基于光錐的X 射線探測器耦合方法

韓躍平，李瑞紅，韓 焱

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原030051；

2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原030051）

0 引言

隨著核工業技術與計算機科學技術的發展，X射線在工業檢測與醫學診斷等領域得到了廣泛應用［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，獲得更好的成像質量。新型X 射線探測器的應用，一般都伴隨著新型X 射線成像技術的出現。常見的X 射線數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體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）線性陣列等。

X 射線探測器的選取決定于應用的特殊要求與限制。射線探測器的光學轉換效率、計數率、空間分辨率以及易于操作性是幾個最重要的技術指標［4-10］。工業上，對于一些諸如微小型集成電路芯片、材料內部的細微組織結構的檢測，需要具有極高分辨率的X 射線探測器；此外，對于一些諸如發動機缸蓋等復雜構件，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件腔體內的探測器實現單層壁厚的檢測［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，平板探測器技術仍然只是掌握在英、美、日等少數發達國家手中，施行技術保護壁壘的同時，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構，即X 射線晶體轉換屏+透鏡組或纖維光錐+光學成像器件。由于具有體積小、重量輕、便于一體化以及調試方便等優點，X 射線晶體轉換屏+纖維光錐+光學成像器件這種結構的應用更為普遍。本文針對傳統的纖維光錐耦合式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構圖，主要包括：晶體轉換屏前防護層1、晶體轉換屏2、晶體轉換屏后防護層3、晶體轉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）等射線固態探測物質制成，然后通過光錐將晶體轉換屏與CCD 耦合在一起構成圖1 所示X 射線探測器。

圖1 傳統X 射線探測器結構Fig.1 Scheme of traditional X-ray detector

晶體轉換屏、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，晶體轉換屏用于將X 射線轉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由探測器與讀出裝置兩級單元級聯構成，各級單元可能各自包含有多個子單元器件。假定整個系統為滿足空間不變性的線性系統，則總系統的光學傳遞函數為級聯單元光學傳遞函數之積［12］：

式（1）中，MTFsystem是總系統光學傳遞函數，MFTdetector與MFTread分別是探測器與讀出裝置的光學傳遞函數。對于所有的單元模塊或復合系統，0≤MFTi≤1成立，因此總系統的分辨率低于任一級單元的分辨率。同時也表明，如果改善總系統的分辨率特性，首先應改進級聯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。實際應用中，圖1所示X 射線探測器的晶體轉換屏前、后防護層，晶體轉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。“多余”界面層會增加晶體層與光錐芯材料、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串擾，進一步降低空間分辨率，最終使得成像后的圖像質量下降。國內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 射線探測器的結構原理如圖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纖維窗與像增強器前端直接耦合。內置有高增益微通道板（Microchan-nel Plate，MCP）的像增強器保證了X 射線的轉換效率與二次電子激發。利用光子計數模式，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之前熒光已被像增強器預先放大，該系統不再受限于光學系統的光傳輸損失，這就允許使用低價格的高速CCD。該系統也允許使用價格低廉的光學耦合系統把像增強器與CCD 芯片的光敏面直接耦合在一起。

目前通用的射線固態探測物質有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%）、高計數率（～106s-1）與高的空間分辨率［19］。然而，它們的X 射線轉換效率很低，本文選用了Gd2O2S（Tb）。

圖2 改進的X 射線探測器結構Fig.2 Scheme of the newer advanced X-ray detector

探測器系統使用的像增強器有效探測區域為直徑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管構成，形成一個二維的次級電子倍增器。MCP的放大系數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調節。MCP 的固有特性是其放大系數（G）與兩端所加電壓（V）的非線性關系，二者近似成如下指數關系［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射到MCP 上的光量子的數目。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MCP 的相對增益；在校準范圍以外的區域可以利用公式（1）在實驗中通過外推得出。完全校準的程序以通過測試經過探測器的電子束的輻射能量（光量子數目）為基礎。光線束能量的變化導致輻射光波波長的變化，從而導致在特定實驗條件下探測器測試到的頻率響應的變化。

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

探測器系統所用的CCD 具有很高的圖像幀讀出速度，在高速計數率的情況下這是避免圖像數據堆積的必要條件。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 實驗結果與分析

實際的成像系統結構如圖6。為了獲取高質量的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 射線激發蒸鍍于光電陰極表面的Gd2O2S（Tb）熒光閃爍晶體。被激發的各向同性的光電子被聚焦到像增強器的MCP。初級轉換電子的激發程遠大于電子管的厚度因而可能通過幾個電子管。相應地次級電離激發電子在外加電場的作用下向電子管的出口發射。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化為光子。最后通過光學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采集后傳輸到計算機單元進行最終的分析處理。

圖6 X 射線探測系統結構框圖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合材料物質的內部微觀結構。

圖7 探測器空間分辨率圖片Fig.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，既作為光學轉換器件，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，可用于工業領域對精密機電產品或材料內部微細結構的監控與檢測。

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，合理的探測器系統可采用一個成直角彎曲的光學纖維光錐作為耦合中介。大縮放比且帶有彎曲的纖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，微晶柱結構閃爍晶體的光學串擾，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芯玻璃材料，并填充射線固態探測物質形成光錐內置的轉換晶體屏，在轉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象。

［1］Luis Lanca，Augusto Silva.Digital radiography detectors-A technical overview［J］.Radiography，2008，8（2）：1-5.

［2］Han Yueping，Han Yan，Li Ruihong，et al.Application of X-ray digital radiography to online automated inspection of interior assembly structures of complex products［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2009，604：760-764.

［3］吳志亮，黃新龍，朱繼南，等.MEMS 引信部件LIGA 制作工藝及其問題分析［J］.控制與探測學報，2008，30（5）：48-51.

［4］Hamid Sabet，Bhandari Harish B，Haris Kudrolli，et al.Fabrication of X-ray／gamma-ray detector by growth of microcolumnar CsI：Tl onto silicon photomultipliers［J］.Physics Procedia，2012（37）：1523-1530.

［5］Ablikim M，An 2H，Bai J Z.et al.Design and construction of the BES3detector［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A.2010，614：345-399.

［6］徐宏彤，魏偉，谷莉，等.基于閃爍體和電荷耦合器件的X 射線直接數字成像系統的研制［J］.現代制造技術與裝備，2013，215（4）：3-5.

［7］Feng J，Comia A，Bartelt A F，et al.An ultrafast X-ray detector system at an elliptically polarizing undulator beamline［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2007，582：248-251.

［8］付凱，于國浩，陸敏.GaN 基PIN 結構X 射線探測器［J］.發光學報，2011（7）：720-723.

［9］駱志平，Suzuki C，Ko sako T，等.成像板對X 射線的能量響應［J］.原子能科學技術，2009（7）：644-647.

［10］李芳，侯立飛，蘇春曉，等.快響應化學氣相沉積金剛石軟X 射線探測器的研制［J］.強激光與粒子束，2010（6）：1404-1406.

［11］Han Yueping，Han Yan，Li Ruihong，et al.Development of an advanced X-ray detector for inspecting inner microscopic structural details in industrial applications［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2009，600：440-444.

［12］徐向晏.X 射線敏感的非晶硒合金材料與器件的理論及實驗研究［D］.西安：中國科學院西安光學精密機械研究所，2001.

［13］李偉.高分辨率X 射線數字化成像技術研究［D］.西安：中國科學院西安光學精密機械研究所，2009：60-65.

［14］向世明，倪國強，光電子成像器件原理［M］.北京：國防工業出版社，1999.

［15］張俊生，王明泉.影響X 射線數字成像系統分辨率的因素分析［J］.CT 理論與應用研究，2011，20（2）：227-233.

［16］潘俊杰，趙寶升.影響X 射線像增強器分辨率的因素分析［J］.光子學報，2008，37（6）：116-118.

［17］喻春雨，常本康，魏殿修.新型X 射線影像增強系統分辨率數學模型［J］.光電工程，2006，33（11）：120-122.

［18］Miller Brian W.Recent advances in BazookaSPECT：Real-time data processing and the development of a gamma-ray microscope［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2008，591：272-275.

［19］Ismaili Y，Fontbonne J M，Mosrin P，et al.Study of a new X-ray gaseous detector［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，1999，423：68-74.

［20］Shikhaliev Polad M，Molloi Sabee.Count rate and dynamic range of an X-ray imaging system with MCP detector［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2006，557：501-509.

［21］Cao Raymond Lei，Biegalski Steven R.The measurement of the presampled MTF of a high spatial resolution neutron imaging system［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2007，582：621-628.

［22］Dinardo M E，Piazzalunga A，Braicovich I，et al.Gaining efficiency and resolution in soft X-ray emission spectrometers thanks to directly illuminated CCD detectors［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2007，570：176-181.