一種基于CsPbBr?單晶探測(cè)器的X射線探測(cè)器內(nèi)計(jì)算方案

X射線探測(cè)器廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷、工業(yè)無(wú)損探傷、安防檢測(cè)等領(lǐng)域。然而，為了滿足高圖像質(zhì)量和高精度診斷的需求，原始數(shù)據(jù)量不斷地增加，這為傳統(tǒng)X射線探測(cè)硬件在數(shù)據(jù)傳輸和功耗方面帶來了諸多挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，華中科技大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)在Nature Communications期刊上發(fā)表了以“Reconfigurable perovskite X-ray detector for intelligent imaging”為主題的文章。該論文的第一作者為Jincong Pang，通訊作者為牛廣達(dá)教授。

這項(xiàng)研究提出了一種基于CsPbBr?單晶探測(cè)器的X射線探測(cè)器內(nèi)計(jì)算方案，該探測(cè)器具有易用的極性可重構(gòu)性、良好的線性動(dòng)態(tài)范圍和強(qiáng)大的穩(wěn)定性。該探測(cè)器具有穩(wěn)定的無(wú)陷阱器件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了106 dB的高線性動(dòng)態(tài)范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)邊緣提取成像，數(shù)據(jù)壓縮比約為50%；也可以通過編程和訓(xùn)練來執(zhí)行模式識(shí)別任務(wù)，準(zhǔn)確率高達(dá)100%。這項(xiàng)研究表明，X射線探測(cè)器內(nèi)計(jì)算可以在靈活和復(fù)雜的場(chǎng)景中使用，使其成為智能X射線成像頗具前景的平臺(tái)。

X射線成像產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)正在成為其數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。為了實(shí)現(xiàn)X射線探測(cè)器內(nèi)計(jì)算方案，研究人員的設(shè)計(jì)理念涉及構(gòu)建由多個(gè)子像素組成的宏像素，并結(jié)合卷積運(yùn)算來獲得預(yù)處理圖像。X射線光子的同時(shí)探測(cè)和初步數(shù)據(jù)處理可以通過單次讀出過程實(shí)現(xiàn)，其工作機(jī)制如圖1a所示。

圖1 X射線探測(cè)器內(nèi)計(jì)算方案的工作原理

研究人員制備了一種N-I-P型器件Bi-ZnO-CsPbBr?-NiOx-C，其中選擇無(wú)機(jī)傳輸層以確保高偏置穩(wěn)定性。研究人員還引入了C??層，該層已被證明是一種有效的鈍化層，可以抑制晶體表面缺陷狀態(tài)，相關(guān)結(jié)果如圖2所示。然后，研究人員系統(tǒng)地評(píng)估了該鈍化探測(cè)器在X射線探測(cè)器內(nèi)計(jì)算中的關(guān)鍵性能指標(biāo)，相關(guān)結(jié)果如圖3所示。

圖2 鈣鈦礦單晶（PSC）在有和沒有C??鈍化層下的缺陷研究

圖3 鈣鈦礦單晶探測(cè)器的性能

研究人員利用偏置可調(diào)諧線性X射線探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)卷積核，從而達(dá)到邊緣清晰度和數(shù)據(jù)壓縮效果。為了成像真實(shí)物體，研究人員采用了具有上述器件結(jié)構(gòu)的宏像素探測(cè)器。測(cè)試系統(tǒng)如圖4a所示。放置在成像目標(biāo)物體與探測(cè)器之間的是準(zhǔn)直器，這是系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。宏像素鈣鈦礦單晶探測(cè)器表現(xiàn)出可同時(shí)感知和處理的功能，并且只能對(duì)目標(biāo)物體探測(cè)和傳輸邊緣信息。

圖4 邊緣提取成像

具有可調(diào)諧權(quán)重的宏像素鈣鈦礦單晶X射線探測(cè)器，在形成卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和執(zhí)行圖像分類任務(wù)方面顯示出潛力，如圖5a所示。通過調(diào)整每個(gè)像素上的偏置電壓，可以更新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重。被物體遮擋并以電信號(hào)表示的X射線信息，乘以由偏置電壓表示的權(quán)重值，即可計(jì)算總輸出電流。其輸出值再反饋調(diào)諧每個(gè)像素的偏置電壓，并重復(fù)該過程。

圖5 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

綜上所述，這項(xiàng)研究提出了X射線探測(cè)器內(nèi)計(jì)算器件。得益于低缺陷密度和有效的鈍化，N-I-P型CsPbBr?鈣鈦礦單晶探測(cè)器具有理想的傳感器內(nèi)計(jì)算性能，包括極性可重構(gòu)性、良好的線性動(dòng)態(tài)范圍和強(qiáng)大的穩(wěn)定性。硬件本身可以執(zhí)行數(shù)據(jù)壓縮的邊緣提取，使用不同的卷積核處理圖像，并執(zhí)行高精度的模式識(shí)別任務(wù)，這相當(dāng)于復(fù)雜且耗能的基于軟件的計(jì)算過程的性能。這項(xiàng)研究為克服X射線探測(cè)系統(tǒng)中與數(shù)據(jù)傳輸、處理和存儲(chǔ)相關(guān)的挑戰(zhàn)提供了潛在解決方案，也為未來開發(fā)和應(yīng)用先進(jìn)的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的X射線探測(cè)器鋪平了道路。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-46184-0

審核編輯：劉清