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探测器是X射线检测设备中的核心部件之一,是成像的必要组成部分。从过去传统应用的X射线胶片,到如今数字化图像的广泛普及,射线检测技术经历了模拟成像技术和数字成像技术两个阶段。数字成像技术的出现,特别是数字平板探测器的广泛应用,极大地推动了射线检测技术的数字化进程。
我们知道,X射线是一种不可见光,而探测器的主要作用就是将不可见的X射线转化为可见的图像,以便人们能够直观地观察和分析物体内部结构。它通过感应穿过物体的X射线强度,并根据不同部位X射线的强度差异,以黑白值(灰度等级值)的形式呈现出物体内部的详细图像。
在结构和应用场景上区分,数字化X射线探测器可以分为线阵探测器和(面阵)平板探测器。
平板数字探测器,也被称为面阵探测器,是目前数字化X射线成像系统中应用最为广泛的一种类型。它采用大面积的半导体材料,通过闪烁体和光电二极管阵列等结构,将X射线转换为可见光,再转换为电信号,最后形成数字图像。
平板探测器采用全像式(全面辐射)探测,X射线从不同方向通过被检测物体,探测器可以接收整个扫描范围内的信号。
线阵探测器是由多个探测单元排列在一条直线上的小型探测器,形成一个线性阵列。线阵探测器是采用逐点扫描(点射线)的方式捕获图像,线阵中的探测器逐个扫描被检测物体,形成点射线的方式进行检测。
线阵列探测器与平板探测器在结构上的不同,使得其成像散射小、具有较高的对比度灵敏度和空间分辨率。但线阵探测器具有对机械传动要求更高,成像速度慢,检测效率较低,射线剂量要求较高等方面的问题。
值得一提的是,除了平板探测器、线阵探测器以外,为了追求更高的(纳米级)空间分辨率,演化出利用光学放大物镜耦合的探测器组件,这类组件由闪烁体、光学镜头和高分辨CCD相机组成。是通过光学物镜,对X射线激发闪烁体产生的可见光图像进行二次放大,再通过CCD相机采集可见光型号,从而实现更高分辨的成像。必然导致光耦和物镜探测器系统的检测效率大幅降低,适用场景也相对有限。
作为应用最广泛的平板探测器,在成像方式上又可以分为几种主要类型,包括:
非晶硅(A-Si)平板数字探测器其实也是间接数字化X线成像。其表面是一层闪烁体材料(如碘化铯或硫氧化钆),当X射线穿过物体并击中闪烁体时,会转化为可见光图像。可见光图像的下一层非晶硅光电二极管阵列将其转化为电信号图像,随后,对电信号逐行取样转换为数字信号,然后传给计算机构成X射线数字图像。
1.CsI晶体针状结构,极大地提高了光电转化效率;
3.非晶硅阵列采用的是并联电路,单像素坏点不影响整板的正常工作;
当检测系统的几何放大倍数不足时,由于单个像素尺寸大约为100μm,微小的缺陷可能无法在一个像素点上形成足够的成像,从而导致这些缺陷无法被成功检测到。
CMOS平板数字探测器结合了CMOS集成电路技术与X射线成像技术。它首先通过荧光材料,将X射线转换为可见光图像,可见光图像下的一层CMOS感光成像器件将光信号转换为电信号。对电信号逐行取样转换为数字信号,然后传给计算机构成X射线数字图像。
1.像素小到50μm~70μm,可以帮助提高系统最小缺陷检测能力;
2.像素小,必然会导致探测器信噪比低,图像灰度值和黑白对比度差;
3.CMOS光电二极管阵列电路是串联电路,图像上容易出现黑色死线;
CCD探测器的结构主要是由17英寸x17英寸的闪烁屏,反射镜面,镜头和CCD感光芯片构成。其原理是闪烁屏经X射线曝光后,将X射线光子转换成可见光,可见光被反射镜面反射,然后通过镜头聚焦将可见光投射到CCD芯片上,CCD芯片再将可见光转换成电信号,最终获得数字化图像,CCD探测器的DR属于间接能量转换方式。
CCD探测器相较于非晶硅平板探测器来说成像质量要差一些。且感光灵敏度不高,光电转换效率往往低于30%。但是随着CCD成像感光器件的技术不断行不和提高,CCD探测器的图像质量也在逐步发展提高。过去比较高昂的成本也在不断地降低。