工業(yè)CT技術(shù)參數對性能指標的影響
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1.1 工業(yè)CT 概述
CT 即計算機斷層成像技術(shù)，是英語(yǔ)Computed Tomography 的縮寫(xiě)。而tomography 一詞源于希臘字tomos，意思是一種能對單個(gè)平面照相，同時(shí)去除其他平面結構影響的X 射線(xiàn)照相技術(shù)。用傳統人體透視方法，三維的人體沿X 射線(xiàn)的方向被壓縮成了兩維的圖像，體內所有骨骼結構和組織都重疊在一起，使得感興趣對象的清晰程度大為下降。這樣盡管它有極好的空間分辨率（分辨緊鄰的高反差物體的能力），可是最后只有很差的低反差分辨率（從背景上區分低反差物體的能力）。因此導致了傳統斷層成像技術(shù)的出現[8]。
傳統斷層成像的基本原理如圖1 所示。先考慮病人體內兩個(gè)孤立的點(diǎn)A 和B：A 點(diǎn)在焦平面上而B(niǎo) 點(diǎn)在焦平面以外。A 點(diǎn)和B 點(diǎn)投射到X 膠片上的陰影對應地標注為A1 和B1，如圖 1(a)。這時(shí)膠片上生成的圖像和傳統照相完全沒(méi)有區別，然后使X 射線(xiàn)源和X 膠片同步地沿相反方向運動(dòng)（例如如圖所示，X 射線(xiàn)源向左運動(dòng)而X膠片向右運動(dòng)）到第二個(gè)位置。我們要確保固定點(diǎn)A 生成的陰影A2 與A 點(diǎn)在第一位置生成的陰影A1 重合。這一點(diǎn)很容易通過(guò)設置X 射線(xiàn)源和X 膠片移動(dòng)的距離，使它們正比于對A 點(diǎn)相應的距離來(lái)實(shí)現，如圖 1(b)。然而固定點(diǎn)B 在第二位置生成的陰影B2 與B1 是不重合的。這就是因為B 點(diǎn)不在焦平面上，從B 點(diǎn)到X 射線(xiàn)源和B 點(diǎn)到膠片的距離比偏離了對A 點(diǎn)相應的距離比。當X 射線(xiàn)源和膠片沿一條直線(xiàn)（自然是相反方向）連續運動(dòng)時(shí)，B 點(diǎn)生成的陰影形成了一個(gè)直線(xiàn)段，這個(gè)性質(zhì)對焦平面以外上下的任何點(diǎn)都是適用的。應該注意到不聚焦的那些點(diǎn)生成的陰影強度降低了，這是由于陰影分布到一個(gè)擴展了的面積上。而所有焦平面上的點(diǎn)都保持了原來(lái)膠片上的圖像位置，其陰影仍然是一個(gè)點(diǎn)，相應的強度沒(méi)有減小。
圖1 傳統斷層成像的原理
現代斷層成像技術(shù)——即CT，是基于從多個(gè)投影數據應用計算機重建圖像的一種方法，現代斷層成像過(guò)程中僅僅采集通過(guò)特定剖面（被檢測對象的薄層，或稱(chēng)為切片）的投影數據，用來(lái)重建該剖面的圖像，因此也就從根本上消除了傳統斷層成像的“焦平面”以外其他結構對感興趣剖面的干擾，“焦平面”內結構的對比度得到了明顯的增強；同時(shí)斷層圖像中圖像強度（灰度）數值能真正與被檢對象材料的輻射密度產(chǎn)生對應的關(guān)系，發(fā)現被檢對象內部輻射密度的微小變化。事實(shí)上，低對比度可探測能力（LCD）是CT 和常規射線(xiàn)照相之間的關(guān)鍵區別。這也是CT 在臨床上迅速得到接受的最主要因素。
需要強調的是，除了CT 技術(shù)以外的所有無(wú)損檢測技術(shù)都沒(méi)有這個(gè)能力。因為沒(méi)有重疊結構的干擾，圖像的解釋要比傳統射線(xiàn)照相容易得多。新的購買(mǎi)者能很快看懂CT 的結果因此從上世紀70 年代初英國EMI 出現世界上第一臺醫用CT 掃描設備以來(lái)，CT 技術(shù)一直迅速發(fā)展?，F在CT 已成為最常用的臨床診斷工具之一。而近年來(lái)螺旋CT 的出現又使這個(gè)技術(shù)前進(jìn)一大步。
工業(yè)CT 的基本原理與醫用CT 相同，因此也具有醫用CT 所有的基本特點(diǎn)。其檢測圖像沒(méi)有被檢測的“切片”以外結構材料的干擾可發(fā)現檢測對象內部極小的材料密度變化。同時(shí)圖像的解釋要比傳統射線(xiàn)照相容易得多。
因此工業(yè)CT 也被廣泛用來(lái)檢查機械零部件內部結構或裝配正確性，還可以用于非破壞測量零件內部尺寸。近年來(lái)，鑒于各種其他無(wú)損檢測手段的大量研究沒(méi)有得到令人滿(mǎn)意的結果，工業(yè)CT 又被認為是檢查毒品和爆炸物最有應用前景的手段。
值得注意的是CT 檢測得到的是輻射密度分布圖像，更專(zhuān)業(yè)一些應當稱(chēng)之為射線(xiàn)線(xiàn)性衰減系數的分布圖像。由于在大多數情況下輻射密度與材料密度有近似的對應關(guān)系，人們往往把CT 圖像誤認為就是一般（材料）密度的分布圖像。這種混淆在很多實(shí)際應用情況下并無(wú)很大害處，然而在精確定量分析檢測結果時(shí)就有可能導致一些錯覺(jué)。
由于檢測對象的不同，工業(yè)CT 與醫用CT 差別很大，以至從外表上幾乎看不出多少相似的地方。醫用CT 的檢測對象基本上是人體或器官，材料密度和外形尺寸的變化范圍相對比較小。但是工業(yè)CT 的檢測對象就要廣泛得多，從微米級的集成電路到超過(guò)一米的大型工件，從密度低于水的木材或其它多孔材料到高原子序數的重金屬材料都是CT 檢測對象；關(guān)心的檢測要求從各類(lèi)內部缺陷到裝配結構和尺寸測量，也各不相同。這就使不同用途的工業(yè)CT 系統所用的射線(xiàn)源、射線(xiàn)探測器和系統結構很不相同，甚至工業(yè)CT 系統之間的外形也大不相同。從這個(gè)意義上說(shuō)，理解工業(yè)CT 比理解醫用CT 也許更加困難。
工業(yè)CT 的缺點(diǎn)是因為其技術(shù)復雜，設備價(jià)格相對高昂。設備的使用和維護相對難度也較大。另外重建斷層圖像需要采集的數據量龐大檢測速度較慢。
1.2 工業(yè)CT 的主要部件和它們的特點(diǎn)
一個(gè)工業(yè)CT 系統至少應當包括射線(xiàn)源，輻射探測器，樣品掃描系統，計算機系統（硬件和軟件）等。
1.2.1 射線(xiàn)源的種類(lèi)
射線(xiàn)源常用X 射線(xiàn)機和直線(xiàn)加速器，統稱(chēng)電子輻射發(fā)生器。電子回旋加速器從原則上說(shuō)可以作CT 的射線(xiàn)源，但是因為強度低，幾乎沒(méi)有得到實(shí)際的應用。X 射線(xiàn)機的峰值射線(xiàn)能量和強度都是可調的，實(shí)際應用的峰值射線(xiàn)能量范圍從幾KeV 到450KeV；直線(xiàn)加速器的峰值射線(xiàn)能量一般不可調，實(shí)際應用的峰值射線(xiàn)能量范圍從1 ～16MeV，更高的能量雖可以達到，主要僅用于實(shí)驗。電子輻射發(fā)生器的共同優(yōu)點(diǎn)是切斷電源以后就不再產(chǎn)生射線(xiàn)，這種內在的安全性對于工業(yè)現場(chǎng)使用是非常有益的。電子輻射發(fā)生器的焦點(diǎn)尺寸為幾微米到幾毫米。在高能電子束轉換為X 射線(xiàn)的過(guò)程中，僅有小部分能量轉換為X 射線(xiàn)，大部分能量都轉換成了熱，焦點(diǎn)尺寸越小，陽(yáng)極靶上局部功率密度越大，局部溫度也越高。實(shí)際應用的功率是以陽(yáng)極靶可以長(cháng)期工作所能耐受的功率密度確定的。因此，小焦點(diǎn)乃至微焦點(diǎn)的的射線(xiàn)源的使用功率或最大電壓都要比大焦點(diǎn)的射線(xiàn)源低。電子輻射發(fā)生器的共同缺點(diǎn)是X 射線(xiàn)能譜的多色性，這種連續能譜的X 射線(xiàn)會(huì )引起衰減過(guò)程中的能譜硬化，導致各種與硬化相關(guān)的偽像。
同位素輻射源的最大優(yōu)點(diǎn)是它的能譜簡(jiǎn)單，同時(shí)有消耗電能很少，設備體積小且相對簡(jiǎn)單，而且輸出穩定的特點(diǎn)。但是其缺點(diǎn)是輻射源的強度低，為了提高源的強度必須加大源的體積，導致“焦點(diǎn)”尺寸增大。在工業(yè)CT 中較少實(shí)際應用。
同步輻射本來(lái)是連續能譜，經(jīng)過(guò)單色器選擇可以得到定向的幾乎單能的高強度X 射線(xiàn)，因此可以做成高空間分辨率的CT 系統。但是由于射線(xiàn)能量為20KeV 到30KeV，實(shí)際只能用于檢測1mm 左右的小樣品，用于一些特殊的場(chǎng)合。
1.2.2 輻射探測器
工業(yè)CT 所用的探測器有兩個(gè)主要的類(lèi)型——分立探測器和面探測器
1.2.2.1 分立探測器
常用的X 射線(xiàn)探測器有氣體和閃爍兩大類(lèi)。
氣體探測器具有天然的準直特性，限制了散射線(xiàn)的影響；幾乎沒(méi)有竄擾；且器件一致性好。缺點(diǎn)是探測效率不易提高，高能應用有一定限制；其次探測單元間隔為數毫米，對于有些應用顯得太大。
應用更為廣泛的還是閃爍探測器。閃爍探測器的光電轉換部分可以選用光電倍增管或光電二極管。前者有極好的信號噪聲比，但是因為器件尺寸大，難以達到很高的集成度，造價(jià)也高。工業(yè)CT 中應用最廣泛的是閃爍體—光電二極管組合。 全息投影相關(guān)文章:全息投影原理
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