基于数字平板探测器的高能X射线成像实验研究

　　1　引　言

　　在工业生产中,采用X射线无损检测技术对关键零部件进行质量检验是一个重要的生产环节。以往的X射线成像系统大多采用X光机或者同位素源,这在 检测工件的尺寸方面受到射线源能量的限制,检测厚度仅为几毫米到10cm;若使用胶片或者闪烁屏(图像增强器)和CCD相机获取辐射图像,则在检测速度和 图像质量方面又是不理想的。

　　随着微电子技术和材料科学的发展,数字平板X射线探测器已成为近年来的一种新兴的X射线成像器件。由于它具有很高的空间分辨率和动态范围,而且 又能提供快速的数字图像获取手段,所以数字平板探测器在医学影像诊断中获得了广泛的应用。采用高能X射线直线加速器作为射线源和数字平板X射线探测器作为 成像器件的数字射线成像系统能满足对厚度较大的工件进行高速、高质量的辐射成像无损检测的要求,这在无损检测中具有很好的应用前景。数字平板X射线探测器 在医疗诊断和低能直流束X射线无损检测的成像系统中获得了很好的评价[1],但是在高能脉冲束流X射线成像系统中的应用研究却很少,有关的文献资料也非常 少,仍需要做进一步的分析和实验研究。为了将数字平板探测器有效地应用于电子直线加速器成像系统中,本文对需要重点解决的两个问题作了分析和实验研究:一 是通过照射剂量的计算,对平板探测器在高能X射线成像中的噪声和动态范围进行了分析;二是研究了电子直线加速器脉冲束流与数字平板探测器图像采集的触发同 步问题。通过实验研究,为基于数字平板探测器的高能X射线数字成像系统和高能工业CT设计提供了实验依据。

　　2　基于数字平板探测器的X射线成像系统

　　2.1　数字平板探测器

　　随着微电子集成工艺的发展,基于非晶硅(a-Si)TFT技术的大面积平板探测器获得了发展,并应用到了X射线成像领域。根据X射线转换成电荷 的方式不同,可分为直接转换和非直接转换两种数字平板探测器。采用直接转换方式的平板探测器(例如Hologic公司的DirectRay○R探测器)和 使用非晶硒(a-Se)半导体材料,可直接将X射线光子转换成电荷,并通过高压电场收集电荷,具有非常好的固有清晰度。非直接转换的平板探测器是通过两个 步骤来探测X射线的:首先使用闪烁材料(例如碘化铯)或荧光材料(例如硫氧化钆)来吸收X射线,并转换为光;然后通过非晶硅光电二极管阵列将光转换成电 荷。两种方式的平板探测器在X射线照射过程中,首先是电荷的不断积累,然后被非晶硅薄膜晶体管(TFT)集成电路读出,并完成模数转换,产生数字图像。典 型的结构如图1所示。

　　在实验中采用的平板探测器属于非直接转换类型,它采用的是掺砣硫氧化钆(Gd2O2S:Tb)标准转换屏,像素尺寸为127×127μm2,图 像尺寸为1536×1920μm2,其极限空间分辨率可达3.94对线/mm;采用12bit的A/D转换器,动态范围≥2000∶1。探测器提供高速串 口传输数字图像,图像采集速率为1~30帧/s;提供了一组用于硬件握手和同步的I/O信号,以实现精确的成像控制。