Главная » Хабрахабр » [Из песочницы] Цифровой рентген: от альфы до гаммы

[Из песочницы] Цифровой рентген: от альфы до гаммы

Привет Хабр!

О себе – 12 лет в разработке железа. Давно чесались руки написать что-нибудь доброе и вечное о цифровой рентгенографии, коей занимаюсь уже как 5 лет. В общем – с миру по нитке. Начинал как конструктор, потом была схемотехника, разработка печатных плат, разработка документации, работа с ЧПУ, интеграция HW/SW, управление проектами, маркетинг.

Если кто забыл, что такое рентген – смотрим «Опыт рентгеноскопии в домашних условиях», «Самодельный рентгеновский компьютерный томограф», но не забываем про вред ионизирующего излучения во время домашних экспериментов. Мы занимаемся разработкой и производством в РФ цифровых плоскопанельных рентгеновских детекторов для промышленности и медицины.

Для кого все это нужно?

В первую очередь для медиков, это самый крупный рынок. Пленочный рентген изживает свой век, в крупных городах везде стоит цифра.

В досмотровых сканерах используется детектор в виде узкой линейки, но когда необходимо получить высокое качество изображения, например при провозе запрещёнки в неожиданных местах человеческого организма или поиске закладок/жучков в оборудовании, используют плоскопанельный детектор. Во вторую – силовым структурам и безопасникам.

Это контроль качества сварки, отливок, пайки металлов и монтажа электронных компонентов. В третьих – производственникам. Если сварка и отливки еще плотно сидят на аналоге, ибо стандарт по использованию цифрового рентгена вышел в РФ только в 2017 году, то серьезные операторы линий по монтажу плат имеют за душой рентгеновский контроль как-минимум BGA чипов.

Минутка истории

Первым регистратором рентгеновского излучения стала пленка, она выпускается в виде кассет разных размеров и чувствительности, принцип работы – реакция светочувствительного вещества на рентген и последующая проявка/усиление. Трудно, долго, ошибся в процессе экспозиции – узнаешь об этом после проявки.

На входе имеем запоминающую фосфорную пластину, она сохраняет скрытое рентген изображение. Естественно природная лень толкала на поиск более удобного пути и им стала компьютерная рентгенография (CR). Таким образом получают цифровое изображение и потом затирают предыдущее засветкой. Чтобы увидеть результат пластину помещают в оцифровщик, где ИК лазер сканирует всю поверхность, а фотосенсор фиксирует люминисценцию. Проще чем аналог, но не моментально. Диаметр лазерного пучка (25-100 мкм) определяет разрешение системы. Пластины хватает на несколько тысяч экспозиций.

УРИ позволял работать в режиме реального времени, хоть и с искажениями. Далее прогресс рождал различные системы моментального преобразования, например, усилитель рентгеновского изображения (УРИ). Непросто да? Принцип работы – на входе стоит люминофор (сцинтиллятор), порождающий видимый свет, который порождает на фотокатоде электроны, которые ускоряются и снова регистрируются люминофором, потом стоит линза и ПЗС сенсор. Весить это добро могло под 50 килограмм. Одним из плюсов такой системы была возможность фокусировки электронного пучка и масштабирование изображения, минусы – геометрические искажения рентгенооптического преобразователя (РЭОП) и его размер. Выглядит УРИ примерно так (видна ПЗС камера и громадина РЭОПа):

Это уже современность, тот же сцинтиллятор, оптика и сам сенсор. Следующий этап – детекторы на основе ПЗС матриц. Минусы – размер ПЗС сенсора порядка 2х2 см, вспоминаем фотоаппараты. Плюсы – высокое разрешение, от 2kх2k. Используется в микротомографии, как дешевый аналог плоскопанельных детекторов.

Наши дни

Почти все современные детекторы строятся на основе КМОП или TFT матриц, мы делаем на КМОП. Размер матрицы от 10х10 см до 40х40 см, что уже неплохо. КМОП матрицы меньше чем TFT, но пиксель 25-70 мкм. TFT при размерах 40х40 см имеют пиксель 130-200 мкм. Когда необходима высокая чувствительность (маммография, микротомография) обычно ставят КМОП, в остальных случаях TFT. Все сенсоры производит Азия.

Рентгеновское излучение преобразуется в оптическое с помощью слоя сцинтиллятора. Схема детектора изображена на рисунке. ВОП тоже не простая, а с добавками церия, чтобы не темнела со временем под рентгеном. Так как КМОП-сенсор не очень любит ионизирующее излучение, отделяем его от люминофора волоконно-оптической плитой (ВОП).

Отличаются они структурой, CsI это игольчатые кристаллы, по которым свет проходит как по волокну, GadOx – сплошной слой, в котором сильны эффекты рассеяния. Как правило материал сцинтиллятора это йодид цезия (CsI) или оксисульфид гадолиния (GadOx). Вот так выглядит кристалл йодида цезия:

Останавливаться на этом детально не буду, кто хочет узнать больше про чувствительность – читаем «X-Ray Detector Characterization — a comparison of scintillators». Преобразование рентгена в свет и прохождение через толщу люминофора достаточно сложный процесс, играет всё: толщина, тип нанесения (кристаллы лучше растить сразу на ВОП), энергия излучения. Для справки: маммография это диапазон от 20 до 40 кВ, обычная медицина от 50 до 150 кВ, промышленность от 150 до 450 кВ. Грубо – до энергии 60 кВ используют GadOx, выше 100 – CsI, в серединке оба варианта.

Да, совсем забыл, собирать все это добро в единый блок просто так нельзя, нужна чистая комната и оборудования для совмещения сенсоров с максимальной точностью, у нас получается уложиться в 1 пиксель.

При большом размере матрицы и динамическом режиме работы его уже не хватает, приходится использовать Full CameraLink или оптоволокно. В качестве протокола передачи данных часто используется GigE Vision/Genicam, так как в качестве физического уровня выступает гигабитный Ethernet.

В итоге детекторы выглядят так:

Если кому интересно и есть свежие идеи по применению – пишите, будем рады. Снимать можно сварку, керамику, металпорошковую печать, платы с BGA чипами, лабораторных животных и делать томографию небольших объектов.


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Вышел PostgreSQL 11

Специальный выпуск POSTGRESSO, посвященный выходу официального релиза версии 11. На улице PostgreSQL праздник. После четырех beta вышла PostgreSQL 11 General Availability, то есть официальная версия. В анонсе есть даже приветственное слово Брюса Момджана: «готовя этот релиз, сообщество особенно заботилось о ...

Вольтметр для батареек: карманный гаджет для смартфона с «крокодильчиками»

Компания FTlab во многом известна как производитель мобильных полупроводниковых датчиков с разъемом Jack, каждый из которых определяет либо уровень ультрафиолета, либо температуру и влажность, либо электромагнитное излучение и даже уровень радиации. Устройства имеют довольно ограниченную применимость из-за характеристик, и скорее ...