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大面积高分辨率数字X射线探测器关键技术的研究

赵志刚  
【摘要】: 数字X射线探测器能够将不可见的X射线信号转换为数字式电信号,是X射线成像系统中的关键器件。“基于光栅微分干涉的X射线相衬成像系统”对数字X射线探测器提出了大面积和高空间分辨率这两个要求。但是目前的X射线探测器因存在两个主要问题而难以满足上述要求。第一个问题是探测器中X射线转换屏的空间分辨率因荧光的侧向扩散而大大降低。第二个问题是探测器中图像传感器的感光面积远小于实际应用中75×75mm2的最低需求。 为了解决以上两个问题,本论文开展了大面积高分辨率数字X射线探测器的研制工作,主要内容分为以下两个部分: 第一个部分是制作像素化X射线转换屏,以提高X射线转换屏的分辨率。 像素化X射线转换屏适合于使用硅基深孔阵列来制作。硅基深孔阵列是一种高深宽比的微结构,而光助电化学刻蚀是制作硅基深孔阵列的理想方法。为了能在整个5英寸硅片上制作出均匀的深孔阵列,自行设计并制作了一套新型大面积硅片光助电化学刻蚀装置。该装置借助一个水冷隔热系统和一个花洒式溶液循环系统,解决了传统光助电化学刻蚀装置中溶液升温和气泡堆积的问题。所制作的深孔阵列边长有5μm和1.5μm两种,深宽比分别达到了30和100。深孔阵列经高温热氧化和X射线荧光材料CsI:T1的填充之后,完成了像素化X射线转换的制作。经测试,像素化X射线转换屏的空间分辨率达到了201p/mm,满足最初的设计要求。另外,还利用新型大面积硅片光助电化学刻蚀装置,通过逐步加大刻蚀电流的方法补偿侧向腐蚀给微结构形貌带来的不利影响,制作了两种形貌一致性很好的高深宽比深槽阵列,用于X射线光栅的制作。 第二个部分是开发基于4颗CMOS芯片拼接的数据采集系统,以扩大探测器的成像面积。 4颗CMOS芯片LUPA-4000与一个2×2光锥阵列耦合后,能够拼接成完整的图像,成像面积达到98.5×98.5mm2。受光锥阵列结构尺寸的制约,在本课题中只能使用CMOS芯片,从底层开始完成整个数据采集系统的开发。数据采集系统采用了基于以太网远程控制,并对4颗LUPA-4000芯片单独用DDR2 SDRAM进行数据缓存的方案。用基于Verilog的FPGA设计实现LUPA-4000芯片的驱动时序和DDR2 SDRAM芯片的控制器,用ARM作为整个系统的微控制器,采集到的图像数据在PC机中存储。为了便于LUPA-4000芯片与光锥小端的耦合,为每一颗LUPA-4000制作了一块独立的PCB板,各PCB板之间留有一定量的调整间隙。本论文完成了数据据采集系统从电路原理图设计和PCB板图设计,到FPGA设计、ARM软件设计和PC机软件设计的全过程。在实现了LUPA-4000拍照与图像数据存储等基本功能的基础上,开发了一套参数可调整的数据采集系统,实现了拍照参数可调整和开窗读出等实用的附加功能。


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