图像增强器式线阵列X射线在线检测实时成像系统

图像增强器式线阵列X射线在线检测实时成像系统

    针对现有线阵列x射线数字成像技术的设计原理和存在的不足,利用图像增强器和图像传感器的最新技术成果,研制成功新型线扫描成像系统。该系统在检测速度为6 m/min的条件下,最高分辨率可达10.0 lp/mm, iqi灵敏度1.25~1.60%,图像质量满足jb/t 4730—2005标准ab级要求。系统可广泛应用于锅炉压力容器和压力管道焊缝及铸造零件的内部缺陷检测。
1成像器件对探测器性能的影响
    现有的线阵列x射线探测器都是由荧光闪烁材料、线性图像传感器、信号调理和图像采集电路以及图像处理软件四大部分构成,各部分的特性对探测器的总体性能都有非常大的影响[1]。
1.1荧光闪烁材料
    有数十种荧光闪烁材料可用于线阵列x射线探测器,常用的有碘化铯、钨酸镉和硫氧化钆等。不同材料的光谱特性和发光亮度各不相同。由于闪烁体材料的发光亮度较低,需要加大图像传感器的像素尺寸和采用较大的系统增益来提高灵敏度,前者会降低系统分辨率,后者使得图像信噪比降低。
1.2图像传感器
图像传感器的长度决定了线阵列x射线探测器的成像区域大小。受集成电路晶片尺寸的限制,制造长达数百毫米的探测器需要使用多段图像传感器进行拼接。由于每段的性能不同,所以需用软件来校正。目前主要采用线性cmos和光电二极管图像传感器,图像传感器的行扫描频率决定了探测器的检测速度,闪烁体材料的发光特性和图像传感器的光谱特性要相对应。
1.3电子电路
    包括图像传感器输出信号调理电路和模数转换电路。其中a/d转换器的位数(bit)对探测器的动态范围有较大影响,由于受荧光材料的放光特性和图像传感器的动态范围限制,太高的位数并不会增加探测器的总体动态范围。
1.4图像采集与处理软件
    按照设置的采样参数和行频,从探测器获取图像数据。其中,数据校正是一个最核心的功能,它可以消除射线场、闪烁体材料、图像传感器和电子电路各部分的不均匀性差异。
从现有的线阵列x射线探测器制造原理可以发现:由于图像传感器直接接收的是闪烁体材料发出的低亮度荧光,需要采用较大的像素尺寸来提高感光的灵敏性,使得系统分辨率降低;当像素尺寸较小时,则需要较长时间的曝光,从而使得检测速度变慢。也就是说,系统分辨率与检测速度之间形成了一对矛盾,因而极大地限制了线阵列x射线探测器的应用范围。
2图像增强器采用的新技术
    图像增强器是在荧光板成像基础上发展起来的一种将x射线转换为高亮度可见光的装置。由于荧光板在射线照射后发出的荧光强度低,所以利用光电增强的方法可在输出屏上得到明亮的可见光图像。早期的图像增强器分辨率较低、对比度不高、信噪比低且使用寿命较短。当前图像增强器在输入窗、输出窗的荧光材料和结构等方面作了较大改进,正向高性能方向发展[2]。
2.1采用超细针状结构碘化铯荧光屏的输入窗
    输入荧光屏一般采用碘化铯晶体,早期的碘化铯晶体密度疏松、组织不规则,晶体密度低,大多数x射线直接穿过而不能被晶体吸收产生光电效应,使得荧光屏吸收系数降低。分辨率最高只能达到4~5 lp/mm,且图像噪声大。近年来,高密度、超细针状结构的碘化铯晶体的应用大幅度提升了图像增强器的分辨率和信噪比,图1即为这种晶体的显微结构,针状体的直径约为2μm。