漆黑的夜，只听闻巨魔的喘息，惶恐。或是宇宙间原初的至阳之力。无名指上的指环，映照着的是远古烈阳的终唱，附和着的是恒古不易的设计。至诚之道吗？或许只是强国烈火中的火星。

——仅以此献给实验室命运未卜的X射线管

大家好！我是一个X射线光子。我的前世是一位高贵且优雅的Cu原子。那天，我百无聊赖地在Cu晶格中摇晃，就像过去的数十万年一样。生活总是无聊且惬意，温度低了我就晃得慢点，温度高了我就晃得快点。甚至，有无情的烈火让我离开了过去生活的邻居“氧原子”。虽然我一直觉得，那是氧原子对友情的背叛，它受不了电与火的考验离开了过去生活的晶格，但是，谁又知道呢？过去的生活总是令人怀念！

跑远了，回到正题。我就那般晃悠，享受生活的安逸。可是天有不测风云，我根本不会想到不远处的电场中正在风驰电掣的电子会影响我一生。数千伏特的高压让他的能量越来越高，他跑得越来越快。可恶，不遵守交通规则的人。终于，他离开了电场。终于，事故发生了。横冲直撞的他带着无与伦比的速度撞进了Cu晶格中，这是我和我的好兄弟们享受生活安逸的地方。

就我这暴脾气，我能让他撞过去？我和我的兄弟们即刻按照“上古心法”，结成“周期势场大阵”，所有人的力量都集中在我身上，以使出“画圆泄力”之法。这才将高能电子拦了下来。正所谓，江湖儿女侠义为先，有个叫“麦克斯韦”的老头站出来主持公道。他说电子减速就必须交出电磁波，这是大自然法则规定的，就像是猫吃鱼一样。当时只见对面的高能电子鼻子不是鼻子眼不是眼。其实也能理解，人家可是电场这等大宗门出来的弟子，他能受这气？可惜，形势比人强，自然伟力面前他也得认怂。最终，他以电磁波的形式交出了自身能量的一部分。就这样“韧致辐射”——一个能量均匀分布的X射线诞生了。

图 1. X射线管产生X射线的工作机理示意

总的来说，第一局我们旗鼓相当。虽然对方已经能量损耗大半，但是他也靠近了我的本体。人家确实是来自大电场的亲传“电子”，他的速度确实太快，能量确实太高，减速之后还是撞飞了我用来防身的K层电子。

第二局，是我输了。存在电子空位的我开始不稳定起来，我似乎要被肢解了。我尽全力抵抗，可是自然法则终究是自然法则。在法则的支配下，我用L层电子填充了K层电子被撞飞的空缺，同时以光子的形式释放掉了高能电子带来的巨大能量。严格来说，那个光子就是现在的我。我从本体中离开之后，本体就逐渐恢复了稳定。至此，除了我特有的1.54056 Å波长还能说明前世的身份外，我已经和Cu原子没有丝毫瓜葛了。我现在叫做“特征辐射”。

我开始漫无目的地飞行。我也不知道我应该去哪里，但是真男人就该勇往直前。任何事情都休想让我改变步伐。纸？撞过去！铝？撞过去！铁？撞过去！透镜？撞过去！愚蠢的人类，你以为我和孱弱的可见光一样吗？前面是什么？铅？撞过去，谁能拦我？是吧！同胞们，哎你们人呢？怎么只剩这么几个了？哦，我懂了，大原子序数的家伙不能招惹，会造成大量损伤的。可是，谁又在乎呢？撞下去，下次遇到再说。

容我以一段不恰当的关于X射线的小故事开始讲述。说了这么多，到底什么是X射线呢？简单来说，X射线是一种高能电磁辐射，其能量范围大概在145 eV到124 keV。从波长范围的角度来讲，X射线覆盖了从10皮米到10纳米的短波范围。在频率上对应于30 PHz到30 AHz的范围。从本质上讲，X射线是特别紫的光，因此有时候也会被称为X光。一般，人们将X射线按照能量范围分为能量较低的软X射线与能量较高的硬X射线（大于5-10 keV）。这种高能光子在我们的生活中有着十分重要的作用。[1]

那么，说他重要又能重要到什么程度呢？夸张地说，这事关中华民族伟大复兴的中国梦。在我们读书的时候，总是害怕考试。但是考试意味着挑战，也意味着奖学金的机遇。在民族复兴的强国路上，也有种种考试。对于科研工作者来说，“卡脖子技术”就应当是那一道占40分的必做题。2018年，科技日报将X射线探测器与芯片、光刻机等一起列为35项“卡脖子”技术。在我国，基于X射线探测装置的高精类仪器设备受管制形式非常严峻，且国产化水平严重不足。在传统医学成像上，中国最早的专利比美国平均晚20年。在专利数量上，美国是我国的10倍。这意味着整个产业已经完全掌握在国外的企业手里，几乎所有的知识产权、原创性成果、科研积累都在国外，我国只占了很少一部分。换言之，专利与技术的两大壁垒已经将我们封锁在了极其危险的境地。做最极端的假设，一旦X射线探测应用最广泛的医疗设备全面进入美国出台的针对中国的《商业管制清单》（CCL），人民生命安全都将面临挑战。[2]

实际上，我国高端科研仪器依赖进口的问题已得到有关部门的高度重视。2020年3月13日，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》正式发布，其中明确指出，“要加强高端科研仪器设备研发制造”。[3] 同年3月19日，工业和信息化部会同有关部门起草的《医疗装备产业发展规划（2021-2025年）》也顺利通过了专家论证，其中明确要求，开发高端影像诊断装备，攻关突破基于新一代多功能、集成化检验分析装备，高性能生化分析装备、免疫分析仪、质谱分析设备等。同时，国家为落实十四五规划，还启动实施“基础科研条件与重大科学仪器设备研发”专项。因此，攻克包括X射线探测器在内的关键核心技术，实现重大科学仪器设备的国产化已经势在必行。[4]

X射线的发展最早可以追溯到1861年英国科学家迈克尔·法拉第 (Michael Faraday，1791-1867)。[5] 法拉第发现，在稀薄气体中放电时会出现一种绚丽的辉光，人们将这种辉光称为阴极射线。严格来讲，这是人类历史上第一次人为制造出X射线。后来，英国科学家威廉.克鲁克斯（William Crookes，1832-1919）发明了克鲁克斯管，它可以方便地产生阴极射线。[5] 克鲁克斯在研究阴极射线中发现，放置在克鲁克斯管旁边干板会莫名其妙地变黑。站在后来人的角度来讲，变黑的干板其实是人类第一次观察到X射线的证明。只是可惜，一念之差让克鲁克斯老爷子与X射线的发现失之交臂。老爷子一度以为是自己使用的干板坏了，甚至去痛斥胶片厂商，指责其产品质量低劣。只是他不知道的是，这根本就不怪人家胶片厂商。同样的，美国科学家古德斯伯德也干了这个事儿。反正，这种事情当时发生的不少。可见，在面对陌生事物的时候，再伟大的科学家也不会拿捏得那么准。

图 2. 发现X射线并首次获得X射线透视照片的伦琴 [6]

来源于Die Karikatur und Satire in der Medizin: mediko-kunsthistorische Studie, Holländer, Eugen, 1921

一直到了1895年，终于有人觉得这个事情的发生不正常了，他将这种现象的研究作为了自己接下来的任务。这个人就是后来大名鼎鼎的伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen，1845 –1923）。[7] 1895年10月，德国实验物理学家伦琴也发现了这种在克鲁克斯管附近的底片“跑光”的现象。为此，伦琴设计了很多实验来验证这种使干板变黑的不可见光的物理性质。最终在12月28日，伦琴向德国维尔茨堡物理和医学学会提交了他关于这个现象的第一篇研究通讯《一种新射线——初步报告》，并在论文中使用X作为这种新射线的代号。这里的X，实际就是未知的意思。就此，X射线这种全新的高能辐射正式登上了历史舞台。在之后的一百多年中，人们就其粒子性、波性、偏振性等的纷争也断断续续进行了好多年。在这里就不再赘述了。[5] 发展到现在，X射线已经成功应用于国防、科研、医疗等领域。

图 3. X射线的应用领域 [8]

来源于Adv. Sci. 2021, 8, 2003728（左下角）

X射线能应用于人们生活的方方面面是由于其所特有的性质。首先，X射线虽然是一种光，但是基本上所有的介质对他的折射率几乎为1。也就是说，它很难发生折射或者反射。X射线与物质发生相互作用就像是高速子弹打靶一样，打中了就被吸收，打不中就透射过去。这一特性实际上决定了X射线成像系统的可行性。它可以直接给出被成像物体在像平面内的透过率函数的投影。简单来说就是透视图。这一特性实际上也从侧面给出了X射线所携带的信息的稳定性，它几乎不会丧失自身所携带的信息，也不会增加信息识别和解码的难度。另外，X射线具有较短的波长，很难观察到它的衍射与干涉现象。这主要是因为我们几乎找不到能够与X射线特征波长相匹配的光栅。后来劳厄等人使用晶体中的原子排列得到的周期性结构作为栅，才得到了X射线的衍射图像。这一成果也发展成了一项检测物质结构的重要手段。还有，X射线被物质吸收的概率，即子弹打中的概率与原子序数的大小有极强的相关性。这就提供了使用X射线探查物体内部质量、元素分布情况的可能性。此外，X射线还具有显著的荧光效应、热效应以及较强的电离物质的能力。它所具有的较强的能量还会引起较强的生物效应，造成生物基因突变。

总结起来，X射线具有很强的粒子性，在大多数环境下都沿着直线传播；具有极强的能量，可以对生物等产生较强的破坏，可以电离很多物质；具有一定的荧光作用，可以使一部分物质发光（这部分可以在X射线下发光的物质被称为闪烁体）；具有一定的热效应；在极少数情况下也具有干涉、衍射等波的特性……

那么如何得到X射线呢？一般而言，X射线的产生设备可根据其发生机理分为以下几种：“X射线管”、“激光等离子体光源”、“同步辐射光源”、“X射线激光”等。[5, 9] 一般的医疗以及工业应用上，利用X射线管产生的X射线是应用最广的。本文开头的故事就描述了X射线管产生X射线的原理。当一束经过电场加速的高能电子轰击在Cu、Ag等金属靶材上时，电子的速度会因为靶材原子的阻挡而减小。减速过程就会产生X射线。这种X射线一般不具有很强的特征性，称为“韧致辐射”，也叫“刹车辐射”。当高能电子与靶材内层电子发生相互作用，使内层电子被激发而留下空位。当靶材原子以放出光子的形式退激发时，所释放出的光子也属于X射线。这种X射线光子被称为“特征辐射”，其波长与靶材原子严格相关，一般用来确定靶材原子的种类。换言之，这种辐射可以被称为靶材原子的指纹。[1, 10]

前文讲述了X射线的种种优势、产生方法等，但是对一个完整的应用系统而言，到最终都要通过X射线探测器进行射线探测。它是数据的转化、采集的关键终端。一般的探测器或是传感器都是依靠被探测的物质或物体与探测器本身发生相互作用，进而通过相互作用的强弱标定被探测物理量的大小。X射线探测器也不例外。X射线与物质发生相互作用时的形式，主要包括了散射、衍射、反射、吸收、荧光、俄歇过程等。[11] 对于X射线探测器而言，最重要的便是X射线的吸收。由于X射线光子的能量接近甚至大于一般物质的内层电子的束缚能，因此X射线可以通过激发原子的内壳层电子而被原子所吸收。根据能量最低原理，此时的原子是不稳定的，它一定会通过弛豫过程释放能量回到基态，如果能量释放的过程中有可见光子的发射，则称这一过程为荧光过程。我们通过可见光探测器将这种荧光信号转换为方便处理的电信号，构建出“X射线-光-电”的间接信号转换体系，就可以方便地检测X射线通过待检测物体后的能量和相关物理参数，于是这种模式的X射线探测器就被称为间接X射线探测器。如果X能量释放的过程中加入了额外的电场，这部分能量将会造成大量电子和空穴的产生，引起X射线探测材料的电学性质产生变化。以此为依据，我们可以构建出“X射线-电”的直接信号转换体系，直接获得X射线作用于物体后的电信号。因此，此类X射线探测器被称为直接X射线探测器。同时，由于这种电学性质与导电粒子数目相关的现象在半导体材料中表现得最为明显，于是，这类探测器也可被称为半导体X射线探测器。就目前的市场而言，两种探测器的设计思路并没有很明显的优劣对比，一般会根据实际使用情况来选择具体的探测器类型。

图 4. X射线在物质中的吸收及以此为依据的探测系统分类

来源于Materials Today 2022. 10.1016/j.mattod.2022.04.009

那么，为什么又说X射线探测器难做呢？这其实有很多各方面的因素。

首先，优异的X射线探测器用探测材料获得困难。[12] 一般而言，X射线的吸收概率与物质的原子序数的三次方成正比，但通常性能优异的半导体材料与荧光材料的原子序数都比较小，这就要求研究人员必须设计全新的材料来满足这方面的考虑。

其次，X射线探测器面临着难以做到大面积的难题。[13] 可见光的探测器可以做得很小，如相机镜头。其根本原因在于可见光可以通过光学成像的调制在极小的面积上包含极多的信息。也就是通过针孔般的摄像头感知并探测几十平方米甚至更大范围内的光学信号。可是X射线的粒子性实在太强，它在抗干扰的同时也阻碍了实际应用中的调制。因此，X射线探测器如果要胜任成像工作就需要大于被成像物体面积。一般成像的物体的大小都在几百平方厘米的尺度上，而当探测器面积增大到这个程度时，噪声、串扰、均匀性等原本没那么重要的影响都会被纷纷放大，这对探测器的实际应用提出了严峻考验。

第三，X射线探测器面临着稳定性差的难题。[14] 如X射线之类的高能辐射与物质发生相互作用时，极易给物质本身带来严重影响。很多材料在工作一定的时间后会出现晶体结构损伤，从而影响探测器的性能。尤其是目前商用的几种探测材料本身的稳定性就不好，比如，CsI（Tl）的水稳定性不好，在空气中会吸水潮解；非晶硒在使用一段时间后会晶体化而影响性能……这种本身就不稳定的体系在高电场、高辐射的环境下工作的不稳定性是显而易见的。倘若，设备使用在高温、太空、低温等极端环境时，稳定性表现更是灾难。

第四，X射线探测器面临着分辨率难以提升的难题。[15, 16] 一般而言，X射线探测器主要反馈的是空间中的X射线强度随波长或位置的分布。如果要看到更清晰的物理图景，就要求探测器的分辨程度足够高，即更高的分辨率。而分辨率又是一个相当复杂的物理量。它涉及到了相关系统耦合的匹配程度、X射线与物质相互作用本身的精确程度、光学与半导体学相关参数、器件制造工艺的优良程度等等。

第五，X射线探测器面临着响应速度的难题。[14] 一般在医疗等动态成像领域，为了尽可能地避免患者接受过量辐射，都会采用脉冲的辐照方式来使用X射线。这样就要求探测器的记录速度必须快于射线源的脉冲衰减速度，否则探测器将无法记录真实数值。当探测器的响应速度慢到一定程度时就会出现重影，影响对实际情况的判断。

第六，X射线探测器面临着噪声难题。噪声，严格地说应该是数据涨落。任意一个实际的测量系统得到的测量值都一定是在真实值周围起伏的值。这种测量值与真实值之间的差距被称为测量误差，也叫噪声。那么，我们如何分辨一个测试数据的变化，是来自于真实值的变化，还是偶然的数据涨落呢？统计学上给出了最简单的办法——“3σ原则”，简单来说，就是看变化大小。如果测量值变化太大，那就是真实值的变化，测量值变化太小那就是噪声。可是，如果真实值本身就特别小的话又该怎么办呢？统计学上当然有处理的方法，可是这种处理会使测试数据丢失大量信息。这样，就要求测量系统的噪声必须足够小。X射线探测系统就更是如此，在医疗CT系统中，每减小一分噪声，就能减小一分辐射的量，也就能减少一分患者受到的伤害。

以上所述种种限制，已经使X射线探测器的研究与生产十分艰难了，而在实际应用的过程中还有更大的挑战。

第一，实际上，之前所说的所有要求都不是孤立的，一个好的X射线探测器应该同时满足以上所说的所有要求。可是这些要求有时是矛盾的。比如，增大探测器面积就必定增加制备难度、提升分辨率等性能在很大程度上就是在增加材料设计的难度……研发出一个好的X射线探测器就如同在钢丝上奔跑，需要平衡好每一个参数。

第二，“科学无国界，但是科学家有祖国”。我们在发展下X射线探测器的同时还面临着来自于国外的种种专利与技术封锁，相关研究举步维艰。

因此，面对这种事关人民生命安全的卡脖子技术，我们需要聚集国内优势资源，加快技术及产业布局，聚力关键核心技术研究，通过自主创新与人才培养尽快攻克技术难关，以在新一轮的产业竞争中占据主导地位。

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来源: 靳志文