iWoRiD 輻射成像探測器國際研討會每年舉行一次，其目的是為從事輻射成像探測器領(lǐng)域的科研學(xué)者提供一個分享新進(jìn)展新成就，探討未來發(fā)展和深化交流合作的國際化平臺。

研討會聚焦半導(dǎo)體、氣體和閃爍體探測器，主題包括探測器材料的處理和表征、混合和互連技術(shù)、計數(shù)或集成電子器件的設(shè)計、讀出和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及涉及科研及工業(yè)領(lǐng)域的多項應(yīng)用。

今年的會議將于7月6-10日在美麗的斯洛伐克（Slovakia）首都伯拉第斯拉瓦（Bratislava）召開。

眾星聯(lián)恒的合作伙伴ADVACAM研究團(tuán)隊的三位主要成員將在會議上發(fā)表相關(guān)報告：

采用CdTe傳感器的混合像素半導(dǎo)體探測器在醫(yī)療和工業(yè)X射線成像領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。這類探測器能夠高效地將電離輻射轉(zhuǎn)化為電信號，從而實現(xiàn)直接輻射檢測。其設(shè)計不僅具備卓越的檢測靈敏度，還能消除模擬噪聲。然而，CdTe傳感器存在晶體缺陷問題，可能影響檢測穩(wěn)定性和成像質(zhì)量。這些時效性影響可通過硬件方案（如脈沖偏壓調(diào)制）和軟件算法有效解決。本文將展示采用圖像校正方法可提升CdTe傳感器的極化穩(wěn)定性，從而使圖像均勻性獲得數(shù)倍增強(qiáng)，這標(biāo)志著圖像質(zhì)量與分辨率改進(jìn)的重大突破。

我們將以搭載CERN合作組研發(fā)Medipix芯片的WidePIX MPX3 5x5探測器為例，展示圖像校正技術(shù)的應(yīng)用效果。這款創(chuàng)新型設(shè)備擁有7x7厘米CdTe傳感器區(qū)域和1280×1280像素分辨率，特別適合大物體成像。依托MediPIX3技術(shù)，該探測器能獲取高對比度、寬動態(tài)范圍的X射線圖像，即使是軟組織或塑料等低對比度結(jié)構(gòu)也能清晰呈現(xiàn)。其能量甄別功能更支持能譜X射線成像，可生成多通道"彩色"X射線圖像，通過不同顏色區(qū)分各類材料。圖像校正技術(shù)與大面積傳感器的結(jié)合，為放射成像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展開辟了廣闊前景。

碳化硅（SiC）探測器已成為高能大劑量率放射治療劑量學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)突破。要實現(xiàn)大劑量率條件下的精準(zhǔn)劑量追蹤，必須采用能耐受極端環(huán)境并提供可靠測量的劑量計。傳統(tǒng)硅探測器雖靈敏度高，但在輻射損傷、溫度效應(yīng)和劑量率依賴性影響下易出現(xiàn)性能退化，難以保證長期測量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。相比之下，SiC探測器憑借其寬帶隙特性、高抗輻照能力和對環(huán)境波動低敏感度，展現(xiàn)出卓越的輻射耐受性、極低漏電流和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。搭載SiC傳感器和Timepix3讀出芯片的高分辨率輻射檢測相機(jī)，能實現(xiàn)實時束流監(jiān)測與粒子追蹤。這種基于SiC的探測器是復(fù)雜輻射環(huán)境下進(jìn)行精確穩(wěn)定測量的理想選擇，為現(xiàn)代放射治療所需的可靠劑量投遞提供了關(guān)鍵支持。本研究旨在通過新型碳化硅（SiC）像素化探測器，對質(zhì)子、碳離子、電子等多種粒子的初級及混合輻射場進(jìn)行束流結(jié)構(gòu)、粒子追蹤及通量等輻射場特性表征，并建立相應(yīng)的輻射品質(zhì)測量方法。

該探測器采用65微米厚有源SiC傳感器，通過凸點鍵合技術(shù)與Timepix3專用集成電路芯片集成，形成像素化輻射敏感單元，可實現(xiàn)空間分辨測量與精細(xì)粒子追蹤。在+200V偏壓工作條件下，探測器支持像素級能量校準(zhǔn)，能精確記錄像素矩陣內(nèi)每個粒子的相互作用。55×55微米的像素尺寸可高分辨率追蹤粒子徑跡與能量沉積，全視場（4π）探測能力配合先進(jìn)的像素電子學(xué)系統(tǒng)，使其能檢測質(zhì)子、碳離子、電子乃至快中子等多種輻射。相較于硅傳感器，結(jié)合SiC和Timepix3的MInipix探測器在中子探測方面具有更寬能域和更高選擇性。

該探測器的緊湊結(jié)構(gòu)和便捷的數(shù)據(jù)系統(tǒng)集成特性，使其特別適合實時劑量測定與輻射成像，為精確追蹤和劑量分布測量提供支持。我們在MedAustron離子治療中心開展了實驗驗證，該醫(yī)療設(shè)施可將質(zhì)子加速至62-250MeV、碳離子加速至402MeV/u，臨床模式下粒子通量高達(dá)10^9粒子/平方厘米/秒，并設(shè)有10^5粒子/平方厘米/秒的低流強(qiáng)模式供精細(xì)測量。

圖1 ?在MedAustron 使用帶有 SiC 傳感器的 Minipix Timepix3 進(jìn)行實驗設(shè)置

實驗中，將Minipix Timepix3 SiC探測器置于束流等中心上方，通過單能筆形束照射獲取粒子相互作用數(shù)據(jù)。圖2展示了該探測器對120MeV碳離子束的粒子徑跡可視化及能譜分析結(jié)果，證實了其作為新型探測器材料在各類加速器質(zhì)控與束流表征中的應(yīng)用潛力。

a) 碳離子產(chǎn)生的單粒子軌跡可視化； ? ? ? ?b) 輻射場可視化?

c) 沉積的能量譜

圖2 ?使用帶有 SiC 傳感器的 Minipix Timepix3?

對 120 MeV/u 的碳離子束進(jìn)行表征

對外太空輻射場的認(rèn)知與測量對于科學(xué)研究（太空天氣、日地物理）、衛(wèi)星工業(yè)工程及航天器運營具有重要價值。隨著航天器元器件對復(fù)雜空間輻射場特性變化及巨大梯度的敏感性日益增強(qiáng)^[1]，準(zhǔn)確測量這一高度動態(tài)的混合輻射場需要探測器具備粒子甄別能力，并能響應(yīng)輻射場強(qiáng)度、粒子能譜、方向性、空間位置（衛(wèi)星軌道）及時間等多維參數(shù)的寬動態(tài)范圍。為此，半導(dǎo)體像素探測器Timepix3已搭載于OneWeb公司JoeySat衛(wèi)星（2023年5月發(fā)射，極地軌道高度600-1200公里）進(jìn)入近地軌道運行。該探測器可獲取衛(wèi)星環(huán)境中復(fù)雜空間輻射場的全維度精細(xì)數(shù)據(jù)，其采用商用現(xiàn)貨電子元件^[2]的微型化載荷設(shè)計，具有質(zhì)量輕、功耗低、部署成本優(yōu)勢顯著等特點。

如圖3所示，MiniPix-TPX3 Space探測器通過定制化控制與讀出計算機(jī)連接衛(wèi)星SOCAN總線接口。為適應(yīng)高強(qiáng)度輻射環(huán)境，探測器配置了5毫米鋁屏蔽層以抵御等離子體與極端電場，并過濾≈1 MeV以下電子、≈30 MeV以下質(zhì)子及≈10 keV以下低能X射線。輻射場測量以毫秒至25秒不等的間隔持續(xù)進(jìn)行，每分鐘均形成完整數(shù)據(jù)集，原始數(shù)據(jù)總量最高達(dá)24MB/天并下傳至地面站進(jìn)行離線處理。

圖3

(a) The miniaturized MiniPix-Timepix3 Space detector (Advacam) onboard JoeySat. Size 95 mm × 28 mm × 21 mm, mass ≈ 100 g (with casing). Power consumption ≈ 2 W. The detector is controlled and readout by serial flexi connector (shown on the side).?

(b) The MPX payload with the control/readout computer (Oledcomm) and interface to JoeySat satellite SOCAN bus (OneWeb/Eutelsat)

基于衛(wèi)星軌道的輻射數(shù)據(jù)分析具備粒子種類分辨能力，可精確輸出寬強(qiáng)度范圍內(nèi)的總/部分粒子通量（圖4）與劑量率。帶有精確時間戳的詳細(xì)數(shù)據(jù)（圖4a,b）為后續(xù)物理分析提供基礎(chǔ)，圖中初期觀測到的巨大通量峰值對應(yīng)衛(wèi)星穿越極區(qū)輻射帶的時刻。不同粒子類型呈現(xiàn)明顯差異化的軌道-時間關(guān)聯(lián)特征：質(zhì)子組分與磁暴起始期高度相關(guān)，電子、低能γ/X射線（未顯示）則表現(xiàn)出部分重疊又各具特色的軌道-時間依賴性。分析結(jié)果還包括粒子劑量率（總/部分）、沉積能量分布、線性能量轉(zhuǎn)移（LET）譜及方向通量等參數(shù)，并沿衛(wèi)星軌道進(jìn)行量化評估。圖4c,d展示了地磁暴事件前后數(shù)日內(nèi)的所有粒子通量變化，測量值跨越近6個數(shù)量級。針對衛(wèi)星變軌過程（600公里、1200公里及轉(zhuǎn)移段）及不同日地活動期的系統(tǒng)化成果，包括后期物理評估結(jié)果將陸續(xù)發(fā)布。

圖4 (left panel) Time dependance of particle flux (displayed in log scale) of space radiation measured by Timepix3 in LEO orbit at 600 km onboard the JoeySat OneWeb satellite:a) all particles, b) protons. Data are given for a 14-hour interval on 23 March 2024 (left) and an 11-hour interval on 24 March (middle) 2024. (right panel) Earth maps of particle flux (a) prior and?(b) during the 11 May 2024 solar storm. Particle flux data are displayed by the color bar (log scale) for all particles in log scale (color bar) acquired in interval of 9 days:(c) 1-10 May 2024 and?(d) 11-19 May 2024.