（模式识别与智能系统专业论文）工业xct用新型x射线探测器性能的模拟研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 工业x c t ( i n d u s t r i a lx r a yc o m p u t e dt o m o g r a p h y ，i c t ) 是工业用x 射线 计算机层析成像或工业用x 射线计算机断层扫描成像的简称。自诞生以来，其发 展和应用令人瞩目，特别是在无损检测与无损评价领域显示出了其独特的优点， 西方发达国家均投入大量的人力、物力对其进行研究。诚然，计算机图像技术的 飞速发展对工业x c t 起到了极其重要的作用，但另一个决定性因素还在于x 射 线探测器技术的进步。x 射线探测器的技术指标限定了这些设备最后的技术水平。 在工业x c t 系统中，探测器技术是工业x - c t 系统的三大关键技术之一( 探测器 技术、图像重建及处理技术和机械与自动控制技术) 。探测器技术就是如何把x 射 线与被检测物作用后，将包含有被检测物信息的射线信号转化成为可进行处理的 电信号。该测量技术将直接影响到工业x c t 系统的性能指标及应用效果。 本文详细研究了国内外工业x c t 中探测器的设计方案，对x 射线管为射线 源，基于c s i ( t 1 ) 闪烁体和面阵c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 器件，采用光纤 和光纤面板进行光耦合及传输，以扇形束线阵扫描方式实现对x 射线探测的探测 器方案的性能指标，从理论上分析该方案的合理性。为此，论文建立了新型探测 器的物理数学模型，并采用m o n t ec a r l o 方法进行模拟研究。m o n t ec a r l o 模拟条件 是：考虑到目前国内外最常用的中、低能x 射线源( 4 5 0 k e v 以下) ，并对c s i ( t 1 ) 为主的单个闪烁体与光纤耦合至面阵c c d 器件，且源探距l 至 s r n 组成的探测 器系统进行了模拟研究。模拟计算结果表明：探测器到x 射线源的距离( 1 5 m 以 内) 对探测器性能的影响不大，故根据被测试件的大小可以适当地改变x 射线源 到探测器的距离。圆柱形晶体的直径不变，则长度越大( 1 5 c m 内) 全能峰效率和 转换效率就越高。在晶体长度为1 5 c m 时、探测器接收到能量为2 2 0 k e v x 射线的 全能峰效率高达7 9 6 ，转换效率高达8 5 。 最后，论文对探测器灵敏度作了理论上的估算。 关键词：工业x c t ，闪烁探测器，c s l ( a n ) 闪烁体，c c d ，m o n t ec a r l o 方法 重壅查堂堡主堂堡笙奎 墨壅垫茎 a b s t r a c t i n d u s t r i a lx r a yc o m p u t e dt o m o g r a p h yi ss h o r t e n e df r o mi c t t h ep r o g r e s sa n d a p p l i c a t i o n o fi c ti s c o m p e l l i n g ，e s p e c i a l l y i nn o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g a n d n o n - d e s t r o e t i v ee v a l u a t i o n w e s t e r nd e v e l o p e dc o u n t r i e sd e v o t et h es t u d yo f i c tw i t ha g r e a td e a lo fm a n p o w e r a n dm a t e r i a lr e s o u r c e s t h o u g hc o m p u t e ri m a g i n gt e c h n o l o g y p l a y sa r t _ i m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fi c t , t h ec r u c i a lw o r ki st h ep r o g r e s so f x - r a yd e t e c t o r 1 1 1 ep e r f o r m a n c eo fx - r a yd e t e c t o rl i m i tt h et e c h n o l o g yl e v e lo f i c t s y s t e m d e t e c t o ri s o n eo ft h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g y ( d e t e c t o r , i m a g i n gr e c o n s t r u c t ， m e c h a n i s ma n da u t o 一( 幻n t r o l l i n gt e c h n o l o g y ) d e t e c t o rt e c h n o l o g y ，t h a ti st r a n s f o r mr a y s i g n a lw i t hd e t e c t e dm a t t e ri n f o r m a t i o ni n t oe l e c t r i c i t ys i g n a l a n dd e t e c t o rt e c h n o l o g y d i r e c ti n f l u e n c et h ef e a t u r eo f x c t s y s t e m i nt h i sp a p e r , a nn o v e lx r a yd e t e c t o rw a sd e s i g n e da f t e rd e t a i l e ds t u d yt h ed e t e c t o r p l a n si nh o m ea n do v e r s e a sx i c ts y s t e m s ，w h i c hb a s e do nc s l 口1 ) s c i n t i l l a t o ra n d p l a n ea r r a yc c d t h en o v e ld e t e c t o ru s e do p t i cf i b e ra n do p t i cf i b e rp l a t et op a s s i n f o r m a t i o n w h i c hs c l ud e t e c t e dm a t t e ri nf a nb e a mm o d e t ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo f t h en o v e ld e t e c t o r ，m o n t ec a r l oc o d ew a su s e dt os i m u l a t et h ep e r f o r m a n c e m o n t e c a r l os i m u l a t i o np r e c o n d i t i o n e sw e r ea sf o l l o w sx - r a yt u b ep r o d u c e dx - r a y , t h er a d i u s o fc o l u m n a rc s i ( t i ) s c i n t i l l a t o rw a so 1 5 e r a ，t h ed i f f e r e n tl e n g t ho fc o l u m n a rc s i ( t 1 ) s c i n t i l l a t o rw e r e0 3 e r n ，0 5 c m ，1 o c m ，1 5 c m , t h ed i f f e r e n td i s t a n c eo f b e t w e e n x r a ya n d d e t e c t o rw e r e1 0 0 c m ，1 5 0 e r a t h ed i f f e r e n te n e r g yo fx r a yw e r e1 2 0 k e v , 1 6 0 k e v , 2 2 0 k e v , 3 2 0 k e v , 4 5 0 k e v s i m u l a t i o n r e s u l ti n d i c a t et h a t ：i f t h ee n e r g yi sw i t h i n4 5 0 k c v , t h ei n f l u e n c eo ft h ed i s t a n c eb e t w e e n x - r a ya n dd e t e c t o r ( 1 5 m ) w a sl i t t l e t h ed i s t a n c e m a ys u i t a b l yc h a n g ew i t ht h ed e t e c t e dm a t t e r , w h e ns c i n t i l l a t o rd i a m e t e rw a sf i x e d ，t h e l e n g t hw a sl o n g e r , t h ep e a ke f f i c i e n c ya n d t o t a le f f i c i e n c ya r eh i g h e r xr a ye n e r g ym a y s u i t a b l yc h a n g e 谢mt h ed e t e c t e dm a t t e r , i d e a le n e r g y ( t h ee n e r g yo fxr a yt h r o u g h m a t t e r ) w a s2 2 0 k e vi ft h es c i n t i l l a t o rw a s1 5 c r n w h e nt h ee n e r g yw a s2 2 0 k e v ，t h e p e a ke f f i c i e n c yw a s7 9 6 a n dt o t a le f f i c i e n c yw a s8 5 f i n a l l y , t h es e n s i t i v el e v e lo f t h e n o v e ld e t e c t o rw a se s t i m a t e d t h e o r e t i c a l l y k e y w o r d s ：i n d u s t r i a lx - r a yc o m p u t e dt o m o g r a p h y , s c i n t i l l a t i o nd e t e c t o r , c s i ( t 1 ) s c i n t i l l a t o r , c c d ，m o n t ec a r l o 重庆大学硕士学位论文 1 引言 1 引言 1 1 课题的研究背景及意义 c t ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 是计算机层析成像或计算机断层扫描成像的简 称。c t 技术是集核物理学、核电子学、光学、电子技术、计算机、自动控制、 机械学及图像技术二于二一体的高新技术，是近年来核科学技术应用研究领域中发 展非常快的一个领域“1 。c t 技术诞生于2 0 世纪7 0 年代初，随即使放射医学发 生了革命性的变化，基于医用的c t ( m e d i c a lc o m p u t e dt o m o g r a p h y , m c t ) 早 已是家喻户晓的诊断设备“1 。工业c t 即i c t ( i n d u s t r i a lc o m p u t e d t o m o g r a p h y ) 是工业用计算机层析成像或工业用计算机断层扫描成像的简称。工业c t 技术诞 生于2 0 世纪8 0 年代，自诞生以来，其发展和应用引人瞩目，特别是在无损检 测( n o n - d e s t r u c t i v el ? e s t i n g ，简称n d t ) 与无损评价( n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ， 简称n d e ) 领域显示出了其独特的优点，主要表现在： i c t 是在无损伤状态下得到被检测断层的二维甚至三维灰度图像，受被检 物体的材料种类、外形、表面状况限制较少： 检测结果是反映某断面密度变化的截面图，可直观的得到目标细节的空 间位置、形状、大小，易于识别和理解； 它以图像的灰度来分辨被检测断面内部的结构组成、装配情况、材质状 况、有无缺陷、缺陷的性质和大小等。只需沿扫描轴线扫描得到足够多的断层 二维图像，就可以得到被检物的三维图像； 图像清晰，与一般透视照相法相比不存在影像重叠与模糊，检钡0 动态范 围高，图像对比灵敏度比透视照相法要高出两个数量级之多； 图像数字化，便于记录、分析、传输和存储。 正因为i c t 具有上述优点，因此，国际无损检测界把工业c t 称为最佳的无 损检测手段。进入2 0 世纪8 0 年代以来，国际上主要的工业化国家已把x 射线 的工业c t ( x ，c t ) 技术用于航空、航天、军事、冶金、机械、石油、电力、地 质等部门的无损检测与无损评价。我国9 0 年代以来也逐步把工业c t 技术用于 工业无损检测与无损评价1 3 1 。 由于工业x - c t 技术是一项复杂的多学科交叉的高新技术，只有科技发达国 家才能研究开发这一技术，科技发达国家一则研究开发这一技术，二则采取技 术封锁，以保持对该技术的垄断地位。中国和印度等少数发展中国家，集中大 量的人力、物力对工业x c t 技术进行研究，己冲破技术封锁，并且也取得了可 喜的进步。目前，中国虽然也基本掌握了工业x c t 的高新技术，但与发达国家 重庆大学硕士学位论文 1 引言 相比还存在许多不足和差距。由于国内一些部门急需工业x c t 设备对其产品进 行检测，为此，在国内开展工业x c t 技术的研究就势在必行。 对于直径小于5 0 m m 等效钢厚的中、小型工业构件，采用4 5 0 k e v 以下的低 能x 射线工业c t 设备即可进行检测，而且这个能量范围的工业x c t 设备已有 商品化的产品 4 - 7 1 ，在国内有些单位目前使用的低能工业x c t 设备中既有国外进 口的、也有国内自行研制的。对于等效钢厚大于1 0 0 m m 的大型工业构件，则是需 要采用高能x 射线工业x c t 设备进行检测。这类设备科技含量高、成本巨大， 当前国际上只有少数公司有商品化的产品。由于高能x 射线工业x c t 检测设备 对军工产品有着明显的重要性，是发展国防、航空、航天及大型动力设备不可缺 少的基础技术，如火箭、导弹、核武器中关键部件的无损检测。美国明令禁止2 m e v 以上的工业x - c t 设备出口中国，以抑制中国尖端国防武器的发展速度。 诚然，计算机图像技术的飞速发展对工业x c t 技术的发展起到了极其重要 的作用，但是工业x - c t 技术发展的另一个决定性因素还在于x 射线探测器技术 的进步。x 射线探测器的性能及指标直接影响到工业x c t 设备最后的技术水平。 在工业x - c t 系统中，x 射线探测器技术是工业x c t 系统的三大关键技术之一( 探 测器技术、图像重建及处理技术和机械与自动控制技术) 【8 ，”。x 射线探测器技术 就是如何把x 射线与被检测物作用后，将包含有被检测物信息的射线信号转化成 为可进行处理的电信号。该种测量技术将直接影响到工业x c t 系统的性能指标 及应用效果。因此，本论文着眼于对工业x - c t 系统中所研制的新型探测器的性 能开展有关模拟研究工作。该研究工作的研究背景直接来源于下列科研项目： 国家自然科学基金项目：x 光高分辨探测层析成像技术的研究，批准号： 6 0 1 7 2 0 7 4 ； 高等学校骨干教师资助计划项目：高分辨工业x c t 探测器m o n t ec a r l o 方法研究。 本论文就是把工业x - c t 系统中的探测器技术作为立题背景，研究一种基于 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 器件的高分辨率工业x 。c t 用新型x 射线探测器， 并对该探测器的性能进行m o n t ec a r l o 方法模拟研究。通过m o n t ec a r l o 模拟结果 得出最优化的设计方案，为开发低成本、满足国内需求的工业x c t 设备打下理论 基础。 1 。2 国内外研究现状 工业x - c t 在国外经过二十多年的发展，技术已日趋成熟，其卓越的性能被誉 为二十世纪后期最伟大的科技成果之一。工业x c t 的检测能力是以往任何无损检 测设备不可比拟的，它不受被检物的材料、形状、表面状况等的影昀，能给出构 2 重庆大学硕士学位论文 1 引言 件二、三维直观图像。目前先进的工业x c t 系统已达到的主要技术指标是：最高 空间分辨率1 0 2 5u1 1 1 ；最高密度分辨率o 1 0 5 1 最高x 射线能量6 0 m e v ； 可检测最大直径约为4 m 的物体。当然这些指标是相互制约的，同一台工业x c t 系统不可能同时满足上述指标。工业x c t 系统按照能量可分为中低能( 射线能量 小于4 5 0 k e v ) 和高能( 能量高于1 m e v ) 两类：按照扫描系统的结构可分为线阵 探测器和面阵探测器的工业x c t 系统。大部分工业x c t 系统均采用以滤波反投 影算法为基础的图像重建算法，对一些特殊构件的测试，也有采用有限投影数据 的迭代算法 1 “。本论文的研究目的是：针对中、小型构件的工业x c t 检测设备 中的探测器系统，采用x 射线管为射线源，因此本节仅对国内外x 射线工业x c t 技术与设备中的探测器现状进行分析。 美国是世界上工业x - c t 技术研究及设备研制虽先进的国家。a r a c o r 公司 专门研究和生产用于大型国防构件的工业x c t 系统，1 9 8 8 年为h i l la f b 研制出 射线能量为2 m e v 的i c t l 5 0 0 型高能x 射线工业x c t 系统，并在1 9 9 0 年将该产 品升级为9 m e v 能量，可对1 5 m 直径的固体火箭发动机进行c t 重建。福特汽车 公司购买的i c t l 5 0 0 型工业x c t 系统用于该公司发动机铸件的无损检测和返求 工型1 1 1 。1 9 9 5 年a r a c o r 公司生产的i c t 2 5 0 0 型c t 系统采用1 5 m e v 直线加速 器产生高能x 射线，能够对直径2 5 m 的固体火箭发动机进行c t 重建。i c t 2 5 0 0 是当今体积最大的商品化工业x c t 系统。虽然，a r a c o r 公司用6 0 m e v 的射线 源对直径4 m ( 1 6 0 英寸) 的宇宙飞船固体火箭发动机模拟试件进行过的c t 扫描， 但尚未开发商品化的 工业x c t 系统。 图1 1k o n o s c o p ec t 系统原理及实物照片 f i 9 1 1p d n c i p i u m a n dp i c t u r eo f k o n o s e o p e c ts y s u e m a r a c o r 公司还研制了一些中、低能的工业x c t 产品，如k o n o s c o p e 系统， 该c t 系统结合了二维( 2 一d ) 扫描仪的高分辨率和三维( 3 d ) 扫描仪的速度。不 同于常见的c t 系统，一次只能采集到一个切片的信息；k o n o s c o p e 系统采用锥束 重庆大学硕士学位论文 1 引言 扫描一次可以获取整个物体的信息，故采用该系统明显缩短了检测时间，其原理 图和产品外观照片见图1 1 。a r a c o r 公司产a g e 要技术指标见表1 1 。表1 1 没 有给出工业x c t 系统的扫描时问、重建时间、探测器个数及单个探铡器的有效探 测面积等指标。 表1 1 美国a r a c o r 公司工业x c t 系统指标 型号x 射线检测物体最图像大小象素尺寸分辨力尺寸检测 能量火直径( m m )( p i x e l ) ( h a m ) ( m m )精度( r a m ) i c t l 5 0 09 m e v1 5 0 02 0 4 8 * 2 0 4 80 7 31 0o 1 5 i c t 2 5 0 01 5 m e v2 5 0 02 0 4 8 + 2 0 4 81 2 23 0 2 5 k o n o s c o p e 1 6 0 k e v2 0 01 0 2 4 1 0 2 40 2 00 4 00 0 4 1 6 0 ，2 0 01 0 2 4 1 0 0 1 0 2 4 1 0 2 40 1 00 2 5o 0 2 + 1 0 2 4 k o n o s c o p e 1 3 0 k e v4 01 0 2 4 1 0 2 40 0 40 0 70 0 0 8 1 3 0 4 01 0 2 4 l o1 0 2 4 1 0 2 40 0 1 00 0 2 50 0 0 2 + 1 0 2 4 美国b i r 公司的工业x c t 系统也是比较先进的。a c t i s 2 0 0 0 型工业x c t 系统是其检测工件直径最大的产品。根据不同检测要求，该系统可安装4 0 k e v 6 m e v 的x 射线源，能够对虽大直径2 m 、3 5 m 高、1 0 0 0 k g 重的构件进行d r ( d i g i t a r a d i o g r a p h y ) 、c t 检测。系统中的线阵探测器为6 0 0 个经准直的闪烁晶体+ 二极 管阵列探测器( 1 6 b i t 的动态范围) 组成，c t 的空间分辨率为0 7 2 1 l p m m ，密 度分辨率为0 1 ( 对l e n a 2 的区域) ，重建时间为2 3 3 分钟 1 2 1 。 日本在工业x c t 方面也进行了大量的研究，1 9 9 4 年研制出了1 2 m e v 加速器 为x 射线源的工业x - c t 系统样机，探测器为c d w o 。闪烁晶体+ 光电二极管结构， 线阵探测器为1 5 个避道，后准直缝宽为o 3 m m * 3 m m ，c t 图像格式为1 0 2 4 1 0 2 4 ， 在直径为2 5 0 m m 的钢圆柱片上能分辨0 8 m m 的孔，数据获取时间为1 0 分钟 1 3 , 1 4 1 。 国内在工业x c t 方面也投入了大量的人力、物力，取得了不错的成绩。重庆 大学研制的工业c t 系统采用6 0 c o y 射线源，3 2 个探测器，可重建2 5 6 * 2 5 6 、5 1 2 5 1 2 和1 0 2 4 1 0 2 4 的图像p 】。目前国内还没有研制开发出基于线阵探测器的、以加速器 为x 射线源的高能工业x c t 系统。 4 重庆大学硕士学位论文 1 引言 近年来，清华大学一直进行着用于检测陶瓷零件的高分辨工业x c t 的研究工 作。在早期的工作中己建成了两套微焦点x - c t 系统，其中采用了两种类型的探测 器。1 9 9 0 年以图像增强器荧光屏作为探测器的国内第一套工业x - c t 系统一一 b c t 1 投入了运行。1 9 9 4 年又建成了具有2 5 6 个分立探测器的国内第二套工业 x c t 系统一一b c t 2 ，其探测器阵列由闪烁体c s i ( t 1 ) 晶体和光电二极管组成， 但是因其较差的空间分辨能力难以满足检测陶瓷零件的要求【l “。1 9 9 5 年底以前， 采用闪烁体+ 光电二极管阵列高分辨探测器的国内第三套工j 眦x c t 系统一一b c t - 3 又制造完成，这种系统结构非常适合于检测陶瓷零件，但由于其探测器采用了 线阵结构，在一次扫描过程中只能对单一的断层成像，检测每一个样品都要做大 量的扫描，很难实现对样品百分之百的检n t l ”。2 0 0 0 年底成功设计了使用面阵 c c d 探测器的国内第四套工业x c t 系统一- - b c t - 4 ，实现了对样品的快速数字成 像( d r ) 和三维c t 图像重建【1 ”。 北京自动化所在其研制的9 m e v 驻波直线加速器上，利用x 射线图像处理系 统中的转换屏及探测器单元，加上转台及控制系统，组成了高能x 射线面阵探测 的工业x - c t 实验系统，采集的图像是8 b i t ，每个投影是一个二维图像，利用2 5 6 幅图像叠加的方法消噪声，采用滤波反投影算法，重建了直径8 5 m m 的铁环，上 面钻有直径1 5 m m 的孔，内壁贴直径2 m m 的钢丝【1 ”。 北京航空航天大学现代检测中心利用美国瓦里安( v a r i a n ) 公司生产的单晶硅 平板探测器研制成的工业x c t 系统，也具有一定的特色，取得了一系列的研究成 果。 华北工学院无损检测中心在“九五”期间开展了高能x 射线无损检测技术的 研究，以俄罗斯的6 1 0 m e v 加速器作为高能x 射线源，以c s i ( t 1 ) 闪烁体为转换 屏，美国p h o t o m e t r i c s 公司p x l 6 3 0 0 液体制冷面阵c c d 相机( 象素数：2 0 4 8 * 3 0 7 2 ， 象素尺寸：9 u m * 9 u m ) 作为数采设备，可对大型工业构件( 等效钢厚：6 0 2 0 0 m m ) 进行d r 检测，一次扫描区域：1 4 0 m m 1 4 0 r a m 2 0 0 ”。 国外的工业x - c t 设备比较先进，价格昂贵。国内在工业x c t 方面也取得了 可喜的成绩，但x 射线探测器主要依赖于进口，这在一定程度上影响了工业x c t 设备的研发水平。本论文的主要研究内容就是针对工业x - c t 用x 射线探测器开 展了有关模拟研究工作。 1 3 本论文的主要研究内容 本论文以工业x - c t 用新型x 射线探测器性能的模拟研究作为研究课题，以 中、小型构件的c t 检测作为检测对象，确定了工业x c t 用新型x 射线探测器方 重庆大学硕士学位论文1 引言 案，并对该探测器方案进行理论及模拟研究，以期达到最优化的设计要求。其主 要研究内容包括： 确定了工业x - c t 用新型x 射线探测器的设计方案； ( d 对探测器方案进行理论研究，建立x 射线与探测晶体作用的模型，并用 调制传递函数来描述整个探测器系统； 对探测器进行m o n t ec a r l o 方法模拟研究，讨论了探测器的能量分布、全 能峰效率、闪烁体转换效率等性能； 通过m o n t ec a r l o 方法模拟研究，选择最佳的能量范围、晶体尺寸，从而 优化探测器的设计： 通过模拟方法得至理论上最佳的x 射线探测器设计方案，为迸一步的研 究打下理论基础。 重庆大学硕士学位论文2 工业x - c t 探测器技术的理论基础 2 工业x c t 探测器技术的理论基础 2 1 工业x c t 技术的基本原理 工业x c t 的基：奉原理与人们熟知的医用x c t 相似，所不同的是其检测对象， 前者是检测工件，而后者是人的检查。 工业x - c t 是一种无损检测( n d t ) 和无损评价( n d e ) 技术，它能在无损条 件下对各类工业材料或产品等进行检测，最终以计算机数字化的断层图像形式显 示被测物体的内部结构、材质组成及缺陷状况等情况，如图2 1 所示。 透射式辐射照豫 图2 1 丁业x - c t 系统的工作原理 f i 9 2 1p r i n c i p i u mo f i n d u s t r i a lx - c ts y s t e m 可见，工业x c t 的检测结果非常直观、清晰和准确，便于解读和分析( 无损 质量评价) ，它的应用几乎不受被检测对象结构和材质的限制。与一般无损检测技 术相比( 如超声、射线照相等) ，综合性能指标最优，适应性最强，应用范围最广。 因此，工业x c t 被称为当今世界最佳的无损检测手段。 工业x c t 之所以被称为最佳的无损检测手段，是因为x c t 是一种绝妙的成 像技术，并具有支撑它的数学、物理和技术基础。 早在1 9 1 7 年，丹麦数学家雷当( j r a d o n ) 的研究工作己为c t 技术建立了数 学理论基础。他从数学上证明了，某种物理参量的二维分布函数，由该函数在其 定义域内的所有线积分完全确定。该结论指出，需要有无穷多个且积分路径互不 完全重叠的线积分，才能精确无误地确定该二维分布，否则只能是实际分布的一 重庆人学硕士学位论文2 工业x c t 探测器技术的理论基础 个估计。该研究结果的意义在于：只要能知道一个未知二维分布函数的所有线积 分，则能求得该二维分布函数；获得c t 断层图像，就是求取能反映断层内部结构 和组成的某种物理参量的二维分布。当二维分布函数已知，要将其转换为图像， 则是一个简单的显示问题。因此，首要的问题是如何求取能反映被检测断层内部 结构组成的物理参量二维分布函数的线积分。 物理研究指出，一束x 射 线穿过物质并与物质相互作 用后，x 射线强度将受到射线 路径上物质的吸收或散射而 衰减，衰减规律由比尔定律确 定。可用衰减系数度量衰减程 度。考虑般性，设物质系非 “x j ) k 一l 图2 2 射线穿过衰减系数为儿( x 、y ) 的物质的情况 f i 9 2 2 a t t e n u a t i o no f r a d i a lt h r o u g hm a i l e r 均匀的，一个面上衰减系数分布为肛( x 、y ) 。当射线穿过该物质面，入射强度i 。的 射线经衰减后以强度i 穿出，射线在物质面内的路径长度为l ，如图2 2 。 由比尔定律确定的i 。、i 及弘( x 、y ) 的关系如下： ，= 1 0e x p - j u ( x ，y ) d x d y ( 2 1 ) l 由( 2 1 ) 式可得 j 。o ，y 蚴= 抽争 ( 2 2 ) ( 2 2 ) 式表明，射线路径l 上衰减系数“( x 、y ) 的线积分等于射线入射强度1 0 与 出射强度i 之比的自然对数。1 0 和i 可用探测器测得，则路径l 上衰减系数的线积 分即可算出。推而广之，当射线以不同方向和位置穿过该物质面，对应的所有路 径上的衰减系数线积分值，均可照此求出，从而得到一个线积分集合。该集合若 是无穷大，则可精确无误确定该物质面的衰减系数二维分布，反之，则是具有一 定误差的估计。因为物质的衰减系数与物质的质量密度直接相关( 当然还与原子 序数有关) ，故衰减系数的二维分布也可体现为密度的二维分布，由此转换成的断 面图像能够展现其结构关系和物质组成。实际的射线束总有一定的截面，只能与 具有一定厚度的切片或断层物质相互作用，故所确定的衰减系数或密度的二维分 布以及它们的图像表示，应是一定体积的积分效应，绝不是理想的点、线、面的 结果。 有了上述数学、物理基础后，为在工程技术上实现，避开硬件的技术要求， 在方法上还需解决两个主要问题。首先是如何提取检测断层衰减系数线积分的数 据集，其次是如何利用该数据集，确定出衰减系数的二维分布。解决第一个问题 可采用扫描检测方法，即用射线束有规律地( 含方向、位置、数量等) 穿过被测 重庆大学硕士学位论文 2 工业x c t 探测器技术的理论基础 体所检测断层并相应进行射线强度测量，围绕提高扫描检测效率，可采用各具特 色的扫描检测模式。解决第二个问题则是应用图像重建算法，即利用衰减系数线 积分的数据集，按照一定的重建算法进行数学运算，解出衰减系数的二维分布并 予以显示。 由此看出，x - c t 成像与一般x 辐射成像最大不同之处在于：它用射线束扫描 检测一个断层的方法，将该断层从被测体孤立出来，使扫描检测数据免受其它部 分结构及组成信息干扰；对所扫描检测断层，并非直接应用穿过断层的射线在成 像介质上成像，而仅仅是将不同方向穿过被测断层的射线强度作为重建算法作数 学运算所需之数据，或者说，断层图像是通过数学运算才得到的。 2 2 工业x c t 系统的组成 一般而言，工业x c t 系统是由这样几个部分构成，即x 射线源系统、探测 器系统、数据采集系统、机械扫描运动系统、自动控制系统、计算机系统及图像 硬拷贝输出设备等基本组成部分，如下框图2 3 。 本论文着眼于工业x c t 系统中的x 射线探测器性能的模拟研究。x 射线探 测器是x - c t 系统获取信号的关键部分，也是决定c t 性能的关键部分之一。 图2 3 工业x c t 系统组成框图 f i 醇3 t h eb l o c k d i a g r a mo f x - i c ts y s t e m 其主要配置介绍如下： 射线源。射线源用来产生具有一定能量和强度的x 射线，以便探测器采 集数据进行图像重建，射线源的稳定性及一些相关特性是影响图像质量的关键因 素； 9 重庆大学硕士学位论文2 工业x c t 探测器技术的理论基础 探测器。工业x c t 要用到大量的探测器单元，由于所采用的射线源和检 测对象不同，且对密度分辨率和空间分辨率的要求也不同，因而对探测器的要求 也不一样，工业x - c t 系统探测器的设计是一项非常复杂的工作，因而探测器的 制作水平往往在很大程度上决定了整个工业x c t 系统的水平；本课题主要是针 对工业x c t 系统中的探测器，在后面会详细讨论； 精密机械扫描系统。射线源一机械扫描系统一探测器系统的组合对一台 i c t 的性能起着关键作用，它决定了工业x - c t 系统可能获得的信息的质量 信号处理电路。用来将探测器得到的信号进行一些预处理，将其转变为 数字信号并送入计算机系统进行处理，要求信号处理电路有一定的精度及快速 的响应特性； 显示系统。主要用于显示重建出来的物体二维断层图像及三维立体图像； 存储器与打印机。用来将所获得的数据进行保存及输出； 主计算机系统。用来对整个系统进行总体控制； 图像处理计算机。主要用来进行图像重建； 安全防护系统。由于射线源采用的x 射线对人体有较大伤害，因而保障 人的生命安全就尤为必要，安全防护系统主要起这样的作用。 由工业x c t 系统的基本组成，可以看出，工业x c t 技术确实是一项复 杂的多学科交叉的高新技术。 2 3x 射线探测的物理基础但2 。2 4 1 工业x - c t 重建图像的质量取决于投影数据的好坏。高质量的x 射线投影数 据的获取除了与c t 扫描系统的机械精度、探测器的转换效率等因素有关外，还 与x 射线的量子效率、与物质的相互作用机理、检测灵敏度等性质密切相关。 工业检测中普遍使用的射线有x 射线和y 射线。x 射线和y 射线本质相同， 同样既是波长很短的电磁波，又是能量很高的光子流。它们的本质和性质没有区 别，区别仅在于产生的方式不同。y 射线是放射性物质的原予核在天然衰变的过 程中放射出来的，其能量和强度无法控制和调节，要产生大剂量的射线，射线源 的焦点尺寸会很大。一般x 射线是由x 射线管或直线加速器产生，y 射线由6 0 c o 和”7 c s 等同位素产生。 不同射线源所产生的射线能量不同，因而其穿透物质的能力是不同的。”c o 产生的y 射线能量为1 3 3 m e v ；1 ”c s 同位素产生的y 射线能量为0 6 6 m e v ；x 射 线管产生的x 射线能量最大为4 5 0 k e v ；常用的直线电子加速器产生的x 射线能 量一般大于2 m e v ，最高可达几十m e v 。 l o 重庆大学硕士学位论文2 工业x - c t 探测器技术的理论基础 2 3 1x 射线的产生 从物理学中，我们知道，凡具有加速度的带电粒子都会产生电磁辐射。因此 当电子在高压电场的作用下，高速运动时，突然撞击到靶面( 会产生很大的负加 速度) 从而形成了所谓的韧致辐射。x 射线是当具有充分动能的带电质点被迅速 减速时产生的。简单地说，它是由高速运动的电子撞击靶面而产生的，如图2 4 所 示。 图2 4x 射线管产生x 射线示意图 f i 9 2 4x - r a , ，sp r o d u c e d ：ab e a mo f e l e c l r o n sd i r e c t e da g a i n s tam e t a lp l a t e 一般情况下，带电质点是电子，在x 射线 管的电子源( 阴极) 和阳极间施加高电压，加 速电子、高速电子撞击到阳极靶上产生x 射 线。电子撞击到阳极靶时的动能绝大部分转变 为热，只有f t p j , 部分转变为x 射线。另一方 面，当电子的动能足够大时，将会把靶面原子 的内层电子轰击出来，在原位置形成空穴，而 此刻外层的电子( 位于高能级) 产生跃迁以填 补该空穴。同时，它将多余的能量以x 射线的 塑2 5m 。靶豹x 蝴。 形式放出，形成所谓的标识x 射线。标识射线f i 簖，5x - m y c h a r t a l m a 妇喝咿 的波长是不连续的。它取决于靶面的材料。它通常用于对材料的化学成分进行定 性分析。在无损检测探伤中，一般用前者。x 射线强度随波长的分布关系称为x 射线谱。x 射线谱由两部分组成：连续谱和特征( 标识) 谱。连续谱x 射线产生 重庆大学硕士学位论文 2 = 业x - c t 探测器技术的理论基础 于韧致辐射过程；特征谱线是在跃迁辐射过程产生的。如2 5 图所示m o 靶的x 射 线谱由两部分叠加而成：强度随波长连续变化的连续谱和波长一定而强度很高的 特征谱线。 2 3 2 x 射线的本质 按照波动学说x 射线与可见光、y 射线及无线电波一样，都属于电磁波。但 与其它电磁波在波长上有所区别。表2 1 列出了各种电磁波波长的比较。 表2 1 各种电磁波波长 t a b l e2 1 t h e w a v e l e n g t ho f e | e c i z o m a g n e f i c w a v e 1 名称无线电波红外线可见光紫外线x 射线y 射线 l 波长3 0 k i n 0 3 m m7 8 0 0 a3 9 0 0 a1 0 1 9 a1 1 3 9 a 0 3 m m7 8 0 0 a3 9 0 0 a2 0 0 a0 ，0 0 6 a0 0 0 3 a 因为x 射线与其它电磁波在波长上差别甚大，因此x 射线不但具有可见光的 某些性质，而且还有不少特殊的性能。 与可见光一样，x 射线具有如下性质： ( d 在真空中，它以光速直线传播： ( 参本身不带电，故不受电磁场的影响； ( d 有反射、折射、衍射、干涉等现象( 但x 射线的这些现象具有它自己的 特点) ； ( d 能使软片感光，亦能使某些物质产生荧光。 由于x 射线光量子的能量远大于可见光，所以在性质上它们又存在明显的不 同。x 射线还具有以下与可见光不同的性质： 不能为人眼直接感觉到； ( d 对可见光不能透过的物质具有相当高的穿透本领； ( d 通过物质时能被物质吸收使物质电离，并产生次级射线； ( d 它与有机体作用，生物效应强烈，能杀伤有生命细胞。 2 3 3 x 射线的特性 x 射线与无线电波、红外线、可见光、紫外线及y 射线一样，也是一种电磁 辐射。同样具有波动性和粒子性。它的波长介于紫外线与y 射线之间，通常用于 诊断的x 射线的波长约为1 1 0 。2a ，治疗用x 射线波长可更短。x 射线也可看 作为一种电磁振荡的中性粒子束。每个x 射线光子具有一定的能量e = v ，并以 光的速度直线传播。同时服从光的反射、折射、散射和衍射等一般规律。 1 2 重庆大学硕士学位论文 2 工业x c t 探测器技术的理论基础 穿透性： x 射线的波长短，即能量大，故穿透力强。x 射线的穿透性 与物质的性质、结构有关。一般高原子序数的物质密度大，吸收x 射线多，穿透 性差。x 射线的穿透性还与x 射线的波长、被穿透物质的厚度有关。波长愈短的 x 射线，穿透力愈强。物质厚度愈小，x 射线被吸收得愈少穿透得就愈多。 荧光作用：x 射线是肉眼看不见的，但当它照射某些物质时，却能够 引起发出荧光。这类物质称荧光物质，如磷，碘化钠等。荧光物质受到x 射线照 射，则物质原子受激与电离，当恢复常态时，便放射出位于电磁辐射谱中可见光 和紫外线之间的荧光。x 射线机上的荧光屏和增感屏就是利用这一特性制成的。 ( d 电离作用：物质受x 射线照射将引起电离。具有足够能量的x 射线光 子不仅可击脱物质原子的轨道电子产生一次电离，脱离了原子的电子又与其它原 子碰撞，还会产生二次电离。电离作用对x 射线的测量和应用具有重要意义。 2 3 4 x 射线与物质的相互作用 x 射线与物质的相互作用机理，是工业x c t 系统中探测器进行x 射线探测 的基础。这是因为x 射线穿过物质时，要与物质发生相互作用而导致强度减弱。在 与物质的相互作用中，引起强度减弱的原因可分为两类：吸收和散射。吸收过程 是一种能量转换过程，射线能量被吸收后 转换为其他形式的能量；散射过程则不仅、 使射线的传播方向改变，而且会产生相干 曲! ，： 6 0 d b 7 1 d b 7 1 d b 工作温度( )一1 5 + 4 51 5 + 4 5一1 5 + 4 5 通过对闪烁探测器中各部件的选择，提出了基于面阵c c d 和c s i ( t 1 ) 闪烁 重庆大学硕士学位论文 3