漆黑的夜，只聽聞巨魔的喘息，惶恐?；蚴怯钪骈g原初的至陽之力。無名指上的指環，映照著的是遠古烈陽的終唱，附和著的是恒古不易的設計。至誠之道嗎？或許只是強國烈火中的火星。

——僅以此獻給實驗室命運未卜的X射線管

大家好！我是一個X射線光子。我的前世是一位高貴且優雅的Cu原子。那天，我百無聊賴地在Cu晶格中搖晃，就像過去的數十萬年一樣。生活總是無聊且愜意，溫度低了我就晃得慢點，溫度高了我就晃得快點。甚至，有無情的烈火讓我離開了過去生活的鄰居“氧原子”。雖然我一直覺得，那是氧原子對友情的背叛，它受不了電與火的考驗離開了過去生活的晶格，但是，誰又知道呢？過去的生活總是令人懷念！

跑遠了，回到正題。我就那般晃悠，享受生活的安逸?？墒翘煊胁粶y風云，我根本不會想到不遠處的電場中正在風馳電掣的電子會影響我一生。數千伏特的高壓讓他的能量越來越高，他跑得越來越快?？蓯?，不遵守交通規則的人。終于，他離開了電場。終于，事故發生了。橫沖直撞的他帶著無與倫比的速度撞進了Cu晶格中，這是我和我的好兄弟們享受生活安逸的地方。

就我這暴脾氣，我能讓他撞過去？我和我的兄弟們即刻按照“上古心法”，結成“周期勢場大陣”，所有人的力量都集中在我身上，以使出“畫圓泄力”之法。這才將高能電子攔了下來。正所謂，江湖兒女俠義為先，有個叫“麥克斯韋”的老頭站出來主持公道。他說電子減速就必須交出電磁波，這是大自然法則規定的，就像是貓吃魚一樣。當時只見對面的高能電子鼻子不是鼻子眼不是眼。其實也能理解，人家可是電場這等大宗門出來的弟子，他能受這氣？可惜，形勢比人強，自然偉力面前他也得認慫。最終，他以電磁波的形式交出了自身能量的一部分。就這樣“韌致輻射”——一個能量均勻分布的X射線誕生了。

圖 1. X射線管產生X射線的工作機理示意

總的來說，第一局我們旗鼓相當。雖然對方已經能量損耗大半，但是他也靠近了我的本體。人家確實是來自大電場的親傳“電子”，他的速度確實太快，能量確實太高，減速之后還是撞飛了我用來防身的K層電子。

第二局，是我輸了。存在電子空位的我開始不穩定起來，我似乎要被肢解了。我盡全力抵抗，可是自然法則終究是自然法則。在法則的支配下，我用L層電子填充了K層電子被撞飛的空缺，同時以光子的形式釋放掉了高能電子帶來的巨大能量。嚴格來說，那個光子就是現在的我。我從本體中離開之后，本體就逐漸恢復了穩定。至此，除了我特有的1.54056 ?波長還能說明前世的身份外，我已經和Cu原子沒有絲毫瓜葛了。我現在叫做“特征輻射”。

我開始漫無目的地飛行。我也不知道我應該去哪里，但是真男人就該勇往直前。任何事情都休想讓我改變步伐。紙？撞過去！鋁？撞過去！鐵？撞過去！透鏡？撞過去！愚蠢的人類，你以為我和孱弱的可見光一樣嗎？前面是什么？鉛？撞過去，誰能攔我？是吧！同胞們，哎你們人呢？怎么只剩這么幾個了？哦，我懂了，大原子序數的家伙不能招惹，會造成大量損傷的?？墒牵l又在乎呢？撞下去，下次遇到再說。

容我以一段不恰當的關于X射線的小故事開始講述。說了這么多，到底什么是X射線呢？簡單來說，X射線是一種高能電磁輻射，其能量范圍大概在145 eV到124 keV。從波長范圍的角度來講，X射線覆蓋了從10皮米到10納米的短波范圍。在頻率上對應于30 PHz到30 AHz的范圍。從本質上講，X射線是特別紫的光，因此有時候也會被稱為X光。一般，人們將X射線按照能量范圍分為能量較低的軟X射線與能量較高的硬X射線（大于5-10 keV）。這種高能光子在我們的生活中有著十分重要的作用。[1]

那么，說他重要又能重要到什么程度呢？夸張地說，這事關中華民族偉大復興的中國夢。在我們讀書的時候，總是害怕考試。但是考試意味著挑戰，也意味著獎學金的機遇。在民族復興的強國路上，也有種種考試。對于科研工作者來說，“卡脖子技術”就應當是那一道占40分的必做題。2018年，科技日報將X射線探測器與芯片、光刻機等一起列為35項“卡脖子”技術。在我國，基于X射線探測裝置的高精類儀器設備受管制形式非常嚴峻，且國產化水平嚴重不足。在傳統醫學成像上，中國最早的專利比美國平均晚20年。在專利數量上，美國是我國的10倍。這意味著整個產業已經完全掌握在國外的企業手里，幾乎所有的知識產權、原創性成果、科研積累都在國外，我國只占了很少一部分。換言之，專利與技術的兩大壁壘已經將我們封鎖在了極其危險的境地。做最極端的假設，一旦X射線探測應用最廣泛的醫療設備全面進入美國出臺的針對中國的《商業管制清單》（CCL），人民生命安全都將面臨挑戰。[2]

實際上，我國高端科研儀器依賴進口的問題已得到有關部門的高度重視。2020年3月13日，《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》正式發布，其中明確指出，“要加強高端科研儀器設備研發制造”。[3] 同年3月19日，工業和信息化部會同有關部門起草的《醫療裝備產業發展規劃（2021-2025年）》也順利通過了專家論證，其中明確要求，開發高端影像診斷裝備，攻關突破基于新一代多功能、集成化檢驗分析裝備，高性能生化分析裝備、免疫分析儀、質譜分析設備等。同時，國家為落實十四五規劃，還啟動實施“基礎科研條件與重大科學儀器設備研發”專項。因此，攻克包括X射線探測器在內的關鍵核心技術，實現重大科學儀器設備的國產化已經勢在必行。[4]

X射線的發展最早可以追溯到1861年英國科學家邁克爾·法拉第 (Michael Faraday，1791-1867)。[5] 法拉第發現，在稀薄氣體中放電時會出現一種絢麗的輝光，人們將這種輝光稱為陰極射線。嚴格來講，這是人類歷史上第一次人為制造出X射線。后來，英國科學家威廉.克魯克斯（William Crookes，1832-1919）發明了克魯克斯管，它可以方便地產生陰極射線。[5] 克魯克斯在研究陰極射線中發現，放置在克魯克斯管旁邊干板會莫名其妙地變黑。站在后來人的角度來講，變黑的干板其實是人類第一次觀察到X射線的證明。只是可惜，一念之差讓克魯克斯老爺子與X射線的發現失之交臂。老爺子一度以為是自己使用的干板壞了，甚至去痛斥膠片廠商，指責其產品質量低劣。只是他不知道的是，這根本就不怪人家膠片廠商。同樣的，美國科學家古德斯伯德也干了這個事兒。反正，這種事情當時發生的不少?？梢?，在面對陌生事物的時候，再偉大的科學家也不會拿捏得那么準。

圖 2. 發現X射線并首次獲得X射線透視照片的倫琴 [6]

來源于Die Karikatur und Satire in der Medizin: mediko-kunsthistorische Studie, Holl?nder, Eugen, 1921

一直到了1895年，終于有人覺得這個事情的發生不正常了，他將這種現象的研究作為了自己接下來的任務。這個人就是后來大名鼎鼎的倫琴（Wilhelm Conrad R?ntgen，1845 –1923）。[7] 1895年10月，德國實驗物理學家倫琴也發現了這種在克魯克斯管附近的底片“跑光”的現象。為此，倫琴設計了很多實驗來驗證這種使干板變黑的不可見光的物理性質。最終在12月28日，倫琴向德國維爾茨堡物理和醫學學會提交了他關于這個現象的第一篇研究通訊《一種新射線——初步報告》，并在論文中使用X作為這種新射線的代號。這里的X，實際就是未知的意思。就此，X射線這種全新的高能輻射正式登上了歷史舞臺。在之后的一百多年中，人們就其粒子性、波性、偏振性等的紛爭也斷斷續續進行了好多年。在這里就不再贅述了。[5] 發展到現在，X射線已經成功應用于國防、科研、醫療等領域。

圖 3. X射線的應用領域 [8]

來源于Adv. Sci. 2021, 8, 2003728（左下角）

X射線能應用于人們生活的方方面面是由于其所特有的性質。首先，X射線雖然是一種光，但是基本上所有的介質對他的折射率幾乎為1。也就是說，它很難發生折射或者反射。X射線與物質發生相互作用就像是高速子彈打靶一樣，打中了就被吸收，打不中就透射過去。這一特性實際上決定了X射線成像系統的可行性。它可以直接給出被成像物體在像平面內的透過率函數的投影。簡單來說就是透視圖。這一特性實際上也從側面給出了X射線所攜帶的信息的穩定性，它幾乎不會喪失自身所攜帶的信息，也不會增加信息識別和解碼的難度。另外，X射線具有較短的波長，很難觀察到它的衍射與干涉現象。這主要是因為我們幾乎找不到能夠與X射線特征波長相匹配的光柵。后來勞厄等人使用晶體中的原子排列得到的周期性結構作為柵，才得到了X射線的衍射圖像。這一成果也發展成了一項檢測物質結構的重要手段。還有，X射線被物質吸收的概率，即子彈打中的概率與原子序數的大小有極強的相關性。這就提供了使用X射線探查物體內部質量、元素分布情況的可能性。此外，X射線還具有顯著的熒光效應、熱效應以及較強的電離物質的能力。它所具有的較強的能量還會引起較強的生物效應，造成生物基因突變。

總結起來，X射線具有很強的粒子性，在大多數環境下都沿著直線傳播；具有極強的能量，可以對生物等產生較強的破壞，可以電離很多物質；具有一定的熒光作用，可以使一部分物質發光（這部分可以在X射線下發光的物質被稱為閃爍體）；具有一定的熱效應；在極少數情況下也具有干涉、衍射等波的特性……

那么如何得到X射線呢？一般而言，X射線的產生設備可根據其發生機理分為以下幾種：“X射線管”、“激光等離子體光源”、“同步輻射光源”、“X射線激光”等。[5, 9] 一般的醫療以及工業應用上，利用X射線管產生的X射線是應用最廣的。本文開頭的故事就描述了X射線管產生X射線的原理。當一束經過電場加速的高能電子轟擊在Cu、Ag等金屬靶材上時，電子的速度會因為靶材原子的阻擋而減小。減速過程就會產生X射線。這種X射線一般不具有很強的特征性，稱為“韌致輻射”，也叫“剎車輻射”。當高能電子與靶材內層電子發生相互作用，使內層電子被激發而留下空位。當靶材原子以放出光子的形式退激發時，所釋放出的光子也屬于X射線。這種X射線光子被稱為“特征輻射”，其波長與靶材原子嚴格相關，一般用來確定靶材原子的種類。換言之，這種輻射可以被稱為靶材原子的指紋。[1, 10]

前文講述了X射線的種種優勢、產生方法等，但是對一個完整的應用系統而言，到最終都要通過X射線探測器進行射線探測。它是數據的轉化、采集的關鍵終端。一般的探測器或是傳感器都是依靠被探測的物質或物體與探測器本身發生相互作用，進而通過相互作用的強弱標定被探測物理量的大小。X射線探測器也不例外。X射線與物質發生相互作用時的形式，主要包括了散射、衍射、反射、吸收、熒光、俄歇過程等。[11] 對于X射線探測器而言，最重要的便是X射線的吸收。由于X射線光子的能量接近甚至大于一般物質的內層電子的束縛能，因此X射線可以通過激發原子的內殼層電子而被原子所吸收。根據能量最低原理，此時的原子是不穩定的，它一定會通過弛豫過程釋放能量回到基態，如果能量釋放的過程中有可見光子的發射，則稱這一過程為熒光過程。我們通過可見光探測器將這種熒光信號轉換為方便處理的電信號，構建出“X射線-光-電”的間接信號轉換體系，就可以方便地檢測X射線通過待檢測物體后的能量和相關物理參數，于是這種模式的X射線探測器就被稱為間接X射線探測器。如果X能量釋放的過程中加入了額外的電場，這部分能量將會造成大量電子和空穴的產生，引起X射線探測材料的電學性質產生變化。以此為依據，我們可以構建出“X射線-電”的直接信號轉換體系，直接獲得X射線作用于物體后的電信號。因此，此類X射線探測器被稱為直接X射線探測器。同時，由于這種電學性質與導電粒子數目相關的現象在半導體材料中表現得最為明顯，于是，這類探測器也可被稱為半導體X射線探測器。就目前的市場而言，兩種探測器的設計思路并沒有很明顯的優劣對比，一般會根據實際使用情況來選擇具體的探測器類型。

圖 4. X射線在物質中的吸收及以此為依據的探測系統分類

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

那么，為什么又說X射線探測器難做呢？這其實有很多各方面的因素。

首先，優異的X射線探測器用探測材料獲得困難。[12] 一般而言，X射線的吸收概率與物質的原子序數的三次方成正比，但通常性能優異的半導體材料與熒光材料的原子序數都比較小，這就要求研究人員必須設計全新的材料來滿足這方面的考慮。

其次，X射線探測器面臨著難以做到大面積的難題。[13] 可見光的探測器可以做得很小，如相機鏡頭。其根本原因在于可見光可以通過光學成像的調制在極小的面積上包含極多的信息。也就是通過針孔般的攝像頭感知并探測幾十平方米甚至更大范圍內的光學信號。可是X射線的粒子性實在太強，它在抗干擾的同時也阻礙了實際應用中的調制。因此，X射線探測器如果要勝任成像工作就需要大于被成像物體面積。一般成像的物體的大小都在幾百平方厘米的尺度上，而當探測器面積增大到這個程度時，噪聲、串擾、均勻性等原本沒那么重要的影響都會被紛紛放大，這對探測器的實際應用提出了嚴峻考驗。

第三，X射線探測器面臨著穩定性差的難題。[14] 如X射線之類的高能輻射與物質發生相互作用時，極易給物質本身帶來嚴重影響。很多材料在工作一定的時間后會出現晶體結構損傷，從而影響探測器的性能。尤其是目前商用的幾種探測材料本身的穩定性就不好，比如，CsI（Tl）的水穩定性不好，在空氣中會吸水潮解；非晶硒在使用一段時間后會晶體化而影響性能……這種本身就不穩定的體系在高電場、高輻射的環境下工作的不穩定性是顯而易見的。倘若，設備使用在高溫、太空、低溫等極端環境時，穩定性表現更是災難。

第四，X射線探測器面臨著分辨率難以提升的難題。[15, 16] 一般而言，X射線探測器主要反饋的是空間中的X射線強度隨波長或位置的分布。如果要看到更清晰的物理圖景，就要求探測器的分辨程度足夠高，即更高的分辨率。而分辨率又是一個相當復雜的物理量。它涉及到了相關系統耦合的匹配程度、X射線與物質相互作用本身的精確程度、光學與半導體學相關參數、器件制造工藝的優良程度等等。

第五，X射線探測器面臨著響應速度的難題。[14] 一般在醫療等動態成像領域，為了盡可能地避免患者接受過量輻射，都會采用脈沖的輻照方式來使用X射線。這樣就要求探測器的記錄速度必須快于射線源的脈沖衰減速度，否則探測器將無法記錄真實數值。當探測器的響應速度慢到一定程度時就會出現重影，影響對實際情況的判斷。

第六，X射線探測器面臨著噪聲難題。噪聲，嚴格地說應該是數據漲落。任意一個實際的測量系統得到的測量值都一定是在真實值周圍起伏的值。這種測量值與真實值之間的差距被稱為測量誤差，也叫噪聲。那么，我們如何分辨一個測試數據的變化，是來自于真實值的變化，還是偶然的數據漲落呢？統計學上給出了最簡單的辦法——“3σ原則”，簡單來說，就是看變化大小。如果測量值變化太大，那就是真實值的變化，測量值變化太小那就是噪聲。可是，如果真實值本身就特別小的話又該怎么辦呢？統計學上當然有處理的方法，可是這種處理會使測試數據丟失大量信息。這樣，就要求測量系統的噪聲必須足夠小。X射線探測系統就更是如此，在醫療CT系統中，每減小一分噪聲，就能減小一分輻射的量，也就能減少一分患者受到的傷害。

以上所述種種限制，已經使X射線探測器的研究與生產十分艱難了，而在實際應用的過程中還有更大的挑戰。

第一，實際上，之前所說的所有要求都不是孤立的，一個好的X射線探測器應該同時滿足以上所說的所有要求?？墒沁@些要求有時是矛盾的。比如，增大探測器面積就必定增加制備難度、提升分辨率等性能在很大程度上就是在增加材料設計的難度……研發出一個好的X射線探測器就如同在鋼絲上奔跑，需要平衡好每一個參數。

第二，“科學無國界，但是科學家有祖國”。我們在發展下X射線探測器的同時還面臨著來自于國外的種種專利與技術封鎖，相關研究舉步維艱。

因此，面對這種事關人民生命安全的卡脖子技術，我們需要聚集國內優勢資源，加快技術及產業布局，聚力關鍵核心技術研究，通過自主創新與人才培養盡快攻克技術難關，以在新一輪的產業競爭中占據主導地位。

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來源: 靳志文