工業(yè)CT
工業(yè)CT技術(shù)是工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)的縮寫，它是Randon J在1917年提出的，直到1970年代才用于無損檢測(cè)。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展和探測(cè)器技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來工業(yè)CT取得了顯著進(jìn)步，已廣泛用于航空航天，核能，軍事以及無損制圖和分層設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。工業(yè)CT是一種實(shí)用的無損檢測(cè)方法，它從滿足一般工業(yè)應(yīng)用的低能耗工業(yè)CT發(fā)展到了滿足大型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件測(cè)試要求的高能量領(lǐng)域。
輻射檢測(cè)服務(wù)器作為工業(yè)CT的基礎(chǔ)。當(dāng)準(zhǔn)直的能量束I0穿過物體時(shí)，每個(gè)體積元素在每個(gè)透射方向上的衰減系數(shù)μi不同。結(jié)果，檢測(cè)器接收的發(fā)射能量I也不同。根據(jù)一定的圖像重建算法，可以得到被檢工件截面的較薄部分，沒有圖像重疊（圖1），通過重復(fù)上述過程可以獲得新的斷層圖像。當(dāng)測(cè)量足夠的二維斷層圖像時(shí)，可以重建三維圖像。
實(shí)際上，工業(yè)CT是一種射線檢測(cè)技術(shù)。與傳統(tǒng)的射線探測(cè)技術(shù)相比，工業(yè)CT的主要優(yōu)點(diǎn)如下：
- 工業(yè)CT的圖像目標(biāo)不受周圍細(xì)節(jié)的阻擋。可以直接獲取目標(biāo)的特征，例如空間位置，形狀和大小信息；
- 工業(yè)CT具有出色的密度分辨率能力，高質(zhì)量CT圖像的密度分辨率可以達(dá)到0.1％甚至更高；
- 工業(yè)CT圖像是數(shù)字化的結(jié)果，便于存儲(chǔ)，傳輸，分析和處理。
在工業(yè)CT中，X射線源通常用于X射線機(jī)和線性加速器中。通常使用三種檢測(cè)器：高分辨率CMOS半導(dǎo)體芯片，平板檢測(cè)器和閃爍檢測(cè)器。平板探測(cè)器通常由非晶硅或非晶硒制成，覆蓋有數(shù)百微米的閃爍晶體（例如CsI），像素大小約為127微米，圖像質(zhì)量接近膠片。閃爍檢測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)效率高，尤其是在高能量條件下，它可以達(dá)到16～20位的動(dòng)態(tài)范圍，讀取速度約為微秒
檢測(cè)器是工業(yè)CT系統(tǒng)的核心部件之一，它對(duì)重建圖像的質(zhì)量影響很大。在檢測(cè)器的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下性能指標(biāo)：檢測(cè)效率，線性，動(dòng)態(tài)范圍，均勻一致性，穩(wěn)定性，大小，響應(yīng)速度，通道數(shù)等。
從探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖（圖2）可以清楚地看到工業(yè)CT探測(cè)器的信號(hào)轉(zhuǎn)換過程。首先，射線信號(hào)進(jìn)入閃爍體，在閃爍體中產(chǎn)生可見光。光電二極管將可見光轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。然后，i-v轉(zhuǎn)換電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。最后，由AD轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸至數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。
從閃爍探測(cè)器的結(jié)構(gòu)描述中可以看出，其工作原理如下：當(dāng)射線進(jìn)入閃爍器時(shí)，在某個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生二次電子，該二次電子使閃爍器的分子或原子電離并激發(fā)。在去激勵(lì)中發(fā)出大量光子。由于閃爍體周圍的反射層的作用，大部分熒光通過光耦合劑或光導(dǎo)到達(dá)光電二極管的光敏表面。光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，然后通過后續(xù)電路將其轉(zhuǎn)換和放大，以輸出可以測(cè)量的電壓信號(hào)。綜上所述，閃爍探測(cè)器的工作過程可以分為以下幾個(gè)階段：
(1) 射線進(jìn)入閃爍體并與其相互作用。閃爍體吸收部分射線能量以激發(fā)和離子化分子，因此存在能量沉積速率。
(2) 當(dāng)發(fā)生激發(fā)分子去激發(fā)時(shí)，部分能量用于熒光；能量的另一部分轉(zhuǎn)換為熱運(yùn)動(dòng)，從而加熱了閃爍體，因此閃爍體具有絕對(duì)的閃爍效率。
(3) 使用反射材料在光電二極管的光敏表面上收集盡可能多的熒光。在此過程中，一些光子將被閃爍器吸收或逸出，因此將存在光收集效率的問題。
(4) 熒光進(jìn)入光電二極管的p結(jié)后，電子空穴對(duì)被激發(fā)。在內(nèi)部電位場(chǎng)或外部偏置電壓的作用下，電子和空穴分別移動(dòng)到兩極，形成光電流，光電流與光強(qiáng)成正比。
理想的閃爍體晶體應(yīng)具有以下特征：
- 它應(yīng)該具有很高的發(fā)光效率，以將輻射能量轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)的光信號(hào)；
- 從射線到熒光的轉(zhuǎn)換過程是線性的，也就是說，產(chǎn)生的光子數(shù)應(yīng)盡可能與閃爍體沉積的能量成比例；
- 必須具有良好的光收集效率，并且閃爍體應(yīng)該對(duì)它發(fā)出的光透明；
- 閃爍體應(yīng)具有良好的光學(xué)性能，并應(yīng)滿足實(shí)際探測(cè)器所需的尺寸。
(5) 閃爍體材料的折射率應(yīng)與硅相似，以便熒光可以有效地耦合到光電二極管陣列的光敏表面。
實(shí)際上，所有現(xiàn)有的閃爍體材料不能同時(shí)滿足所有上述特性。因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求選擇最合適的閃爍體材料。目前，CsI(T1)，BGO和CdWO4是工業(yè)CT中使用最廣泛的無機(jī)閃爍體，其閃爍性能如表1所示。下面分別介紹這些閃爍體。
CsI(Tl)，BGO和CdWO4的閃爍特性
| 屬性 | CsI(Tl) | BGO | CdWO4 |
| 發(fā)光量 (光子/MeV) | 52000 | 8500 | 13000 |
| 峰值波長(zhǎng) (nm) | 550 | 480 | 515 |
| 密度 (g/cm3) | 4.5 | 7.13 | 7.9 |
| 輻射長(zhǎng)度 (cm) | 1.86 | 1.12 | 1 |
| 熔點(diǎn) (℃) | 621 | 1050 | 1123 |
| 折射率 (峰值波長(zhǎng)) | 1.78 | 2.25 | 2.15 |
| 衰減時(shí)間 (ns) | 1000 | 300 | 20000 |
| 發(fā)光系數(shù) (%/℃) | 0.32 | -1.6 | 0.1 |
應(yīng)用于工業(yè)CT的閃爍晶體
CsI
| 波長(zhǎng) (最大發(fā)射) (nm) | 410 |
| 衰減時(shí)間 (ns) | 40 |
| 發(fā)光量 (光子/kev) | 25 |
| 相對(duì)于Nal(TI)的光輸出 (%) | 75 |
| 折射率 | 1.82@410nm |
隨著核技術(shù)和高能物理的發(fā)展，無機(jī)閃爍晶體的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，對(duì)無機(jī)閃爍晶體提出了越來越高的要求。早在1980年代，人們就注意到CsI(Tl)晶體的優(yōu)點(diǎn)：發(fā)射光譜可以與硅光電二極管匹配，光發(fā)射率高，輻照長(zhǎng)度比NaI(Tl)晶體短，并且機(jī)械性能好。一種出色且實(shí)用的閃爍晶體材料。近年來，該晶體因其改善的抗輻射能力而受到青睞。
CsI(Tl)閃爍體的發(fā)光量達(dá)到52,000光子/ MeV，發(fā)射光譜的峰值波長(zhǎng)為550nm，與硅光電二極管的響應(yīng)光譜相匹配。它的衰減時(shí)間由快速分量0.6us和慢速分量3.5us組成。此外，CsI(Tl)閃爍體具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，很強(qiáng)的抗沖擊性和抗振性以及很強(qiáng)的可塑性，使其易于加工成薄片。與NaI(TI)閃爍體相比，CsI(Tl)閃爍體具有比NaI(Tl)更好的性能，但其發(fā)光效率低于NaI(Tl)：不易溶解，具有大的射線吸收系數(shù)，并且音量可以相對(duì)較小。發(fā)光峰值波長(zhǎng)為565nm，與硅光電二極管匹配良好。因此，CsI(Tl)閃爍體通常用于低能工業(yè)CT。
圖解說明了離散閃爍相機(jī)的模塊。該原型具有一個(gè)3×4像素陣列，每個(gè)像素由一個(gè)3×3?5 mm3 CsI（TI）晶體與一個(gè)3×3 mm2 PIN光電二極管耦合組成。讀出電路由兩個(gè)3×3 mm2的IC組成。可以從單個(gè)模塊的陣列中構(gòu)造出具有有用成像尺寸的相機(jī)。
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BGO
| 波長(zhǎng) (最大發(fā)射) (nm) | 480 |
| 衰減時(shí)間 (ns) | 300 |
| 發(fā)光量 (光子/kev) | 8-10 |
| 折射率 | 2.15 |
| 能量分辨率 (%) | 12 |
閃爍體能有效地將高能粒子和輻射轉(zhuǎn)換為可見光譜區(qū)域內(nèi)或周圍波長(zhǎng)的光，廣泛應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)CT和高能物理等領(lǐng)域。鍺酸鉍（Bi4Ge3O12或BGO）是1975年發(fā)展起來的一種性能優(yōu)良的閃爍體，由于其在可見波段的短衰減時(shí)間、光照、輻射發(fā)光和高功率激光下的雙光子吸收等令人感興趣的發(fā)光特性而得到了廣泛的研究。。它最大的優(yōu)點(diǎn)是原子序數(shù)和密度高（7.138/cm3），因此對(duì)低能和高能射線都有較大的吸收系數(shù)，探測(cè)效率高。其發(fā)射光譜范圍為350nm-650nm，峰值波長(zhǎng)約為480nm。此外，它還具有透明性好、發(fā)光衰減時(shí)間短、不易熟化等優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)是發(fā)光效率低，僅為高能工業(yè)CT中常用的NaI（Tl）發(fā)光效率的14%。
圖示了一種由三個(gè)或三個(gè)以上的光學(xué)隔離BGO晶體組成的探測(cè)器，該晶體連接在一個(gè)10 mm的方形光電倍增管上，該光電倍增管為該組提供一個(gè)快速定時(shí)脈沖。每個(gè)晶體還單獨(dú)耦合到位置敏感光電二極管，該光電二極管識(shí)別阻止湮滅光子的晶體并確定相互作用的深度。
參考文獻(xiàn)
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[7] Readout system for groundbased tests of BGO calorimeter of DAMPE satellite
[8] Nonlinear Absorption Response Correlated to Embedded Ag Nanoparticles in BGO Single Crystal From Two-Photon to ThreePhoton Absorption
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CdWO4
| 波長(zhǎng) (最大發(fā)射) (nm) | 490 |
| 衰減時(shí)間 (ns) | 14000 |
| 發(fā)光量 (光子/kev) | 12-15 |
| 相對(duì)于Nal（Tl）的光輸出 (%) | 50 |
| 折射率 | 2.2-2.3 |
鎢酸鉻閃爍體（CdWO4）具有不潮變，密度高，X射線吸收系數(shù)大，輻射長(zhǎng)度短，抗輻射損傷的優(yōu)點(diǎn)。另外，CdWO4閃爍體的發(fā)射光譜在400nm-600nm范圍內(nèi)，發(fā)射峰波長(zhǎng)約為515nm，可以很好地匹配光電二極管的敏感波長(zhǎng)。CdWO4閃爍體具有出色的閃爍性能，是鎢酸鹽系列中最好的。由于這些優(yōu)點(diǎn)，CdWO4閃爍體非常適合于高能工業(yè)CT檢測(cè)器，而CdWO4晶體可使檢測(cè)器非常致密，從而提高了CT系統(tǒng)的空間分辨率。CdWO4晶體具有出色的閃爍和光學(xué)特性，使其廣泛用于高能工業(yè)CT探測(cè)器。
隨著大型零部件的可靠性和安全性要求的不斷提高，監(jiān)視零部件的裝配質(zhì)量變化已成為確保安全性的關(guān)鍵技術(shù)。解決上述問題必須依靠工業(yè)CT，特別是高能工業(yè)C T端可以很好地實(shí)現(xiàn)。因此，使用工業(yè)CT技術(shù)，尤其是高能工業(yè)CT技術(shù)，有望解決以下技術(shù)問題：
- 精密測(cè)試特殊部件的焊接質(zhì)量；
- 監(jiān)視大型零件的裝配質(zhì)量（例如零件姿態(tài)，裝配間隙和位置變化）以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精密檢查；
- 其他材料和組件的結(jié)構(gòu)仿真和工業(yè)CT檢查。
參考文獻(xiàn)
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