Применение фотодиодных линеек

Применение фотодиодных линеек в досмотровой рентгеновской технике

Досмотровая рентгеновская техника предназначена для получения визуальной информации о внутреннем устройстве и содержимом контролируемого объекта. Целями досмотровой интроскопии являются, установление типов находящихся в контролируемых объектах предметов, выявление характерных конструктивных признаков тайников или сокрытых вложений, а также подозрительных предметов.

Принцип работы досмотровой рентгеновской техники основан на применении метода сканирующего рентгеновского луча. Неподвижный рентгеновский генератор с помощью специального коллимирующего устройства формирует узкий (около 1° по толщине) веерообразный пучок рентгеновских лучей, по вертикали имеющий угол около 60°. Рентгеновские лучи, прошедшие сквозь объект контроля с помощью специальной детекторной линейки, преобразуются в электрические сигналы, которые после соответствующей обработки, преобразуются в видимое изображение на мониторе оператора.
Типичная рентгенотелевизионная установка содержит рентгеновский генератор, коллиматорное устройство, блок управления режимом работы генератора и энергопитанием, систему получения изображения, а также световые датчики включёния рентгеновского излучения.

Система получения изображения состоит из контура «Г-образной» детекторной линейки, куда попадает прошедшее через контролируемый объект рентгеновское излучение, и где оно превращается в видимый свет, благодаря специальному покрытию нанесенному на поверхность детекторной линейки - сцинциллятору. Под действием рентгеновского излучения сцинтиллятор испускает микрочастицы видимого света, поглощаемые фотодиодами детекторной линейки и преобразуемые ими в электрические сигналы. Затем эти сигналы усиливаются и поступают в процессор детекторной линейки. Детекторные сигналы путём опроса каждого детектора всей линейки детекторов считываются и последовательно измеряются, интегрируются с помощью специальных устройств - аналоговых или цифровых мультиплексоров. При отсутствии рентгеновского излучения процессор детекторной линейки измеряет фоновые величины (шумы и помехи) всех каналов детекторной линейки, переводит их в цифровую форму и фиксирует в блоке памяти. При включении рентгеновского излучения эти фоновые сигналы вычитаются из общего сигнала теневого изображения, создавая качественное, чёткое (без аппаратурных шумов) изображение контролируемого объекта на чёрно-белом или цветном мониторе.

Рассмотрим работу типичной рентгеновской досмотровой установки. Объект, подлежащий контролю, транспортируется по конвейеру с постоянной скоростью. Достигнув световых барьеров (датчиков), объект ими обнаруживается. Включается генератор рентгеновского излучения. Луч рентгеновского излучения в той или иной степени поглощается объектом в процессе контроля и попадает на линейку детекторов (принцип строчной развертки). Т.к. в досмотровых установках генератор обычно расположен снизу, линейки детекторов расположены Г-образно (на противоположной от генератора стороне досмотрового тоннеля и над конвейерной лентой).

Линейки детекторов состоят из двухэнергетических сменных модулей для получения изображения как в градациях серого цвета, так и «цветного» изображения. Количество сменных модулей в установке определяется ее назначением и обычно составляет от 10 до 30 шт. В каждом из модулей располагаются 64 сцинтилляционных кристалла, которые комбинируются с 64 фотодиодами и 64 усилителями напряжения. Вследствие Г-образного расположения детекторной линейки, а также вследствие того, что генератор рентгеновского излучения расположен в противоположном углу, излучая рентгеновские лучи по диагонали, производится развертка по всему поперечному сечению инспекционного тоннеля. Таким образом, даже большие предметы полностью представлены на мониторе оператора. Очень тонкий рентгеновский луч развертывает объект не по всей длине, а по срезам, каждый из которых имеет толщину около 1 мм. Развертка одного среза объекта и передача значений напряжений, полученных с помощью кристаллов сцинциллятора и фотодиодов в результате такой развертки среза, требует всего нескольких миллисекунд. Таким образом, если в досмотровой установке установлено 10 сменных детекторных модулей, то на один срез передается 640 значений напряжений для градаций серого и 640 значений для «цветного» изображений, т.е. вследствие геометрического расположения модулей и кристаллов каждый срез объекта будет «разбит» на 640 (+640 «цветных») элементов изображения. Переданные таким образом значения напряжений представляют собой результат измерения изменяющегося поглощения рентгеновских лучей. В конечном итоге, после обработки результатов измерений значений напряжений микропроцессорной системой получения изображения, на экране монитора формируется изображение объекта в градациях серого (черно-белого изображения объекта).

Современные досмотровые установки снабжены системой для распознавания материалов, из которых состоит объект. Именно эта система окрашивает изображение объекта в «цвет». Этот эффект достигается за счет того, что в двухэнергетическом сменном модуле используются фотодиодные линейки покрытые сцинтилляторами различной чувствительности. Эти две фотодиодные линейки располагаются одна над другой таким образом, что каждый элемент объекта создает не одно, а два значения напряжения при развертке. Медный фильтр, который установлен между линейками, служит для спектрального разделения рентгеновского излучения (метод нескольких величин энергии). Вследствие различной чувствительности кристаллов сцинтиллятора по отношению к более мягкому (более поглощенному) и более жесткому (менее поглощенному материалом объекта) излучению можно определить материалы, из которых состоит объект. Шаг за шагом перемещающийся по конвейеру объект развертывается по срезам, и 640х2 значений напряжения последовательно передаются для дальнейшей обработки в систему получения изображений. После обработки и коррекции полученные данные записываются в цифровую видеопамять в виде двух изображений. При создании изображения производится периодически считывание из видеопамяти. Полученные данные преобразуются в полутона и в цвета посредством системы цифровой обработки изображения. Обработанный цифро-аналоговым преобразователем видеосигнал отображается на мониторе.

Среди производителей линеек детекторов стоит отметить компанию Detection Technology, которая разрабатывает и производит высококачественные фотодиодные линейки и фотодетекторы рентгеновского излучения, а также готовые рентгенодиагностические модули на основе этих компонентов для применения в медицине, досмотровой технике и неразрушающем контроле.

Примером одного из сменных модулей детекторной линейки применяемой в досмотровой технике может служить двухэнергетическая фотодиодная линейка серии X-Card 1.5-64+64DE производства фирмы Detection Technology. Этот детектор представляет собой сборку из двух кремниевых фотодиодных линеек, на активную область которых нанесен сцинтиллятор, в зависимости от толщины которого пропускается низкоэнергетическая или высокоэнергетическая составляющая рентгеновского излучения.

Особенности:

• количество фотодиодов 2х32 или 2х64;
• стандартный шаг пикселя 1.5 мм (возможен шаг 2.5 мм);
• сцинтилляторы GOS (0.3 мм) и CsI (3 мм);
• детектируемая энергия 20-160 кэВ;
• медный фильтр толщиной 0.6 мм;
• встроенная схема обработки сигнала с усилителями;
• одновременное считывание сигнала с двух фотодиодных линеек.