CR成像原理概述

卢远盛　喻杰

摘 要：辐射成像属于无损检测技术的范畴，X射线成像是目前辐射成像的主要应用领域，在工业生产生活与医疗卫生方面具有广泛前景。一定条件下产生的X射线可以在熟知其放射性衰减规律的基础上加以利用。光电效应是计算机X射线摄影应用的基础，辅助以含有PSL材料的IP板与光电倍增管、放大电路、A/D转换器等设计，可以实现数字化的无损观察。

关键词：X射线；CR；光激励发光；光电倍增管

前言

自伦琴发现X射线之后，人类对于不打开暗盒而探究内部存放的东西这一问题有了最直接的答案。在当今生活中，无论是在机场或者是地铁，不用挨个打开旅客的行李即可完成安检，人们对此早已习以为常。

在旅行安检，科学研究，产品质检等方面，运用了相同原理去探索内部物品的方法，我们称之为无损检测技术。所谓无损检测是相对于“有损检测”来说的，例如我们想探究一个实心圆球的内部是否有空腔，可以一片一片（这占用了大量工时）地切开检查其内部结构再下结论。但是如果这个实心圆球非常宝贵，造价很高，再用这样的方法就显得不合时宜。或者在工厂中进行了批量生产，圆球数量达到了几百甚至成千上万个，就算使用抽样调查，该方法带来的检测成本也是难以承受的，毕竟用于切开的圆球并不产生利润。所以迫切需要一种能够在对物品不产生损坏的前提下探究其内部结构的方法，达到高效准确并且节约的目的。

1 X射线应用的原理

1.1 X射线与物质相互作用的特点

X射线是一种低能的电磁辐射，可由高速带电粒子流撞击靶材料产生。其与物质作用主要有光电效应、散射效应、电子对效应三种方式[1]。

1.1.1 光电效应。X射线在一次作用中将全部能量损失，能量大部分被分配给光电子的动能，释放出光电子。这在低能电磁辐射与物质相互作用中占有最主导地位。

1.1.2 散射效应。散射效应有康普顿散射与相干散射两种情况，光子能量比较低的情况下以康普顿散射为主。

1.1.3 电子对效应。必须在电磁辐射能量大于1.02MeV时才会发生，天然元素的特征X射线都达不到这个发生限。

1.2 X射线的衰减规律

从放射性规律得知，平面内若有一束强度为I0的X射线穿透被检查材料后，自身到的衰减与物质的密度、厚度、以及X射线的初始能量有关。如果被检查物体外部及内部都是均匀的，那么就符合放射性衰减的指数规律[2]：

其中I为出射X射线强度，I0为出射X射线强度，？滋为衰减常数，用来表征不同材质对射线的阻止能力，s为材料的厚度。

那么相应的，单纯X射线通过内部为N种均匀物质的物体的衰减规律为：

若是整个平面内的材料情况都不均匀，设衰减常数分布为f（x，y），那么X射线沿着路径L的射线衰减情况为：

1.3 成像技术分类

1.3.1 胶片成像技术。早期的辐射成像技术与普通拍照成像区别不大，都采用胶片进行照相，由于具有技术上的低门槛与设备上的低成本优势，哪怕在今天也一样拥有广泛的应用。当然采用照相的方法也有比较显著的不足，体现在如下几个方面[4]：（1）胶片要通过曝光，显影，定影，干燥才能被直接观察，时效性不佳。（2）胶片受到自身产品质量与处理过程中的外部因素的影响，成像质量不会完全一致。（3）胶片的菲林成份含有贵金属银，大量使用在成本上不划算。（4）在显影、定影过程中使用的试剂会引起环境问题，需要进行废液处理。（5）非数字化材料的保存与共享不便在当今信息化时代显得突出。

1.3.2 无胶片成像技术。实际上最早的辐射成像并没有胶片的存在，历史上著名的第一份利用X射线留下的影像，就是投射到了荧光屏上而被伦琴所发现。但是这一直接观察法在现代社会已经基本被淘汰，原因在于在医学应用中，医生在黑暗中直接用肉眼观察荧光屏上的投影图像，将接受长时间的不必要的照射，而这对医务人员的身体健康是不利的。在工业探伤上，采用的剂量会更大，对人体的损伤是不可接受的。所以随着科技的发展纷纷出现了众多其他形式的无胶片成像技术，以便能更好的满足工作的需要。

2 CR成像技术

2.1 CR

CR，是computed radiograph的简称，亦翻译为计算机X线摄影。它改进了前述直接观察法的一些弊端，现阶段在医学领域得到了大量应用。其原理是X射线穿透物件或人体后，在成像板上面留下潜影，再通过激发得到所存的信息，最终送往计算机图像处理系统。这样就实现了辐射装置和最终屏幕在空间上的彻底分开，使得医务人员可以在远距离或者经过屏蔽处理的墙体后对图像进行观察与对医疗的判断，而自身并不受到辐射的影响。

CR最大的优势在于所用的成像板IP（Imaging plate），上面覆盖有一层PSL材质，X射线通过时将会留下潜影，其能量在激发下将会释放出来，电信号被后续处理电路进行AD转换之后就可以得到数字化图像，如果再通过DA转换，成型滤波后输出就可以方便的查看，值得一提的是成像板是可以多次重复利用的，这就显现出在环保与成本上的优势。

2.2 PSL

其中PSL为光激励发光现象[4]，化学组成为BaFCl：Eu2+，可以对不同剂量的X射线具有不同的响应。当掺杂了激活剂离子取代基质阳离子而形成发光中心，阴离子则成为色心陷阱，当对其进行X射线照射时，将会因为光电效应产生大量的自由电子，自由电子被陷阱所捕获，就相当于信息被“储存”在了IP板中，再用长波照射IP板，通过遂穿就可以将其激励释放出PSL，这就是PSL的原理。一般来说BaFCl、BaFBr、BaFI的发光效果最好，也是最常用的材料。

需要特别指出的是，理想状态下经历了激励照射之后PSL会立即产生，而停止照射后会即刻停止。实际上会有一个发光衰减的过程，如果此时进行下一轮的X照射将会导致前后图像叠加，影响图片分辨率，所以在其中掺杂有Eu2+，可将衰减时间控制在0.8μs以内，这个时间非常的短，从而提高扫描的速度与缩小扫描的间隔，大大提高了效率。

数字化成像的流程大致如图3所示。

2.3 光电倍增管及A/D转换

光电倍增管（侧窗式）内部构造与外形如图4所示，主要由光电阴极作发射极、若干个倍增极（亦称之为打拿级）作为放大级，金属阳极作为收集器，在外部电路的辅助下，可以将微弱光信号转为高增益的电信号输出，并且在一定范围内是线性的[5]。

进入光电阴级的光强F0与输出的电流IK有如下关系：

IK=SKF0

SK是光电阴极对入射光强的反应灵敏度。

其工作原理为入射光进入管内后，射向含有光电材料的光阴级，光阴级产生一个光电子，由于光阴级与第一倍增级之间有较高的电势差，所以光电子将加速撞击第一倍增级，产生3-5个次级电子。由于每一倍增极之间的电势差约为200V，所以可以产生大量的光电子，如此反复几次以后，最终在阳极进行收集与输出。

经过光电倍增管（实质上是前置电压灵敏放大器）输出的电信号（电流），不能直接推动后续的相应设备，还需要主放大电路进行功率放大，这样我们才可以得到可以直接利用的输入信号。这一信号本质上来说是模拟的，与进入窗口的光子数量成正比，要对其进行数字化的处理以后才可以通过计算机运算得到诊断信息，这就需要A/D转换器来实现。

A/D转换器的转换过程是先对输入的模拟信号取样，取样结束后进入保持状态，同时把取样的电压转换为数字量，再按照不同的编码形式给出转换结果，然后就可以进行下一批次的取样了。

3 结束语

CR成像原理大致过程可以总结为：射线穿过被检查物质后的剩余能量被IP板保存，IP板在二次激发光释光材料PSL的作用下，可以把所储存的信息导出，并通过光电倍增管与后续主放大电路的信号放大，再进入A/D转换程序与硬件变为数字化图像加以利用与保存。在当今社会CR具有成像速度快，应用培训成本低，设备体积小等优势，在小型工厂与社区医院具有广泛的前景。

参考文献

[1]曹利国.核地球物理勘察方法[M].原子能出版社，1991.

[2]王同权，魏晓东，李宏杰.X射线的衰减和能量沉积计算[J].原子能科学技术，2007（4）.

[3]李月卿.医学影像成像理论[M].人民卫生出版社，2010.

[4]赵辉，王永生.光激励发光衰减的理论分析与研究[J].北方交通大学学报，1997（1）.

[5]陈成杰.光电倍增管[M].原子能出版社，1988.

作者简介：卢远盛（1988-），男，汉族，广西南宁，研究生，成都理工大学，核技术方向。