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工業CT 的主要部件和它們的特點

2019-12-10

      一個工業CT 系統至少應當包括輻射探測器,射線源,樣品掃描系統,計算機系統(硬件和軟件)等。


1、 輻射探測器

       工業CT 所用的探測器有兩個主要的類型——分立探測器和面探測器


2、射線源的種類


       射線源常用X 射線機和直線加速器,統稱電子輻射發生器。電子回旋加速器從原則上說可以作CT 的射線源,但是因為強度低,幾乎沒有得到實際的應用。X 射線機的峰值射線能量和強度都是可調的,實際應用的峰值射線能量范圍從幾KeV 到450KeV;直線加速器的峰值射線能量一般不可調,實際應用的峰值射線能量范圍從1 ~16MeV,更高的能量雖可以達到,主要僅用于實驗。電子輻射發生器的共同優點是切斷電源以后就不再產生射線,這種內在的安全性對于工業現場使用是非常有益的。電子輻射發生器的焦點尺寸為幾微米到幾毫米。在高能電子束轉換為X 射線的過程中,僅有小部分能量轉換為X 射線,大部分能量都轉換成了熱,焦點尺寸越小,陽極靶上局部功率密度越大,局部溫度也越高。實際應用的功率是以陽極靶可以長期工作所能耐受的功率密度確定的。因此,小焦點乃至微焦點的的射線源的使用功率或最大電壓都要比大焦點的射線源低。電子輻射發生器的共同缺點是X 射線能譜的多色性,這種連續能譜的X 射線會引起衰減過程中的能譜硬化,導致各種與硬化相關的偽像。


       同位素輻射源的最大優點是它的能譜簡單,同時有消耗電能很少,設備體積小且相對簡單,而且輸出穩定的特點。但是其缺點是輻射源的強度低,為了提高源的強度必須加大源的體積,導致“焦點”尺寸增大。在工業CT 中較少實際應用。


       同步輻射本來是連續能譜,經過單色器選擇可以得到定向的幾乎單能的高強度X 射線,因此可以做成高空間分辨率的CT 系統。但是由于射線能量為20KeV 到30KeV,實際只能用于檢測1mm 左右的小樣品,用于一些特殊的場合。


3、 分立探測器


       常用的X 射線探測器有氣體和閃爍兩大類。


       氣體探測器具有天然的準直特性,限制了散射線的影響;幾乎沒有竄擾;且器件一致性好。缺點是探測效率不易提高,高能應用有一定限制;其次探測單元間隔為數毫米,對于有些應用顯得太大。


       應用更為廣泛的還是閃爍探測器。閃爍探測器的光電轉換部分可以選用光電倍增管或光電二極管。前者有極好的信號噪聲比,但是因為器件尺寸大,難以達到很高的集成度,造價也高。工業CT 中應用最廣泛的是閃爍體—光電二極管組合。


       應用閃爍體的分立探測器的主要優點是:閃爍體在射線方向上的深度可以不受限制,從而使射入的大部分X 光子被俘獲,提高探測效率。尤其在高能條件下,可以縮短獲取時間;因為閃爍體是獨立的,所以幾乎沒有光學的竄擾;同時閃爍體之間還有鎢或其他重金屬隔片,降低了X 射線的竄擾。若將隔片向前延伸形成準直器還可以擋住散射X 射線;分立探測器可以達到16~ 20 bits 的動態范圍,而且不致因為散射和竄擾性能降低。分立探測器的讀出速度很快,在微秒量級。同時可以用加速器輸出脈沖來選通數據采集,最大限度減小信號上疊加的噪聲。分立探測器對于輻射損傷也是最不敏感的。


       分立探測器的主要缺點是像素尺寸不可能做得太小,其相鄰間隔(節距)一般大于0.1mm;另外價格也要貴一些。


       有一些關于CdZnTe 半導體探測器陣列用于工業CT 的報導。半導體探測器俗稱為固體電離室,由于本身對X 射線靈敏,無須外加閃爍體,這種探測器尺寸可以做得較小,沒有光學的竄擾。如果探測單元之間沒有重金屬隔片,仍然無法避免散射X 射線的影響。應當說這是一種很有應用前景的CT 探測器,但目前還有余輝過長等一些技術問題需要解決。


4、 面探測器


       面探測器主要有三種類型:高分辨半導體芯片、平板探測器和圖像增強器。半導體芯片又分為CCD 和CMOS。CCD 對X 射線不敏感,表面還要覆蓋一層閃爍體將X 射線轉換成CCD 敏感的可見光。平板探測器和圖像增強器本質上也需要內部的閃爍體先將X 射線轉換成這些器件敏感波段的可見光。


       半導體芯片具有最小的像素尺寸和最大的探測單元數,像素尺寸可小到10 微米左右,探測單元數量取決于硅單晶的最大尺寸,一般直徑在50mm 以上。因為探測單元很小,信號幅度也很小,為了增大測量信號可以將若干探測單元合并。為了擴大有效探測器面積可以用透鏡或光纖將它們光學耦合到大面積的閃爍體上。用光纖耦合的方法理論上可以把探測器的有效面積在一個方向上延長到任意需要的長度。使用光學耦合的技術還可以使這些半導體器件遠離X 射線束的直接輻照,避免輻照損傷。


       用半導體芯片也可以組成線探測器陣列,每個探測單元對應的閃爍體之間沒有隔離或者在許多探測單元上覆蓋一整條閃爍體,具有面探測器的基本特征,除了像素尺寸小的優點以外,其性能無法與分立探測器相比。圖像增強器是一種傳統的面探測器,是一種真空器件。名義上的像素尺寸<100μm,直徑152~457mm(6~18in)。讀出速度可達15~30 幀/s,是讀出速度最快的面探測器。由于圖像增強過程中的統計漲落產生的固有噪聲,圖像質量比較差,一般射線照相靈敏度僅7~8%,在應用計算機進行數據疊加的情況下,射線照相靈敏度可以提高到2%以上。另外的缺點就是易碎和有圖像扭曲。


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