研制陣列探測(cè)器

研制陣列探測(cè)器2.1陣列探測(cè)器原理介紹2.1.1Csl(TI)光電二極管探測(cè)器原理閃爍體探測(cè)器由閃爍體耦合光電二極管(或光電倍增管)組成。其原理是某些物質(zhì)在核輻射照射下發(fā)光進(jìn)而實(shí)現(xiàn)探測(cè)核輻射的，這些能夠受激發(fā)光的物質(zhì)叫做熒光物質(zhì)或閃爍體。微弱的熒光通過光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為光電子，光電子通過后續(xù)電子線路的處理放大后輸出信號(hào)脈沖，這就是閃爍體探測(cè)器系統(tǒng)。根據(jù)光電轉(zhuǎn)換器件的不同，閃爍體探測(cè)器可分為兩種，使用光電倍增管的探測(cè)器稱為閃爍體光電倍增管探測(cè)器，使用光電二極管的探測(cè)器稱為閃爍體光電二極管探測(cè)器。相比于光電倍增管，光電二極管的熒光響應(yīng)光譜與閃爍體的發(fā)射光譜匹配程度更好，且光電二極管的外形尺寸小，不需要高壓系統(tǒng)，因此閃爍體光電二極管探測(cè)器是目前工業(yè)cT系統(tǒng)中最常用的x射線探測(cè)器系統(tǒng)方案。Csl是一種堿金屬鹵化物，也是一種靈敏的紫外探測(cè)器，當(dāng)摻入(0.1-0.5)%的銘或鈉等激活劑后，其發(fā)光效率明顯提高，成為非常有效的X射線閃爍體⑹。Csl(TI)晶體探測(cè)效率高，不易潮解。探測(cè)效率越高，工業(yè)CT系統(tǒng)的信噪比和對(duì)比靈敏度也越大；不易潮解，則其封裝和使用更加方便，能夠簡(jiǎn)化工業(yè)CT系統(tǒng)中的探測(cè)器使用環(huán)境，并降低其成本。另外Csl(TI)發(fā)射光譜的峰值波長(zhǎng)為560nm,能夠與光電二極管的靈敏波長(zhǎng)很好的匹配。因此，在高分辨率的X射線工業(yè)CT系統(tǒng)中，Csl(T1)閃爍體得到了廣泛應(yīng)用，故本課題使用CsI(Tl)光電二極管探測(cè)器作為工業(yè)CT系統(tǒng)用探測(cè)器。下圖是Csl(T1)光電二極管探測(cè)器結(jié)構(gòu)原理圖：圖2.1CsI(Tl)光電二極管探測(cè)器結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.1所示，和光電二極管耦合的一面為透明性好的硬質(zhì)光學(xué)玻璃，由于圓柱形晶體和硬質(zhì)玻璃之間存在空氣，為避免射線激發(fā)閃爍體產(chǎn)生的熒光光子在

二者耦合面發(fā)生全反射，所以在玻璃和閃爍體之間加入光學(xué)耦合劑，一般使用硅油、甘油、硅脂等。探測(cè)器上端是閃爍體，閃爍體下面緊挨著的是光電二極管，閃爍體四周和上面都被反光材料所包裹，比如白色氧化鎂、鋁箔、聚四氟乙烯帶、二氧化鈦等，這使得晶體中四面八方發(fā)射的光經(jīng)反光材料反射后大部分都能透過玻璃進(jìn)入光電二極管。CsI(Tl)光電二極管探測(cè)器的工作過程可分為五個(gè)相互聯(lián)系的步驟：(DX射線進(jìn)入閃爍體內(nèi)發(fā)生作用，其所攜帶的能量沉積在晶體中，使CsI(T1)的原子、分子電離和激發(fā)；被電離激發(fā)的原子、分子退激時(shí)產(chǎn)生光子；利用反射材料和光導(dǎo)將光子盡可能收集到光電二極管的光陰極上，由于光電效應(yīng)，光子在光陰極上打出光電子，由此光信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；光電二極管輸出的電流信號(hào)積分為電荷；通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳遞給數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。2.1.2工業(yè)CT原理如圖2.2所示，工業(yè)CT系統(tǒng)由射線源系統(tǒng)、機(jī)械掃描運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、探測(cè)器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等五個(gè)部分組成⑺。圖2.2錐束工業(yè)CT圖2.2錐束工業(yè)CT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖S由釆卑倍糖敏推!H射線源系統(tǒng)由射線發(fā)生器和前準(zhǔn)直器組成，射線發(fā)生器(中子源、Y源和X射線源)發(fā)出掃描樣品需要用到的射線束，而前準(zhǔn)直器則是把射線源發(fā)出的射線整合處理成特定形狀的射線束，比如錐形束、扇形束等。射線源的具體類型一般根據(jù)用戶的需求進(jìn)行選擇;機(jī)械掃描運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要包括伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、多軸運(yùn)動(dòng)控制器和轉(zhuǎn)臺(tái)，它的主要作用是使被測(cè)樣品與射線源-探測(cè)器系統(tǒng)進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，包括平移和旋轉(zhuǎn)，完成射線對(duì)樣品的全景掃描;作為工業(yè)CT系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，探測(cè)器系統(tǒng)包括探測(cè)器和后準(zhǔn)直器兩部分，其功能主要是把射線信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，它的性能優(yōu)劣直接決定工業(yè)CT系統(tǒng)的成像質(zhì)量;數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)主要是將探測(cè)器系統(tǒng)輸出的電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、收集和存儲(chǔ)，同時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng);計(jì)算機(jī)系統(tǒng)因?yàn)橐M(jìn)行掃描控制、投影數(shù)據(jù)的校正、圖像重建和圖像后處理等操作，所以對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能有一定的要求⑻。CsI(Tl)光電二極管探測(cè)器性能模擬本文基于一臺(tái)最大出射能量為225keV的X射線機(jī)，在此基礎(chǔ)上研制的探測(cè)器要盡可能得到高的探測(cè)效率和輸出光子產(chǎn)額。因此，需要通過GEANT4工具包建立模型，模擬得到改變CsI(Tl)晶體厚度和X射線能量的情況下其探測(cè)效率、輸出率和輸出光子產(chǎn)額的變化。熒光輸出率決定晶體后面光電二極管接收到的光子的數(shù)目，而熒光光子的產(chǎn)生又與X射線光子在CsI(Tl)晶體中的能量沉積正相關(guān)。探測(cè)效率受到能量沉積率和熒光輸出率兩個(gè)主要因素的影響，在入射X射線能量在120keV上下，這二者的影響權(quán)重不同。射線能量大于120keV時(shí)，能量沉積率是主要因素，晶體厚度越大越容易沉積，探測(cè)效率自然也就越好；而當(dāng)射線能量小于120keV時(shí)，大多數(shù)X光子都能沉積在晶體中，不同厚度晶體的能量沉積率基本一致，這時(shí)熒光輸出率起主要作用，晶體厚度越大，晶體物質(zhì)對(duì)熒光光子的自吸收和散射就越多,當(dāng)然熒光輸出率也就越小，探測(cè)效率隨之下降⑼。計(jì)算機(jī)模擬證明：CsI(Tl)晶體在0-240keV的X射線入射的情況下其熒光輸出率一般不隨X射線能量的變化而變化，但是當(dāng)CsI(Tl)晶體的厚度增加時(shí)，輸出率降低，且輸出率在45%-63%之間；探測(cè)效率與晶體厚度正相關(guān)，卻隨著X射線能量的增加而減??；輸出光子產(chǎn)額隨著X射線能量的增加先增加后減小，當(dāng)CsI(Tl)晶體厚度為8mm時(shí)，對(duì)于入射的X射線，輸出率52%,探測(cè)效率93%，有最大的輸出光子產(chǎn)額3100U。］。在入射X射線能量范圍不變的情況下，為了實(shí)現(xiàn)CsI(Tl)光電二極管探測(cè)器的性能優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而提高工業(yè)CT系統(tǒng)的探測(cè)效率和像素，CsI(Tl)晶體厚度在8mm附近為最佳。CsI(Tl)光電二極管探測(cè)單元性能檢測(cè)根據(jù)模擬結(jié)果并結(jié)合實(shí)際工作條件，本課題選擇日本濱松(HAMAMATSU)公司生產(chǎn)的型號(hào)為CF240的CsI(Tl)光電二極管探測(cè)器，其中CsI(Tl)晶體的規(guī)格是10mmX10mmX10mm，光電二極管型號(hào)為S3590-08。表2.2S3590-08型號(hào)光電二極管性能參數(shù)

靈敏面積響應(yīng)范圍 靈敏度峰值波長(zhǎng) 光靈敏度 暗電流耗盡層厚度(CsI(Tl)560nm)(Vr=70V) (Vr=70V)Typ.Max10X10mm2320-1100nm960nm0.36A/W 2nA 6nA0.3mm10X10mm2320-1100nm960nm0.36A/W 2nA 6nA0.3mm選擇S3590-08型號(hào)的光電二極管并耦合CsI(T1)晶體組成CsI(T1)光電二極管探測(cè)單元，用聚四氟乙烯完全封裝探測(cè)器，消除自然光對(duì)其性能測(cè)試的十?dāng)_。圖2.圖2.5S3590-08光電二極管(左)和CF240探測(cè)器(右)實(shí)物圖設(shè)定電壓為3.2V,在室溫為22.7攝氏度的條件下，利用最小精度達(dá)lOfA的KEYTHLEY6485皮安表測(cè)量不同二極管的暗電流大小，比較其均勻性。二極管總計(jì)100個(gè)，測(cè)量結(jié)果如圖2.6所示?？梢钥吹教綔y(cè)器暗電流在0.7nA左右，每個(gè)探測(cè)器之間暗電流有一定的差別，但最大值小于InA,其暗電流特性是較好的。導(dǎo)642O.O.G.D.0.020 皿 導(dǎo)642O.O.G.D.0.020 皿 60探測(cè)器編號(hào)60圖2.6100個(gè)探測(cè)器暗電流均勻性比較從100個(gè)二極管中隨意選取一個(gè)作為測(cè)量樣品，將電壓從0每隔IV依次調(diào)節(jié)到30V,分別測(cè)量二極管在不同電壓時(shí)的暗電流大小，測(cè)量結(jié)果如圖2.7所示。可以看到暗電流是隨著偏壓的增大而增大的，并且在電壓低時(shí)變化較快，在反向偏壓為0.1-30V時(shí)，其暗電流在0.2-0.7nA之間。圖2.7探測(cè)器暗電流隨偏壓的變化在相同環(huán)境下檢測(cè)探測(cè)器單元的光電流：讓如圖2.3所示能譜分布的X射線(射線機(jī)管電壓為225keV,管電流為5mA)垂直照射CF240型號(hào)的CsI(Tl)光電二極管探測(cè)器，利用KEYTHLEY6485皮安表實(shí)驗(yàn)測(cè)得探測(cè)器輸出電流為3.78X10-5A。考察實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文選用的CsI(Tl)光電二極管探測(cè)器在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下的光電流為10-5A量級(jí)，而其光電二極管暗電流為10-曲量級(jí)，這就為后續(xù)電路板的設(shè)計(jì)和制作提供了參考依據(jù)。2.4探測(cè)器陣列制作在目前的工業(yè)CT系統(tǒng)中為提高掃描速度和探測(cè)效率，一般都采用錐束掃描方式，與此同時(shí)，對(duì)于探測(cè)器系統(tǒng)的要求也是比較苛刻的。作為透射X射線的接受裝置和信號(hào)轉(zhuǎn)換器，第三代、第四代CT系統(tǒng)的探測(cè)器是由成千上萬個(gè)獨(dú)立探測(cè)單元組成的探測(cè)器陣列，特別是后者需要面陣探測(cè)器來匹配錐束掃描的方式以提高其空間分辨率，面陣的探測(cè)單元越小空間分辨率越高?？s小探測(cè)單元體積是提高工業(yè)CT重建圖像像素的一種方法，即縮小體積的同時(shí)擴(kuò)大探測(cè)單元的數(shù)目，本文選購(gòu)的CsI(Tl)晶體匹配光電二極管探測(cè)器的體積相比于其他探測(cè)器已經(jīng)是比較小的，此時(shí)我們只有增大探測(cè)單元數(shù)目。數(shù)量龐大的獨(dú)立探測(cè)單元要組合成探測(cè)器陣列要依靠特別設(shè)計(jì)的電路板的支持,數(shù)量越大電路板設(shè)計(jì)越復(fù)雜，而且成本昂貴，以至于大規(guī)模面陣探測(cè)器的性價(jià)比不如線陣探測(cè)器，所以當(dāng)前關(guān)于面陣探測(cè)器的應(yīng)用只是處于小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。限于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，綜合考慮各種因素，本文設(shè)定的面陣探測(cè)器規(guī)格是10X10的陣列，共有100個(gè)探測(cè)單元。2.4.1電路板設(shè)計(jì)PROTEL99是ALTIUM公司在80年代開發(fā)的一款EAD(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)軟件，用于原理圖、PCB、FPGA設(shè)計(jì)。在高速電路板布線方面，可進(jìn)行差分對(duì)布線。學(xué)習(xí)并利用PROTEL99軟件設(shè)計(jì)探測(cè)器陣列的基板，10X10陣列的電路設(shè)計(jì)如圖2.8圖2.8探測(cè)陣列電路板設(shè)計(jì)圖2.4.1制作探測(cè)器陣列聯(lián)系專業(yè)生產(chǎn)廠家，加工制作設(shè)計(jì)好的電路板，并利用BGA焊接技術(shù)，焊接FCI300口的連接器，同時(shí)自主焊接相應(yīng)的元器件，制作出10X10CsI(Tl)光電二極管陣列探測(cè)器。BiBaivniiBiBaivnii一J圖2.910X10探測(cè)器陣列實(shí)物圖如圖2.9所示，探測(cè)器單元被整齊地安裝在電路板的基座上