新型高性能射線數字圖像檢測系統
1.1 基于射線圖像增強器的系統目前應用最多的是采用X射線圖像增強器和普通視頻攝像機組成的X射線電視系統或再通過圖像采集卡由計算機進行處理的數字成像系統。為了降低系統成本，在我國普遍使用湯姆蓀和東芝的醫用射線圖像增強器來進行工業檢測，這種系統價格低，能夠實時顯示（增益大），檢測速度快，適合對檢測指標要求不很高的、被檢測構件厚度比較均勻的、人眼睛容易從屏幕上識別缺陷或問題的快速動態檢測。如大口徑螺旋焊管焊縫檢測，生產流水線上構件檢測。這種系統只適用于低能X射線（一般在300kV以下），即對中小型構件檢測，且動態范圍小、成像質量較差，特別是隨著使用時間增加圖像質量越來越查，容易在輸出屏灼傷，壽命短。目前這種系統隨著圖像增強器的性能提高、使用CCD相機性能提高、光學系統及圖像處理軟件的改進，系統指標有所提高，但總體上屬于低指標、低價位檢測系統。
1.2 平板式數字成像系統（FPD）
21世紀初以美國VARIAN公司為代表的平板式數字成像系統（
FPD）在我國研究性單位使用， FPD主要由閃爍體、非晶硅像元陣列傳感器組成。射線照射閃爍體使其發光，光電二極管產生的電荷在TFT等的控制下進行放大，然后轉換為數字信號，是直接輸出數字圖像的射線成像系統。通常每秒輸出1－30幀。其特點（主要和圖像增強器系統相比）與應用范圍為：（1）有效檢測區域大。如Paxscan4030和的有效檢測面積為40cm×30cm。（2）空間分辨率高。理論上接近4－5LP/mm。（3）動態范圍大。動態范圍是最大輸出時的信噪比。Paxscan系列探測器本身的動態范圍約為：2000:1（66dB）。輸出圖像的數字信號12bit以上。動態范圍越大，表示允許被檢工件的穿透厚度差越大，對整個系統的實際檢測靈敏度有好處。但射線散射、幾何不清晰度等已限制了整個系統最高的檢測靈敏度，所以也不是成像系統（探測器）動態范圍越大，系統檢測靈敏度就越大。（4）耐射線直接照射。成像板X射線直接照射不損壞。射線能量可以是低能或不是很高的高能。（5）主要的缺點為：價格高，且大部分情況下不能象工業電視一樣實時顯示（增益不是很高），另外承受高能射線能力差（一般不用在加速器下成像）。從性能和使用方便的角度看（不考慮價格），平板式系統在低能射線成像器中有很多優越性。目前主要的應用是在低能
X射線下，對結構復雜、厚度差別大的工件的高靈敏度檢測。1.3 基于光纖耦合CCD的射線成像系統
X射線使光纖閃爍體FOS(Fiber-optic scintillator)面板前端的閃爍體發光，每根光纖將其導入面板表面，形成非常清晰的整合圖像，可直接與帶光纖面板CCD陣列相結合來攝取圖像，FOS／CCD的組合使其光損失很小。其特點是空間分辨率很高（，在微焦點X射線情況下，可達到101p／mm以上），動態范圍大，增益大。但成像面積?。ㄖ睆揭话阈∮?/FONT>50mm），且可接收射線能量范圍小，一般X射線管電壓為幾十千伏。適用于小工件的小裂紋、電路板內部走線等高分辨率檢測。
1.4線陣探測器掃描成像系統(LDA)
該系統主要利用X射線閃爍體材料，如單晶的CdWO4或CsI(Tl)直接與光電二極管相接觸制作而成射線線陣探測器。通過工件與探測器的相對運動，并由計算機重建由行掃描所形成的圖像。LDA正在向更高的掃描速度、更寬的動態范圍和更小的象素尺寸的方向發展，并且在無損檢測的應用領域得到廣泛的應用。
空間分辨率主要由像素的幾何尺寸所決定。像素間距越小，分辨率越高，但X射線吸收也越少，這是互相矛盾的，160kV以下的LDA較多，且分辨率高，高能使用LDA時，像元必須很大，分辨率也小。射線源不同，在線陣設計上也會有顯著的差異，X射線的屏蔽和準直也要適合所選的能量范圍。二極管陣列可以有多種不同的排列方式，除了普通的直線形外，還有L形、U形，或拱形等。由于掃描時將射線嚴格地準直后扇形出束，故可以有效地抑制射線散射的干擾，可以獲取高質量的數字圖像，但對掃描系統要求嚴格，在低能射線下圖像質量好。在高能射線下，由于像元大，分辨率低。
這種設備主要應用在安檢和高能射線成像系統中，如清華大學研制的海關集裝箱安全檢測系統，車站、機場行李檢查設備，加速器高能射線CT檢測。
2 基于科學級CCD相機的新型射線數字成像系統研制與其特點
2.1適用于高、低能射線高質量成像儀的研制思路
在分析總結現有實時成像技術和系統的基礎上，通過大量的調研，作者提出了采用20世紀90年代的制冷科學級CCD數字相機和特殊工藝的單晶閃爍體射線屏慢掃描成像的方法。國外采用光纖耦合工業視頻CCD相機的方法，見文獻1。射線透過物體后其強度分布攜帶了被測件的信息
, 由轉換屏轉換為可見光圖像, 轉換后的圖像屬于微弱光圖像，為了得到高質量的圖像，利用高空間分辨率、高動態范圍、低噪聲、暗電流很小的制冷CCD科學級CCD相機，經過較長時間曝光積累（即慢掃描），形成一定灰度的圖像，讀出圖像信號并經A/D轉換后, 由幾十米遠控制室的計算機進行數據采集、圖像的處理、校正和存儲。射線到可見光的轉換屏可定做，可適用于高、低能
X射線和γ射線成像?？删C合空間分辨率、成像時間、成像面積、射線能量等因素研制。2.2成像系統組成與主要技術要求
2.2.1 成像系統組成及工作原理
本系統是一種適用于高、低能
X射線（15MeV以下）和γ射線，成像質量好的數字成像檢測系統, 系統組成及實物照片如圖1所示。轉換屏的作用是把透過被檢工件后射線分布轉換為攜帶了工件內部信息的可見光圖像，45°反射鏡的目的是把可見光圖像反射到CCD相機中，而透過轉換屏的殘余射線能夠直線穿過反射鏡，使其不能射到相機，避免射線對相機的損害和引起圖像噪聲（這一點已被實驗證明）。在成像過程中，被檢測構件不能動（靜態檢測，類似于膠片照相，但通常比膠片成像時間短的多），CCD相機經過一定時間的曝光（曝光時間與射線源、構件、CCD靈敏度等有關）獲得一定灰度的圖像，由計算機進行采集與處理。
2.2.2 系統主要技術指標為：
(1) 射線轉換屏直徑D＝200mm（或100mm）；
(2) 系統的空間分辨率≥35Lp/cm（標準分辨率測試卡檢測）；
(3) 系統的透度靈敏度：（便攜式X射線源或小焦點移動式X射線源或直線加速器射線源，均勻鋼板和針式標準透度計）
①≤1.5%, 鋼板厚度在8－50mm范圍；
②≤1.0%, 鋼板厚度≥50mm；
(4) 圖像灰度等級≥12bit；
(5) 圖像傳輸距離≥25m。
(6) 適用射線能量范圍：幾十kV到15MeV。
2.3 射線轉換屏的結構設計
轉換屏的結構如圖2所示。閃爍體采用具有較高轉換效率、較高空間分辨率，且易制作成較大面積的的CSI (Tl)單晶閃爍體，因為CSI (Tl)單晶閃爍體較軟且長時間會潮解，所以必須密封起來，為了圖像清晰，采用能吸收光的黑色鋁外殼進行保護和固定整個轉換屏，光學玻璃把晶體保護起來，油層除起密封作用外，還起折射率匹配液的作用，減小不同介質界面的反射，使更多的光能向前傳遞，抗反射膜的作用是起增透作用，減小光學玻璃－空氣界面的反射，增大輸出光能。
2.4 科學級CCD相機的研制
科學級CCD相機可以從國外進口，但價格高、周期長。我們在國防項目和省科技攻關項目的支持下，開發研制了由俄羅斯生產的ISD017AP科學級CCD芯片為核心的適合于射線成像的科學級相機，見參考文獻2。
3.本系統的特點和主要應用對象
3.1系統的特點：
（1）適用射線能量的范圍廣（普通X射線源，加速器型高能X射線源，γ射線源）；
（
2）可得到高空間分辨率和高對比靈敏度的高質量圖像（遠好于圖像增強器系統）;（
3）對射線源要求低，可以是普通便攜式（節約大量資金）、也可以是大或小焦點移動式射線源，像增強器系統必須使用價格高的移動式小焦點射線源；（
4）壽命長，射線源直接照射不損壞；（
5）可充分利用射線拍片檢測經驗（檢測和成像過程類似于拍片）;（
6）靜態檢測，圖像不變形，不象線陣式探測器要求探測器和工件相對勻速運動；，（7）圖像處理功能及其它軟件功能強，并可用筆記本電腦采集圖像；
（
8）比線陣式探測器和平板式成像系統成本低；（9）成像時間長，一般需要幾到幾十秒鐘成像。不能用于動態檢測。
3.2 主要應用對象：
本系統成本比醫用像增強器組成的工業電視系統高（低于YXLON等工業像增強器系統），但成像質量好，適應X射線能量范圍廣（是目前唯一的高能射線面陣數字成像系統），所以應用范圍廣。主要用于要求檢測靈敏度高的場合或者大中型構件的高能射線數字成像檢測情況下。
4.本成像系統的部分實驗結果與應用
4.1部分實驗結果
實驗結果說明該成像系統不僅適用
X射線的能量（kV數）范圍廣，而且圖像質量明顯優于由X射線像增強器組成的實時成像系統。本系統特別適用于要求高質量成像的靜態檢測。為了說明本系統的成像質量好，我們分別使用便攜式
2005型（焦點為2 mm×2 mm）和3005型國產射線源（焦點為4 mm×4 mm）作了分辨率和透度靈敏度實驗，結果如圖3和圖4。從圖3可知，分辨率超過3.5lp/mm；圖4是3號透度計在15mm厚鋼板上的圖像，至少可看到第4根（0.2mm）,透度靈敏度優于1.33%。圖4是在高能X射線下（6MeV加速器）某軍工產品的透視圖。4.2系統應用情況
本系統是在國防項目的支持下開發的，2000年開發研制后首先為兵器、航空航天等研究工作范圍，完成了多個國防項目的任務。通過國產化和進一步改進，軟硬件可靠性得到提高，降低了成本，在工業領域已得到使用。如鍋爐焊管的在線檢測，和俄羅斯引進的加速器配套為鐵路、化工行業進行DR/CT檢測等。
參考文獻
[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， 低成本科學級CCD數字相機的研制，《光電子·激光》，2003,14(12):1307-1310
[3] 程耀瑜，胡郾，韓焱等，高質量X射線檢測的數字化成像及快速采集,《光學 精密工程》,2002,187(4):359-364
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