杭州宇称电子发布其自主研发的国内首款多阈值硅像素光子计数探测器，引领X射线成像新一次革命。该探测器采用先进的硅传感器技术，结合优化的ASIC电子学设计，能够实现单光子计数，并记录单光子的能量信息，从而显著提高X射线成像质量，将为医学成像、工业无损检测、X射线光谱分析等领域带来突破。该光子计数探测器将在高端X射线探测器领域帮助国内辐射成像行业打破欧美垄断，破局“卡脖子”硬核科技。
光子计数技术：开启X射线成像的新一次革命
光子计数探测器由于其卓越的性能，有望为整个X射线成像领域带来新突破。被放射学领域知名的期刊《Investigative Radiology》列为"下一代医学影像黄金标准"，光子计数技术正推动CT技术进入能谱CT成像的新阶段。光子计数探测器在原理上便具有引人瞩目的性能优势：
1.单光子级测量：光子计数探测器可以直接捕获单光子能量信息，并区分不同能量级别的单光子。
2.多能量阈值成像：光子计数探测器可以直接记录射入光子的能量和数量，并且按能量区间对光子进行区分，通过多能量阈值设置，实现基于K-吸收边的多能量阈值成像（如铅、铜、碘等特征元素识别），为分子成像奠定基础。
3.超高空间分辨率：光子计数探测器具有超高空间分辨率，宇称电子这款探测器的像素尺寸为70um，在5.36mmx9.72mm面积内芯片集成了8400个有效像素，且无电荷共享导致的图像模糊。
4.高信噪比：光子计数探测器可以通过设置能量阈值，过滤掉绝大部分电子学噪声，显著提高信噪比，进而提升辐射剂量效率。
5.降低辐射剂量：相比于传统的闪烁体探测器，光子计数探测器具有更高的信噪比，可以有效地降低成像所需要的辐射剂量。根据最新研究，采用光子计数技术进行肺癌筛查时，平均辐射剂量仅为0.61-0.75mGy，明显低于传统低剂量CT所需的辐射剂量1.0-2.0mGy。
长期以来，欧美企业在光子计数探测器领域对中国实行严格的技术封锁，通过核心专利布局、供应链管控及产业先发优势，构筑起技术研发与商业转化的双重壁垒。在此背景下，宇称电子成功研制出国内首款双阈值硅像素光子计数探测器，不仅填补了中国在该领域的技术空白，更标志着我国在高端X射线成像设备核心部件领域实现从原理到产品的关键跨越。
宇称电子发布的光子计数探测器，单像素尺寸仅70μmx70μm，在5.36ｍｍｘ9.72ｍｍ芯片面积内集成了70x120=8400个像素。每个像素都配有一个专门的读出电路，并具备两个可调的阈值，能够实现多阈值成像。该光子计数探测器主要用于5-40keV能量范围的X射线探测。
光子计数探测器作为一种新型X射线探测器，配合成像信息处理算法，将为产业提供革命性的创新应用场景。该探测器除了能实现高清晰度的透射率成像外，还能应用于双阈值成像、材料厚度检测、吸收边成像、X射线荧光 (XRF) 成像和X射线衍射成像。
双阈值成像
利用该探测器的多阈值功能，可以实现双阈值X射线成像，将对高低不同能段X射线吸收率不同的物质进行区分。实验样品是用铜材料制成的“杭州”和心形图案，图案背景是对X射线吸收率较低的FR4材料制成的横纵条纹。单阈值吸收率成像结果显示FR4材料和铜混合在一起，在铜涂抹的地方FR4条纹难以看清。利用高低能双阈值成像，可以将FR4与铜分离，分别获得清晰的由FR4材料制作的横纵条纹图像，以及铜材料制成的“杭州”和心形图像。
材料厚度检测
X射线也常用于材料厚度的测量，这种方法对材料不会造成破坏，并且可以实时在线检测厚度。光子计数探测器的测量精度高，并且可以根据被检测材料的种类和厚度设置不同的阈值。当测量密度较低材料的厚度时，使用低能量阈值可以提高测量精度，而当测量密度较高的材料时，使用高能量阈值更加有利于提高测量精度。实验样品是用铜材料制成的“电子”字样，背景是对X射线吸收率较低的FR4材料，利用光子计数探测器可以测量出铜材料的真实厚度，获得该样品的铜厚度分布图。
吸收边成像
元素对X射线的吸收能力在某些特定能量处会突然增加，这种现象被称为吸收边。每种元素都有固定的吸收边能量，不同元素的吸收边能量会不同。吸收边的能量大小只跟原子结构有关，因此吸收边可以作为元素特征标志。利用吸收边可以进行单元素成像，检测元素在二维画面上的分布情况。比如，铜元素的K-吸收边能量为8.9keV，锌元素为9.6keV，砷元素为11.2keV。通过逐步移动探测器的阈值对能量进行扫描，光子计数探测器可以现实单元素成像，识别材料的化学成分。传统的X射线面阵探测器能进行成像，却难以进行材料识别，而光子计数探测器在物质识别方面具有独特的优势。
利用油画颜料制作了一个实验样品，首先用铅白颜料（含铅）写下“宇称”两个字，然后在“宇称”图案上覆盖一层生赭颜料（含铁）。我们通过进行铅元素的吸收边成像的实验，获得了清晰的铅白颜料（铅元素）在画面上的厚度分布。
面阵型XRF成像
这款硅像素探测器能够记录单光子的能量并且阈值可调，因此它具有能量分辨功能，可以测X射线的能谱也能仅记录特定能量的X射线。在探测器前加一个带有小孔的铅准直器，可以同时对样品的一个面进行XRF扫描成像，实现面阵型XRF成像。相比较于传统的单点XRF成像，这种成像方式具有空间分辨率高和成像速度快的特点。
在实验室制作了一个用铅白（含铅）颜料写的“不”字、孔雀蓝（含铜）颜料写的“守”字和用生赭（含铁）颜料写的“恒”字，通过进行面阵型XRF扫描成像实验，分别获得了铅元素XRF成像、铜元素XRF成像和铁元素XRF成像，成像结果均真实反应了样品中金属元素含量的分布情况。
X射线衍射成像
类似于可见光，X射线也存在衍射现象。当X射线照射到晶体材料上时，在满足特定角度的晶面会发生衍射。这款硅像素探测器也可以用于X射线衍射成像，比如测量基于X射线衍射的德拜环。在工件结构内部残余应力检测领域，基于德拜环的应力仪是一种常用的仪器。
利用铁粉样品测得的德拜环的部分图像，在图中可以看到一条明显的亮带，该实验测得探测器对应的圆环部分。X射线衍射成像也常用于研究新材料，测量材料的晶体结构。
宇称电子推出的光子计数探测器由于其电子学噪声小、信噪比高、多能量阈值和阈值可调等优点，解决了传统能量积分式探测器能量信息丢失、分辨率受限、噪声干扰等根本问题，实现超高空间分辨率多能量阈值单光子成像，将在高端医学影像、工业检测、半导体元器件检测、安检等领域带来新的变革，开启量子成像新时代。
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