數字射線檢測技術專題（二）——輻射探測器介紹

鄭世才

（新立機器廠，北京 100039）

1 輻射探測器概述

在數字射線檢測技術中，采用輻射探測器完成射線的探測和轉換。它是獲得射線檢測圖像的器件，是影響獲得的圖像質量的基本因素。用于工業(yè)數字射線檢測技術的輻射探測器按原理可分為三類：氣體輻射探測器、閃爍輻射探測器以及半導體輻射探測器。

1.1 氣體輻射探測器

氣體輻射探測器利用的是輻射可以使氣體電離來實現輻射探測。氣體探測器的基本結構是，在容器中安裝兩個同軸電極（由絕緣體分開），充上一定氣壓的氣體，電極之間加上一定的高壓。氣體是輻射探測器的探測介質，輻射與氣體作用，損失的能量使氣體電離，電離產生的離子對在電場作用下形成電離電流，測量電離電流實現對輻射的探測。電離產生的離子對數與氣體類別、輻射類型和能量相關。圖1是其探測原理示意圖。氣體輻射探測器的主要類型是電離室、正比計數器和G－M計數器等。

圖1 氣體探測器原理示意圖

1.2 閃爍輻射探測器

閃爍輻射探測器利用的是閃爍現象實現對輻射的探測。閃爍現象是指高能粒子照射物質時引起瞬時閃光的現象，閃光的持續(xù)時間一般不大于10－6s。可以產生閃爍現象的物質稱為閃爍體。閃爍體將射線轉換為熒光輻射的過程是一種光致發(fā)光過程。

從能帶理論對閃爍現象可給出簡單說明。在晶體內摻入雜質（即激活劑），改變了純晶體的能級結構，產生了一些雜質能級。入射到晶體的射線所損失的能量使電子躍遷，可導致激活劑處于激發(fā)態(tài)。激活劑從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)釋放能量，形成熒光輻射或磷光輻射。熒光輻射是輻射照射后在很短時間發(fā)生的輻射，磷光輻射是吸收和發(fā)射之間延遲比較長的輻射。將光信號轉換為電信號則可實現對輻射的探測。

常用的閃爍晶體是碘化鈉、碘化銫、鍺酸鉍、鎢酸鈣和鎢酸鎘等。

1.3 半導體輻射探測器

半導體輻射探測器的基本結構是PN結。半導體輻射探測器利用的是內光電效應。即，半導體材料吸收輻射能量后，產生電子－空穴對，由此可引起半導體材料的電導率改變，或引起電流、電壓現象，通過外電路測量電流，實現對輻射的探測。圖2是半導體探測器的探測原理示意圖。

圖2 半導體探測器原理示意圖

1.4 輻射探測器的主要性能

對于輻射探測器，從制造角度應考慮的性能主要包括：量子檢出效率、靈敏度、動態(tài)范圍（線性范圍）、信噪比、時間分辨力（率）、能量分辨力（率）、空間分辨力（率）等。

（1）量子檢出效率（DQE） 是探測器將輸入輻射信號轉換為輸出信號的效率。輸入信號強度與輸出信號強度常用粒子數或光子數表示。量子效率與探測器種類、入射射線類型與能量等相關。它直接影響得到的圖像質量。

（2）靈敏度 指探測器輸出可檢測信號時所需要的最少輸入信號強度。好的探測器靈敏度可達到一個光子。

（3）動態(tài)范圍 即探測器輸出信號與輸入信號成正比的范圍，也稱為線性范圍。

（4）噪聲 指由非輸入信號造成的輸出信號。

（5）時間分辨力 是探測器可分辨的兩個相鄰入射粒子的最小時間間隔。

（6）能量分辨力 是探測器分辨不同能量粒子的能力，通常以某一能量的輸出脈沖的半高寬度除以脈沖高度。

（7）空間分辨力 是探測器分辨最小幾何細節(jié)的能力，常用（調制傳遞函數降為0.2的）空間頻率或不清晰度表示。應注意，空間分辨力與采用的具體技術相關。

ASTM E2597—2007《數字探測器陣列制造性能》標準規(guī)定，評價數字探測器陣列制造性能應包括基本空間分辨力、效率、對比度靈敏度、特定材料厚度范圍及有關圖像的一些因素。

從使用角度最關心的探測器性能指標常為：像素（元）尺寸、空間分辨力、動態(tài)范圍、適用能量、使用壽命等。一些輻射探測器性能目前的基本情況見表1。關于空間分辨力應注意的是，表中給出的空間分辨力是探測器可達到的最高空間分辨力。

2 直接數字化射線檢測技術常用的輻射探測器

在直接數字化射線檢測技術中，實際使用的輻射探測器主要有非晶硅輻射探測器、非晶硒輻射探測器、CCD或CMOS輻射探測器等。

2.1 非晶硅輻射探測器

非晶硅輻射探測器由閃爍體、非晶硅層（光電二極管陣列）、TFT陣列（大面積薄膜晶體管陣列）構成。圖3是非晶硅輻射探測器結構示意圖。閃爍體將輻射轉換為光，非晶硅層將光轉換為電信號，TFT陣列作為開關實現信號的讀出，供給后續(xù)測量電路。可見，非晶硅輻射探測器對射線探測需要經過兩個過程，它是一種間接轉換的探測器。圖4是非晶硅輻射探測器的內部結構示意圖。圖5是平板非晶硅輻射探測器的外形圖。

圖3 非晶硅探測器結構示意圖

表1 部分輻射探測器的主要性能

光電二極管是一類光探測器件。光電二極管的基本結構是PN結，其基于光伏效應探測光信號。在半導體界面存在空間電荷區(qū)，它建立了很強的自建電場。光照時產生的電子－空穴對在自建電場的作用下運動，形成光生電流。光生電流大小僅決取決于光照度。在很寬的光照范圍內，光電二極管可以產生與入射光強度成正比的光生電流。即可以把光信號轉變成電信號，實現對光信號的探測。

TFT即大面積薄膜晶體管。其基本結構是在玻璃基板上制做半導體膜層，然后對膜層加工制成大規(guī)模半導體集成電路。TFT的單元實際是一個由源極、漏極、柵極組成的三端器件，利用柵極電壓控制源極與漏極間的電流。在非晶硅輻射探測器中，TFT單元與一個電容器組成探測單元，貯存電荷與入射輻射對應。讀出時，作為開關控制電信號傳送。

2.2 非晶硒輻射探測器

非晶硒輻射探測器是一種直接轉換的探測器，其基本組成部分是非晶硒（作為光電材料）和薄膜晶體管陣列（TFT）。圖6是非晶硒輻射探測器的結構示意圖。

圖6 非晶硒探測器的結構示意圖

當射線照射到非晶硒時，將產生電子－空穴對，在外加偏壓作用下，產生的電子－空穴對向相反方向移動，形成電流。電流在TFT電容上積聚，形成貯存電荷。每個TFT上的貯存電荷正比于射線的照射量。TFT實際起到像元開關的作用。讀出時，施加電壓信號，開關打開，從輻射轉換出的貯存電荷沿數據線流出，經放大、數字化，完成數字圖像信息貯存與處理。即每個TFT單元成為采集信息的最小單元，也即像素。

2.3 CCD或CMOS輻射探測器

CCD（電荷耦合器件）或CMOS（互補金屬氧化物半導體）輻射探測器的基本結構為三部分。第一部分為閃爍體，用于將輻射轉換為光信號；第二部分為CCD或CMOS感光成像器件，將光信號轉換為電信號；第三部分為后續(xù)電路，測量電信號，實現對輻射的探測。可見，實現輻射探測轉換的是閃爍體，CCD或CMOS實現的是對光信號的轉換和探測。

CCD是將可見光轉換為數字信號的器件。CCD的基本結構是密排的MOS（金屬氧化物半導體）二極管陣列，即金屬－氧化物－半導體構成的電容，MOS電容的基本結構見圖7。在光照條件下，MOS電容襯底發(fā)生電子躍遷，形成電子－空穴對。在外電場作用下，電子和空穴分別向兩極運動，形成電子電荷，即光生電荷。光生電荷存儲在MOS電容的每個單元中。光生電荷的多少決定于射線能量和光子的數量，即每個MOS電容單元的電荷與圖像的亮度對應。按一定相位順序加上時鐘脈沖時，在序列脈沖驅動下，光生電荷（信息電荷）將按規(guī)定方向沿襯底表面轉移，形成圖像視頻信號。

圖7 MOS電容基本結構示意圖

CMOS的感光元可為光電二極管或MOS單元。在光電信號產生上與CCD相同，但在構造和信號讀取上不同于CCD。基本的不同是，CMOS的各像素單元本身具有放大功能電路，產生的信號電荷在經過放大后傳輸到輸出電路，使信號在傳輸路徑中不易受到噪聲影響。

3 間接數字化射線檢測技術常用的輻射探測器

在間接數字化射線檢測技術中，實際使用的輻射探測器主要是成像板（IP板）、圖像增強器等。

3.1 IP板

IP板（成像板）主要由保護層、熒光層、支持層、背襯層構成，基本結構如圖8所示。

圖8 IP板的結構示意圖

保護層為非常薄的聚酯樹脂類纖維，保護熒光層不受外界的影響。熒光層采用特殊的熒光物質，即光激發(fā)射熒光物質構成。熒光物質目前主要采用的是氟鹵化鋇（二價銪激活）。支持層常用聚酯樹脂類纖維膠制做。它具有良好的機械強度，保護熒光層免受外力損傷。背襯層制成黑色，防止激光在熒光層和支持層的界面反射。

IP板探測輻射所基于的原理是，某些熒光發(fā)射物質受到射線照射時，在較高能帶俘獲的電子形成光激發(fā)射熒光中心（PLC），它們能夠以準穩(wěn)態(tài)貯存吸收的輻射能量。采用激光激發(fā)時，光激發(fā)射熒光中心的電子將返回它們初始能級，并以發(fā)射可見光的形式輸出能量。這種光發(fā)射與原來接收的輻射劑量成比例。即，這些特殊熒光發(fā)射物質具有保留潛在圖像信息的能力。

從一般的理論考慮，IP板的主要特性可分為下列方面：分辨力（空間分辨力）、動態(tài)范圍、譜特性（吸收譜、激發(fā)譜、發(fā)射譜）、時間響應特性、衰退特性。分辨力由熒光層的特性決定，與測定時的射線能量相關。IP板的動態(tài)范圍（輸出信號對輸入信號的線性響應范圍）一般可達到104∶1以上，比膠片的動態(tài)范圍寬很多。激發(fā)譜特性是不同波長激光激發(fā)IP板時，IP板發(fā)光的相對強度分布情況。發(fā)射譜特性是IP板受到激光激發(fā)時，IP板發(fā)射的不同波長熒光的相對強度分布情況。圖9給出的是IP板的發(fā)射譜特性和激發(fā)譜特性。圖10是IP板的衰退特性，它給出了IP板上形成的潛在射線照相圖像隨貯存時間增加而減弱的情況。IP板可以重復使用。IP板上的圖像掃描讀取完后，可以采用光照擦除。一般說可以重復使用5000次左右。

3.2 圖像增強器

圖像增強器的基本結構包括外殼、射線窗口、輸入屏、聚焦電極、輸出屏。圖11是圖像增強器的主要結構示意圖。

圖11 圖像增強管結構示意圖

圖12 輸入屏結構示意圖

窗口由鋁板或鈦板制做，鋁板的厚度一般為0.7～1.2mm，既具有一定的強度，又可以減少對射線的吸收。輸入屏主要由基板、閃爍體（熒光體）和光電（陰極）層構成，其結構見圖12。輸入屏基板為鋁板，厚度一般約為0.5mm。閃爍體主要采用CsI晶體制做，其主要特性分子式 CsI（TI），密度4.51g／cm3，最大發(fā)射波長420～570nm，轉換效率45%［以碘化鈉轉換X射線的效率為100%（約為15%）］，衰減常數1.0μs（信號衰減到最大強度的37%所需要的時間），余輝0.5～5%／3ms，其中鉈（TI）為激活劑。CsI晶體具有類似光纖的針狀結構，它可以限制光的漫散射。光電層是一種基于外光電效應的光電發(fā)射材料，在圖像增強器的輸入屏，光電層為多堿金屬（銻與多堿金屬的化合物），厚度很小（僅為20nm）。聚焦電極加有25～30kV的高壓。輸出屏的直徑一般在15～35mm之間，多采用ZnCdS（Ag）熒光材料（P20）沉積在很薄的鋁膜上（200～300nm），熒光物質層厚度一般為4～8μm，發(fā)射光的峰值波長為520～540nm。

圖像增強器工作的基本過程如下。射線透過工件，穿過圖像增強器的窗口入射到輸入轉換屏上，輸入轉換屏閃爍體（CsI）吸收射線的部分能量，將其能量轉換為熒光發(fā)射。發(fā)射的熒光被光電（陰極）層接收，并將熒光能量轉換為電子發(fā)射。發(fā)射的電子在聚焦電極的高壓作用下被加速和聚焦，高速撞擊到輸出屏上。輸出屏熒光物質將電子能量轉換為熒光發(fā)射，形成檢測圖像。在圖像增強器中完成的轉換過程可概括為：射線→可見光→電子→可見光。圖像增強器輸出屏上的圖像，采用與其耦合的光學系統(tǒng)和攝像系統(tǒng)拾取。

一方面光電（陰極）層的靈敏度會隨使用時間增加而降低，另一方面，由于增強管內真空度隨著時間的降低，也將影響光電（陰極）層的靈敏度。因此，無論使用與否，光電（陰極）層的靈敏度都會隨著時間的增加而降低。這限制了圖像增強器的壽命。

4 A／D轉換器

為獲取數字射線檢測圖像，需要采用A／D（模／數）轉換器將模擬信號轉換為數字信號。在直接數字化射線檢測技術中，輻射探測器包含了A／D轉換器，除了完成射線信號的探測、轉換外，同時完成圖像數字化。在間接數字化射線檢測技術中，A／D轉換器在單獨的圖像數字化單元中，完成圖像數字化過程。

信號可以分為模擬信號、脈沖信號、數字信號。在時間上和幅值上連續(xù)變化的信號是模擬信號，在時間上和幅值上不連續(xù)變化的信號是脈沖信號，數字信號常是由二進制數字0，1組成的信號。圖13顯示了同一信號的三類信號的對應關系。

A／D轉換，即模／數轉換，是將模擬量（通常是電壓量）轉換為數字量（或說將模擬信號轉換為數字信號）。A／D轉換過程包括取樣、保持、量化、編碼四個步驟，圖14顯示了A／D轉換的基本過程。

圖14 A／D轉換的基本過程

由于模擬信號是隨時間連續(xù)變化的量，因此在進行A／D轉換時，需要對模擬信號周期性地連續(xù)取樣，在A／D轉換器內將其量化、編碼成為數字信號。取樣后保持中的信號值仍是連續(xù)的模擬信號值，為了用數字量表示，須將其轉化成某個數量單位的整數倍，這個過程就是量化。量化后的數字可用不同方式表示，一般采用二進制數表示。即編碼就是采用二進制數表示量化后數字的過程。

A／D轉換可分為不同方法，A／D轉換器可分為不同類型，類型不同結構組成不同、工作原理不同。A／D轉換器的主要性能指標包括：分辨率、量化誤差、輸入模擬電壓范圍、轉換速度、工作溫度系數等。

分辨率表示的是A／D轉換器能夠區(qū)分的最小輸入模擬電壓，因此它限定了A／D轉換器分解輸入模擬電壓的能力。它由A／D轉換器輸入的模擬電壓滿量程值和可轉換為二進制數的位數（比特，bit）決定。例如，A／D轉換器輸入的模擬電壓滿量程值為5V，當其輸出二進制數的位數為8位（8bit）時，其可分辨的最小輸入模擬電壓為：

5×1000÷28＝19.53mV

如果其輸出二進制數的位數為12位（12bit）時，其可分辨的最小輸入模擬電壓為：

5×1000÷212＝1.22mV

量化誤差是A／D轉換器對連續(xù)的輸入模擬電壓用有限的數字進行離散賦值時出現的誤差。它是A／D轉換過程固有的誤差。顯然，轉換的二進制數的位數越高，量化誤差會越小。

輸入模擬電壓范圍是A／D轉換器可以正常工作的范圍。

轉換速度用A／D轉換器完成一次A／D轉換時間表示。

溫度系數是A／D轉換器正常工作條件下，溫度每改變1℃導致的輸出相對變化。

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