工业CT技术是工业计算机断层扫描技术的缩写,它是Randon J在1917年提出的,直到1970年代才用于无损检测。随着计算机科学的发展和探测器技术的飞速发展,近年来工业CT取得了显着进步,已广泛用于航空航天,核能,军事以及无损制图和分层设计与制造领域。工业CT是一种实用的无损检测方法,它从满足一般工业应用的低能耗工业CT发展到了满足大型和复杂结构零件测试要求的高能量领域。

辐射检测服务器作为工业CT的基础。当准直的能量束I0穿过物体时,每个体积元素在每个透射方向上的衰减系数μi不同。结果,检测器接收的发射能量I也不同。根据一定的图像重建算法,可以得到被检工件截面的较薄部分,没有图像重叠(图1),通过重复上述过程可以获得新的断层图像。当测量足够的二维断层图像时,可以重建三维图像。

实际上,工业CT是一种射线检测技术。与传统的射线探测技术相比,工业CT的主要优点如下:(1)工业CT的图像目标不受周围细节的阻挡。可以直接获取目标的特征,例如空间位置,形状和大小信息。(2)工业CT具有出色的密度分辨率能力,高质量CT图像的密度分辨率可以达到0.1%甚至更高。(3)工业CT图像是数字化的结果,便于存储,传输,分析和处理。

在工业CT中,X射线源通常用于X射线机和线性加速器中。通常使用三种检测器:高分辨率CMOS半导体芯片,平板检测器和闪烁检测器。平板探测器通常由非晶硅或非晶硒制成,覆盖有数百微米的闪烁晶体(例如CsI),像素大小约为127微米,图像质量接近胶片。闪烁检测器的优点是检测效率高,尤其是在高能量条件下,它可以达到16~20位的动态范围,读取速度约为微秒。

检测器是工业CT系统的核心部件之一,它对重建图像的质量影响很大。在检测器的设计中应考虑以下性能指标:检测效率,线性,动态范围,均匀一致性,稳定性,大小,响应速度,通道数等。

从探测器结构图(图2)可以清楚地看到工业CT探测器的信号转换过程。首先,射线信号进入闪烁体,在闪烁体中产生可见光。光电二极管将可见光转换为电流信号。然后,i-v转换电路将电流信号转换成电压信号。最后,由AD转换装置将其转换为数字信号,并传输至数据传输系统

从闪烁探测器的结构描述中可以看出,其工作原理如下:当射线进入闪烁器时,在某个点产生二次电子,该二次电子使闪烁器的分子或原子电离并激发。在去激励中发出大量光子。由于闪烁体周围的反射层的作用,大部分荧光通过光耦合剂或光导到达光电二极管的光敏表面。光电二极管将光信号转换为电流信号,然后通过后续电路将其转换和放大,以输出可以测量的电压信号。综上所述,闪烁探测器的工作过程可以分为以下几个阶段:

(1)射线进入闪烁体并与其相互作用。闪烁体吸收部分射线能量以激发和离子化分子,因此存在能量沉积速率。

(2)当发生激发分子去激发时,部分能量用于荧光;能量的另一部分转换为热运动,从而加热了闪烁体,因此闪烁体具有绝对的闪烁效率。

(3)使用反射材料在光电二极管的光敏表面上收集尽可能多的荧光。在此过程中,一些光子将被闪烁器吸收或逸出,因此将存在光收集效率的问题。

(4)荧光进入光电二极管的p结后,电子空穴对被激发。在内部电位场或外部偏置电压的作用下,电子和空穴分别移动到两极,形成光电流,光电流与光强成正比。

理想的闪烁体晶体应具有以下特征:

  • 它应该具有很高的发光效率,以将辐射能量转换为可检测的光信号。
  • 从射线到荧光的转换过程是线性的,也就是说,产生的光子数应尽可能与闪烁体沉积的能量成比例。
  • 必须具有良好的光收集效率,并且闪烁体应该对它发出的光透明。
  • 闪烁体应具有良好的光学性能,并应满足实际探测器所需的尺寸。

(5)闪烁体材料的折射率应与硅相似,以便荧光可以有效地耦合到光电二极管阵列的光敏表面。

实际上,所有现有的闪烁体材料不能同时满足所有上述特性。因此,应根据实际应用要求选择最合适的闪烁体材料。目前,CsI(T1),BGO和CdWO4是工业CT中使用最广泛的无机闪烁体,其闪烁性能如表1所示。下面分别介绍这些闪烁体。

CsI(Tl),BGO,CdWO4的闪烁特性

属性CsI(Tl)BGOCdWO4
发光量(照片/ MeV)52000850013000
峰值波长(nm)550480515
密度g / cm34.57.137.9
辐射长度(厘米)1.861.121
熔点(℃)62110501123
折射率(峰值波长)1.782.252.15
衰减时间(ns)100030020000
发光系数(%/℃)0.32-1.60.1

应用于工业CT的闪烁晶体


CsI

CsI-Crystal 闪烁晶体-南京光宝光电科技有限公司-CRYLINK

波长(最大发射)(nm)410
衰减时间(ns)40
发光量(光子/ keV)25
相对于Nal(Tl)的光输出(%)75
折光率1.82@410nm

随着核技术和高能物理的发展,无机闪烁晶体的应用领域不断拓宽,对无机闪烁晶体提出了越来越高的要求。早在1980年代,人们就注意到CsI(Tl)晶体的优点:发射光谱可以与硅光电二极管匹配,光发射率高,辐照长度比NaI(Tl)晶体短,并且机械性能好。一种出色且实用的闪烁晶体材料。近年来,该晶体因其改善的抗辐射能力而受到青睐。

CsI(Tl)闪烁体的发光量达到52,000光子/ MeV,发射光谱的峰值波长为550nm,与硅光电二极管的响应光谱相匹配。它的衰减时间由快速分量0.6us和慢速分量3.5us组成。此外,CsI(Tl)闪烁体具有很高的机械强度,很强的抗冲击性和抗振性以及很强的可塑性,使其易于加工成薄片。与NaI(T1)闪烁体相比,CsI(Tl)闪烁体具有比NaI(Tl)更好的性能,但其发光效率低于NaI(Tl):不易溶解,具有大的射线吸收系数,并且音量可以相对较小。发光峰值波长为565nm,与硅光电二极管匹配良好。因此,CsI(Tl)闪烁体通常用于低能工业CT。

图解说明了离散闪烁相机的模块。该原型具有一个3×4像素阵列,每个像素由一个3×3〜5 mm3 CsI(TI)晶体与一个3×3 mm2 PIN光电二极管耦合组成。读出电路由两个3×3 mm2的IC组成。可以从单个模块的阵列中构造出具有有用成像尺寸的相机。

参考文献
[1] Csl(Tl)-Calorimeter Calibration with Positive-Kaon Decay Products
[2] Study of the growth atmosphere effect on optical and scintillation characteristics of large CsI(TI) crystals
[3] A Discrete scintillation Camera Module Using Silicon Photodiode Readout of CsI(T1) Crystals for Breast Cancer Imaging
[4] Light response and particle identification with large CsI(T1) crystals coupled to photodiodes
[5] New Limits on Interactions between Weakly Interacting Massive Particles and Nucleons Obtained with CsI(Tl) Crystal Detectors
[6] Limits on Interactions between Weakly Interacting Massive Particles and Nucleons Obtained with CsI(Tl) Crystal Detectors


BGO

BGO 闪烁晶体-南京光宝光电科技有限公司-CRYLINK

波长(最大发射)(nm)480
衰减时间(ns)300
发光量(光子/ keV)8~10
折光率2.15
能量分辨率(%)12

闪烁体能有效地将高能粒子和辐射转换为可见光谱区域内或周围波长的光,广泛应用于核医学成像、工业CT和高能物理等领域。锗酸铋(Bi4Ge3O12或BGO)是1975年发展起来的一种性能优良的闪烁体,由于其在可见波段的短衰减时间、光照、辐射发光和高功率激光下的双光子吸收等令人感兴趣的发光特性而得到了广泛的研究。。它最大的优点是原子序数和密度高(7.138/cm3),因此对低能和高能射线都有较大的吸收系数,探测效率高。其发射光谱范围为350nm-650nm,峰值波长约为480nm。此外,它还具有透明性好、发光衰减时间短、不易熟化等优点。但其缺点是发光效率低,仅为高能工业CT中常用的NaI(Tl)发光效率的14%。

图示了一种由三个或三个以上的光学隔离BGO晶体组成的探测器,该晶体连接在一个10 mm的方形光电倍增管上,该光电倍增管为该组提供一个快速定时脉冲。每个晶体还单独耦合到位置敏感光电二极管,该光电二极管识别阻止湮灭光子的晶体并确定相互作用的深度。

三种或三种以上光学隔离BGO晶体探测器的结构图

参考文献
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[2] INITIAL CHARACTERIZATION OF A POSITION-SENSITIVE PHOTODIODEBGO DETECTOR FOR PET
[3] Calibration and irradiation study of the BGO background monitor for the BEAST II experiment
[4]High Light Response Uniformity in Industrial Growth of 600-mm-Long BGO Crystals for DArk Matter Particle Explorer
[5] Study of the gamma spectrum of 16N with a BGO detector, for the purpose of calibration and of determining the fluorine grade of mineral samples
[6] Radiation tolerance studies on the VA32 ASIC for DAMPE BGO calorimeter
[7] Readout system for groundbased tests of BGO calorimeter of DAMPE satellite
[8] Nonlinear Absorption Response Correlated to Embedded Ag Nanoparticles in BGO Single Crystal From Two-Photon to ThreePhoton Absorption
[9] Simulation study of BGO array for characteristic gamma rays from neutronstimulated elements
[10] A system for low-level the cosmogenic 22Na radionuclide measurement by gamma–gamma coincidence method using BGO 


CdWO4

CdWO4 闪烁晶体-南京光宝光电科技有限公司-CRYLINK

波长(最大发射)(nm)490
衰减时间(ns)14000
发光量(光子/ keV)12~15
相对于Nal(Tl)的光输出(%)50
折光率2.2-2.3

钨酸铬闪烁体(CdWO4)具有不潮变,密度高,X射线吸收系数大,辐射长度短,抗辐射损伤的优点。另外,CdWO4闪烁体的发射光谱在400nm-600nm范围内,发射峰波长约为515nm,可以很好地匹配光电二极管的敏感波长。CdWO4闪烁体具有出色的闪烁性能,是钨酸盐系列中最好的。由于这些优点,CdWO4闪烁体非常适合于高能工业CT检测器,而CdWO4晶体可使检测器非常致密,从而提高了CT系统的空间分辨率。CdWO4晶体具有出色的闪烁和光学特性,使其广泛用于高能工业CT探测器。

随着大型零部件的可靠性和安全性要求的不断提高,监视零部件的装配质量变化已成为确保安全性的关键技术。解决上述问题必须依靠工业CT,特别是高能工业C T端可以很好地实现。因此,使用工业CT技术,尤其是高能工业CT技术,有望解决以下技术问题:(1)精密测试特殊部件的焊接质量。(2)监视大型零件的装配质量(例如零件姿态,装配间隙和位置变化)以及内部结构的精密检查。(3)其他材料和组件的结构仿真和工业CT检查。

参考文献
[1] Size effects on the properties of high z scintillator materials
[2] Low thermal gradient Czochralski growth of large CdWO4 crystals and electronic properties of (010) cleaved surface
[3] Growth Defect W3+-W2+ of CdWO4 Crystals
[4] Preparation, structural and optical properties of ZnWO4 and CdWO4 nanofilms
[5] Multi-mode photocatalytic performances of CdS QDs modified CdIn2S4CdWO4 nanocomposites with high electron transfer ability
[6] Photoluminescence Studies and Core–Shell Model Approach for Rare Earthdoped CdWO4 Nano Phosphor
[7] Systematic Control of Monoclinic CdWO4 Nanophase for Optimum Photocatalytic Activity

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