基于光锥的X 射线探测器耦合方法

韩跃平，李瑞红，韩 焱

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原030051；

2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051）

0 引言

随着核工业技术与计算机科学技术的发展，X射线在工业检测与医学诊断等领域得到了广泛应用［1-3］。一百多年以来，人们一直致力于研制新型的X 射线探测器，以期能够在减小X 射线剂量的前提下，获得更好的成像质量。新型X 射线探测器的应用，一般都伴随着新型X 射线成像技术的出现。常见的X 射线数字探测器有像增强器（Image intensifier）、线 性 二 极 管 阵 列（Linear detector array，LDA）、影 像 版（Imaging Plate，IP）、平 板 探 测 器（Thin Film Transistor，TFT）、互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）线性阵列等。

X 射线探测器的选取决定于应用的特殊要求与限制。射线探测器的光学转换效率、计数率、空间分辨率以及易于操作性是几个最重要的技术指标［4-10］。工业上，对于一些诸如微小型集成电路芯片、材料内部的细微组织结构的检测，需要具有极高分辨率的X 射线探测器；此外，对于一些诸如发动机缸盖等复杂构件，低剂量（通常＜450keV）的X射线机不能穿透双层壁厚，需要方便的可以嵌入构件腔体内的探测器实现单层壁厚的检测［11］。

目前，具有高分辨率的平板探测器代表了X 射线探测器的主流方向，然而，平板探测器技术仍然只是掌握在英、美、日等少数发达国家手中，施行技术保护壁垒的同时，造成了昂贵的价格垄断。

基于像增强器模式的X 射线探测器目前主要有两种结构，即X 射线晶体转换屏+透镜组或纤维光锥+光学成像器件。由于具有体积小、重量轻、便于一体化以及调试方便等优点，X 射线晶体转换屏+纤维光锥+光学成像器件这种结构的应用更为普遍。本文针对传统的纤维光锥耦合式X 射线探测器存在“多余”的耦合界面层会造成光通量损失，降低探测器的空间分辨率等问题，提出了基于电荷耦合器件CCD 的纤维光锥直接耦合方法。

1 传统耦合方法及存在的问题

图1为常用的基于光锥耦合的X 射线探测器的组成结构图，主要包括：晶体转换屏前防护层1、晶体转换屏2、晶体转换屏后防护层3、晶体转换屏与光锥大端面耦合层4、光锥5、光锥小端面与光电耦合器件CCD 耦合层6、CCD 保护窗7 以及CCD 8。晶体转换屏通常采用坩埚生长或蒸镀等工艺，利用碘化钠（NaI）、碘化铯（CsI）、钨酸镉（CdWO4）等射线固态探测物质制成，然后通过光锥将晶体转换屏与CCD 耦合在一起构成图1 所示X 射线探测器。

图1 传统X 射线探测器结构Fig.1 Scheme of traditional X-ray detector

晶体转换屏、光锥和CCD 为图1 所示X 射线探测器中最为重要的三个组成部分，晶体转换屏用于将X 射线转换为能够用于成像的可见光；光锥用于进行光耦合；CCD 利用耦合后的可见光进行成像。此外，晶体转换屏前、后防护层用于对晶体屏保护，防止屏受到腐蚀与潮解等；CCD 保护窗防止CCD 表面氧化、落上灰尘或被划坏等；通过两个耦合层，光锥的大、小端面分别和晶体转换屏、CCD 耦合在一起。光锥面积缩放比通常为3：1或5：1。

光电探测器所成图像的分辨率通常取决于两部分：探测器对空间信号的响应能力与后继读出装置对信号的提取及传输能力。整个信号采集与传输系统由探测器与读出装置两级单元级联构成，各级单元可能各自包含有多个子单元器件。假定整个系统为满足空间不变性的线性系统，则总系统的光学传递函数为级联单元光学传递函数之积［12］：

式（1）中，MTFsystem是总系统光学传递函数，MFTdetector与MFTread分别是探测器与读出装置的光学传递函数。对于所有的单元模块或复合系统，0≤MFTi≤1成立，因此总系统的分辨率低于任一级单元的分辨率。同时也表明，如果改善总系统的分辨率特性，首先应改进级联单元中性能最差的部分。

探测器总的分辨率低于任何一个组成器件的分辨率［13-17］。因此，构成探测器的子单元器件及耦合层越多，探测器总的分辨率越低。实际应用中，图1所示X 射线探测器的晶体转换屏前、后防护层，晶体转换屏与光锥大端面耦合层，光锥小端面与CCD耦合层以及CCD 保护窗等只是起到保护或耦合作用，对X 射线的探测和成像并无帮助，这些“多余”界面层的存在会损失有效光通量，从而降低X 射线探测器的灵敏度与空间分辨率。此外，光锥的圆形单丝一般呈六角形排列，而CCD 像素为矩形排列，且光锥耦合端的单丝直径小于CCD 的像素尺寸，耦合后光锥的单丝与CCD 的像素会形成错位排列。“多余”界面层会增加晶体层与光锥芯材料、光锥芯材料与CCD 成像单元的更多错位耦合，从而造成电荷的横向扩展与光学串扰，进一步降低空间分辨率，最终使得成像后的图像质量下降。国内X 射线探测器的空间分辨率大多低于5线对／mm（每毫米单位长度上可明显区分的黑白线对低于5对）。

2 改进的直接耦合方法

本文提出的X 射线探测器的结构原理如图2所示，包括像增强器、蒸镀有硫氧化二钆闪烁晶体（Gd2O2S（Tb））的荧光窗口、高分辨率的CCD 芯片。闪烁晶体荧光层通过光学纤维窗与像增强器前端直接耦合。内置有高增益微通道板（Microchan-nel Plate，MCP）的像增强器保证了X 射线的转换效率与二次电子激发。利用光子计数模式，一束X射线的作用可看作是一簇信号散布作用于多个像素，空间分辨率的显著提高是通过估计参与作用的信号簇的质心位置获得，二维作用位置坐标可通过极大似然估计法得到［18］。因为在进入成像系统之前荧光已被像增强器预先放大，该系统不再受限于光学系统的光传输损失，这就允许使用低价格的高速CCD。该系统也允许使用价格低廉的光学耦合系统把像增强器与CCD 芯片的光敏面直接耦合在一起。

目前通用的射线固态探测物质有NaI、CsI和CdWO4闪烁晶体。这些闪烁晶体具有很高的探测效率（接近100%）、高计数率（～106s-1）与高的空间分辨率［19］。然而，它们的X 射线转换效率很低，本文选用了Gd2O2S（Tb）。

图2 改进的X 射线探测器结构Fig.2 Scheme of the newer advanced X-ray detector

探测器系统使用的像增强器有效探测区域为直径25mm，空间分辨率达到13线对／mm（使用焦斑小于50μm 的微焦点射线源）。作为增强放大的主要器件，MCP由大量单独工作的次级电子倍增毛细纤维传导管构成，形成一个二维的次级电子倍增器。MCP的放大系数可以通过改变其两端所加的电压而轻易地在很大的范围内调节。MCP 的固有特性是其放大系数（G）与两端所加电压（V）的非线性关系，二者近似成如下指数关系［20］：

基于MCP的X 射线探测器的增益曲线如图3所示［21］。探测器的信号正比于发射到MCP 上的光量子的数目。由于MCP 在出厂时不会得到必需的精确校准，因此，在使用前对其执行完全校准的程序是非常有必要的。首先，测得在600～1 000V 电压范围内MCP 的相对增益；在校准范围以外的区域可以利用公式（1）在实验中通过外推得出。完全校准的程序以通过测试经过探测器的电子束的辐射能量（光量子数目）为基础。光线束能量的变化导致辐射光波波长的变化，从而导致在特定实验条件下探测器测试到的频率响应的变化。

图3 MCP增益与电压的关系曲线Fig.3 Gain of the detector versus applied voltage for different tube currents

探测器系统所用的CCD 具有很高的图像帧读出速度，在高速计数率的情况下这是避免图像数据堆积的必要条件。市场上，大量的低价格、高读出速度的CCD 芯片可以买到，从每秒15帧5 MP 图像到每秒200帧0.3MP的图像。对于X 射线光子而言，当像素尺寸小于20mm 时，CCD 探测器的有效空间分辨率是相对独立的［15］。本文采用了一个加强的811（H）×508（V）像素单元的CCD 相机，其中每个像素大小为8.4μm×9.8μm，CCD 为图像帧读出模式，读出频率19.75 MHz（60帧／s）。

本文采用了缩放比为1：3的光锥来耦合像增强器与CCD，几乎不会有光损失。通常，光锥的大端面与像增强器的输出窗耦合而小端面与CCD 的石英玻璃窗耦合［22］。这种耦合模式会形成三个界面：一个是光锥的小端面与硅脂之间的界面；第二个是硅脂与石英玻璃窗之间的界面；第三个是玻璃窗与CCD 光敏面之间的非接触界面。

为了减少光子损失、提高耦合效率，同时又不影响系统的空间分辨率，移除了CCD 芯片的石英玻璃保护窗，把CCD 的光敏面与光学纤维光锥直接耦合在一起，如图4所示。相比于空耦合模式，采用硅脂耦合方式具有高达30pl／mm 的空间分辨率，图5是实验测试结果。

图4 光锥与CCD 耦合Fig.4 CCD camera coupled with the fiber optic taper

图5 探测器空间分辨率实验测试Fig.5 Experimental results of spatial resolution tests

3 实验结果与分析

实际的成像系统结构如图6。为了获取高质量的X 射线图像，本文使用了33μm 的微焦斑射线源。工程检测中，当一束由被检测客体衰减后的X 射线打在MCP 前端的光电阴极时，X 射线激发蒸镀于光电阴极表面的Gd2O2S（Tb）荧光闪烁晶体。被激发的各向同性的光电子被聚焦到像增强器的MCP。初级转换电子的激发程远大于电子管的厚度因而可能通过几个电子管。相应地次级电离激发电子在外加电场的作用下向电子管的出口发射。然后这些电子在像增强器中被增强放大并且在输出屏上转化为光子。最后通过光学纤维光锥无损失地再次成像在CCD上。这个被检测物体的X射线图像被电路采集系统采集后传输到计算机单元进行最终的分析处理。

图6 X 射线探测系统结构框图Fig.6 Structural diagram of the X-ray detection system

图7显示了微焦点射线源在35kV 管电压和0.2mA管电流作用下，探测器表面与射线源焦点之间的距离为600mm 时，X 射线探测器获取的空间分辨率图片。由图可知，该探测器可获得大约83μm（12线对／mm）的空间分辨率。

图8显示了微焦点射线源在60kV 管电压和0.12mA管电流作用下X 射线探测器获取的一些电路芯片灰度图。图中我们可以看出金属材料与塑料之间很好的对比度，这是由于两者对X射线的固有吸收系数不同得出的。进一步实验验证了利用本探测器可以检测低密度复合材料物质的内部微观结构。

图7 探测器空间分辨率图片Fig.7 Spatial resolution image of the detector

图8 探测器获取的一些芯片灰度图Fig.8 Experimental radiography images of circuit chips acquired with the detector

4 结论

本文提出了基于电荷耦合器件CCD 与高增益像增强器MCP通过纤维光锥直接耦合的方法并进行了实验测试。该方法采用带有高增益微通道板的图像增强器实现前置放大，像增强器通过纤维光锥直接与CCD 的光敏面耦合，既作为光学转换器件，也起到放大作用，有效地去除了多余界面层对X 射线探测器成像质量的影响。实验表明：该方法减少了光损失，空间分辨率提高一倍以上，可用于工业领域对精密机电产品或材料内部微细结构的监控与检测。

然而，进一步的研究尚需要改进下述不足：1）探测器的探测面积受限于纤维光锥的缩小比（本文采用了1：3的缩放比）而较小。为了避免CCD 直接受到X 射线或残余X 射线的辐射而损伤，合理的探测器系统可采用一个成直角弯曲的光学纤维光锥作为耦合中介。大缩放比且带有弯曲的纤维光锥依赖于纤维光锥的制作工艺。2）为彻底解决“多余”界面层的存在，微晶柱结构闪烁晶体的光学串扰，以及微晶柱与光锥的错位耦合问题，可进一步采用腐蚀掉光锥大端面的一薄层光纤内芯玻璃材料，并填充射线固态探测物质形成光锥内置的转换晶体屏，在转换晶体屏表面填涂保护层，从而可避免光散射和光晕以及光耦合畸变等现象。

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