4.1 探测器分类
X射线既客观存在，又不可被肉眼和绝大多数光敏图像传感器所感知，所以只能借助于转换屏将X射线转化为可见光或电信号来进行观察和分析。
射线探测的方法很多，按照探测射线光子的基本过程来对探测器进行分类，主要有X射线转换为可见光子和X射线转换为电信号两大类别。前者称为间接转换探测器，后者称为直接转换探测器。
针对每一种探测器类别，还可以根据射线转换屏材质、图像传感器类型和二者的耦合方式的不同做进一步的细分。
4.1.1 间接转换探测器
使用射线发光材料作为转换屏的探测器称为间接转换探测器。在高能粒子的撞击下，能将高能粒子的动能变为光能而发出可见光的物质主要有两类：荧光物质和闪烁体。
1.转换屏材料
（1）荧光物质 常用的荧光物质主要有硫化锌镉、硫氧化钆、镧系溴氧化物等。在合适的支撑体上，将荧光物质制成厚度均匀的涂层形成荧光屏。由于涂层厚度不同，单位面积质量为50～100mg/cm2。
（2）闪烁体 一些在射线激发下可以发出可见光的透明晶体，其发光强度正比于吸收的射线光子的能量。常见的闪烁体材料包括碘化钠（铊激化）、碘化铯（铊激化）、碘化钠（铯激化）、钨酸镉等。目前可以生产直径300mm以上的碘化铯单晶体，可以加工成不同尺寸和形状的转换屏，厚度为0.2～100mm。
2.转换屏组件
一些射线探测器采用将转换屏与图像传感器直接进行耦合的技术，另外一些射线探测器则使用光增强技术先制成转换屏组件然后再与图像传感器进行耦合。后者有效提高了可见光图像的亮度。
（1）图像增强器 转换屏产生的可见光图像亮度都很低，为了提高光学图像的亮度，早期开发成功的图像增强器可将亮度提高100倍以上，图4-1所示为图像增强器的成像原理。
图4-1 图像增强器的成像原理
1—射线源 2—被检测物体 3—转换屏 4—发射屏 5—磷光屏 6—真空罩 7—二次电子
X射线首先由转换屏产生低亮度可见光，激励光电子发射材料产生二次电子，在经过电场加速后电子聚焦在输出磷光屏上产生高亮度光学图像。
（2）微通道板 成阵列化排列的毛细管，一端受到射线照射时会从另一端发射大量的电子，发射的电子数取决于单位面积上的X射线通量，从而产生一个电子图像，图4-2所示为其成像原理。
图4-2 微通道板的成像原理
1—荧光屏 2—几何光学器件 3—微通道板 4—阴极发光屏 5—光纤 6—光学镜头
转换屏首先将X射线转换为低照度可见光图像，由几何光学器件（如光锥等）对光学图像进行增强后传送至微通道板的输入端，阵列化排列的微通道板光通道避免了光散射，最后到达输出端的阴极发光屏上形成高亮度的可见光图像。
3.图像传感器
图像传感器是指将转换屏（组件）发出的可见光转换为模拟的或数字的视频信号的装置，是一种光注入型图像传感器。常用的图像传感器主要有CCD、CMOS、CIS、a-Si TFT图像传感器等。一般情况下，CCD和CMOS图像传感器适合于制作尺寸较小的、分辨率较高的射线探测器；CIS图像传感器也称为接触式图像传感器，经常用来制作线阵列射线探测器；a-Si TFT图像传感器用于制造大幅面的射线探测器。
4.耦合方式
射线发光材料制作的转换屏与图像传感器的耦合方式主要有光学器件耦合、接触式耦合和直接沉积三种方式。
（1）光学器件耦合 经常使用的光学器件主要包括光学镜头和光锥。利用光学镜头将转换屏可见光图像聚焦到图像传感器靶面上的结构如图4-3所示。
图4-3 光学镜头耦合
利用几何光学器件将可见光转换屏与图像传感器耦合在一起的成像原理如图4-4所示。
图4-4 光耦合成像原理
常见的几何光学器件是光锥，输入端的面积较大，与可见光转换屏进行接触式机械连接；输出端面积较小，与图像传感器进行接触式机械连接。光锥具有光增强效果，光锥的输入端面积与输出端面积比就是光增强的倍数。
（2）接触式耦合 采用粘贴固定法将荧光转换屏与图像传感器进行接触式连接。在单独加工好转换屏和图像传感器后，将二者进行机械性连接，如粘贴、压紧、固定等。图4-5所示为采用接触式耦合方式将荧光转换屏与a-Si TFT图像传感器安装在一起的射线探测器。
接触式耦合结构的图像传感器对转换屏的光吸收效率高，可消除外部光散射的影响，是目前射线探测器采用的常见耦合方式。
图4-5 采用接触式耦合射线探测器的封装结构
（3）直接沉积 直接沉积法是在图像传感器加工完成后，利用物理或化学气相法将转换屏材料直接沉积到图像传感器的敏感区域，形成具有一定厚度的均匀薄膜结构。直接沉积法可以使转换屏材料与图像传感器感应区达到分子级的结合，通过沉积工艺可控制薄膜的显微结构，如形成碘化铯薄膜的纤维结构来减小光散射。
4.1.2 直接转换探测器
一些非晶体材料在X射线的作用下产生电子发射效应，可以在材料中激发出带电粒子，这些带电粒子在电场作用下沿一定方向移动并产生电流，所以被称为光电子发射材料，简称为光电材料，如碲锌镉（CdZnTe）和非晶硒（a-Se）等。
1.光电转换屏材料
（1）光伏材料 在射线照射条件下，利用半导体的光伏效应在半导体中产生自由电子，从而极大地改变了半导体的结电阻形成电流。例如，当射线照射一个太阳能电池时，与之连接的微安表可以测量出一定大小的电流。常见的光伏材料有非晶硅、非晶硒等。
（2）光导材料 光导材料是一种导电性与入射光通量相对应的半导体材料，经常用于制造X射线敏感摄像机。在摄像机靶面制作射线敏感光导材料涂层，使得其导电性与入射射线的剂量相对应，从而利用相机本身的扫描系统来形成X射线的视频图像。已经被证实的对射线敏感的光导材料有硫化镉、硒化镉、氧化铅和硒等。
2.图像传感器
直接转换探测器的图像传感器属于电注入型，能够接收转换屏产生的电子并转化为模拟的或数字的视频信号。常见的是a-Si TFT电注入型图像传感器和经过靶面改良的射线敏感摄像机。
3.耦合方式
由光电材料制作的转换屏与图像传感器的耦合方式主要采用接触式耦合和直接沉积等两种方式。
（1）接触式耦合 将光电半导体薄膜与电注入型图像传感器进行接触式机械耦合。在外加电场作用下，转换屏在射线照射下产生微电流由阵列化图像传感器进行电荷储存，然后转化为数字信号，成像原理如图4-6所示。
图4-6 直接转换成像原理
具有这种结构的射线探测器主要有非晶硒面阵列、线阵列和多线阵列等。
（2）直接沉积耦合 常见的是X射线敏感相机，图像传感器接受X射线照射后，直接输出视频图像，成像原理如图4-7所示。
图4-7 X射线敏感相机成像原理
由于X射线的穿透性较强，所以这种相机一般只能对软射线进行成像。