韓躍平，李瑞紅，韓 焱

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原030051；

2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051）

0 引言

隨著核工業(yè)技術(shù)與計算機科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，X射線在工業(yè)檢測與醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1-3］。一百多年以來，人們一直致力于研制新型的X 射線探測器，以期能夠在減小X 射線劑量的前提下，獲得更好的成像質(zhì)量。新型X 射線探測器的應(yīng)用，一般都伴隨著新型X 射線成像技術(shù)的出現(xiàn)。常見的X 射線數(shù)字探測器有像增強器（Image intensifier）、線 性 二 極 管 陣 列（Linear detector array，LDA）、影 像 版（Imaging Plate，IP）、平 板 探 測 器（Thin Film Transistor，TFT）、互補金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）線性陣列等。

X 射線探測器的選取決定于應(yīng)用的特殊要求與限制。射線探測器的光學(xué)轉(zhuǎn)換效率、計數(shù)率、空間分辨率以及易于操作性是幾個最重要的技術(shù)指標［4-10］。工業(yè)上，對于一些諸如微小型集成電路芯片、材料內(nèi)部的細微組織結(jié)構(gòu)的檢測，需要具有極高分辨率的X 射線探測器；此外，對于一些諸如發(fā)動機缸蓋等復(fù)雜構(gòu)件，低劑量（通常＜450keV）的X射線機不能穿透雙層壁厚，需要方便的可以嵌入構(gòu)件腔體內(nèi)的探測器實現(xiàn)單層壁厚的檢測［11］。

目前，具有高分辨率的平板探測器代表了X 射線探測器的主流方向，然而，平板探測器技術(shù)仍然只是掌握在英、美、日等少數(shù)發(fā)達國家手中，施行技術(shù)保護壁壘的同時，造成了昂貴的價格壟斷。

基于像增強器模式的X 射線探測器目前主要有兩種結(jié)構(gòu)，即X 射線晶體轉(zhuǎn)換屏+透鏡組或纖維光錐+光學(xué)成像器件。由于具有體積小、重量輕、便于一體化以及調(diào)試方便等優(yōu)點，X 射線晶體轉(zhuǎn)換屏+纖維光錐+光學(xué)成像器件這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更為普遍。本文針對傳統(tǒng)的纖維光錐耦合式X 射線探測器存在“多余”的耦合界面層會造成光通量損失，降低探測器的空間分辨率等問題，提出了基于電荷耦合器件CCD 的纖維光錐直接耦合方法。

1 傳統(tǒng)耦合方法及存在的問題

圖1為常用的基于光錐耦合的X 射線探測器的組成結(jié)構(gòu)圖，主要包括：晶體轉(zhuǎn)換屏前防護層1、晶體轉(zhuǎn)換屏2、晶體轉(zhuǎn)換屏后防護層3、晶體轉(zhuǎn)換屏與光錐大端面耦合層4、光錐5、光錐小端面與光電耦合器件CCD 耦合層6、CCD 保護窗7 以及CCD 8。晶體轉(zhuǎn)換屏通常采用坩堝生長或蒸鍍等工藝，利用碘化鈉（NaI）、碘化銫（CsI）、鎢酸鎘（CdWO4）等射線固態(tài)探測物質(zhì)制成，然后通過光錐將晶體轉(zhuǎn)換屏與CCD 耦合在一起構(gòu)成圖1 所示X 射線探測器。

圖1 傳統(tǒng)X 射線探測器結(jié)構(gòu)Fig.1 Scheme of traditional X-ray detector

晶體轉(zhuǎn)換屏、光錐和CCD 為圖1 所示X 射線探測器中最為重要的三個組成部分，晶體轉(zhuǎn)換屏用于將X 射線轉(zhuǎn)換為能夠用于成像的可見光；光錐用于進行光耦合；CCD 利用耦合后的可見光進行成像。此外，晶體轉(zhuǎn)換屏前、后防護層用于對晶體屏保護，防止屏受到腐蝕與潮解等；CCD 保護窗防止CCD 表面氧化、落上灰塵或被劃壞等；通過兩個耦合層，光錐的大、小端面分別和晶體轉(zhuǎn)換屏、CCD 耦合在一起。光錐面積縮放比通常為3：1或5：1。

光電探測器所成圖像的分辨率通常取決于兩部分：探測器對空間信號的響應(yīng)能力與后繼讀出裝置對信號的提取及傳輸能力。整個信號采集與傳輸系統(tǒng)由探測器與讀出裝置兩級單元級聯(lián)構(gòu)成，各級單元可能各自包含有多個子單元器件。假定整個系統(tǒng)為滿足空間不變性的線性系統(tǒng)，則總系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)為級聯(lián)單元光學(xué)傳遞函數(shù)之積［12］：

式（1）中，MTFsystem是總系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)，MFTdetector與MFTread分別是探測器與讀出裝置的光學(xué)傳遞函數(shù)。對于所有的單元模塊或復(fù)合系統(tǒng)，0≤MFTi≤1成立，因此總系統(tǒng)的分辨率低于任一級單元的分辨率。同時也表明，如果改善總系統(tǒng)的分辨率特性，首先應(yīng)改進級聯(lián)單元中性能最差的部分。

探測器總的分辨率低于任何一個組成器件的分辨率［13-17］。因此，構(gòu)成探測器的子單元器件及耦合層越多，探測器總的分辨率越低。實際應(yīng)用中，圖1所示X 射線探測器的晶體轉(zhuǎn)換屏前、后防護層，晶體轉(zhuǎn)換屏與光錐大端面耦合層，光錐小端面與CCD耦合層以及CCD 保護窗等只是起到保護或耦合作用，對X 射線的探測和成像并無幫助，這些“多余”界面層的存在會損失有效光通量，從而降低X 射線探測器的靈敏度與空間分辨率。此外，光錐的圓形單絲一般呈六角形排列，而CCD 像素為矩形排列，且光錐耦合端的單絲直徑小于CCD 的像素尺寸，耦合后光錐的單絲與CCD 的像素會形成錯位排列?！岸嘤唷苯缑鎸訒黾泳w層與光錐芯材料、光錐芯材料與CCD 成像單元的更多錯位耦合，從而造成電荷的橫向擴展與光學(xué)串擾，進一步降低空間分辨率，最終使得成像后的圖像質(zhì)量下降。國內(nèi)X 射線探測器的空間分辨率大多低于5線對／mm（每毫米單位長度上可明顯區(qū)分的黑白線對低于5對）。

2 改進的直接耦合方法

本文提出的X 射線探測器的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，包括像增強器、蒸鍍有硫氧化二釓閃爍晶體（Gd2O2S（Tb））的熒光窗口、高分辨率的CCD 芯片。閃爍晶體熒光層通過光學(xué)纖維窗與像增強器前端直接耦合。內(nèi)置有高增益微通道板（Microchan-nel Plate，MCP）的像增強器保證了X 射線的轉(zhuǎn)換效率與二次電子激發(fā)。利用光子計數(shù)模式，一束X射線的作用可看作是一簇信號散布作用于多個像素，空間分辨率的顯著提高是通過估計參與作用的信號簇的質(zhì)心位置獲得，二維作用位置坐標可通過極大似然估計法得到［18］。因為在進入成像系統(tǒng)之前熒光已被像增強器預(yù)先放大，該系統(tǒng)不再受限于光學(xué)系統(tǒng)的光傳輸損失，這就允許使用低價格的高速CCD。該系統(tǒng)也允許使用價格低廉的光學(xué)耦合系統(tǒng)把像增強器與CCD 芯片的光敏面直接耦合在一起。

目前通用的射線固態(tài)探測物質(zhì)有NaI、CsI和CdWO4閃爍晶體。這些閃爍晶體具有很高的探測效率（接近100%）、高計數(shù)率（～106s-1）與高的空間分辨率［19］。然而，它們的X 射線轉(zhuǎn)換效率很低，本文選用了Gd2O2S（Tb）。

圖2 改進的X 射線探測器結(jié)構(gòu)Fig.2 Scheme of the newer advanced X-ray detector

探測器系統(tǒng)使用的像增強器有效探測區(qū)域為直徑25mm，空間分辨率達到13線對／mm（使用焦斑小于50μm 的微焦點射線源）。作為增強放大的主要器件，MCP由大量單獨工作的次級電子倍增毛細纖維傳導(dǎo)管構(gòu)成，形成一個二維的次級電子倍增器。MCP的放大系數(shù)可以通過改變其兩端所加的電壓而輕易地在很大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。MCP 的固有特性是其放大系數(shù)（G）與兩端所加電壓（V）的非線性關(guān)系，二者近似成如下指數(shù)關(guān)系［20］：

基于MCP的X 射線探測器的增益曲線如圖3所示［21］。探測器的信號正比于發(fā)射到MCP 上的光量子的數(shù)目。由于MCP 在出廠時不會得到必需的精確校準，因此，在使用前對其執(zhí)行完全校準的程序是非常有必要的。首先，測得在600～1 000V 電壓范圍內(nèi)MCP 的相對增益；在校準范圍以外的區(qū)域可以利用公式（1）在實驗中通過外推得出。完全校準的程序以通過測試經(jīng)過探測器的電子束的輻射能量（光量子數(shù)目）為基礎(chǔ)。光線束能量的變化導(dǎo)致輻射光波波長的變化，從而導(dǎo)致在特定實驗條件下探測器測試到的頻率響應(yīng)的變化。

圖3 MCP增益與電壓的關(guān)系曲線Fig.3 Gain of the detector versus applied voltage for different tube currents

探測器系統(tǒng)所用的CCD 具有很高的圖像幀讀出速度，在高速計數(shù)率的情況下這是避免圖像數(shù)據(jù)堆積的必要條件。市場上，大量的低價格、高讀出速度的CCD 芯片可以買到，從每秒15幀5 MP 圖像到每秒200幀0.3MP的圖像。對于X 射線光子而言，當像素尺寸小于20mm 時，CCD 探測器的有效空間分辨率是相對獨立的［15］。本文采用了一個加強的811（H）×508（V）像素單元的CCD 相機，其中每個像素大小為8.4μm×9.8μm，CCD 為圖像幀讀出模式，讀出頻率19.75 MHz（60幀／s）。

本文采用了縮放比為1：3的光錐來耦合像增強器與CCD，幾乎不會有光損失。通常，光錐的大端面與像增強器的輸出窗耦合而小端面與CCD 的石英玻璃窗耦合［22］。這種耦合模式會形成三個界面：一個是光錐的小端面與硅脂之間的界面；第二個是硅脂與石英玻璃窗之間的界面；第三個是玻璃窗與CCD 光敏面之間的非接觸界面。

為了減少光子損失、提高耦合效率，同時又不影響系統(tǒng)的空間分辨率，移除了CCD 芯片的石英玻璃保護窗，把CCD 的光敏面與光學(xué)纖維光錐直接耦合在一起，如圖4所示。相比于空耦合模式，采用硅脂耦合方式具有高達30pl／mm 的空間分辨率，圖5是實驗測試結(jié)果。

圖4 光錐與CCD 耦合Fig.4 CCD camera coupled with the fiber optic taper

圖5 探測器空間分辨率實驗測試Fig.5 Experimental results of spatial resolution tests

3 實驗結(jié)果與分析

實際的成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6。為了獲取高質(zhì)量的X 射線圖像，本文使用了33μm 的微焦斑射線源。工程檢測中，當一束由被檢測客體衰減后的X 射線打在MCP 前端的光電陰極時，X 射線激發(fā)蒸鍍于光電陰極表面的Gd2O2S（Tb）熒光閃爍晶體。被激發(fā)的各向同性的光電子被聚焦到像增強器的MCP。初級轉(zhuǎn)換電子的激發(fā)程遠大于電子管的厚度因而可能通過幾個電子管。相應(yīng)地次級電離激發(fā)電子在外加電場的作用下向電子管的出口發(fā)射。然后這些電子在像增強器中被增強放大并且在輸出屏上轉(zhuǎn)化為光子。最后通過光學(xué)纖維光錐無損失地再次成像在CCD上。這個被檢測物體的X射線圖像被電路采集系統(tǒng)采集后傳輸?shù)接嬎銠C單元進行最終的分析處理。

圖6 X 射線探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Structural diagram of the X-ray detection system

圖7顯示了微焦點射線源在35kV 管電壓和0.2mA管電流作用下，探測器表面與射線源焦點之間的距離為600mm 時，X 射線探測器獲取的空間分辨率圖片。由圖可知，該探測器可獲得大約83μm（12線對／mm）的空間分辨率。

圖8顯示了微焦點射線源在60kV 管電壓和0.12mA管電流作用下X 射線探測器獲取的一些電路芯片灰度圖。圖中我們可以看出金屬材料與塑料之間很好的對比度，這是由于兩者對X射線的固有吸收系數(shù)不同得出的。進一步實驗驗證了利用本探測器可以檢測低密度復(fù)合材料物質(zhì)的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。

圖7 探測器空間分辨率圖片F(xiàn)ig.7 Spatial resolution image of the detector

圖8 探測器獲取的一些芯片灰度圖Fig.8 Experimental radiography images of circuit chips acquired with the detector

4 結(jié)論

本文提出了基于電荷耦合器件CCD 與高增益像增強器MCP通過纖維光錐直接耦合的方法并進行了實驗測試。該方法采用帶有高增益微通道板的圖像增強器實現(xiàn)前置放大，像增強器通過纖維光錐直接與CCD 的光敏面耦合，既作為光學(xué)轉(zhuǎn)換器件，也起到放大作用，有效地去除了多余界面層對X 射線探測器成像質(zhì)量的影響。實驗表明：該方法減少了光損失，空間分辨率提高一倍以上，可用于工業(yè)領(lǐng)域?qū)軝C電產(chǎn)品或材料內(nèi)部微細結(jié)構(gòu)的監(jiān)控與檢測。

然而，進一步的研究尚需要改進下述不足：1）探測器的探測面積受限于纖維光錐的縮小比（本文采用了1：3的縮放比）而較小。為了避免CCD 直接受到X 射線或殘余X 射線的輻射而損傷，合理的探測器系統(tǒng)可采用一個成直角彎曲的光學(xué)纖維光錐作為耦合中介。大縮放比且?guī)в袕澢睦w維光錐依賴于纖維光錐的制作工藝。2）為徹底解決“多余”界面層的存在，微晶柱結(jié)構(gòu)閃爍晶體的光學(xué)串擾，以及微晶柱與光錐的錯位耦合問題，可進一步采用腐蝕掉光錐大端面的一薄層光纖內(nèi)芯玻璃材料，并填充射線固態(tài)探測物質(zhì)形成光錐內(nèi)置的轉(zhuǎn)換晶體屏，在轉(zhuǎn)換晶體屏表面填涂保護層，從而可避免光散射和光暈以及光耦合畸變等現(xiàn)象。

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