摘要：探测器技术是计算机层析成像系统的关键技术之一。提出了一种基于面阵 CCD 器件，采用光纤和光纤面板进行光耦合及传输的扇形束线阵扫描 X 射线新型探测器技术。实验结果表明，该新型探测器具有结构紧凑、性能可靠且分辨力高(约 50μm)等特点，可以实际应用于工业 X-CT系统之中。
引 言
X 光,即 X 射线。X 射线工业用计算机层析成像技术，简称工业 X-CT(X-ray Computed Tomography)。它是一种先进的无损检测技术，在航空、航天、军工、机械、电子、石油及地质等部门中有着广泛的用途。在工业 X-CT 系统中，探测器及其技术是工业 X-CT 系统的关键技术之一。探测器技术就是如何把 X射线与被检测物作用后，将包含有被测物信息的射线信号转化成为可进行处理的电信号。该种测量技术将直接影响工业 X-CT 系统的性能指标及应用效果。目前，在工业 X-CT 系统中的 X射线探测器，主要基于：①光电倍增管(PMT)[1-3];②光电二极管列阵(PDA)[4, 5];③图像增强器[6-9];④CCDs[10-12];⑤CMOS 图像传感器[13]等。在上述工业X-CT 系统中的 X 射线探测器，均是首先通过闪烁体或闪烁屏将 X 射线转换成可见光，尔后利用光电转换器件如 PMT 或 CCD 等，将光信号转换成易于处理的电信号。本文基于面阵CCD 器件，采用光纤和光纤面板进行光耦合及传输，以扇形束线阵扫描方式实现对X 射线的探测，获得了一些有意义的结果。
1 X 射线探测原理
工业X-CT 系统中的 X 光(射线)探测，其探测原理与医用 X-CT 相似，均是基于X 射线与物质相互作用的原理。研究指出，一束X射线穿过物质并与物质相互作用后，X射线强度将受到射线路径上物质的吸收或散射而衰减，衰减规律由比尔定律确定。考虑一般性，设物质系非均匀的，一个面上衰减系数分布为μ (x, y)。当X 射线穿过该物质面，入射强度 Io的X射线经衰减后以强度I 穿出，射线在面内的路径长度为L，如图1。
(2)式表明，射线路径L 上衰减系数μ(x, y)的线积分等于射线入射强度Io与出射强度 I之比的自然对数。Io和I可用探测器测得，则路径L上衰减系数的线积分即可算出。可见，在工业 X-CT 系统中，探测器的作用是测量 X射线与物质作用前、后的射线强度Io和I，由此便可求得衰减或吸收系数μ，CT 成像就是将不同的μ值赋予不同的灰度值。
2 方案选择
在工业X-CT 系统中，对 X 射线的探测可以有多种探测方法，但是从获取或采集 X 射线数据的方式看，主要有线性阵列探测器和面阵探测器两种。图2、图3 是目前工业 X-CT 中 X 射线探测获取数据的两种典型方式示意图。线性探测器列阵和面阵探测器系统各自的主要特点如表1。
由表1 可见，如果不考虑CT 系统 X射线探测器的结构及成本，则探测器数目愈多，扫描采集数据的时间就愈短，效率高，但其带来的诸如探测器间的匹配、准直器的准直及屏蔽等物理和技术问题也随之复杂起来。因此，对工业X-CT 系统的探测器方式的一个折衷考虑是必要的，且也是重要的。
有鉴于此，我们提出了基于面阵CCD，采用光纤板进行光耦合及传输，以扇形束线阵扫描方式实现对X 射线探测的探测器方案，如图4。
由图4 可见，采用这样的探测器结构及数据采集方式，避免了结构的复杂性、准直和屏蔽的严重性，还可兼顾数据采集效率和可以接受的串扰及探测器间的匹配。更为重要的是，面阵 CCD 器件作扇形束线阵扫描使用，可使多个像元进行合并(如：256×256 的面阵CCD 器件，作 32 通道的扇形束线阵扫描，则每8 个像元可合并成1个通道进行探测)，增大了探测X 射线的灵敏度，有利于提高S/N 比，从而改善CT 图像的质量。
3 新型X 射线探测器的特点
在我们所研制成的新型 X射线探测器结构中，闪烁体 CsI(Tl)晶体的作用是将 X 射线转换成可见光，其峰值波长为 560nm;可见光经线阵排列的光纤束且由光纤面板传输、耦合到面阵 CCD 的光敏面上，并最终在其内实现光电转换;驱动电路将电信号输出给后续电路，以供进一步的信号放大、分析及处理等工作或需要。在工业 X-CT 系统中，采用此种探测器结构，其特点是：
(1)面阵CCD 器件的像元尺寸和光纤面板的纤维尺寸均很小，为μm级，因此，空间分辨力很高;
(2)面阵 CCD 器件可直接用于一维扇形束线阵扫描数据采集进行二维 CT 成像，使之结构灵活多样;
(3)面阵 CCD 器件的多个光敏像元合并于一路传光光纤束，有利于提高传感器的灵敏度，从而提高测量时的信/噪比;
(4)揭去面阵CCD 器件封装之盖玻片，将光纤面板直接耦合于面阵 CCD 的光敏面像元之上，可以降低光耦合损失;
(5)光纤面板能与光阴极较好地进行谱匹配或响应，以此进行光耦合，提高耦合效率，并可避免光串扰(相当于起光自准直的作用);
(6)在此探测器的光传输、光耦合过程中，传光路径上没有空气层或间隙，可以提高光的收集效率。
4 初步试验研究
前已述，在工业X-CT 系统中，探测器的作用是测量 X 射线与物质作用前、后的射线强度Io和I。为此，我们对研制成的
新型探测器开展了不同 X射线强度(I)下的试验，其结果如图5。不同的 X 射线强度是通过改变 X 射线管的管电流所获得的。此外，虽从公式(2)知，吸收系数μ是由 X射线与物质作用前、后的射线强度 Io和I 所确定，但吸收系数μ还与 X 射线的能量 E 有着密切的关系，即，μ=μ(E, Z,ρ)。其中，Z 和ρ为被测物的原子序数和密度，反映了被测物的性质或构成。因此，我们对该探测器在不同 X射线的能量(E)情况进行试验，其结果如图6。不同的X射线能量是通过改变 X射线管的管电压所获得的。由图5、图6 可见，研制成的新型 X射线探测器，能够较好地反映 X射线的能量及强度变化之情况，可以作为工业X-CT 系统中探测器，用于对 X射线的探测。
5 结 论
X 射线探测器是工业 X-CT 系统的关键技术之一。随着工业 X-CT 技术应用领域的日益扩大，人们对工业 X-CT 系统的性能指标也提出了更高的要求，例如，高的检测效率，较高的分辨力及灵活的扫描方式，等，这些均与 X 射线探测器有着密切的关系。通过对基于面阵 CCD 器件，采用光纤、光纤面板进行光耦合及传输，以此实现扇形束线阵扫描的新型 X射线探测器技术研究，可以得到如下初步结论：
(1) 基于面阵CCD 器件，采用光纤、光纤面板光耦合及传输，用于扇形束线阵扫描的 X 射线探测器技术方案，能够较好地解决光传输及耦合等损失，且可保持较高的探测效率及分辨力，使实验研究达到了预期的效果，是目前工业 X-CT 较为理想的探测器方案之一;
(2) 此新型X 射线探测器结构，采用了模块化设计、一体化集成，为小型化、低成本的工业 X-CT 系统提供必要的基础或条件。
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基金项目：国家自然科学基金资助项目(60172074)
作者简介：魏 彪(1963-)，男(汉族)，浙江桐乡人，副教授，博士，主要从事核技术及应用研究工作。E-mail：weibiao1963@163.co
