新型高性能射线数字图像检测系统

1.1 基于射线图像增强器的系统

目前应用最多的是采用X射线图像增强器和普通视频摄像机组成的X射线电视系统或再通过图像采集卡由计算机进行处理的数字成像系统。为了降低系统成本,在我国普遍使用汤姆荪和东芝的医用射线图像增强器来进行工业检测,这种系统价格低,能够实时显示(增益大),检测速度快,适合对检测指标要求不很高的、被检测构件厚度比较均匀的、人眼睛容易从屏幕上识别缺陷或问题的快速动态检测。如大口径螺旋焊管焊缝检测,生产流水线上构件检测。这种系统只适用于低能X射线(一般在300kV以下),即对中小型构件检测,且动态范围小、成像质量较差,特别是随着使用时间增加图像质量越来越查,容易在输出屏灼伤,寿命短。目前这种系统随着图像增强器的性能提高、使用CCD相机性能提高、光学系统及图像处理软件的改进,系统指标有所提高,但总体上属于低指标、低价位检测系统。

1。2 平板式数字成像系统(FPD)

21世纪初以美国VARIAN公司为代表的平板式数字成像系统(FPD)在我国研究性单位使用, FPD主要由闪烁体、非晶硅像元阵列传感器组成。射线照射闪烁体使其发光,光电二极管产生的电荷在TFT等的控制下进行放大,然后转换为数字信号,是直接输出数字图像的射线成像系统。通常每秒输出130帧。其特点(主要和图像增强器系统相比)与应用范围为:(1)有效检测区域大。如Paxscan4030和的有效检测面积为40cm×30cm。(2)空间分辨率高。理论上接近45LP/mm。(3)动态范围大。动态范围是最大输出时的信噪比。Paxscan系列探测器本身的动态范围约为:2000:166dB)。输出图像的数字信号12bit以上。动态范围越大,表示允许被检工件的穿透厚度差越大,对整个系统的实际检测灵敏度有好处。但射线散射、几何不清晰度等已限制了整个系统最高的检测灵敏度,所以也不是成像系统(探测器)动态范围越大,系统检测灵敏度就越大。(4)耐射线直接照射。成像板X射线直接照射不损坏。射线能量可以是低能或不是很高的高能。(5)主要的缺点为:价格高,且大部分情况下不能象工业电视一样实时显示(增益不是很高),另外承受高能射线能力差(一般不用在加速器下成像)。

从性能和使用方便的角度看(不考虑价格),平板式系统在低能射线成像器中有很多优越性。目前主要的应用是在低能X射线下,对结构复杂、厚度差别大的工件的高灵敏度检测。

1.3 基于光纤耦合CCD的射线成像系统

X射线使光纤闪烁体FOS(Fiber-optic scintillator)面板前端的闪烁体发光,每根光纤将其导入面板表面,形成非常清晰的整合图像,可直接与带光纤面板CCD阵列相结合来摄取图像,FOSCCD的组合使其光损失很小。其特点是空间分辨率很高(,在微焦点X射线情况下,可达到101pmm以上),动态范围大,增益大。但成像面积小(直径一般小于50mm),且可接收射线能量范围小,一般X射线管电压为几十千伏。适用于小工件的小裂纹、电路板内部走线等高分辨率检测。

1.4线阵探测器扫描成像系统(LDA)

该系统主要利用X射线闪烁体材料,如单晶的CdWO4CsI(Tl)直接与光电二极管相接触制作而成射线线阵探测器。通过工件与探测器的相对运动,并由计算机重建由行扫描所形成的图像。LDA正在向更高的扫描速度、更宽的动态范围和更小的象素尺寸的方向发展,并且在无损检测的应用领域得到广泛的应用。

空间分辨率主要由像素的几何尺寸所决定。像素间距越小,分辨率越高,但X射线吸收也越少,这是互相矛盾的,160kV以下的LDA较多,且分辨率高,高能使用LDA时,像元必须很大,分辨率也小。射线源不同,在线阵设计上也会有显著的差异,X射线的屏蔽和准直也要适合所选的能量范围。二极管阵列可以有多种不同的排列方式,除了普通的直线形外,还有L形、U形,或拱形等。由于扫描时将射线严格地准直后扇形出束,故可以有效地抑制射线散射的干扰,可以获取高质量的数字图像,但对扫描系统要求严格,在低能射线下图像质量好。在高能射线下,由于像元大,分辨率低。

这种设备主要应用在安检和高能射线成像系统中,如清华大学研制的海关集装箱安全检测系统,车站、机场行李检查设备,加速器高能射线CT检测。

2 基于科学级CCD相机的新型射线数字成像系统研制与其特点

2。1适用于高、低能射线高质量成像仪的研制思路

在分析总结现有实时成像技术和系统的基础上,通过大量的调研,作者提出了采用20世纪90年代的制冷科学级CCD数字相机和特殊工艺的单晶闪烁体射线屏慢扫描成像的方法。国外采用光纤耦合工业视频CCD相机的方法,见文献1

射线透过物体后其强度分布携带了被测件的信息, 由转换屏转换为可见光图像, 转换后的图像属于微弱光图像,为了得到高质量的图像,利用高空间分辨率、高动态范围、低噪声、暗电流很小的制冷CCD科学级CCD相机,经过较长时间曝光积累(即慢扫描),形成一定灰度的图像,读出图像信号并经A/D转换后, 由几十米远控制室的计算机进行数据采集、图像的处理、校正和存储。

射线到可见光的转换屏可定做,可适用于高、低能X射线和γ射线成像。可综合空间分辨率、成像时间、成像面积、射线能量等因素研制。

2。2成像系统组成与主要技术要求

2.2.1 成像系统组成及工作原理

本系统是一种适用于高、低能X射线(15MeV以下)和γ射线,成像质量好的数字成像检测系统, 系统组成及实物照片如图1所示。转换屏的作用是把透过被检工件后射线分布转换为携带了工件内部信息的可见光图像,45°反射镜的目的是把可见光图像反射到CCD相机中,而透过转换屏的残余射线能够直线穿过反射镜,使其不能射到相机,避免射线对相机的损害和引起图像噪声(这一点已被实验证明)。

在成像过程中,被检测构件不能动(静态检测,类似于胶片照相,但通常比胶片成像时间短的多),CCD相机经过一定时间的曝光(曝光时间与射线源、构件、CCD灵敏度等有关)获得一定灰度的图像,由计算机进行采集与处理。

2.2.2 系统主要技术指标为:

(1) 射线转换屏直径D=200mm(或100mm);

(2) 系统的空间分辨率≥35Lp/cm(标准分辨率测试卡检测);

(3) 系统的透度灵敏度:(便携式X射线源或小焦点移动式X射线源或直线加速器射线源,均匀钢板和针式标准透度计)

①≤1。5%, 钢板厚度在8-50mm范围;

②≤1。0%, 钢板厚度≥50mm;

(4) 图像灰度等级≥12bit;

(5) 图像传输距离≥25m。

(6) 适用射线能量范围:几十kV到15MeV。

2。3 射线转换屏的结构设计

转换屏的结构如图2所示。闪烁体采用具有较高转换效率、较高空间分辨率,且易制作成较大面积的的CSI (Tl)单晶闪烁体,因为CSI (Tl)单晶闪烁体较软且长时间会潮解,所以必须密封起来,为了图像清晰,采用能吸收光的黑色铝外壳进行保护和固定整个转换屏,光学玻璃把晶体保护起来,油层除起密封作用外,还起折射率匹配液的作用,减小不同介质界面的反射,使更多的光能向前传递,抗反射膜的作用是起增透作用,减小光学玻璃-空气界面的反射,增大输出光能。

2.4 科学级CCD相机的研制

科学级CCD相机可以从国外进口,但价格高、周期长。我们在国防项目和省科技攻关项目的支持下,开发研制了由俄罗斯生产的ISD017AP科学级CCD芯片为核心的适合于射线成像的科学级相机,见参考文献2

3.本系统的特点和主要应用对象

3。1系统的特点:

(1)适用射线能量的范围广(普通X射线源,加速器型高能X射线源,γ射线源);

2)可得到高空间分辨率和高对比灵敏度的高质量图像(远好于图像增强器系统);

3)对射线源要求低,可以是普通便携式(节约大量资金)、也可以是大或小焦点移动式射线源,像增强器系统必须使用价格高的移动式小焦点射线源;

4)寿命长,射线源直接照射不损坏;

5)可充分利用射线拍片检测经验(检测和成像过程类似于拍片);

6)静态检测,图像不变形,不象线阵式探测器要求探测器和工件相对匀速运动;,

(7)图像处理功能及其它软件功能强,并可用笔记本电脑采集图像;

8)比线阵式探测器和平板式成像系统成本低;

(9)成像时间长,一般需要几到几十秒钟成像。不能用于动态检测。

3.2 主要应用对象:

本系统成本比医用像增强器组成的工业电视系统高(低于YXLON等工业像增强器系统),但成像质量好,适应X射线能量范围广(是目前唯一的高能射线面阵数字成像系统),所以应用范围广。主要用于要求检测灵敏度高的场合或者大中型构件的高能射线数字成像检测情况下。

4.本成像系统的部分实验结果与应用

4。1部分实验结果

实验结果说明该成像系统不仅适用X射线的能量(kV数)范围广,而且图像质量明显优于由X射线像增强器组成的实时成像系统。本系统特别适用于要求高质量成像的静态检测。

为了说明本系统的成像质量好,我们分别使用便携式2005型(焦点为2 mm×2 mm)和3005型国产射线源(焦点为4 mm×4 mm)作了分辨率和透度灵敏度实验,结果如图3和图4。从图3可知,分辨率超过3.5lp/mm;图43号透度计在15mm厚钢板上的图像,至少可看到第4根(0.2mm,透度灵敏度优于1.33%。图4是在高能X射线下(6MeV加速器)某军工产品的透视图。     

4.2系统应用情况

本系统是在国防项目的支持下开发的,2000年开发研制后首先为兵器、航空航天等研究工作范围,完成了多个国防项目的任务。通过国产化和进一步改进,软硬件可靠性得到提高,降低了成本,在工业领域已得到使用。如锅炉焊管的在线检测,和俄罗斯引进的加速器配套为铁路、化工行业进行DR/CT检测等。

 

参考文献

[1] Nagarkar, V。V。 CCD-based high resolution digital radiography system for nondestructive evaluation。 IEEE Trans。Nucl。Sci。 1998, 44(3):885-889。

[2] 程耀瑜,胡郾,侯卓, 低成本科学级CCD数字相机的研制,《光电子·激光》,2003,14(12):1307-1310

[3] 程耀瑜,胡郾,韩焱等,高质量X射线检测的数字化成像及快速采集,《光学 精密工程》,2002,187(4):359-364

 


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