阵列探测器测试和应用

阵列探测器测试和应用

3.1 阵列探测器性能测试

在应用阵列探测器之前先对其进行性能测试。为避免自然光对探测结果的干扰，我们在阵列探测器表面覆盖一层聚四氟乙烯带，如图3.1所示。

图3.1 探测与数据采集系统实物图

将探测器与DDC264数据采集模块连接，构成了探测与数据采集系统。由于工作时，整个探测采集系统要进行较大数据量的连续采集，同时由于在电路板上密集集成了上百个探测单元，相邻探测单元之间发生会发生干扰，并且随着一段时间内的工作状态以及环境的变化也会影响到射线探测采集的稳定性。由此，进行了一些测试。检查各设备工作状态，选取一物体作为样品，调节样品台使射线源、探测器和样品在同一水平线上。在有物体扫描的情况下，连续采集1000次性能表现良好。

图3.2 连续采集性能

本文搭建的CT系统采用一台最大出射能量为225keV的X射线机，出射射线具有一定能谱。为验证X射线在物质中的衰减规律，在阵列探测器中选定一个独立的探测单元，准备一些铁片来测铁对X射线的吸收，测量结果如下图。

图3.3 铁片对X射线的吸收曲线

单能X射线在物质中的衰减遵循比尔定律：

（1）

由（1）式可得

（2）

如上图所示P=-ln（I/I

），称为投影数据。单能X射线入射铁片投影数据P

o

与厚度x成线性关系，斜率μ就是物质对该射线的衰减系数。实际操作时，由于出射X射线并非单能，而具有一定的连续能谱分布，因此实验呈现出投影数据P 与厚度x变化非线性的结果，变化曲线的斜率越来越小，说明铁质对X射线的衰减系数越来越小，究其原因，这是X射线在透射过程中发生了硬化。具有连续能谱分布的X射线束入射铁片，低能光子容易被铁质吸收，高能光子相比则不容易，由此随着透射厚度的增加X射线束的平均能量逐步提高，铁质衰减系数减小，这就是X射线的硬化[11]。

射线硬化影响CT系统重建图像的质量，重建图像中出现环状伪影，导致均匀物质的截面图像灰度不一致。为了消除射线硬化造成的图像伪影，需要将探测单元获得的投影数据校正为等效投影数据。物质中某点对于射线的衰减系数不仅与射线能量有关，而且还取决于该点所在的位置。设定有一个与能量、位置无关的等效衰减系数，它对应的是X射线平均能量的衰减系数，在图3.3中过原点做响应曲线的切线，切线的斜率就是等效衰减系数[12]。所谓硬化校正，就是把与能量、位置有关的投影数据校正为与能量、位置无关的等效投影数据，针对独立的探测单元，即将响应曲线上的点校正为对应切线上的点，如图中箭头所示。

3.2 阵列探测器应用

阵列探测器作为工业CT的探测器系统只有应用于工业实践才有研究价值，本文利用现有的X射线机、控制机箱、制冷系统等设备搭建一台低能X射线工业CT系统，旨在验证面阵探测器的设计合理性和工作有效性。搭建的CT系统如图3.4所示：

图3.4 CT系统示意图（左）和实物图（右）

本文利用搭建好的CT系统进行了初步的调试和实验，对简单常用工件成功实现了X射线照相和断层成像。

图3.5 螺片工件拍照

图3.5给出了对一个铁质圆环工件的X射线照相图片，结果给出了物体的大致轮廓。但由于探测器阵列像素有限（10*10），并不能给出物体的细节信息。

图3.6 圆柱断层成像

如图3.6所示，本CT系统对于金属圆柱体的断层成像效果比较好，重建图像清晰呈现圆柱体的内部结构和边缘，均匀的灰度值说明了金属圆柱内部密度分布的一致性。但是在图像边缘附近还是出现了点状伪影，这是因为即便探测数据在处理过程中经过了初步校正，但并未完全消除噪声，还需要进一步优化。