社已經(jīng)申請(qǐng)了具有FBG傳感器的插入形狀檢測(cè)探頭圖 4的專利。該專利于2006年申請(qǐng)，于2011年公開?，F(xiàn)在已經(jīng)大批量生產(chǎn)應(yīng)用于臨床檢測(cè)中。圖 4加之FBG傳感器極好的組織相容性，其有可能更為靈活地應(yīng)用在更多測(cè)量環(huán)境下，甚至是活體體內(nèi)?？傊現(xiàn)BG技術(shù)還需要不斷改進(jìn)和完善，使其體積更小、使用更靈活、體內(nèi)植入時(shí)創(chuàng)傷更小，

9、在生物力學(xué)，特別是骨骼生物力學(xué)方面具有更廣闊的應(yīng)用前景。（二）寬禁帶半導(dǎo)體ZnO探測(cè)器1.ZnO薄膜的光電性質(zhì)氧化鋅是一種新型的II-VI族直接帶隙寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，室溫下的禁帶寬度為3.36eV，激子結(jié)合能高達(dá)60meV，具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)特性，具備了發(fā)射藍(lán)光或近紫外光的優(yōu)越條件。氧化鋅薄膜的高電阻率與單一的C軸結(jié)晶擇優(yōu)取向決定了它具有良好的壓電常數(shù)與機(jī)電耦合系數(shù)，可用作各種壓電、電聲與聲光器件。早在1976年，ParadisEL就曾報(bào)道，由于壓電材料為光信號(hào)處理提供了一個(gè)主動(dòng)媒介（active medium），氧化鋅壓電薄膜在集成光學(xué)領(lǐng)域便很有用武之地。由于氧化鋅薄膜能夠在低溫下沉

10、積于熔石英基底上，所以在集成光路中主動(dòng)元件的制備方面有著巨大的應(yīng)用潛力。由于光波導(dǎo)中要求光的散射損耗必須很小，而c軸擇優(yōu)取向性強(qiáng)的氧化鋅薄膜能使元件的電光 (electro-optic) 和聲光(a- cousto-optic)效應(yīng)達(dá)到最大限度，所以制備這些主動(dòng)元件需要有接近單晶結(jié)構(gòu)性能的氧化鋅薄膜。此外，氧化鋅具有很高的導(dǎo)電性，它還和其他氧化物一樣具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫性質(zhì)。而且它的來(lái)源豐富，價(jià)格低廉。這些優(yōu)點(diǎn)使它成為制備光電子器件的優(yōu)良材料，極具開發(fā)和應(yīng)用的價(jià)值。2.ZnO在神經(jīng)檢測(cè)中的運(yùn)用2005年左右，光遺傳學(xué)豐富了神經(jīng)科學(xué)家對(duì)大腦功能的理解力，科學(xué)家進(jìn)行了包括基因工程神經(jīng)元傳遞

11、光敏蛋白質(zhì)膜在內(nèi)的各種研究。利用蛋白質(zhì)的傳遞，脈沖光可以用來(lái)促進(jìn)或抑制這些特定的細(xì)胞的活動(dòng)。理論上可以為研究人員提供前所未有的在特定的時(shí)間特定的腦細(xì)胞的能力。 但是，同時(shí)迅速刺激和記錄多個(gè)感興趣點(diǎn)的腦內(nèi)微電路的大腦活動(dòng)是十分困難的。這需要一種既能產(chǎn)生光脈沖的空間區(qū)域，也能以動(dòng)態(tài)模式檢測(cè)興奮細(xì)胞的活動(dòng)所產(chǎn)生的影響的裝置。以前科學(xué)家曾試圖將發(fā)光和電子傳感獨(dú)立組件組裝起來(lái)制備該裝置。但這種探測(cè)器身體笨重，不適合插入人的大腦。由于發(fā)射器和傳感器相隔數(shù)百微米，這是一段相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，刺激和記錄信號(hào)之間的聯(lián)系也是模棱兩可的。因?yàn)閆nO具有優(yōu)越的發(fā)光特性和光電特性，因此它可以同時(shí)用于激發(fā)與檢測(cè)。由ZnO制成的

12、透明緊湊性器件具有產(chǎn)生光脈沖和感應(yīng)電流的功能。當(dāng)光功率的范圍擴(kuò)大到三個(gè)數(shù)量級(jí)以上時(shí)，可得到一系列神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)反應(yīng)，復(fù)制一種在大腦中自然產(chǎn)生的活動(dòng)模式。這種器件的發(fā)明開啟了光遺傳學(xué)運(yùn)作神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新起點(diǎn)。3.ZnO在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r該項(xiàng)研究成果由布朗大學(xué)工程學(xué)院ArtoNurmikko實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)于2015年10月發(fā)表在nature上。同時(shí)該設(shè)備的精密加工由ArtoNurmikko實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)和韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)的助理研究教授IlkerOzden和Yoon-Kyu Song聯(lián)合開發(fā)。此后，Nurmikko實(shí)驗(yàn)室將和Song實(shí)驗(yàn)室一起，計(jì)劃繼續(xù)在首爾進(jìn)行該設(shè)備的進(jìn)一步研究，最終實(shí)現(xiàn)該設(shè)備的無(wú)線化

13、連接。三、光電傳感器在粒子探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用（一）大氣顆粒物檢測(cè)1.PIN光電二極管PIN硅光電二極管的本質(zhì)是一個(gè)反向偏置的半導(dǎo)體二極管，與PN硅光電二極管的結(jié)構(gòu)相比Error! Reference source not found.,不同之處是:在重?fù)诫s的上電極P區(qū)和N區(qū)之間夾有一 層叫做本征層(i層)的半導(dǎo)體。(其工作原由圖 6所示)。當(dāng)PN結(jié)受到電板光照射時(shí),光子和半導(dǎo)體晶格原子相互作 用 , 當(dāng)入射光子能量 E =hv一超過(guò)硅材料禁帶寬度Eg=h vg, 就在耗盡區(qū)中或離耗盡區(qū)邊沿一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。這種電子空穴對(duì)被外加電場(chǎng)拉開,電子向N區(qū)漂 移，空穴向P區(qū)漂移，當(dāng)載流這就是PI

14、 N硅光電二極管的簡(jiǎn)單工作原 理。由于P I N硅光電二極管能選擇耗盡層(即i層)的厚度, 使靈敏度和響應(yīng)速度最佳化,故它是比PN硅光電二極管更為優(yōu)越的探測(cè)器。圖 5圖 62.PM2.5探測(cè)器如果光通過(guò)的地方有浮游粒子，光照到浮游粒子上就會(huì)產(chǎn)生散射，浮游粒子越多，散射光越強(qiáng)且與浮游粒子的量成比例。浮游粒子所散射出來(lái)的光是比較微弱的，而光電倍增管具有獨(dú)特的高靈敏度，因此在檢測(cè)PM2.5的儀器中，用光電倍增管來(lái)接收該散射光，將此信號(hào)積分后變換成脈沖信號(hào)，使其輸出和濃度相對(duì)應(yīng)。這種方法對(duì)濃度的變化可以立刻進(jìn)行跟蹤，因此適用于要進(jìn)行連續(xù)且長(zhǎng)時(shí)間變化檢測(cè)的場(chǎng)合。不過(guò)，有時(shí)候盡管質(zhì)量濃度一定，也有因粒子形

15、狀、折射率不同等引起散射光量變化，這樣會(huì)一定程度上影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了避免這樣的情況，部分儀器則采用了射線法，射線在透過(guò)物質(zhì)時(shí)，其被吸收的量和物質(zhì)的質(zhì)量是成比例的，因此，利用這一方法，可首先讓浮游粒子附著在濾紙上，然后通過(guò)測(cè)量附著前后線吸收量之差來(lái)出求質(zhì)量。隨著大眾對(duì)手持PM2.5測(cè)量?jī)x器的需求，光電倍增管以及模塊化探測(cè)器的體積普遍偏大，難以滿足手持級(jí)設(shè)備的需求，如何制作更小的測(cè)量?jī)x器成為了新的挑戰(zhàn)。這個(gè)時(shí)候小尺寸的PIN光電二極管就成為了大家的最愛。采用PIN光電二極管作為探測(cè)器的PM2.5探測(cè)儀器一般采用激光散射法進(jìn)行PM2.5的檢測(cè)，在方法上也和塵埃粒子計(jì)數(shù)器相似，通過(guò)探測(cè)打在塵

16、埃粒子上產(chǎn)生的散射光，來(lái)進(jìn)行PM2.5的檢測(cè)。每一個(gè)粒子的散射會(huì)產(chǎn)生一次散射光，通過(guò)PIN光電二極管測(cè)量就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，而散射光的光強(qiáng)不同又能反應(yīng)該散射粒子的粒徑大小，表現(xiàn)為每個(gè)脈沖信號(hào)的幅值不同。這樣在測(cè)量出一系列的脈沖信號(hào)后，就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)篩選直徑小于等于 2.5 微米的顆粒物所產(chǎn)生的信號(hào)，計(jì)算PM2.5的濃度。這種方法對(duì)探測(cè)器的要求是要有較高的響應(yīng)頻率，同時(shí)有較小的體積。PIN二極管正好符合這樣的要求，它較低的成本也滿足了家用產(chǎn)品的價(jià)格需求，是生產(chǎn)供個(gè)人使用的手持式PM2.5測(cè)量計(jì)的理想選擇。3.大氣顆粒物探測(cè)器研究現(xiàn)狀光電探測(cè)器不僅可用于探測(cè)PM2.5，還可以用來(lái)檢測(cè)可吸入顆粒

17、物、粉塵等氣溶膠的探測(cè)。目前關(guān)于PM2.5探測(cè)器，市面上已經(jīng)有很成熟的采用光倍增管的儀器。但值得一提的是濱公司的硅光電二極管S1223-01（見Error! Reference source not found.），可用于微型探測(cè)PM2.5探測(cè)。圖 7（二）PET探測(cè)器1.PET探測(cè)器PET是將能放出正電子的同位素標(biāo)記的藥劑注入生物體，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)病變和腫瘤的早期診斷、對(duì)體內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)斷層顯像的儀器裝置。PET探測(cè)時(shí)使用的能放出正電子的具有代表性的原子核有11C、13N、15O、18F。體內(nèi)放出的正電子和周圍組織中的電子結(jié)合時(shí)，向180o的相反方向發(fā)出兩個(gè)射線，根據(jù)同時(shí)計(jì)數(shù)法用體外環(huán)狀排列的探

18、測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。將每個(gè)角度得到的數(shù)據(jù)整理后，使用X射線CT等設(shè)備依據(jù)同樣的畫像再構(gòu)成法作成斷層圖像。PET的特點(diǎn)是能夠?qū)ι矬w的代謝和血流、神經(jīng)傳達(dá)等生理學(xué)、生化學(xué)的信息定量計(jì)測(cè)，以往主要是用來(lái)進(jìn)行腦機(jī)能的研究和各器官的機(jī)能研究。現(xiàn)在不僅在臨床診斷上的應(yīng)用利用很活躍，在癌的診斷上也發(fā)揮著重大作用威力。PET的探測(cè)器是光電倍增管和閃爍體組合而成的。為了能夠高效地檢測(cè)出體內(nèi)放出的高能量（511keV）射線，閃爍體采用BGO和LSO等具有高射線阻止能的晶體。正在研究通過(guò)測(cè)試正電子湮滅時(shí)發(fā)生的射線對(duì)的飛行時(shí)間差，從而了解湮滅位置。因此，采用快速型光電倍增管和熒光衰減時(shí)間短的閃爍體。第一代PET探測(cè)器采用

19、把單個(gè)閃爍晶體耦合在光電倍增管(PMT)上的辦法,它是在1951年由Wrenn和Sweet首先提出的。探測(cè)器的性能優(yōu)劣直接決定著PET系統(tǒng)的好壞。PET系統(tǒng)的空間分辨率常常用線擴(kuò)展函數(shù)(LSF)的半幅值全寬度(FWHM)來(lái)描述。PET系統(tǒng)中心位置的LSF函數(shù)的形狀是三角形,它的FWHM值是探測(cè)器寬度的一半,也就是說(shuō)減少探測(cè)器的寬度可以最大程度地提高系統(tǒng)的空間分辨率。近10年來(lái),PET系統(tǒng)的分辨率從1015mm提高到35mm左右,都是靠減小探測(cè)器的尺寸來(lái)取得的。隨著采用的晶體的尺寸越來(lái)越小,由于受到PMT的尺寸上的限制,不可能采用單一的晶體耦合在PMT上的方法。如今的PET系統(tǒng),探測(cè)器一般地成環(huán)

20、狀配置如Error! Reference source not found.。處于視野四周的伽馬射線將斜入射到探測(cè)器的晶體上,這些伽馬射線極有可能透射過(guò)這個(gè)晶體或產(chǎn)生康普頓散射與相鄰的晶體產(chǎn)生作用。這些作用使得空間分辨率從中心到視野的四周位置呈下降趨勢(shì)。為了解決PET分辨率一致性的問(wèn)題,提出了多種深度檢出型探測(cè)器解決方案。圖 8圖 9M.Schmand等提出了由兩層不同的閃爍晶體構(gòu)成的DOI探測(cè)器見圖 8a。LSO晶體陣列層、GSO晶體陣列層和導(dǎo)光管疊加放置在4個(gè)光電倍增管上。它利用波形鑒別回路,依靠閃爍晶體衰減時(shí)間的差別來(lái)區(qū)分是由哪一層所產(chǎn)生的信號(hào)。由于GSO晶體的衰減時(shí)間較長(zhǎng),所以GSO晶

21、體產(chǎn)生的信號(hào)較LSO晶體產(chǎn)生的信號(hào)相比在時(shí)間上表現(xiàn)為更為滯后。圖 8b清楚地表明了這種類型的DOI探測(cè)器是如何提高視野四周位置的空間分辨率的。也有一些研究者試圖利用輸出脈沖分布的差別來(lái)鑒別作用深度的。對(duì)于BGO/GSO晶體組成的探測(cè)器,由于BGO晶體與GSO晶體的光輸出量差別很大,如Error! Reference source not found.所示。因此只要選擇一個(gè)合適的能量的閾值就可鑒別是BGO事件還是GSO事件。圖 10圖 11日本濱松公司的清水、山下貴司和渡邊光男等人使用兩個(gè)PS-PMT同時(shí)耦合在BGO晶體陣列的兩端構(gòu)成了一種新型探測(cè)器。如圖 11a所示。這樣伽馬射線的作用深度可以

22、通過(guò)計(jì)算兩個(gè)PS-PMTs的輸出信號(hào)之比而得到。另一方面利用Si-PD或APD等常規(guī)半導(dǎo)體器件加上閃爍晶體構(gòu)造PET探測(cè)器也成為一個(gè)重要的研究方向。而且使用半導(dǎo)體器件,也為開發(fā)新型的DOI探測(cè)器創(chuàng)造了條件。圖 11b顯示了由美國(guó)加州大學(xué)(UCLA)的Moses和Derenzo設(shè)計(jì)的一種新型PET探測(cè)器。8×8的PIN-PD陣列耦合在閃爍晶體陣列的一端,而閃爍晶體陣列的另一端耦合在光電倍增管上,因此利用PIN-PD和PMT的輸出信號(hào)比,可以得到伽馬射線的作用深度。另一種新型PET探測(cè)器是利用半導(dǎo)體材料,如CdTe,CdZnTe等。這種探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是直接把伽馬射線轉(zhuǎn)換成電子,而不再借助于

23、閃爍晶體。最近的實(shí)驗(yàn)表明利用CdZnTe可以獲得高的能量分辨率,可惜的是它的時(shí)間分辨率極低。而PET系統(tǒng)要求要有高的時(shí)間分辨率來(lái)消除隨機(jī)噪聲。利用CdZnTe構(gòu)造的PET探測(cè)器要實(shí)用化,還有很長(zhǎng)的一段路要走,最近的實(shí)驗(yàn)表明CdTe形成的載流子的速度比CdZnTe要快,因而有可能獲得高的時(shí)間分辨率,在PET應(yīng)用領(lǐng)域,一些研究者預(yù)言CdTe要取代CdZnTe.2.基于MPCC的PET 硅光電倍增器（MPCC，SIPM）是一種新型的弱光探測(cè)器，有探測(cè)效率高、工作電壓低、體積小等優(yōu)MPCC由數(shù)百至數(shù)萬(wàn)個(gè)直徑為幾到幾十微米的雪崩光電二極管（APD）單元陣列并聯(lián)在一起構(gòu)成，等效電路如圖 12所示。每個(gè)AP

24、D單元工作在蓋革模式下，接收光子將發(fā)生雪崩擊穿產(chǎn)生較大電流，當(dāng)電流超過(guò)一定值，會(huì)被串聯(lián)的數(shù)百千歐電阻淬滅，使APD單元恢復(fù)到初始狀態(tài)，以便接收下一個(gè)光子。由于器件可像PMT一樣進(jìn)行單光子探測(cè)，因此稱為硅光電倍增器?；诎雽?dǎo)體技術(shù)的MPCC與基于真空管技術(shù)的PMT相比，有工作電壓低、對(duì)磁場(chǎng)不敏感、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。MPCC與PMT的性能比較列于Error! Reference source not found.。圖 12基于MPCC的PET探測(cè)器具有可在低電壓下工作的優(yōu)點(diǎn)，并有著高增益、高光子探測(cè)效率、快速響應(yīng)、優(yōu)良的時(shí)間分辨率和寬光譜響應(yīng)范圍等特點(diǎn)。除此之外，也有著抗磁場(chǎng)干擾性和耐機(jī)械沖擊性，這

25、都是固體器件所獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。3.基于MPCC的PET探測(cè)器研究現(xiàn)狀2006年4月10日，皇家飛利浦電子科技有限公司申請(qǐng)了用于to-pet的數(shù)字硅光電倍增管的專利。2015年5月第73屆中國(guó)國(guó)際醫(yī)療器械（春季）博覽會(huì)（CMEF）上濱松展出了新型硅PM產(chǎn)品濱松MPPC（多像素光子計(jì)數(shù)器）作為最具潛力的PET探測(cè)器在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)嶄露頭角。圖 13參考文獻(xiàn):1.聞海豐 高凱強(qiáng) 邢文釗 光纖布拉格光柵技術(shù)傳感器在骨科生物力學(xué)中的應(yīng)用. 中華醫(yī)學(xué)工程雜志2015年6月 第21卷 第3期2. 洪瑞金 賀洪波 邵建達(dá) 范正修 寬禁帶氧化鋅半導(dǎo)體薄膜的研究進(jìn)展. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展 2005年2月 第42卷 第2期3. 林碧霞 傅竹西 劉磁輝 廖桂紅 朱俊杰 段理 氧化鋅寬禁帶半導(dǎo)體薄膜的發(fā)光及其pn結(jié)特性. 固體電子學(xué)研究與進(jìn)展 2002年 第22卷 第4期4. Joonhee Lee,1, Ilker Ozden,1,Yoon-Kyu Song2, 3,Arto V Nurmikko1, 4, Transparent intracortical microprobe array for simultaneous spatiote