CMOS探測器在射線(xiàn)檢測中的應用

射線(xiàn)檢測技術(shù)利用X射線(xiàn)探測材料內部的不連續性，并在記錄介質(zhì)上顯示出圖像。隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，射線(xiàn)檢測從傳統的以膠片為記錄介質(zhì)的照相方法不斷擴展，形成了多種數字化射線(xiàn)檢測手段，如底片的數字化處理技術(shù)(Film Digitisation)、射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像技術(shù)(Radioscopy)、計算機射線(xiàn)成像系統(Computed Radiography)和射線(xiàn)數字直接成像檢測技術(shù)(Direct Radiography)等[1]。實(shí)際應用中需要根據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(xiàn)記錄介質(zhì)(如CCD、多晶硅等)，CMOS(互補的金屬氧化硅)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39μm，檢測精度較高，溫度適應性好，結構適應性強。

較之龐大的增強器成像系統，CMOS射線(xiàn)掃描探測器(圖1)結構小巧，內部芯片集成度高。較之CCD成像方式，CMOS的每個(gè)探測點(diǎn)都有自己的放大器進(jìn)行單獨配置。CMOS在其內部通過(guò)轉換屏將接收到的射線(xiàn)轉換為光線(xiàn)，直接與轉換屏接觸的探測點(diǎn)單元將光線(xiàn)轉換為電子，每個(gè)探測點(diǎn)單元有自己的放大器將電信號放大，最后在探測器內對信號進(jìn)行A/D轉換，形成二進(jìn)制編碼傳送到計算機。CMOS主要適用于20～320 kV射線(xiàn)能量，80/μm的空間分辨率，無(wú)幾何放大情況下檢測分辨率為6 lp/mm，檢測圖像達到4096級灰度。

圖1 CMOS射線(xiàn)掃描探測器

2 CMOS探測器的檢測應用

2.1 檢測流程

由于CMOS射線(xiàn)探測單元排成線(xiàn)陣列，靜止狀態(tài)下只能得到射線(xiàn)透過(guò)被檢物體而形成的投影圖像中的一條線(xiàn)。為獲取被檢測物體的圖像，需要進(jìn)行相對掃描運動(dòng)，逐線(xiàn)采集并拼成完整的投影圖像。獲取檢測圖像時(shí)要求射線(xiàn)能量波動(dòng)盡可能小且可長(cháng)時(shí)間連續工作，因此筆者采用恒壓式射線(xiàn)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(xiàn)性X射線(xiàn)掃描探測器進(jìn)行射線(xiàn)檢測的流程為：探測器配置及校準一確定透照方式，調節位置參數一相對運動(dòng)，獲取掃描圖像一圖像處理，缺陷分析。

2.2 檢測工裝設計

探測器的成像單元(線(xiàn)陣列)需要與射線(xiàn)束中心線(xiàn)良好匹配，不能出現相對位置傾斜和偏移等現象。因此，需設計合適的成像工裝，以完成探測器的固定、位置調節及實(shí)現與檢測工件的相對運動(dòng)。工裝要能方便地移入移出(筒形工件)，應具有一定的靈活性和較大的適應性(檢測不同類(lèi)型工件)。

本著(zhù)簡(jiǎn)便、實(shí)用的原則，在已有射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像系統基礎上進(jìn)行檢測工裝設計，即檢測時(shí)將檢測工件放在載物臺上，可實(shí)現左右平移、繞垂直軸旋轉等運動(dòng)；探測器通過(guò)工裝固定于射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像系統增強器運動(dòng)軸上，可實(shí)現垂直升降和前后平動(dòng)。另外，探測器還可實(shí)現一定角度的旋轉調節。通過(guò)與實(shí)時(shí)成像檢測系統的有機結合，可實(shí)現多種類(lèi)型工件的射線(xiàn)檢測。此外，應用時(shí)對于工件還要設計固定定位工裝。

2.3 探測器配置與校準

首次使用探測器時(shí)需指定成像器類(lèi)型參數(長(cháng)度和可承受電壓等)，以便確定出可用的最小積分時(shí)間。在探測器正常工作前，必須對其進(jìn)行配置與校準，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(積分時(shí)間、掃描精度以及是否迭加平均)，然后開(kāi)始進(jìn)行探測器校準。校準時(shí)還要考慮焦距及物距的影響。一般校準時(shí)需進(jìn)行三個(gè)步驟：①關(guān)閉射線(xiàn)源，探測器進(jìn)行偏置校準。②開(kāi)啟射線(xiàn)源，調節到檢測需使用的電流電壓值，使探測器的線(xiàn)陣列輸出信號達到最大但未出現飽和為止。③調節射線(xiàn)能量，使線(xiàn)陣列輸出信號降低為最大信號的一半。校準的結果以文件形式存儲，可供以后的檢測調用。但調用后若再更改其中的校準參數，則需重新校準后才能進(jìn)行檢測。

對于大多數檢測對象，在實(shí)際檢測時(shí)應用的電流、電壓值較高，在進(jìn)行探測器校準時(shí)輸出信號早已飽和。為解決這一問(wèn)題，根據不同厚度的檢測情況，設計了相應的校準用檢測試板。試板厚度均勻，在校準第一步完成后將試板放在射線(xiàn)源窗口，然后開(kāi)啟射線(xiàn)進(jìn)行下一步校準操作。

2.4 透照方式選取

(1)平動(dòng)方式適用于平板焊縫類(lèi)工件的射線(xiàn)檢測，檢測時(shí)保持探測器與射線(xiàn)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(dòng)。對于管、筒上的環(huán)形焊縫，如果采用平動(dòng)方式成像，采集的將是橢圓形透視圖像，只有中心區域的圖像才可用于檢測結果評定，并且需要旋轉多個(gè)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)現透照檢測。

(2)旋轉方式要求調節相對位置使工件放在載物臺回轉中心，且與射線(xiàn)束中心、探測器中心處于一條直線(xiàn)上。對于筒形件，通過(guò)工裝將探測器置于工件內部，盡可能貼近檢測部位，采用單壁單影的方式透照；對于內徑較小的管狀與筒形工件，采用雙壁透照的方式；旋轉一定角度即可將透照區展開(kāi)成像，可有效提高檢測效率(圖2b)。對于回轉類(lèi)工件，采用旋轉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(shí)問(wèn)。