CsI探测器余辉性能测试仪关键技术研究与实现

郑海东，史运峰，霍梅春，李 昊

（公安部第一研究所，北京 100048）

0 引言

日益严峻的国际安全形势、各个国家的政策推动和基础设施的新建需求等因素，推动了安检市场的发展。X 射线透射成像设备是传统的安全检查设备，产品质量稳定。但是，随着企业技术的改良，系统研究的深入，安检设备影像质量普遍提高，对探测器的技术指标也提出了更高的要求。

1 闪烁晶体探测器简介

闪烁晶体探测器是一种由闪烁晶体和光探测器 （一般是光电倍增管） 组成的用于探测α 、β 、γ 、X 射线及中子的装置，如图1 所示。它最基本的思想是依靠辐射粒子在某些物质中引起的闪光效应来探测电离辐射。闪烁探测器的一大优点在于它的粒子适用范围很广，同时，由于具备探测效率高、分辨时间短等优点，闪烁探测器已成为当今应用最多的探测器之一。同时，大量的科研人员通过实验证明，在低能X 射线领域，CsI（Tl）晶体在光电转换效率、全能峰效率、价格优势[1,2]等诸多方面具有明显优势。

我所针对CsI（Tl）探测器特性指标的检测仪器的研究一直在进行。随着研究的深入，我们认为： ①目前的CsI（Tl）晶体筛选、探测板的筛检程式固定，检测指标单一，只有好与坏的鉴别，探测器固有的特性不全面、不明确；②检测停留在部件级阶段，无法提供可资整机利用的基础数据，不能有效支持整机系统深层次的研究；③不能充分利用现有探测器资源，不能有效提高图像质量；④设备没有等级区分，不利于销售价格的调整；⑤CsI（Tl）晶体的余辉效应是制约其使用的首要指标。

图1 闪烁探测器模块示意图Fig.1 Diagram of scintillation detector module

余辉效应是指，如果荧光材料中包含一些微量杂质，且这些杂质的能级位于禁带内，相当于陷阱能级，从价带被激发的电子进入导带后，又会掉入这些陷阱能级。因为这些被陷阱能级所捕获的激发电子必须首先脱离陷阱能级进入导带后才能跃迁回到价带，所以它们被射入光子激发后，需要延迟一段时间才会发光。CsI（Tl）探测器属于短余辉，其延迟时间为0.01～0.1s，而高压放电的时间远大于余辉时间，故测试余辉时不能采用直接切断电源的方法，测试难度较大。

因此，设计一台能够检测主要CsI （Tl）探测器的余辉性能，并根据余辉性能对探测器进行分类分档的检测设备意义重大，其研究结果将为整机提供具有数据信息的经过标识的系列探测板。

2 设计要求的确定

CsI 探测器余辉性能测试仪负责检测主要CsI 探测器的余辉性能，同时能通过计算机软件对数据进行分析处理，得到探测器晶体各像素的余辉和平均余辉,以及在要求时间内余辉的变化曲线和变化趋势。根据余辉效应的检测方法[3]，对测试仪提出的主要指标包括：①快门关断时间： ≦3ms；②可测余辉值的时间范围： 5ms～500ms；③射线源高压调节范围： 140～160kV；④射线源束流调节范围： 0.2～0.6mA。

3 关键性技术问题研究

以下关键性技术问题都是整机设计中必须考虑的重点，其中快门的设计是该项目的重难点。

3.1 电动缸选型计算

由于射线源的控制电路无法将射线源的关断响应时间控制在3ms 以内，所以设备采用机械快门的方式实现射线的关断。具体实现方案为： 由电动缸负载钨镍铁合金板在射线源与探测器直接进行直线往返运动，利用钨镍铁合金对X 射线的遮挡作用实现关断功能。

余辉测试仪的工作流程如图2 所示。电动缸速度变化曲线如图3 所示。

根据测试仪的主要指标、工作流程和射线源的参数，我们可以确定的参数是：

光缝距离： h=3.3mm。

快门关断时间： t＜3ms。

最高速度： Vmax＞3.3/3=1.1 m/s。

图2 余辉测试仪工作流程表Fig.2 Flow chart of afterglow tester

由此选定的符合技术参数的电动缸直线单元的型号为WM60。该直线单元的参数为：

最大速度Vmax=2.5m/s＞1.1m/s；最大加速度amax=20m/s2，工作加速度a=15m/s2；导 程p=50mm；最大行程5000mm。

由Vmax=1.5m/s，螺距P=50mm，得到所需最大电机转速R=1500/50*60=1800rpm。

直线单元可搭配最高电机转速3000rpm，对应的空载转矩Midle=2.6N·m。故最终电动缸直线单元的具体型号为： WM60-000-MM-50-400-860-6KAO-2EN。

由此决定的电机选型计算过程如下： 挡板重量m=5kg，根据直线单元确定的参数是：

图3 电动缸速度变化曲线Fig.3 Speed curve of electric cylinder

由此选定的电机型号为： AKM43E-ACCNR-00。

3.2 测试仪的射线屏蔽

辐射损伤是一定量的电离辐射作用于机体后，受照机体所引起的病理反应。由于X 射线职业人员平日长期接触X 射线，如果较长时间接受超允许剂量的射线照射，不仅会引起全身性急慢性放射损伤，而且也会引起局部的皮肤损害。所以在设计过程中，射线屏蔽设计是必不可少的。测试仪屏蔽问题的难点在于暗盒组件的屏蔽设计，主要有以下几方面的设计要求：

（1）暗盒受到X 射线的直接照射，需要严格防护。

（2）粘贴过厚的铅板会增加暗盒重量，增加操作人员的负担。

（3）暗盒与射线嘴之间有20mm 的间隙。

根据以上要求，首先暗盒整体粘接4mm 厚铅板，而正对X 射线照射方向再粘接3mm 厚铅板，宽度超过射线峰宽度的10 倍。

由于暗盒与射线嘴之间有20mm 的间隙，考虑到射线散射的问题，须设计专用的射线防护圈（如图4 所示），并包裹3mm 厚的铅板，同时借鉴以往射线防护工作的经验，采用迷宫式结构，暗盒和射线防护圈相互搭接，形成如图4 所示的迷宫结构。

此方案不但可以满足射线防护的要求，还减轻了暗盒的重量。此方案经MCNP 软件使用蒙特卡罗算法仿真计算证明[4-5]，测试仪的最大射线泄漏率小于0.2μGy/h，完 全满足GB15208.1-2005 标准中的相关要求。

图4 暗盒屏蔽设计方案Fig.4 Shielding solution of the cassette

3.3 余辉测试仪的电磁兼容

电磁兼容是指设备或系统在其磁场环境中正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。对测试仪而言，电磁兼容主要包括电磁辐射屏蔽和接地屏蔽两方面的问题[6]。

电磁辐射屏蔽方面，由于电机驱动器是一个主要的骚扰源，故设计了专门的屏蔽罩，通过完整的屏蔽导体进行屏蔽，并保证了屏蔽体良好接地，屏蔽罩由薄钢板SPCC-1.2 加工完成。在接地屏蔽方面，将探测箱、机架、台面和门板等通过铜导线连接，统一进行接地，即可保证良好的屏蔽效果。最后，采用屏蔽电缆以减少外部电源的传导骚扰，并将测试仪内部的强弱电分开布置。

4 CsI 探测器余辉性能测试仪结构设计

综合上述关键性技术问题的分析结果，CsI 探测器余辉性能测试仪的关键尺寸和布置方案已固定，在此基础上进行完整的结构设计工作。设计过程中使用Pro/E 3.0软件完成建模、装配、工程图转化等工作，有效地提高了工作效率。

设计完成的余辉测试仪的内部结构和完整外形结构分别如图5～图7 所示。测试仪的长度由电动缸的尺寸决定，为1420mm，高度由源探距决定，为816mm。测试仪主体框架由方管焊接而成，门板由1.5mm 厚的薄钢板加工完成。

图5 余辉测试仪内部结构Fig.5 Internal structure of afterglow tester

图6 余辉测试仪外形结构Fig.6 Outline structure of afterglow tester

图7 余辉测试仪实物图Fig.7 A pictures of afterglow tester

5 结论

事实上不同牌号、批次、厂家的CsI 晶体，在不同曝光条件下，其余辉值都是不一样的。所以，余辉的测试作为放射技术质控内容之一，这对于提高图像质量，具有十分重要的意义。

CsI 探测器余辉性能测试仪的研制成功可以达到的目的有： ①掌握探测器更多的特性信息，并开创探测器利用的新局面，为图像质量更上一层楼打下一定的基础，从而提高我所传统安检设备的市场竞争力；②根据使用的探测板，将设备进行分类，做到有的放矢，成本控制；③使得探测器板生产过程可控，分类存储，提高正规化生产水平；④一台设备使用同类探测器板，方便调试和维修。

余辉测试仪有效地提高了CsI 探测器的生产效率和测试效率，但仍有一定的提升空间，例如将整机尺寸缩小达到设备小型化的目的；检测其余闪烁探测器的余辉性能，增加测试仪的检测能力；提高设备的自动化水平，优化测试流程等等。在下一步的工作中，需要利用现有的研究经验，有效提高余辉测试仪的实用性。

[1] 高富强，张小娇，周日峰. 低能X 射线工业CT 探测器光电转换效率的研究[J].核电子学与探测技术，2010，10.

[2] 李玉兰，李元景.高能x 射线成像系统固体探测器模块的设计[J].清华大学学报（自然科学版），2003.

[3] I.SAINT-GOBAIN Ceramic Plastics. CSI （Tl），CSI （Na），CSI（pure）Cesium Iodide Scintillation Material[Z].Saint-Gobain Crystals,2004.

[4] J. Chavanelle, A. Pousse, ct al. Scintillator Crystal Optimization by Monte Carlo Simulation for Photodiode Matrix Detector[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2001.

[5] Hsiao-Hua, Huan Lee.Monte Carlo Calculations of the Vacuum Compton Detector Sensitivities[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，36，6.

[6] 吕文红，郭银景，唐富华，等. 电磁兼容原理及应用教程[M]. 清华大学出版社，2008.