奧影科普 | X射線檢測設(shè)備的核心部件—探測器

更新時間：2024-07-17

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探測器是X射線檢測設(shè)備中的核心部件之一，是成像的必要組成部分。從過去傳統(tǒng)應(yīng)用的X射線膠片，到如今數(shù)字化圖像的廣泛普及，射線檢測技術(shù)經(jīng)歷了模擬成像技術(shù)和數(shù)字成像技術(shù)兩個階段。數(shù)字成像技術(shù)的出現(xiàn)，特別是數(shù)字平板探測器的廣泛應(yīng)用，極大地推動了射線檢測技術(shù)的數(shù)字化進(jìn)程。

一、探測器的作用

我們知道，X射線是一種不可見光，而探測器的主要作用就是將不可見的X射線轉(zhuǎn)化為可見的圖像，以便人們能夠直觀地觀察和分析物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它通過感應(yīng)穿過物體的X射線強(qiáng)度，并根據(jù)不同部位X射線的強(qiáng)度差異，以黑白值（灰度等級值）的形式呈現(xiàn)出物體內(nèi)部的詳細(xì)圖像。

二、常見數(shù)字探測器

在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場景上區(qū)分，數(shù)字化X射線探測器可以分為線陣探測器和（面陣）平板探測器。

平板數(shù)字探測器

平板數(shù)字探測器，也被稱為面陣探測器，是目前數(shù)字化X射線成像系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的一種類型。它采用大面積的半導(dǎo)體材料，通過閃爍體和光電二極管陣列等結(jié)構(gòu)，將X射線轉(zhuǎn)換為可見光，再轉(zhuǎn)換為電信號，最后形成數(shù)字圖像。

平板探測器采用全像式（全面輻射）探測，X射線從不同方向通過被檢測物體，探測器可以接收整個掃描范圍內(nèi)的信號。

線陣數(shù)字探測器

線陣探測器是由多個探測單元排列在一條直線上的小型探測器，形成一個線性陣列。線陣探測器是采用逐點(diǎn)掃描（點(diǎn)射線）的方式捕獲圖像，線陣中的探測器逐個掃描被檢測物體，形成點(diǎn)射線的方式進(jìn)行檢測。

線陣列探測器與平板探測器在結(jié)構(gòu)上的不同，使得其成像散射小、具有較高的對比度靈敏度和空間分辨率。但線陣探測器具有對機(jī)械傳動要求更高，成像速度慢，檢測效率較低，射線劑量要求較高等方面的問題。

值得一提的是，除了平板探測器、線陣探測器以外，為了追求更高的（納米級）空間分辨率，演化出利用光學(xué)放大物鏡耦合的探測器組件，這類組件由閃爍體、光學(xué)鏡頭和高分辨CCD相機(jī)組成。是通過光學(xué)物鏡，對X射線激發(fā)閃爍體產(chǎn)生的可見光圖像進(jìn)行二次放大，再通過CCD相機(jī)采集可見光型號，從而實(shí)現(xiàn)更高分辨的成像。必然導(dǎo)致光耦和物鏡探測器系統(tǒng)的檢測效率大幅降低，適用場景也相對有限。

三、平板數(shù)字探測器

作為應(yīng)用很廣泛的平板探測器，在成像方式上又可以分為幾種主要類型，包括：

非晶硅平板數(shù)字探測器

非晶硅（A-Si）平板數(shù)字探測器其實(shí)也是間接數(shù)字化X線成像。其表面是一層閃爍體材料（如碘化銫或硫氧化釓），當(dāng)X射線穿過物體并擊中閃爍體時，會轉(zhuǎn)化為可見光圖像。可見光圖像的下一層非晶硅光電二極管陣列將其轉(zhuǎn)化為電信號圖像，隨后，對電信號逐行取樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后傳給計算機(jī)構(gòu)成X射線數(shù)字圖像。

優(yōu)點(diǎn)：

1.CsI晶體針狀結(jié)構(gòu)，極大地提高了光電轉(zhuǎn)化效率；

2.X射線圖像灰度值分辨率和黑白對比度更強(qiáng)；

3.非晶硅陣列采用的是并聯(lián)電路，單像素壞點(diǎn)不影響整板的正常工作；

4.產(chǎn)品壽命和掃描效率方面會相對更優(yōu)一些。

缺點(diǎn)：

當(dāng)檢測系統(tǒng)的幾何放大倍數(shù)不足時，由于單個像素尺寸大約為100μm，微小的缺陷可能無法在一個像素點(diǎn)上形成足夠的成像，從而導(dǎo)致這些缺陷無法被成功檢測到。

CMOS平板數(shù)字探測器

CMOS平板數(shù)字探測器結(jié)合了CMOS集成電路技術(shù)與X射線成像技術(shù)。它首先通過熒光材料，將X射線轉(zhuǎn)換為可見光圖像，可見光圖像下的一層CMOS感光成像器件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。對電信號逐行取樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后傳給計算機(jī)構(gòu)成X射線數(shù)字圖像。

優(yōu)點(diǎn)：

1.像素小到50μm~70μm，可以幫助提高系統(tǒng)最小缺陷檢測能力；

2.圖像在探測器壽命初期銳利度高，視覺效果較佳。

缺點(diǎn)：

1.CMOS結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)化效率低；

2.像素小，必然會導(dǎo)致探測器信噪比低，圖像灰度值和黑白對比度差；

3.CMOS光電二極管陣列電路是串聯(lián)電路，圖像上容易出現(xiàn)黑色死線；

4.X射線長時間照射下老化快，壽命短。

CCD探測器

CCD探測器的結(jié)構(gòu)主要是由17英寸x17英寸的閃爍屏，反射鏡面，鏡頭和CCD感光芯片構(gòu)成。其原理是閃爍屏經(jīng)X射線曝光后，將X射線光子轉(zhuǎn)換成可見光，可見光被反射鏡面反射，然后通過鏡頭聚焦將可見光投射到CCD芯片上，CCD芯片再將可見光轉(zhuǎn)換成電信號，最終獲得數(shù)字化圖像，CCD探測器的DR屬于間接能量轉(zhuǎn)換方式。

CCD探測器相較于非晶硅平板探測器來說成像質(zhì)量要差一些。且感光靈敏度不高，光電轉(zhuǎn)換效率往往低于30%。但是隨著CCD成像感光器件的技術(shù)不斷行不和提高，CCD探測器的圖像質(zhì)量也在逐步發(fā)展提高。過去比較高昂的成本也在不斷地降低。

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