基于數(shù)字平板探測器的高能X射線成像實驗研究

1、第29卷第6期2003年11月光學技術OPTICAL TECHN IQU E Vol.29No.6Nov.2003文章編號:100221582(20030620660204基于數(shù)字平板探測器的高能X 射線成像實驗研究肖永順,陳志強,張麗,康克軍(清華大學工程物理系,北京100084摘要:為了將數(shù)字平板探測器應用到高能X 射線成像無損檢測,通過實驗研究了平板探測器的噪聲和動態(tài)范圍。設計了基于平板探測器的高能X 射線成像系統(tǒng)。通過實驗研究了電子直線加速器對數(shù)字平板探測器圖像采集的束流觸發(fā)同步問題。關鍵詞:數(shù)字平板探測器;數(shù)字X 射線照相;同步觸發(fā)中圖分類號:TP751文獻標識碼:AExperime

2、nt research on high energy X 2ray radiographybased on digital flat 2panel detectorXI AO Y ong 2shun ,CHE N Zhi 2qiang ,ZH ANGLi ,K ANG Ke 2jun(Department of Engineering Physics ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China Abstract :In order to apply digital flat 2panel detector to high energy X 2ray r

3、adiography nondestructive testing ,the experi 2ments are used to research on the noise and dynamic range characters.The design of high energy X 2ray radiography system based on the flat 2panel detector is presented.Experiment research on the problems of synchronized trigger between accelerator and f

4、lat 2panel detector is also discussed.K ey w ords :digital flat 2panel detector ;digital X 2ray radiography ;synchronized trigger1引言在工業(yè)生產(chǎn)中,采用X 射線無損檢測技術對關鍵零部件進行質(zhì)量檢驗是一個重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。以往的X 射線成像系統(tǒng)大多采用X 光機或者同位素源,這在檢測工件的尺寸方面受到射線源能量的限制,檢測厚度僅為幾毫米到10cm ;若使用膠片或者閃爍屏(圖像增強器和CCD 相機獲取輻射圖像,則在檢測速度和圖像質(zhì)量方面又是不理想的。隨著微電子技術和材料科學

5、的發(fā)展,數(shù)字平板X 射線探測器已成為近年來的一種新興的X 射線成像器件。由于它具有很高的空間分辨率和動態(tài)范圍,而且又能提供快速的數(shù)字圖像獲取手段,所以數(shù)字平板探測器在醫(yī)學影像診斷中獲得了廣泛的應用。采用高能X 射線直線加速器作為射線源和數(shù)字平板X 射線探測器作為成像器件的數(shù)字射線成像系統(tǒng)能滿足對厚度較大的工件進行高速、高質(zhì)量的輻射成像無損檢測的要求,這在無損檢測中具有很好的應用前景。數(shù)字平板X 射線探測器在醫(yī)療診斷和低能直流束X 射線無損檢測的成像系統(tǒng)中獲得了很好的評價1,但是在高能脈沖束流X 射線成像系統(tǒng)中的應用研究卻很少,有關的文獻資料也非常少,仍需要做進一步的分析和實驗研究。為了將數(shù)字平

6、板探測器有效地應用于電子直線加速器成像系統(tǒng)中,本文對需要重點解決的兩個問題作了分析和實驗研究:一是通過照射劑量的計算,對平板探測器在高能X 射線成像中的噪聲和動態(tài)范圍進行了分析;二是研究了電子直線加速器脈沖束流與數(shù)字平板探測器圖像采集的觸發(fā)同步問題。通過實驗研究,為基于數(shù)字平板探測器的高能X 射線數(shù)字成像系統(tǒng)和高能工業(yè)CT 設計提供了實驗依據(jù)。2基于數(shù)字平板探測器的X 射線成像系統(tǒng)2.1數(shù)字平板探測器隨著微電子集成工藝的發(fā)展,基于非晶硅(a 2Si TF T 技術的大面積平板探測器獲得了發(fā)展,并應用到了X 射線成像領域。根據(jù)X 射線轉換成電荷的方式不同,可分為直接轉換和非直接轉換兩種數(shù)字平板探

7、測器。采用直接轉換方式的平板探測器66收稿日期:2003203217作者簡介:肖永順(19762,男,湖南省寧遠市人,清華大學工程物理系博士生,從事X 射線數(shù)字成像和大型工業(yè)CT 無損檢測的研究。E 2m ail :xysh98(例如Hologic 公司的Direct Ray R探測器和使用非晶硒(a 2Se 半導體材料,可直接將X 射線光子轉換成電荷,并通過高壓電場收集電荷,具有非常好的固有清晰度。非直接轉換的平板探測器是通過兩個步驟來探測X 射線的:首先使用閃爍材料(例如碘化銫或熒光材料(例如硫氧化釓來吸收X 射線,并轉換為光;然后通過非晶硅光電二極管陣列將光轉換成電荷。兩種方式的平板探測

8、器在X 射線照射過程中,首先是電荷的不斷積累,然后被非晶硅薄膜晶體管(TF T 集成電路讀出,并完成模數(shù)轉換,產(chǎn)生數(shù)字圖像。典型的結構如圖1所示。圖1平板探測器物理結構在實驗中采用的平板探測器屬于非直接轉換類型,它采用的是摻砣硫氧化釓(Gd 2O 2S :Tb 標準轉換屏,像素尺寸為127127m 2,圖像尺寸為15361920m 2,其極限空間分辨率可達3.94對線/mm ;采用12bit 的A/D 轉換器,動態(tài)范圍20001。探測器提供高速串口傳輸數(shù)字圖像,圖像采集速率為130幀/s ;提供了一組用于硬件握手和同步的I/O 信號,以實現(xiàn)精確的成像控制。2.2高能X 射線成像系統(tǒng)電子直線加速

9、器能提供高能X 射線源,可檢測等效鋼厚度大于100mm 的大型工業(yè)構件;加速器以脈沖方式工作,占空比不到千分之一,在平均劑量率與60Co 源相當?shù)臈l件下,瞬時劑量比60Co 源要高三個數(shù)量級以上,這對提高信號噪聲比和圖像質(zhì)量具有決定作用2。配合高分辨的數(shù)字平板探測器以及高性能的計算機控制和圖像檢查系統(tǒng),加速器X 射線DR 成像系統(tǒng)具有很大的優(yōu)勢。系統(tǒng)的組成結構示意圖如圖2所示 。圖2系統(tǒng)結構示意圖在實驗系統(tǒng)中,電子直線加速器標稱能量為2MeV ,劑量率為200c Gy/min ,出束頻率最高為250Hz ,最低為50Hz 。為了保護數(shù)字平板探測器的電子線路不受高能X 射線的直接照射和減少環(huán)境散

10、射對成像質(zhì)量的影響,整個成像屏放置在開窗的鉛屏蔽盒中。3數(shù)字平板探測器在高能X 射線照像中的特性3.1照射劑量與圖像噪聲數(shù)字平板探測器的像素尺寸很小,只有127127m 2,這樣就大大提高了成像系統(tǒng)的空間分辨率。然而像素尺寸的縮小,也就大大減少了到達單元探測器上的X 射線光子數(shù)。由于數(shù)字平板探測器上一個單元探測器的總體電子噪聲很小,所以量子噪聲占據(jù)了主導地位3。在高能X 射線成像系統(tǒng)中,主要是檢測厚的物體,穿透物體到達探測器的光子數(shù)量很少,所以量子噪聲對圖像質(zhì)量起著很重要的作用。一般認為,X 射線成像系統(tǒng)的成像過程是一個隨機過程,其量子統(tǒng)計服從泊松分布。X 射線光子數(shù)的隨機采樣n 的均值為,方

11、差等于均值(=,標準偏差為,信噪比為S N R =要想獲得較高的密度分辨率,需要提高系統(tǒng)的信噪比,增加X 射線的光子數(shù)。設射線源在主束方向上1m 處的劑量率為D 0,被測物質(zhì)半值層厚度為d 1/2,半值層數(shù)為N HVL ,則射線穿透物質(zhì)到達成像屏處的劑量率為D 1=D 0L 22N HVL本實驗使用的加速器的單脈沖劑量為20060250=0.01333c Gy鋼的半值層厚度在單能2MeV 射線中,d 1/2=20mm ,75mm 鋼半值層數(shù)為3.75,在加速器源與屏的距離為1m 處的單脈沖劑量為0.000991c Gy 。使用每單位劑量的光子數(shù)為1109/cm 2來近似估算到達每個探測單元上的

12、光子數(shù),其結果不到200個。由于高能X 射線的吸收效率比低能時降低了很多,所以探測器實際吸收的光子數(shù)會更少。表1所示為射線源與成像屏在不同距離下的信噪比。實驗中加速器出束頻率為250Hz ,圖像是通過50幀/s 采集圖像,并經(jīng)過暗電流校正和不一致166第6期肖永順,等:基于數(shù)字平板探測器的高能X 射線成像實驗研究性校正后疊加平均得到的。表1射線源與成像屏在不同距離下的信噪比以及同脈沖數(shù)的關系距離/cm300200200130110110100脈沖數(shù)256160256256160256256S N R185319326415377485505從實驗可以定性的看出,為了提高信噪比,獲得較高的密度分

13、辨率,在使用數(shù)字平板探測器的高能X射線成像系統(tǒng)時,射線源與成像屏的距離需要減小,同時每幀圖像需要有多個出束脈沖進行曝光,并通過疊加多幅圖像來提高信噪比。3.2飽和劑量與動態(tài)范圍數(shù)字平板探測器有較高的成像靈敏度,使用較少的照射劑量就能獲得清晰的圖像。在工業(yè)無損檢測中,照射劑量的減少會增加量子噪聲,從而降低系統(tǒng)的密度分辨性能。分析數(shù)字平板探測器的飽和劑量所對應的光子數(shù)有助于了解探測器的量子噪聲水平和動態(tài)范圍限制。實驗使用的數(shù)字平板探測器的像素尺寸為127127m2,其電容約為0.7p F,在5V偏壓時能容納電子數(shù)N e=2107。設X射線光子轉換成為像素內(nèi)電子時的轉換效率為e,則電容飽和所需要的光

14、子數(shù)為N e/e。低能情況下,e1000/射線光子4,所需的光子數(shù)量約為2104個射線光子。如果不疊加圖像,由于量子噪聲的影響,在1倍標準偏差置信度下的密度分辨率只能達到017%。工業(yè)無損檢測主要檢查等效鋼厚度較大的工件中的裂紋、氣孔等缺陷,密度分辨率要求很高,動態(tài)范圍也要求較大。若要在較厚的工件中檢出密度分辨率小于1%的缺陷(如氣孔,考慮到量子噪聲和散射的影響,則吸收射線光子數(shù)應大于104。實驗中當像素值約為1000時能獲得較好的檢測性能指標,檢測時的工件厚度會減少約2個半值層厚,這時的圖像像素值就飽和了。在射線照像檢測時,根據(jù)工件的形狀進行適當?shù)暮穸妊a償是必要的;在用工業(yè)CT獲取投影數(shù)據(jù)時

15、, 可以通過所獲取的高低照射劑量投影圖像來計算高動態(tài)范圍的投影數(shù)據(jù),其代價是增加圖像獲取時間。數(shù)字平板探測器由于其結構的影響,在高能無損檢測應用中需要進一步提高吸收效率和電荷容量,以便減少量子噪聲,并提高檢測的動態(tài)范圍。4電子直線加速器與數(shù)字平板探測器圖像采集的束流觸發(fā)同步4.1觸發(fā)同步的目的和方式數(shù)字平板探測器完成一幀圖像采集的時間分為兩部分:一部分是非晶硅薄膜晶體管(TF T集成電路通過行選擇電路后按圖像行依次讀出圖像數(shù)據(jù)的讀出時間,這個時間在特定工作模式下為固定的數(shù)值;另一部分為幀回掃消影(Vertical Blanking時間,與采集的幀速率有關。如圖3所示。圖3幀時序示意圖如果脈沖X

16、射線在幀讀出時間之內(nèi)出現(xiàn),由于逐行讀出的工作方式,所以就有可能使得各行像素的射線照射時間不一樣,其結果就是在獲取的數(shù)字圖像上出現(xiàn)明暗不同的條帶。為了避免這種現(xiàn)象,需要對X射線的出束時間與幀讀出時間進行同步控制。同步控制的目的是在數(shù)字平板探測器上使所有的像素在每一幀中所受到的X射線的照射時間完全一樣。其中一種同步方式允許加速器的出束脈沖在整個圖像獲取幀時間(包括幀讀出時間內(nèi)出現(xiàn)。通過控制X射線出束脈沖的相位與讀出行信號同步,使得每一行像素在兩次讀取期間所受到的X射線的照射時間一樣。這種同步方式既可以由加速器出束信號控制數(shù)字平板探測器,也可以由數(shù)字平板探測器的同步信號控制加速器出束觸發(fā)信號。另一種

17、同步方式將加速器的出束脈沖限制在一幀中的幀回掃消影時間內(nèi),使圖像在逐行讀出的整個讀出時間內(nèi)沒有X射線,從而保證了所有像素受到X射線照射的時間完全一樣。對于需要多個束流脈沖的圖像來說,由于加速器束流頻率下限的限制,這種方式只能通過平板探測器的外同步信號Expose-O K來控制加速器出束同步。當Expose-O K為低電平時,圖像讀出結束,在此期間X射線脈沖可以安全的出束。4.2采用加速器的同步平板探測器的實驗由于實驗使用的2MeV加速器無法使用外觸發(fā)信號,所以使用了加速器出束脈沖同步成像屏的工作方式。數(shù)字平板探測器在DR照像模式下,幀數(shù)據(jù)讀出時間為180ms。如果要求在讀出時間內(nèi)不出束,則加速

18、器的束流脈沖頻率需小于515幀。由于受到加速器束流頻率下限的限制,所以只好允許加速器脈沖在數(shù)據(jù)讀出時間內(nèi)出現(xiàn)。同步信號Us2 er-Sync由加速器出束脈沖上升沿觸發(fā),在對加速器出束計數(shù)N t后可再次觸發(fā),N t為一幀圖像的加速器脈沖數(shù)目,可以通過撥碼開關設置。266光學技術第29卷同步模塊工作時序如圖4所示 。圖4同步工作時序示意圖當加速器出束脈沖與數(shù)字平板探測器的幀采集不同步時,實驗圖像如圖5所示。圖像是由依次采集的5幀圖像疊加平均而成的,只做了暗電流校正。圖像上出現(xiàn)了明暗相間的橫向條帶(豎條帶是由讀出電路的不一致性引起的,可以通過不一致性校正消除。在每一橫向條帶內(nèi)具有等間隔的5 條亮線。

19、在實驗中,當疊加次數(shù)增加時,條帶內(nèi)的亮線數(shù)目也增加,一般情況下疊加次數(shù)與亮線數(shù)量相等。圖5未同步圖像圖6同步圖像當使用加速器的出束脈沖同步成像屏進行幀采集時序時,實驗圖像如圖6所示。可以看出,明暗相間的條帶消除了,但是亮線更加明顯。在圖6中取第700列數(shù)據(jù)繪制的曲線如圖7所示?？梢钥吹?兩線呈等間隔分布,亮線灰度值比周圍像素高出13%左右。圖7同步圖像第700列數(shù)據(jù)在實驗結果中,加速器與平板探測器的同步采集消除了明暗相間的條帶,說明同步能使除了亮線以外的各行圖像照射劑量一致,但是亮線的出現(xiàn)卻在意料之外。根據(jù)計算,亮線出現(xiàn)的位置與加速器出束脈沖相對應。可以推斷,如果高能X 射線出現(xiàn)圖8工件圖像在

20、圖像行讀出時刻,則電路特性會發(fā)生改變,造成該行像素的灰度值偏高。當加速器與平板探測器同步時,采用不一致性校正能對實測圖像進行校正3,得到的一幅圖像如圖8所示。通過不一致性校正,亮線能基本上消除掉,獲得了較好的檢測圖像。在長時間的實驗中發(fā)現(xiàn),允許在幀數(shù)據(jù)讀出的時間內(nèi)存在加速器出束的同步模式,其圖像質(zhì)量很容易受到加速器脈沖頻率穩(wěn)定性的影響。當加速器束流脈沖頻率發(fā)生偏移或重新設置后,必須重新采集校正數(shù)據(jù),否則圖像上將出現(xiàn)亮線或者暗線。5結論本文利用所設計的高能X 射線成像系統(tǒng),通過實驗分析了數(shù)字平板探測器在高能情況下的照射劑量與圖像噪聲的關系。實驗表明,數(shù)字平板探測器噪聲主要來源于量子噪聲。若要獲得好的檢測圖像質(zhì)量,則應增加照射劑量。在高能X 射線成像應用中,數(shù)字平板探測器的密度分辨率和動態(tài)范圍受到探測器結構的影響,需要通過設計合適的采集方式來提高圖像動態(tài)范圍。受實驗所用加速器的限制,對加速器以平板探測器同步的工作方式進行了實驗。同步后的實驗圖像在消除了明暗橫條紋的同時,出現(xiàn)了沒有估計到的亮線。亮線出現(xiàn)的具體原因仍需要對非晶硅TF T 集成電路做更深入的分析工作。亮線雖然能通過不一致性校正基本消除,但當加速器束流頻率變化時需要重新采集校正數(shù)據(jù),給實際應用帶來很大的不便。將加速器出束脈沖限制在一幀中的幀回掃消影時間內(nèi)的同步方式在應用中更具有優(yōu)勢。