射線檢測中CMOS的研究

1 CMOS探測器簡介

射線檢測技術(shù)利用X射線探測材料內(nèi)部的不連續(xù)性，并在記錄介質(zhì)上顯示出圖像。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，射線檢測從傳統(tǒng)的以膠片為記錄介質(zhì)的照相方法不斷擴(kuò)展，形成了多種數(shù)字化射線檢測手段，如底片的數(shù)字化處理技術(shù)(Film Digitisation)、射線實(shí)時成像技術(shù)(Radioscopy)、計(jì)算機(jī)射線成像系統(tǒng)(Computed Radiography)和射線數(shù)字直接成像檢測技術(shù)(Direct Radiography)等[1]。實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)檢測要求的分辨率和相對靈敏度選用合適的方法。相對于其它射線記錄介質(zhì)(如CCD、多晶硅等)，CMOS(互補(bǔ)的金屬氧化硅)技術(shù)更具有性能優(yōu)勢。目前，CMOS探測器的最小像素尺寸可達(dá)39μm，檢測精度較高，溫度適應(yīng)性好，結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)。

較之龐大的增強(qiáng)器成像系統(tǒng)，CMOS射線掃描探測器(圖1)結(jié)構(gòu)小巧，內(nèi)部芯片集成度高。較之CCD成像方式，CMOS的每個探測點(diǎn)都有自己的放大器進(jìn)行單獨(dú)配置。CMOS在其內(nèi)部通過轉(zhuǎn)換屏將接收到的射線轉(zhuǎn)換為光線，直接與轉(zhuǎn)換屏接觸的探測點(diǎn)單元將光線轉(zhuǎn)換為電子，每個探測點(diǎn)單元有自己的放大器將電信號放大，最后在探測器內(nèi)對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，形成二進(jìn)制編碼傳送到計(jì)算機(jī)。CMOS主要適用于20～320 kV射線能量，80/μm的空間分辨率，無幾何放大情況下檢測分辨率為6 lp/mm，檢測圖像達(dá)到4096級灰度。

圖1 CMOS射線掃描探測器

2 CMOS探測器的檢測應(yīng)用

2.1 檢測流程

由于CMOS射線探測單元排成線陣列，靜止?fàn)顟B(tài)下只能得到射線透過被檢物體而形成的投影圖像中的一條線。為獲取被檢測物體的圖像，需要進(jìn)行相對掃描運(yùn)動，逐線采集并拼成完整的投影圖像。獲取檢測圖像時要求射線能量波動盡可能小且可長時間連續(xù)工作，因此筆者采用恒壓式射線源(YX―LON MG325，最大電壓320 kV，大焦點(diǎn)3.0 mm，小焦點(diǎn)2.O mm)。采用CMOS線性X射線掃描探測器進(jìn)行射線檢測的流程為：探測器配置及校準(zhǔn)一確定透照方式，調(diào)節(jié)位置參數(shù)一相對運(yùn)動，獲取掃描圖像一圖像處理，缺陷分析。

2.2 檢測工裝設(shè)計(jì)

探測器的成像單元(線陣列)需要與射線束中心線良好匹配，不能出現(xiàn)相對位置傾斜和偏移等現(xiàn)象。因此，需設(shè)計(jì)合適的成像工裝，以完成探測器的固定、位置調(diào)節(jié)及實(shí)現(xiàn)與檢測工件的相對運(yùn)動。工裝要能方便地移入移出(筒形工件)，應(yīng)具有一定的靈活性和較大的適應(yīng)性(檢測不同類型工件)。

本著簡便、實(shí)用的原則，在已有射線實(shí)時成像系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行檢測工裝設(shè)計(jì)，即檢測時將檢測工件放在載物臺上，可實(shí)現(xiàn)左右平移、繞垂直軸旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動；探測器通過工裝固定于射線實(shí)時成像系統(tǒng)增強(qiáng)器運(yùn)動軸上，可實(shí)現(xiàn)垂直升降和前后平動。另外，探測器還可實(shí)現(xiàn)一定角度的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。通過與實(shí)時成像檢測系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)多種類型工件的射線檢測。此外，應(yīng)用時對于工件還要設(shè)計(jì)固定定位工裝。

2.3 探測器配置與校準(zhǔn)

首次使用探測器時需指定成像器類型參數(shù)(長度和可承受電壓等)，以便確定出可用的最小積分時間。在探測器正常工作前，必須對其進(jìn)行配置與校準(zhǔn)，以便在一定的成像條件下，使所有探測單元的偏置輸出及增益輸出達(dá)到一致。

對于新的檢測對象，首先配置好采集圖像相關(guān)的參數(shù)(積分時間、掃描精度以及是否迭加平均)，然后開始進(jìn)行探測器校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時還要考慮焦距及物距的影響。一般校準(zhǔn)時需進(jìn)行三個步驟：①關(guān)閉射線源，探測器進(jìn)行偏置校準(zhǔn)。②開啟射線源，調(diào)節(jié)到檢測需使用的電流電壓值，使探測器的線陣列輸出信號達(dá)到最大但未出現(xiàn)飽和為止。③調(diào)節(jié)射線能量，使線陣列輸出信號降低為最大信號的一半。校準(zhǔn)的結(jié)果以文件形式存儲，可供以后的檢測調(diào)用。但調(diào)用后若再更改其中的校準(zhǔn)參數(shù)，則需重新校準(zhǔn)后才能進(jìn)行檢測。

對于大多數(shù)檢測對象，在實(shí)際檢測時應(yīng)用的電流、電壓值較高，在進(jìn)行探測器校準(zhǔn)時輸出信號早已飽和。為解決這一問題，根據(jù)不同厚度的檢測情況，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的校準(zhǔn)用檢測試板。試板厚度均勻，在校準(zhǔn)第一步完成后將試板放在射線源窗口，然后開啟射線進(jìn)行下一步校準(zhǔn)操作。

2.4 透照方式選取

(1)平動方式適用于平板焊縫類工件的射線檢測，檢測時保持探測器與射線源位置相對固定，將工件放在載物臺上，以合適的速度沿X軸平行移動。對于管、筒上的環(huán)形焊縫，如果采用平動方式成像，采集的將是橢圓形透視圖像，只有中心區(qū)域的圖像才可用于檢測結(jié)果評定，并且需要旋轉(zhuǎn)多個角度才能完成全部檢測，降低了檢測靈敏度(圖2a)，某些情況下由于厚度太大而不能實(shí)現(xiàn)透照檢測。

(2)旋轉(zhuǎn)方式要求調(diào)節(jié)相對位置使工件放在載物臺回轉(zhuǎn)中心，且與射線束中心、探測器中心處于一條直線上。對于筒形件，通過工裝將探測器置于工件內(nèi)部，盡可能貼近檢測部位，采用單壁單影的方式透照；對于內(nèi)徑較小的管狀與筒形工件，采用雙壁透照的方式；旋轉(zhuǎn)一定角度即可將透照區(qū)展開成像，可有效提高檢測效率(圖2b)。對于回轉(zhuǎn)類工件，采用旋轉(zhuǎn)方式成像具有突出的優(yōu)點(diǎn)，可提高圖像質(zhì)量，縮短檢測時問。