工业X-CT用新型X射线探测器性能的模拟研究

【摘要】：工业X-CT(Industrial X-Ray Computed Tomography,ICT)是工业用X射线计算机层析成像或工业用X射线计算机断层扫描成像的简称。自诞生以来,其发展和应用令人瞩目,特别是在无损检测与无损评价领域显示出了其独特的优点,西方发达国家均投入大量的人力、物力对其进行研究。诚然,计算机图像技术的飞速发展对工业X-CT起到了极其重要的作用,但另一个决定性因素还在于X射线探测器技术的进步。X射线探测器的技术指标限定了这些设备最后的技术水平。在工业X-CT系统中,探测器技术是工业X-CT系统的三大关键技术之一(探测器技术、图像重建及处理技术和机械与自动控制技术)。探测器技术就是如何把X射线与被检测物作用后,将包含有被检测物信息的射线信号转化成为可进行处理的电信号。该测量技术将直接影响到工业X-CT系统的性能指标及应用效果。 本文详细研究了国内外工业X-CT中探测器的设计方案,对X射线管为射线源,基于CsI(Tl)闪烁体和面阵CCD(Charge Coupled Device)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射线探测的探测器方案的性能指标,从理论上分析该方案的合理性。为此,论文建立了新型探测器的物理数学模型,并采用Monte Carlo方法进行模拟研究。Monte Carlo模拟条件是:考虑到目前国内外最常用的中、低能X射线源(450keV以下),并对CsI(Tl)为主的单个闪烁体与光纤耦合至面阵CCD器件,且源-探距L≦1.5m组成的探测器系统进行了模拟研究。模拟计算结果表明:探测器到X射线源的距离(1.5m以内)对探测器性能的影响不大,故根据被测试件的大小可以适当地改变X射线源到探测器的距离。圆柱形晶体的直径不变,则长度越大(1.5cm内)全能峰效率和转换效率就越高。在晶体长度为1.5cm时、探测器接收到能量为220keVX射线的全能峰效率高达79.6%,转换效率高达85%。 最后,论文对探测器灵敏度作了理论上的估算。