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1、基于光子计数型探测器的数字成像摘要X射线探测器电子设备（灵敏度和速度）的进步可以在矩阵型探测器上进行实时快速的单光子探测。在每个探测器像素的电子线路中实现了光子计数和能量分辨。XCounter公司研制了基于碲化镉的单晶探测器，单晶可以平铺到更大的区域并具有100微米的像素尺寸。在2014年开始可以使用的最大面积是50x75平方毫米。这些探测器具有非常有前途的特性，这使得它们非常适合于NDT方面的应用：1、750微米厚的碲化镉衰减层允许有效的X射线检测高达300 KeV。在计数模式下仅光子噪声是很重要的;没有其他探测器噪声源需要考虑。除了放射线没有其他抵消的信号。2、每个探测器的像素具有两个能量
2、阈值。这个特性可用于双能量成像以鉴别物质。通过能量阈值抑制散射线将提高图像对比灵敏度。第一个实验将证明这种新的探测器技术优于常规的电荷积分型探测器。参数改变时探测器的校准过程是面临的一个挑战，在较长的曝光时间中显得尤其重要。关键词：材料表征 射线检测（RT） 数字探测器阵列 光子计数 图像质量 定标 双能量 能量鉴别1、引言光子计数型探测器提供X射线成像的一些独特功能。如果设计得当，光子计数探测器没有读出噪声，无暗计数。在变化的环境温度中要求最少的定标对高的探测效率和探测器稳定的性能来说这个特性是重要的。此外，合并每个光子事件脉冲高度鉴别是有可能的，从而使图像的记录从多能量时间间隔在单次曝光中
3、实现成为可能。这里提出的工作是基于XCounter 公司用PDT25-DE和XC-T7550探测器所做的第一个测试。这些检测器是基于早前MGC700平台的升级版1，它现在采用更小的像素（100微米），双能量阈值和更快的计数能力2。2、探测原理和探测器的构造 探测器PDT25-DE由两个XCounter公司 XC225的ASIC泵接合到使用欧姆接触（2525平方毫米的探测区域）的两固态的CdTe晶体，而XC-T7550探测器由2x6个相同的模块平铺起来形成50x75平方毫米这样一个较大的探测区域。该PDT25-DE采用USB2接口用于控制和图像传输，这限制了最大的帧速率，10帧/秒。在XC-T7
4、550探测器中实现了G字节的以太网络接口，它允许帧速变化从300帧/秒下降到2帧/秒。图1提供了大的平铺探测区域的重建原则。探测晶体粘合到下面的ASIC用于像素读出。该ASIC XC225具有100微米的像素大小，每个像素实现了两个计数器每次12位的数据读写，计数传递可调两个门限的光子（第一个为光子计数事件对噪声的鉴别，第二个为低能量计数对高能量计数）。图1显示了光子计数探测器在医学领域和无损检测领域中的应用情况（左侧 组装模块平铺成探测区域的构造原理，右侧 - 使用2块XCounter公司搭建的PDT-25探测器图像。各种其他制造商也存在）图2 XC-T7550探测器的75x50平方毫米的探
5、测区域（用CFRP，黑色覆盖）在图2中，由Densimet公司制成没有辐射屏蔽壳的一个具有75x50平方毫米探测器区域的大探测器版本XC-T75550。而且，探测器集成电路的温度稳定由珀耳帖元件进行冷却，在图中这个元件并没有显示。3、结果与讨论3.1 双能量门限以降低散射线的探测光子计数原理的一个主要优点是能量阈值可以调节。仅具有最小阈值到达探测器的光子将被计数。首次对能量阈值的使用进行研究以减少射线散射对图像的影响。在图3中显示了一个钢铁阶梯型楔块和两个图像（低能量的高达80千电子伏和高能量图像的能量高于80千电子伏）以及整个阶梯轮廓。图3: 使用光子计数探测器能量阈值减少散射线。在左侧的低
6、能量图像以及在中间的高能量图像如图所示。右侧显示了贯穿这些图像的轮廓。与低能量图像的轮廓相比，高能量图像轮廓显示几乎没有散射伪影。图3中的轮廓清楚地表明，高能量图像受到散射线的影响较小。由于非弹性康普顿散射效应，散射的光子具有较低能量与入射光子相比。在一个具有均匀阶梯厚度的阶梯楔块中产生的散射线在每个阶梯上产生了轮廓，然而在恒定厚度的阶梯上从衰减层上产生的信号希望是恒定的。在轮廓上的任何变化，像沿着具有恒定厚度的阶梯增加的信号或者是由于散射线的影响在阶梯边缘出现过渡层。3.2 高厚度钢图像质量的测量用双板组合模拟具有35毫米壁厚的钢管研究这种新的探测器的应用范围以及源到探测器的距离为405毫米
7、。在图4a的示意图和图4b示出了这种设置的照片。用于该移动管检测的X射线管的选择参数为最大，270千伏和1.11毫安。用以下的像质计（见图5）测定图像的质量：1、 根据ISO19232-5用双丝型像质计测定总图象清晰度和基本空间分辨率。2、 根据ISO19232-1用单丝型像质计测定对比灵敏度。图 6显示了所获取的图像在270千伏，1.11毫安和1600s的曝光时间下获得的。双丝型D10（参照图7a）和单丝型W11被探测到。D10和W10是根据ISO 17636-2所需的像质计丝数，B等级和35毫米标称壁厚，70毫米渗透厚度，双臂单影成像技术以及IQI接近探测器。ISO 17636-2，表B.
8、11 和B.14的要求由单丝型像质计足以实现。这里无需任何的补偿原理。在基体中规定的信噪比是90（图7），对于B等级和宽度大于50毫米的材料ISO 17636-2规定的至少是70。因此这显然满足要求。3.3大厚度钢标准信噪比的测量当一个探测器对传入的光子进行计数时，则灰度值在所得图像中仅通过每个像素探测到的光子数目给出。 X射线光子流由泊松分布来描述，即标准差只是光子数的平方根和该像素的灰度值。随着曝光量的增加，光子的数目和信噪比也在增加。由于探测器的制造公差，每个像素具有一个稍有不同的反应，这需要探测器的校准以均衡像素的变化。这个校准步骤是通过使用一个具有均匀探测器曝光量的均匀区域图像完成的
9、。在3中我们开发了一个校准过程的模型，信噪比是由结构噪声制约的。光子计数探测器有灰度值效率EFF= 1（如3），所以信噪比模型在3中简化为：图8测得的归一化（通过SRB=0.1毫米）信噪比是在给定70毫米100毫米的厚度和不同的曝光时间下测得的。理想信噪比的线从灰度值的平方根计算得到的，这可能是光子计数探测器最大的信噪比。“信噪比适合”这行才是真正的得到的信噪比的曲线，在这两种情况下，使用最大的信噪比为150。这最大的信噪比是由校准图像确定的。对70毫米理想信噪比图线的偏差比厚度为100毫米的偏差大，这是因为70毫米的图像灰度值比厚度为100毫米的大。对于100毫米穿透厚度1200帧累积灰度值
10、是780，即单帧图像中的平均计数数（和灰度值）仅为0或1个灰度值每帧。即使这些最低可能的灰度值类似于在图6中检测到的。3.4依赖于探测器表面和入射的X射线之间角度的基本空间分辨率的测量这种探测器的应用目标是在检查过程中管子区域完整体积的三维重建，。详情请参见4，5。这是通过移动X射线管从探测器的一端移动到另一端。这导致在图4a中倾斜角度所从-45变化到+45。表1显示了这些测量结果。随着AOI的降低SRB开始在72和18之间减少。 根据标准EN ISO17636-2 的B级和渗透厚度为12 - 40毫米的SRB要求，这意味着双丝型D10可以被识别。测量结果表明B等级的图像仍然可以实现在AOI向
11、下降低到近72时。根据标准EN ISO17636-2用于A等级和壁厚为25- 55毫米的要求所需的SRB为0.2mm，这意味着双丝型D7可以被被识别。在表1中总结的测量表明，即使AOI在出现的最低为45时的SRB仍高于A等级的要求，因此这是可以接受的。在最小的AOI为18度时最大SRB为0.25毫米，这是不能在装置中机械地实现的。尽管在AOI= 45时不同的渗透厚度（测量5和6）需要确定的双丝型像质计的丝号保持不变。只有所识别单丝型像质计从W11减小至W8，这是为了在相同的曝光时间高穿透材料厚度时降低对比灵敏度。大角度好的SRB可通过装置的的几何结构进行说明。碲化镉探测层（0.75 mm）的厚
12、度应显著增加SRB的测量值。这是通过在45度AOI向下0.071毫米（1/2的平方根）减少像素尺寸来补偿，由于探测器与物体的表面平行并且双丝型像质计与射束垂直，这是ISO19232-5标准规定的。希望的SRB是0.27毫米。在探测器中新安装的防巧合功能显著提高了图像的空间分辨率。当一个像素探测到一个信号，电路寻找它周围8个相邻像素以及把这些像素中电荷相加。如果像素具有大于其邻近像素的信号这个像素的计数+1以及防止邻近的像素各自递增。4、结论对于所提出的测量，得出以下推导的结论：所研究的光子计数探测器能够实现管道双臂单影B级的检查以及在270千伏下最大壁厚为35mm的钢。图像的信噪比由影像中的噪
13、声限制，噪声用于探测器的校准以及探测器的光子计数。内置的双能量阈值被成功地用于获取的图像中减少散射线。阶梯楔块的曝光中轮廓的测量证明了这一点。每个像素尺寸证明了这种直接转换探测器的基本空间分辨率。在倾斜角度为45度时基本的空间分辨率减少到0.2毫米。此惊人的结果（探测层的厚度为0.75毫米，所以在45度时实现了SRB为0.27毫米！）通过电荷共享校正实现（反巧合功能），它是内置在ASIC中的减少邻近像素之间电荷的扩散。这也补偿了倾斜X射线照射时的检测。致谢这里介绍的工作已收到来自欧盟第七技术开发和示范框架计划的资助以及在“TomoWELD”的合作项目下FP7-SME2012计划协议编号3152
14、13（核能发电和石化行业中定量X线断层扫描技术检查焊接奥氏体关键管道）。参考资料1 K. Spartiotis，ALeppnen等。 “光子计数型碲化镉伽马和X射线相机”在物理研究中的核仪器与方法A550（2005）267-277。2 C. Ullberg，M. Urech，N.韦伯A. Engman，A. Redz，F.亨克尔“积分电荷矫正双能量快速光子计数碲化镉探测器的测量“，论文集的SPIE卷8668，86680P（2013）3 U.Ewert，U. Zscherpel，K. Heyne，M. Jechow，K. Bavendiek，“工业射线中的数字图像质量“，材料评估，2012年8月，961-9704 TomoWELD项目站点http:/site www.tomoweld.eu5 U.尤尔特，B. Redmer，C. RADEL，U. Schnars，R.亨里奇，K. Bavendiek和M.雅恩：移动计算机断层扫描在核能和航空航天工业中大型静止部件的检测，材料交易532（2012年），第308-310页。