一種用于x射線安檢裝置的雙能量線陣探測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于X射線安檢裝置的雙能量線陣探測器，包括多個通道板和一個通訊板；通道板設(shè)置有雙能光電二極管陣列、信號調(diào)理模塊、多路開關(guān)、AD轉(zhuǎn)換模塊和ARM處理器；雙能光電二極管陣列包括高能光電二極管陣列和低能光電二極管陣列，高能光電二極管陣列和低能光電二極管陣列之間設(shè)置有銅濾波片；通訊板設(shè)置有FPGA，F(xiàn)PGA通過通訊總線與ARM處理器相連。本發(fā)明的雙能量線陣探測器有較低的制造成本，提高了探測器抗干擾能力，抗潮濕環(huán)境的能力和探測靈敏度。同時，模塊化的設(shè)計可根據(jù)探測需要方便的改變探測器的掃描寬度和掃描速度，可實現(xiàn)即插即用的功能。
【專利說明】—種用于X射線安檢裝置的雙能量線陣探測器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于安檢設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種用于X射線安檢裝置的雙能量線陣探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，X射線探測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于安檢、醫(yī)療、探傷等領(lǐng)域的無損檢測。X射線安檢設(shè)備或系統(tǒng)，主要有雙能量系統(tǒng)、背散射系統(tǒng)和CT系統(tǒng)。而雙能量系統(tǒng)由于其較高的性價比成為當(dāng)前的主流產(chǎn)品。其核心部件探測器子系統(tǒng)，存在如掃描速度慢，由于信號噪聲等造成的圖像質(zhì)量差，探測精度低，可靠性差，制造成本高等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種用于X射線安檢裝置的雙能量線陣探測器。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種用于X射線安檢裝置的雙能量線陣探測器，包括多個通道板和一個通訊板；所述通道板設(shè)置有雙能光電二極管陣列、信號調(diào)理模塊、多路開關(guān)、AD轉(zhuǎn)換模塊和ARM處理器；
所述雙能光電二極管陣列包括高能光電二極管陣列和低能光電二極管陣列，高能光電二極管陣列和低能光電二極管陣列之間設(shè)置有銅濾波片；
高能光電二極管陣列包括多組高能閃爍晶體和第一光電二極管，高能閃爍晶體包有感光材料并與第一光電二極管通過光學(xué)耦合劑粘貼固定；
低能光電二極管陣列包括多組低能閃爍晶體和第二光電二極管，低能閃爍晶體與第二光電二極管通過光學(xué)耦合劑粘貼固定；
所述第一光電二極管的引腳、第二光電二極管的引腳分別與信號調(diào)理模塊的輸入端連接，信號調(diào)理模塊的輸出端與多路開關(guān)連接，多路開關(guān)還連接AD轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，AD轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接ARM處理器的輸入端，ARM處理器連接到通訊總線上；
所述通訊板設(shè)置有FPGA，F(xiàn)PGA通過通訊總線與ARM處理器相連。
[0005]有益效果:
本發(fā)明的雙能量線陣探測器有較低的制造成本，提高了探測器抗干擾能力，抗潮濕環(huán)境的能力和探測靈敏度。同時，模塊化的設(shè)計可根據(jù)探測需要方便的改變探測器的掃描寬度和掃描速度，可實現(xiàn)即插即用的功能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1是本發(fā)明【具體實施方式】的用于X射線安檢裝置的雙能量線陣探測器結(jié)構(gòu)框圖；
圖2是本發(fā)明【具體實施方式】的雙能光電二極管陣列結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1-第二光電二極管；2-低能閃爍晶體，3-銅濾波片，4-高能閃爍晶體，5-第一光電二極管，6-第二光電二極管的引腳，7-第一光電二極管的引腳；
圖3是本發(fā)明【具體實施方式】的模擬電源LM317的電路原理圖；
圖4是本發(fā)明【具體實施方式】的模擬電源LM337的電路原理圖；
圖5是本發(fā)明【具體實施方式】的數(shù)字電源的電路原理圖；
圖6是本發(fā)明【具體實施方式】的基準(zhǔn)電壓源的電路原理圖；
圖7是本發(fā)明【具體實施方式】的濾波電路原理圖；
圖8是本發(fā)明【具體實施方式】的AD轉(zhuǎn)換模塊的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0007]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細(xì)說明。
[0008]本實施方式的用于X射線安檢裝置的雙能量線陣探測器，如圖1所示，包括多個通道板和一個通訊板；通道板設(shè)置有雙能光電二極管陣列、信號調(diào)理模塊、多路開關(guān)、AD轉(zhuǎn)換模塊和ARM處理器。
[0009]雙能光電二極管陣列包括高能光電二極管陣列和低能光電二極管陣列。
[0010]如圖2所示，高能光電二極管陣列和低能光電二極管陣列之間設(shè)置有銅濾波片3 ；高能光電二極管陣列包括多組高能閃爍晶體4和第一光電二極管5，高能閃爍晶體包有感光材料并與第一光電二極管5通過光學(xué)耦合劑粘貼固定；低能光電二極管陣列包括多組低能閃爍晶體2和第二光電二極管1，低能閃爍晶體2與第二光電二極管I通過光學(xué)耦合劑粘貼固定。
[0011]本實施方式所述高能為145KeV，低能為75KeV。閃爍晶體材料的探測效率在60%以上即可，根據(jù)不同厚度的閃爍晶體在75 KeV和145 KeV時的探測效率蒙特卡羅模擬仿真結(jié)果，最終本實施方式的高能閃爍晶體選擇摻鉈碘化銫(CsI(Tl))晶體，厚度為3mm，其發(fā)射波長為565nm,與半導(dǎo)體光電二極管匹配很好。低能閃爍體材料為硫氧化ILGd202S:Pr和Gd202S:Pr, Ce，F(xiàn) (均簡稱G0S)，厚度為0.3mm。GOS是很重要的新一代高性能多晶陶瓷閃爍體，發(fā)射波長為545nm與傳統(tǒng)的CsI (Tl) XdffO4等單晶閃爍體相比，它具有較低的生產(chǎn)成本和較高的成像速度。CdWO4在300KeV高能下的探測效率仍然很高，是主要的高能閃爍晶體材料之一。
[0012]第一光電二極管、第二光電二極管均采用硅光電二極管，閃爍晶體把入射的X射線轉(zhuǎn)化為可見光，硅光電二極管感應(yīng)可見光后轉(zhuǎn)化為電信號，再由信號調(diào)理模塊的電路讀出，然后輸入給ARM處理器。
[0013]摻鉈碘化銫(CsI(Tl))晶體的四周包有反光材料(如二氧化鈦、鋁箔、聚四氟乙烯帶子等)，但第一光電二極管所在的面要透光，這樣能使更多的光子被光電二極管收集。GOS周圍不用包有反光材料。閃爍體和光電二極管之間，使用與閃爍體具有相同折射率的光學(xué)耦合流體(如:高粘滯性硅油)作為耦合劑，以提高光的收集效率。
[0014]高能光電二極管陣列和低能光電二極管陣列內(nèi)部分別由32個光電二極管構(gòu)成，根據(jù)探測規(guī)模，也可設(shè)計成16個，64個等，每個光電二極管之間的距離為1.6mm，即像素寬度(間距)為1.6mm，像素高度為沿陣列方向的長度是51.2mm。等于光電二極管陣列的長度，因此可以將多個光電二極管排列在一起形成更大規(guī)模的陣列且中間沒有“死區(qū)”。像素的有效寬度為1.175mm,像素高度為3.1mm,有效高度為2 mm。
[0015]光電二極管是將閃爍體輸出的極其微弱的閃爍脈沖信號變換成電信號的器件，將它與閃爍晶體封裝在一起，構(gòu)成一個探測模塊。選擇日本濱i松公司生產(chǎn)的S11212 (與CsI (Tl)匹配及GOS匹配)光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件。
[0016]高能光電二極管陣列和低能光電二極管陣列上下疊加在一起，用銅濾波片將射線整形減少高能、低能射線的能量疊加，并被分別探測，從而得到高能投影數(shù)據(jù)和低能投影數(shù)據(jù)。銅濾波片為0.6mm厚。
[0017]第一光電二極管的引腳7、第二光電二極管的引腳6分別與信號調(diào)理模塊的輸入端連接，信號調(diào)理模塊的輸出端與多路開關(guān)連接，多路開關(guān)還連接AD轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，AD轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接ARM處理器的輸入端，ARM處理器連接到通訊總線上；
通道板負(fù)責(zé)光電信號轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換，通訊板通過通訊總線控制多塊通道板，并與ARM處理器配合負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與傳輸，實現(xiàn)與PC機(jī)通訊。
[0018]通訊板設(shè)置有FPGA，F(xiàn)PGA通過通訊總線與ARM處理器相連。
[0019]本實施方式中，雙能量線陣探測器的電源分主電源和基準(zhǔn)電壓源兩個板塊。
[0020]主電源使用由4NIC朝陽電源提供的線性電源(+5V:5A、_5V:3A)，模擬電源+1.5V使用美國國家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器LM317 (如圖3所示)、-2.5V使用了 LM337(如圖4所示)。數(shù)字電源使用了低壓差線性穩(wěn)壓器LDO芯片ASl117-2.5、AS1117_3.3，電路如圖5所示。
[0021]基準(zhǔn)電壓源使用德州儀器(Texas Instruments)生產(chǎn)的芯片REF3040與運(yùn)算放大器0PA350配合使用為光電傳感器S8559和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8405提供穩(wěn)定的參考電壓，電路如圖4所示。
[0022]信號調(diào)理模塊包括放大濾波模塊和反向電壓器跟隨器，放大濾波模塊包括前置放大電路、濾波電路和主放大電路，前置放大電路的輸入端分別與第一半導(dǎo)體光電二極管的引腳、第二半導(dǎo)體光電二極管的引腳連接，前置放大電路的輸出端連接濾波電路的輸入端，濾波電路的輸出端連接主放大電路的輸入端，主放大電路的輸出端連接反向電壓跟隨器的輸入端，反向電壓跟隨器的輸出端連接多路開關(guān)。
[0023]①放大濾波模塊
雙能量線陣探測器所接收到的信號一般都非常微弱，而且雙能量線陣探測器輸出的信號往往被深埋在噪聲之中，通過前置放大電路、濾波電路和主放大電路來輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測信號。
[0024]分立放大電路元件多、體積大、對電路狀態(tài)要求高、一致性不好、穩(wěn)定性差，不是探測器系統(tǒng)的首選，必須考慮使用集成運(yùn)算放大器。雙能量線陣探測器中前置放大電路中使用反相電壓放大器，主放大電路中使用同相電壓放大器。
[0025]本實施方式的雙能量線陣探測器的模擬濾波(硬件濾波)方法為多級濾波，在前級濾波電路中，由于空間有限，只能采用無源濾波電路。為了減小電路板面積，沒有采用η形RC濾波電路和π形LC濾波電路，而采用了 RC濾波電路，在達(dá)到濾波效果同時節(jié)省了電路板面積板面積。在探測器的后級濾波中采用了低通有源濾波電路，可以通過改變電阻Rf和Rl的阻值來調(diào)節(jié)通帶電壓的放大倍數(shù)，如圖5所示。
[0026]此外，還可以采用一階滯后法和中位值平均法的數(shù)字濾波(軟件濾波)方法，在不犧牲信號靈敏度前提下，盡可能降低噪音的影響。一階滯后法對周期性干擾具有良好的抑制作用，中位值平均法對于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。
[0027]②反向電壓器跟隨器
由于光電二極管的輸出特性為負(fù)輸出，因此在電壓跟隨器的選擇上選擇具有反向特性的德州儀器公司制造生產(chǎn)的0PA2353反向電壓跟隨器，其運(yùn)放類型為高速，具有兩個放大器，帶寬為44MHz，擺率:22V/ μ s,所需電源電壓范圍:2.7疒5.5V，針腳數(shù)為8，工作溫度范圍:-55° 0-+125。C，輸入/輸出類型:Rail-Rail 1/0，輸入偏移電壓最大:10mV，運(yùn)放特點(diǎn):Single-Supply> Rail to Rail,其額定電源電壓為 +5V。
[0028]探測器傳過來的模擬信號需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，該AD轉(zhuǎn)換模塊采用ADC芯片ADS8405，是一個16位，1.25MHz的ADC芯片，ADS8405的原理如圖6所示。
[0029]ADS8405在雙能量線陣探測器中的應(yīng)用要點(diǎn)有:參考電壓源、模擬量的輸入及數(shù)據(jù)接口。
[0030]①參考電壓源
ADS8405需要外接一個電壓范圍在2.5V^4.2V之間的參考電壓源。模數(shù)轉(zhuǎn)換器上設(shè)有參考電壓輸入引腳。為了保證轉(zhuǎn)換器有良好的工作狀態(tài)，這個引腳需要輸入平穩(wěn)，低噪聲和良好解耦的參考電壓。本 探測器選擇了德州儀器公司的REF3040用來驅(qū)動此引腳，該器件是一個低噪聲帶隙的參考電壓源。在第I引腳和第48引腳之間接了一個0.1uF的去耦電容。
[0031]②模擬電壓的輸入實際上就是光電傳感器的第九引腳輸出的模擬量光電信號。為了保持轉(zhuǎn)換器的線性度，-1N和+IN以及他們之間的壓差都限制在了許可范圍內(nèi)。為了減小噪音，還使用了低通濾波器和低帶寬的輸入信號。輸入信號源的阻抗和+IN/-1N輸入的阻抗實現(xiàn)了很好的搭配，確保了兩端輸入同步。從而避免了漂移偏差，增益偏差和線性偏差。
[0032]③數(shù)據(jù)接口
ADS8405有外接時鐘信號，因為其內(nèi)部有時鐘振蕩器來輸出時鐘并控制模數(shù)轉(zhuǎn)換節(jié)奏和數(shù)據(jù)的吞吐量。當(dāng)CONVST (40)引腳信號下降沿到來時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器會從采樣狀態(tài)切換到保持狀態(tài)。因為CONVST引腳直接連接到了微控制器FPGA的I/O 口，微控制器輸出的平穩(wěn)低抖動下降沿信號能夠使轉(zhuǎn)換器很好的工作，所以此引腳沒有外接電阻。ADS8405是以二進(jìn)制格式并行輸出數(shù)據(jù)的，當(dāng)CS (42)和RD (41)引腳都為低電平時，并行輸出可用。BYTE
(39)引腳用來設(shè)置輸出位數(shù)的，當(dāng)BYTE為低電平時為16位并行輸出，高電平時8位輸出。為了保證整個光電檢測模塊的高速性能，選擇了 16位輸出。
[0033]FPGA是一類高集成度的可編程邏輯器件，本探測器選擇了 Altera公司的cycloneIII系列芯片EP3C5E144C8。在通道板電路中，F(xiàn)PGA向通道板中的ARM處理器AT91RM9200發(fā)送地址和控制命令，ARM處理器控制數(shù)據(jù)采集、處理、轉(zhuǎn)換，暫時保存各像素數(shù)據(jù)，并向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)。FPGA將讀取到的高、低能信號數(shù)據(jù)打包傳送到計算機(jī)上。
[0034]根據(jù)不同規(guī)模，有12至24塊通道板需要和通訊板通訊，由于并行總線結(jié)構(gòu)清晰、容易實現(xiàn)、速度可以滿足系統(tǒng)要求，探測器采用了以ISA總線為原型的通訊總線，在其基礎(chǔ)上做一些簡化，以方便其實現(xiàn)。為了適應(yīng)探測器的需要，將標(biāo)準(zhǔn)ISA總線裁減為并行輸出數(shù)據(jù)總線16根，地址總線8根，控制總線2根，裁減后的總線使用IDC34牛頭插座連接，以增強(qiáng)可靠性。通過ISA總線，探測器實現(xiàn)了通道板和通訊板可靠穩(wěn)定的通訊。
[0035]本探測器的工作流程如下:開始工作時通道板初始化，F(xiàn)PGA向各個通道板的ARM處理器發(fā)送地址和控制命令，ARM處理器控制雙能光電二極管開始工作，接收到的雙能信號經(jīng)過降噪、放大、濾波、反向電壓等處理后傳給A/D轉(zhuǎn)換模塊，處理后存入存儲器同時給FPGA反饋，信號采集成功。當(dāng)FPGA接收到反饋信號后給ARM發(fā)出重復(fù)指令。當(dāng)信號接收32個，即光電傳感器總數(shù)時，F(xiàn)PGA將讀取到的高、低能數(shù)據(jù)打包并傳給PC進(jìn)行分析。
【權(quán)利要求】
1.一種用于X射線安檢裝置的雙能量線陣探測器，其特征在于:包括多個通道板和一個通訊板； 所述通道板設(shè)置有雙能光電二極管陣列、信號調(diào)理模塊、多路開關(guān)、AD轉(zhuǎn)換模塊和ARM處理器； 所述雙能光電二極管陣列包括高能光電二極管陣列和低能光電二極管陣列，高能光電二極管陣列和低能光電二極管陣列之間設(shè)置有銅濾波片； 高能光電二極管陣列包括多組高能閃爍晶體和第一光電二極管，高能閃爍晶體包有感光材料并與第一光電二極管通過光學(xué)耦合劑粘貼固定； 低能光電二極管陣列包括多組低能閃爍晶體和第二光電二極管，低能閃爍晶體與第二光電二極管通過光學(xué)耦合劑粘貼固定； 所述第一光電二極管的引腳、第二光電二極管的引腳分別與信號調(diào)理模塊的輸入端連接，信號調(diào)理模塊的輸出端與多路開關(guān)連接，多路開關(guān)還連接AD轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，AD轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接ARM處理器的輸入端，ARM處理器連接到通訊總線上； 所述通訊板設(shè)置有FPGA，F(xiàn)PGA通過通訊總線與ARM處理器相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于X射線安檢裝置的雙能量線陣探測器，其特征在于:所述第一光電二極管、第二光電二極管均采用硅光電二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于X射線安檢裝置的雙能量線陣探測器，其特征在于:所述高能閃爍晶體材料為摻鉈碘化銫晶體，厚度為3mm，其發(fā)射波長為565nm，低能閃爍晶體材料為硫氧化禮，厚度為0.3mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于X射線安檢裝置的雙能量線陣探測器，其特征在于:所述信號調(diào)理模塊包括放大濾波模塊和反向電壓器跟隨器，放大濾波模塊包括前置放大電路、濾波電路和主放大電路，前置放大電路的輸入端分別與第一半導(dǎo)體光電二極管的引腳、第二半導(dǎo)體光電二極管的引腳連接，前置放大電路的輸出端連接濾波電路的輸入端，濾波電路的輸出端連接主放大電路的輸入端，主放大電路的輸出端連接反向電壓跟隨器的輸入端，反向電壓跟隨器的輸出端連接多路開關(guān)。
【文檔編號】G01T1/202GK103995278SQ201410191758
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】孫麗娜, 譚俊, 原培新, 巴德純 申請人:東北大學(xué)