探測器是X射線檢測設備中的核心部件之一,是成像的必要組成部分。從過去傳統應用的X射線膠片,到如今數字化圖像的廣泛普及,射線檢測技術經歷了模擬成像技術和數字成像技術兩個階段。數字成像技術的出現,特別是數字平板探測器的廣泛應用,極大地推動了射線檢測技術的數字化進程。
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射線轉化為可見的圖像,以便人們能夠直觀地觀察和分析物體內部結構。它通過感應穿過物體的X射線強度,并根據不同部位X射線的強度差異,以黑白值(灰度等級值)的形式呈現出物體內部的詳細圖像。
二、常見數字探測器
在結構和應用場景上區分,數字化X射線探測器可以分為線陣探測器和(面陣)平板探測器。
平板數字探測器
平板數字探測器,也被稱為面陣探測器,是目前數字化X射線成像系統中應用較為廣泛的一種類型。它采用大面積的半導體材料,通過閃爍體和光電二極管陣列等結構,將X射線轉換為可見光,再轉換為電信號,最后形成數字圖像。
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的信號。線陣數字探測器
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掃描(點射線)的方式捕獲圖像,線陣中的探測器逐個掃描被檢測物體,形成點射線的方式進行檢測。
線陣列探測器與平板探測器在結構上的不同,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,演化出利用光學放大物鏡耦合的探測器組件,這類組件由閃爍體、光學鏡頭和高分辨CCD相機組成。是通過光學物鏡,對X射線激發閃爍體產生的可見光圖像進行二次放大,再通過CCD相機采集可見光型號,從而實現更高分辨的成像。必然導致光耦和物鏡探測器系統的檢測效率大幅降低,適用場景也相對有限。
三、平板數字探測器
作為應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:
非晶硅平板數字探測器
非晶硅(A-Si)平板數字探測器其實也是間接數字化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X射線穿過物體并擊中閃爍體時,會轉化為可見光圖像。可見光圖像的下一層非晶硅光電二極管陣列將其轉化為電信號圖像,隨后,對電信號逐行取樣轉換為數字信號,然后傳給計算機構成X射線數字圖像。
1.CsI晶體針狀結構,極大地提高了光電轉化效率;3.非晶硅陣列采用的是并聯電路,單像素壞點不影響整板的正常工作;當檢測系統的幾何放大倍數不足時,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上形成足夠的成像,從而導致這些缺陷無法被成功檢測到。CMOS平板數字探測器
CMOS平板數字探測器結合了CMOS集成電路技術與X射線成像技術。它首先通過熒光材料,將X射線轉換為可見光圖像,可見光圖像下的一層CMOS感光成像器件將光信號轉換為電信號。對電信號逐行取樣轉換為數字信號,然后傳給計算機構成X射線數字圖像。
1.像素小到50μm~70μm,可以幫助提高系統最小缺陷檢測能力;2.像素小,必然會導致探測器信噪比低,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電路,圖像上容易出現黑色死線;
CCD探測器
CCD探測器的結構主要是由17英寸x17英寸的閃爍屏,反射鏡面,鏡頭和CCD感光芯片構成。其原理是閃爍屏經X射線曝光后,將X射線光子轉換成可見光,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芯片再將可見光轉換成電信號,最終獲得數字化圖像,CCD探測器的DR屬于間接能量轉換方式。
CCD探測器相較于非晶硅平板探測器來說成像質量要差一些。且感光靈敏度不高,光電轉換效率往往低于30%。但是隨著CCD成像感光器件的技術不斷行不和提高,CCD探測器的圖像質量也在逐步發展提高。過去比較高昂的成本也在不斷地降低。
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