光子计数x射线探测器的特性
光子计数X射线探测器 ， 它较好表征每个光子的能量 。 使用这种探测器的x射线安全检查系统显示了很多好处 。 它降低了辐射剂量 ， 同时通过减少探测器噪声提供了增强的图像质量 。 它甚至利用能量信息提供了材料探测能力 。
由于其结构紧凑、增益高、响应快 ， 硅光子多路复用器(SiPMs)光子计数x射线探测器的一种具有竞争力的光传感器 。 为了达到较高的计数率性能 ， 闪烁体应该与SiPM一一耦合 。 同时对SiPM的输出信号进行并行读取和处理 。 因此 ， 开发高密度、低成本的读出电子器件是研制这种探测器的关键问题之一 。 在此之前 ， 我们提出了多电压阈值(MVT)方法来实现SiPM输出信号的数字化 。 不同于ADC在规定的时间间隔内进行电压采样 ， 它在预定义的电压间隔内进行时间采样 。 基于MVT方法的数字化仪可以通过多个电压比较器和时间数字转换器(TDCs)来实现 。 利用FPGA中的低压差分信号(LVDS) I/ o作为电压比较器 ， 我们在单个FPGA芯片上演示了32通道的4级FPGA专用MVT数字化仪 。 基于YSO/SiPM探测器和MVT数字化器件的光子计数x射线安检仪 。 探测器的像素大小为1.6mm 。 首先 ， 我们用11个探测器建立了一个x射线安全检查系统 。 测得探测器的计数率为1.3Mcps/pixel 。 通过该系统可获得符合ASTM F 792?01和ttbt15208.2?2006标准的国产试验模体图像 。 1.0毫米的在体模中观察到线对和0.2mm的导线 。
图1显示了研制的光子计数x射线探测器的照片 。 它由闪烁探测器组成图1所示 。
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光子计数x射线探测器使用YSO/SiPM和fpga专用MVT数字化仪单元和MVT数字化单元 。 采用适配板将闪烁检测器单元的信号连接到MVT数字化仪单元 。 由探测单元产生的脉冲被放大 ， 然后由MVT数字化仪单元进行基本数字化 。
图2所示 。 左:SiPM信号读出电路原理图 。 右:数字示波器测量的典型闪烁脉冲 。
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闪烁探测单元采用4个YSO/SiPM探测器块 ， 每个探测器块由一个16 1 YSO阵列和一个16 1 SiPM阵列组成 ， 采用1对1耦合 ， 共产生64个信号输出通道 。 每个块的像素间距为1.6mm 1.2mm ， 共提供1.2mm 25.6mm的检测区域 。 该SiPM是FC10035从Sensl和信号从它的标准输出连接读取 。 活动SiPM面积为1.0mm 1.0mm 。 偏置电压设为28.5V 。 读出电路和典型脉冲(能量为59keV)的原理图如图2所示 。
MVT数字化仪单元采用2块MVT数字化仪板 ， 每块板提供32通道4级MVT数字化仪 。 MVT方法的原理如图3左侧所示 。
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图3所示 。 左:MVT采样方法原理;右:fpga专用MVT数字化仪原理图 。
它通过采样脉冲超过预定电压阈值的时间来对脉冲进行数字化 。 目前 ， 我们将脉冲形状建模为双指数函数 。 得到的样本用双指数函数拟合重建数字脉冲 。 根据重构的脉冲提取时间和能量信息 。 利用多个电压比较器和时间数字转换器(TDCs) ， 可以方便地实现基于MVT方法的数字转换器 。 图3右列出了仅针对FPGA的MVT数字化仪的原理图 ， 它利用FPGA的低压差分信号(LVDS) I/ o作为电压比较器 ， 利用FPGA内部的延迟链实现TDCs 。
目前在脉冲分析模块中 ， 我们只根据每1mS产生的样品来计数和输出入射x射线光子的数量 。 未来我们将在FPGA上实现脉冲拟合和能量提取算法 ， 并输出x射线光子的能量信息 。
系统设置和初始成像
如图4所示 ， 我们使用11块探测器板搭建了x射线安全检查系统 。
【计数率|YSO/SiPM和fpga的MVT数字化仪的光子计数x射线探测器的使用】
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图4所示 。 采用光子计数探测器的x射线检测系统 。
计数率性能测量
我们用x射线管将探测器暴露 ， x射线管之间没有物体 ， x射线管的电压固定在120kvp 。 我们通过改变管的电流从0.2mA到2.0mA来测量探测器中像素的计数率 。 探测器和x射线管是800mm 。 我们将其中一个像素的计数率作为电流的函数来显示 。 曲线显示 ， 当x射线管的电流设置为0.5mA时 ， 我们的检测器的最大计数率为1.3Mcps/pixel 。
图5显示了根据ASTM F 792 01和ttbt15208.2 2006自制试验模体的图像 。 幻影位于x射线管和探测器 。 设置管的电流为0.5mA ， 电压为120kV p 。 扫描速度为5ms/行 。 如图所示 ， 在图像中可以看到1.0mm的线对和0.2mm的线 。
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图5所示 。 自制幻影的影像 。
我们采用光子计数x射线探测器使用SiPMs和fpga专用的MVT数字 ， 利用该探测器建立了全新的x射线安全检测系统 ， 系统空间分辨率优于1.0mm ， 线材分辨率优于0.2mm 。 艾崴科技对该系统的更多性能进行研究 ， 将在FPGA上实现能量提取算法 。
