高分辨率X射线探测器读出电子学系统的研制及性能测试

张红凯，冯召东，李晓辉，杜秋宇，魏书军，刘双全，秦秀波，魏存峰，魏 龙

（1．中国科学院高能物理研究所核辐射与核能技术重点实验室，北京 100049；

2．北京市射线成像技术与装备工程技术研究中心，北京 100049；

3．中国科学院大学，北京 100049；4．核探测与核电子学国家重点实验室，北京 100049）

高分辨率X射线探测器读出电子学系统的研制及性能测试

张红凯1，2，3，冯召东1，2，3，李晓辉1，2，杜秋宇3，4，魏书军1，2，刘双全1，2，秦秀波1，2，魏存峰1，2，魏 龙1，2

（1．中国科学院高能物理研究所核辐射与核能技术重点实验室，北京 100049；

2．北京市射线成像技术与装备工程技术研究中心，北京 100049；

3．中国科学院大学，北京 100049；4．核探测与核电子学国家重点实验室，北京 100049）

本文针对光锥耦合X射线探测器低噪声的设计要求，研制了一套读出电子学系统，该系统包括模拟驱动电路、前端处理电路及基于现场可编程门阵列（FPGA）的数字信号处理电路。利用X射线成像平台，对研发的探测器进行了性能测试。探测器系统绝对增益为0．168 6DN／e－，线性工作范围为0～154μGy。制冷温度为－20℃时，暗电流噪声为0．037e－／（pixel·s），读出噪声为10．9e－。探测器的本征空间分辨率达16lp／mm。测试结果表明，研制的读出电子学系统能满足高分辨率X射线探测器对低噪声特性的需求。

X射线探测器；读出电子学；现场可编程门阵列

X射线成像技术已被广泛应用于工业无损检测、勘探、考古、医学等领域。X射线探测器作为X射线成像系统的关键部件，其分辨率直接决定了X射线成像系统是否能应用于小角度X射线散射实验和天文观测等对成像质量要求较高的科学研究［1－2］。因此，研制高分辨率的X射线探测器，对X射线成像技术的推广应用具有重要意义。

电荷耦合器件（CCD）具有像素尺寸小、噪声低、动态范围大、量子效率高等特点，满足高分辨率X射线探测器对光电探测器件的要求［3］。利用光锥进行光学耦合CCD，一方面可增大有效探测面积，另一方面可延长CCD芯片的使用寿命，因此光锥耦合X射线探测器是高分辨率X射线探测器的重要发展方向［4］。高分辨率X射线探测器不仅需要性能良好的光电探测器件，也需要低噪声的读出电子学系统。本文介绍光锥耦合X射线探测器读出电子学系统的设计，并对由该读出电子学系统组成的X射线探测器进行性能测试。

1 光锥耦合X射线探测器的结构设计

X射线探测器由光锥耦合闪烁屏、光电探测器件及读出电子学系统等组成。光电探测器件采用Truesense公司的全帧型面阵CCD芯片KAF－16803，加设半导体制冷器有利于降低CCD芯片的热噪声影响。光锥耦合闪烁屏与CCD组成X射线传感器，将X射线转化为电信号，电信号通过读出电子学系统转化为计算机可显示的数字信号。

考虑到密封和制冷效率，将读出电子学系统分别集成在两块印制电路板（PCB）上。其中模拟PCB与CCD连接后封装于防水、密封和避光的机械探头中；数字PCB的平面与探头轴线平行，以减少探测器体积，两个PCB通过柔性PCB传输线连接。另外，将模拟电路和数字电路分开设计，可减少数字信号与模拟信号间的相互干扰，从而降低读出电子系统的电子学噪声。

图1 读出电子学系统结构框图Fig．1 Structure diagram of read－out electronics system

2 读出电子学系统硬件设计

X射线探测器读出电子学系统硬件由模拟驱动电路、前端处理电路、基于现场可编程门阵列（FPGA）的数字信号处理电路组成，如图1所示。FPGA逻辑产生的时序信号，通过模拟驱动电路转换为CCD所需的驱动脉冲和控制脉冲；在驱动脉冲和控制脉冲的作用下，CCD将收集到的光信号转化为电信号，并通过水平移位寄存器逐行转移出去；转移出来的模拟信号经ADC芯片转换为数字信号，数字信号经FPGA进一步处理后，通过千兆以太网传输至后端的计算机。

模拟驱动电路设计主要包括两部分：直流偏置电压设计和时序驱动设计［5］。直流偏置电压主要由DC－DC芯片提供，为保证CCD正常工作，直流偏置电压必须控制在CCD的额定电压范围内。时序信号由FPGA逻辑产生，但其驱动能力不足以满足该CCD对时序信号电平的需求。因此，时序驱动设计采用专用CCD驱动芯片，将FPGA逻辑产生的时序信号转换为该CCD所需的驱动脉冲和控制脉冲。

前端处理电路的任务是从CCD输出的模拟信号中提取有用信号，并转换为相应的数字信号。为有效提取有用信号而去除各种干扰和噪声信号，目前广泛采用的是相关双采样技术［6］。本文采用ADI公司的AD9826，它是一款面向面阵CCD的前端处理芯片，具有三路相同的相关双采样电路、可编程增益放大器、1个模拟切换器以及1个16位的AD转换器。

数字信号处理电路包括主控芯片FPGA和千兆以太网传输电路。FPGA主要用于产生CCD所需的时序信号，并对经AD9826转换后的数字信号做进一步处理。千兆以太网传输电路由FPGA内部的MAC硬核和专用PHY芯片联合实现，并通过RG45网络接口将数字信号传输至计算机。

X射线探测器读出电子学系统的时序驱动设计集成在模拟PCB上，直流偏置电压设计、前端处理电路和数字信号处理电路设计集成在数字PCB上，模拟PCB通过柔性PCB与数字PCB进行数据传输。

3 FPGA固件逻辑设计

FPGA固件逻辑主要包括CCD时序逻辑、SPI接口逻辑、千兆以太网络接口逻辑。CCD时序逻辑模块主要用于产生时序信号，并提供有严格相位限制的双采样时钟和模拟转换时钟，保证相关双采样技术的实现。SPI接口逻辑模块主要实现AD9826的模式配置。千兆以太网接口逻辑模块实现数据传输的功能。

FPGA固件逻辑的设计如图2所示。上电后，FPGA通过千兆以太网接口接收来自上位机的配置命令，首先将并行配置数据转换为串行数据，然后通过SPI总线接口对AD9826进行配置，使之工作在单端口相关双采样模式。配置成功后，若上位机发出拍摄控制命令，CCD时序逻辑会产生时序信号，该信号通过模拟驱动电路，会转换为CCD所需的驱动脉冲和控制脉冲，同时，CCD时序逻辑会提供有严格相位限制的双采样时钟和模拟转换时钟，保证AD9826相关双采样技术的实现，将CCD输出模拟信号中的有用信号转化为相应的数字信号，该数字信号暂存于内置FIFO中，并通过千兆以太网接口传输至上位机。

图2 FPGA固件逻辑设计Fig．2 Firmware logic design of FPGA

4 系统集成与性能测试

用光锥耦合碘化铯（铊）闪烁屏、CCD芯片KAF－16803、读出电子学系统及冷却装置，构成X射线探测器。利用X射线成像平台，对X射线探测器的重要性能指标进行测试。

4．1 系统增益

本文研制的X射线探测器符合图像传感器及相机标准EMVA1288的4个要求，是一个线性系统，因此，探测器系统绝对增益K满足：

其中：σ2y为有X射线时图像有效区域内像素灰度的方差；σ2y，dark为无X射线时图像有效区域内像素灰度的方差；μy为有X射线时图像有效区域内像素灰度的平均值；μy，dark为无X射线时图像有效区域内像素灰度的平均值。

在ADC增益为0、偏置为0的情况下，得到X射线探测器的平场和暗场图像，选取有效区域处理得到如图3所示的光子转移曲线，拟合直线斜率即系统绝对增益K＝0．168 6DN／e－，与y轴的截距为3．422 8DN2，图像灰度的方差在低灰度范围内与灰度大致呈正比，在接近CCD输出饱和值时方差迅速下降。

图3 光子转移曲线Fig．3 Curve of photon transfer

4．2 线性工作范围

本文研制的X射线探测器是一线性系统，故输出信号强度与入射剂量在一定范围内具有良好的线性关系。在－20℃，X射线管电压为67．9kV、电流为1mA的情况下，通过增加曝光时间的方法增加入射剂量，得到X射线探测器的线性工作范围。图4为X射线探测器的线性响应曲线，曝光时间为0时，其偏置强度为1 616DN；继续增加剂量而输出信号强度不再增大时，说明输出信号强度已达饱和，饱和强度为40 778DN。当剂量超过154μGy时，输出信号强度不再随剂量的增大呈线性增加，因此可知该X射线探测器的线性工作范围为0～154μGy。

4．3 暗电流噪声

暗场信号是热生载流子在CCD像素势阱中积累而产生的，随着积分时间的增加而线性增大。根据图像传感器及相机标准EMVA 1288，暗场信号强度随积分时间变化曲线的斜率即暗电流噪声。暗电流噪声测试在无光、ADC增益和偏置均为0的情况下进行，图5为制冷温度分别为25℃和－20℃时，暗电流噪声测试的结果。25℃、－20℃的暗电流噪声分别为15．041 0、0．006 3DN／（pixel·s）。在当前增益下，灰度强度转换为电子，则25℃的暗电流噪声为89e－／（pixel·s），－20℃的暗电流噪声为0．037e－／（pixel·s）。光子科学公司生产的高分辨率CCD X射线探测器的暗电流噪声一般低于0．05e－／（pixel·s）（制冷情况下），因此可知该X射线探测器的暗电流噪声能满足高分辨率X射线探测器的要求。

图4 X射线探测器的线性响应曲线Fig．4 Linear response curve of X－ray detector

图5 暗电流噪声测试Fig．5 Test of dark current noise

4．4 读出噪声及信噪比

读出噪声是CCD输出信号通过电子线路中电荷转移、信号放大、模数变换等过程而引入的噪声，包括像素复位噪声（KTC噪声）、1／f噪声及白噪声等［7］。读出噪声随机出现，无法直接测量，但可由X射线探测器的光子转移曲线外推，光子转移曲线与y轴的截距即为读出噪声的平方［8］。因此，本文研制的X射线探测器读出噪声为1．85DN，当前增益下的读出噪声为10．9e－。

根据图像传感器及相机标准EMVA1288，信噪比满足：

其中：SNR为探测器系统信噪比；σy为有X射线时图像有效区域内像素的标准差。

利用测试系统增益时的数据，可得到探测器系统信噪比随剂量的变化曲线。系统信噪比曲线如图6所示。当入射X射线处于低剂量范围内（≤130μGy），信噪比随剂量的增大而线性增大；当剂量继续增加至130μGy，信噪比达到饱和值；当剂量超过150μGy，由于灰度强度接近饱和值，而灰度方差开始不断下降，从而导致信噪比重新开始迅速上升。

图6 信噪比曲线Fig．6 SNR curve

4．5 X射线探测器成像结果

图7为本文研制的X射线探测器对最高分辨率为20lp／mm的铅线对卡的成像结果，从左至右，空间分辨率依次增大。图8为不同空间分辨率处铅线对卡图像的截面灰度曲线。

图7 铅线对卡的X射线成像结果Fig．7 X－ray image of lead line－pair card

图8 不同空间分辨率处铅线对卡图像的截面灰度曲线Fig．8 Cross－section gray curves of lead line－pair card image at different spatial resolutions

根据Michelson对比度的定义：

其中：C为对比度；Ib为像素灰度本底值；Imax为像素灰度波峰值；Imin为像素灰度波谷值。

根据各空间分辨率的截面灰度曲线，计算不同空间分辨率处的矩形波对比度，结果列于表1。分辨率为16lp／mm时，对比度为10%，一般情况下采用对比度为10%的线对数表征系统的空间分辨能力，因此可知该X射线探测器的本征空间分辨率为16lp／mm。

本文研制的X射线探测器与光子科学公司生产的X－ray VHR CCD Camel的比较列于表2，其暗电流噪声和空间分辨率性能指标均优于光子科学公司生产的X－ray VHR CCD Camel，因此该X射线探测器能满足高分辨率X射线探测器的要求。

表1 铅线对卡不同空间分辨率处截面灰度的对比度Table 1 Contrast of cross－section gray at different spatial resolutions of lead line－pair card

表2 X射线探测器的比较Table 2 Comparison of X－ray detector

5 结论

本文针对全帧型CCD图像传感器KAF－16803，基于FPGA器件，采用集成的相关双采样电路和增益调节电路的16位ADC芯片，研制了一套低噪声的读出电子学系统。采用光锥耦合碘化铯（铊）闪烁屏、CCD芯片KAF－16803、读出电子学系统及冷却装置构成X射线探测器。在X射线成像平台上对探测器进行性能测试，结果表明：由读出电子学系统所组成的光锥耦合X射线探测器能满足小角度X射线散射和天文观测等科学研究平台的高性能需求，具有较大的推广应用价值。

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［8］ JANESICK J R．Scientific charge－coupled devices［M］．Bellingham：SPIE Press，2001．

Development and Performance Evaluation of Read－out Electronics System for High Resolution X－ray Detector

ZHANG Hong－kai1，2，3，FENG Zhao－dong1，2，3，LI Xiao－hui1，2，DU Qiu－yu3，4，WEI Shu－jun1，2，LIU Shuang－quan1，2，QIN Xiu－bo1，2，WEI Cun－feng1，2，WEI Long1，2
（1．Key Laboratory of Nuclear Radiation and Nuclear Energy Technology，
Institute of High Energy Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China；
2．Beijing Engineering Research Center of Radiographic Techniques and Equipment，Beijing100049，China；
3．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China；
4．State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics，Beijing100049，China）

An electronics system was developed according to the low noise requirement of FOT X－ray detector in this paper．The electronics system consists of an analog drive circuit，a front end processing circuit and a digital signal processing circuit which is based on field programmable gate array（FPGA）．The performance of FOT X－raydetector was evaluated on the X－ray imaging platform．The overall system gain is 0．168 6DN／e－，and the linear operating range of the detector is 0－154μGy．When the cooling temperature reaches－20℃，the dark current noise is 0．037e－／（pixel·s）and the read noise is 10．9e－．The intrinsic spatial resolution of the detector is 16lp／mm．The results indicate that the designed read－out electronics system meets the requirements of high resolution X－ray detector．

X－ray detector；read－out electronics；FPGA

TL82

：A

：1000－6931（2015）03－0534－06

10．7538／yzk．2015．49．03．0534

2014－08－25；

2014－10－14

国家重大科学仪器设备开发专项资助（2011YQ03011205，2013YQ03062902）；国家自然科学基金大装置联合基金重点资助项目（U1332202）

张红凯（1988—），男，河南鹤壁人，硕士研究生，粒子物理与原子核物理专业