ДЕТЕКТОРЫ РЕНТГЕНОВСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

X-RAY IMAGE DETECTORS

Kirill Kononenko

Master student, Department of Industrial Electronics, Ryazan State Radio Engineering University,

Russia, Ryazan

АННОТАЦИЯ

В данной статье кратко изложены теоретические сведения о детекторах рентгеновских изображений.

ABSTRACT

This article summarizes the theoretical information about X-ray image detectors.

Ключевые слова: детектор рентгеновских изображений, фокон, оптоволоконная развязка, плоскопанельные детекторы, TFT, CCD, CMOS.

Keywords: X-ray image detector, focon, fiber-optic Plate, flat-panel detectors, TFT, CCD, CMOS.

Наиболее популярными детекторами рентгеновских изображений являются плоскопанельные детекторы. Промышленные плоскопанельные детекторы подразделяются на два вида: на основе TFT-технологии и на основе CMOS-технологии. Панели на основе TFT-матриц могут переносить высокоэнергетическое излучение более 300 кэВ. Такие матрицы могут достигать размеров до 43×43 см при этом размер пикселя составляет от 100 до 200 мкм. С помощью CMOS-технологии можно создать матрицу с меньшим пикселем и получить более высокое качество изображения, в сравнении с TFT-технологией. Самый маленький размер пикселя у CMOS-матриц — 50 мкм. Но у таких матриц есть особенности. Во первых такие матрицы быстрее деградируют от рентгеновского излучения, чем TFT-матрицы это проявляется в увеличении теневого тока. Во вторых у них есть ограничения по размеру. Так, самый большой CMOS детектор достигает размеров 29×23 см.

К минусам плоскопанельных детекторов можно отнести не целесообразности применения в таких областях как, биология, нанотомография тканей, исследование кристаллов, где необходимо изучение объектов с разрешением в десятки микрометров и меньше. К тому же, применение плоскопанельных детекторов просто бесполезно там, где исследуются объекты с размерами не более нескольких сантиметров.

Таким образом, имеются сферы применения рентгеновских методик, где целесообразны или часто даже необходимы небольшие детекторы на основе единичных сенсоров с оптоволоконной развязкой. Основой таких детекторов является CCD или CMOS матрица с размером диагонали больше одного видиконовского дюйма.

В таких детекторах часто для снижения отрицательного воздействия рентгеновского излучения на сенсор, производители применяют оптоволоконную развязку в виде пластины (Fiber Optic Plate, FOP). FOP представляет собой вакуумно-плотное соединение спеченных, параллельно уложенных многожильных оптических волокон в один блок. Конструкции детекторов, дополненные опторазвязкой, позволяют расширить более, чем в пять раз диапазон допустимых энергий. Такое техническое решение позволяет значительно ослабить интенсивность проходящего рентгеновского излучения и перенести изображение без потерь яркости и искажений. На рисунке 1 приведен пример реализации данного способа (камера компании XIMEA). [1]

Рисунок 1. Рентгеновская камера на основе CCD -матрицы с оптоволоконной развязкой

Использование детекторов на основе единичных сенсоров позволяет получать данные о микроструктуре объектов с разрешением в шесть раз большим, по сравнению с плоскопанельными детекторами.

Для улучшения характеристик получаемого изображения некоторые производители используют методы осаждения и выращивания слоя сцинтиллятора непосредственно на поверхности оптоволоконной пластины. (Рис. 2), что является сложной и дорогостоящей операцией. В качестве сцинтиллятора служит, как правило, йодистый цезий — CsI, либо оксисульфид гадолиния – Gd2O2S. [2]

Рисунок 2. Выращивание сцинтиллятора на оптоволоконной пластине

Рассмотренные детекторы практически не имеют недостатков, кроме высокой стоимости. Подчеркнем, что такая стоимость обусловлена сложностью существующих технологий производства крупных сенсоров с малым размером пиксела. Именно поэтому компания XIMEA оказывается единственной в мире серийно выпускающей подобные устройства.

В настоящее время всё большее распространение получают детекторы на основе недорогих малоформатных ПЗС сенсоров с входными оптоволоконными элементами, предназначенными для масштабирования и переноса изображений.

Фоконы в отличие от плоских оптоволоконных плит (FOP) обеспечивают масштабирование изображения при переносе с одного торца элемента на другой, благодаря плавному уменьшению площади поперечного сечения тела фокона.

Рисунок 3. Перенос изображения с помощью оптоволоконного элемента типа фокон: а) – принцип работы, б) – результат преобразования

Анализ коммерческих разработок в рассматриваемой области позволяет выделить ряд фирм, активно использующих оптическую развязку на основе фокона: ProxiVision (Германия), Princeton Instruments (США), Photonic Science (Великобритания).

Основные отличия выпускаемых компаниями детекторов – размер активной области (зависит от коэффициента масштабирования фокона) и размер используемого сенсора.

Список литературы:

1. XIMEA Рентгеновская камера на основе ПЗС-матрицы OnSemi KAI-11002. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ximea.com/en/products/x-ray-cameras-based-on-ccd-xiray/xray-camera-based-on-ccd-sensor-onsemi-kai-11002 (дата обращения: 18.05.2022)
2. X-ray scintillator. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.hamamatsu.com/content/dam/hamamatsu-photonics/sites/documents/99_SALES_LIBRARY/etd/FOS_ACS_GPXS_ALS_TXPR1024E.pdf (дата обращения: 18.05.2022)