CsI探測器余輝性能測試儀關鍵技術(shù)研究與實現(xiàn)

鄭海東，史運峰，霍梅春，李 昊

（公安部第一研究所，北京 100048）

0 引言

日益嚴峻的國際安全形勢、各個國家的政策推動和基礎設施的新建需求等因素，推動了安檢市場的發(fā)展。X 射線透射成像設備是傳統(tǒng)的安全檢查設備，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。但是，隨著企業(yè)技術(shù)的改良，系統(tǒng)研究的深入，安檢設備影像質(zhì)量普遍提高，對探測器的技術(shù)指標也提出了更高的要求。

1 閃爍晶體探測器簡介

閃爍晶體探測器是一種由閃爍晶體和光探測器 （一般是光電倍增管） 組成的用于探測α 、β 、γ 、X 射線及中子的裝置，如圖1 所示。它最基本的思想是依靠輻射粒子在某些物質(zhì)中引起的閃光效應來探測電離輻射。閃爍探測器的一大優(yōu)點在于它的粒子適用范圍很廣，同時，由于具備探測效率高、分辨時間短等優(yōu)點，閃爍探測器已成為當今應用最多的探測器之一。同時，大量的科研人員通過實驗證明，在低能X 射線領域，CsI（Tl）晶體在光電轉(zhuǎn)換效率、全能峰效率、價格優(yōu)勢[1,2]等諸多方面具有明顯優(yōu)勢。

我所針對CsI（Tl）探測器特性指標的檢測儀器的研究一直在進行。隨著研究的深入，我們認為： ①目前的CsI（Tl）晶體篩選、探測板的篩檢程式固定，檢測指標單一，只有好與壞的鑒別，探測器固有的特性不全面、不明確；②檢測停留在部件級階段，無法提供可資整機利用的基礎數(shù)據(jù)，不能有效支持整機系統(tǒng)深層次的研究；③不能充分利用現(xiàn)有探測器資源，不能有效提高圖像質(zhì)量；④設備沒有等級區(qū)分，不利于銷售價格的調(diào)整；⑤CsI（Tl）晶體的余輝效應是制約其使用的首要指標。

圖1 閃爍探測器模塊示意圖Fig.1 Diagram of scintillation detector module

余輝效應是指，如果熒光材料中包含一些微量雜質(zhì)，且這些雜質(zhì)的能級位于禁帶內(nèi)，相當于陷阱能級，從價帶被激發(fā)的電子進入導帶后，又會掉入這些陷阱能級。因為這些被陷阱能級所捕獲的激發(fā)電子必須首先脫離陷阱能級進入導帶后才能躍遷回到價帶，所以它們被射入光子激發(fā)后，需要延遲一段時間才會發(fā)光。CsI（Tl）探測器屬于短余輝，其延遲時間為0.01～0.1s，而高壓放電的時間遠大于余輝時間，故測試余輝時不能采用直接切斷電源的方法，測試難度較大。

因此，設計一臺能夠檢測主要CsI （Tl）探測器的余輝性能，并根據(jù)余輝性能對探測器進行分類分檔的檢測設備意義重大，其研究結(jié)果將為整機提供具有數(shù)據(jù)信息的經(jīng)過標識的系列探測板。

2 設計要求的確定

CsI 探測器余輝性能測試儀負責檢測主要CsI 探測器的余輝性能，同時能通過計算機軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，得到探測器晶體各像素的余輝和平均余輝,以及在要求時間內(nèi)余輝的變化曲線和變化趨勢。根據(jù)余輝效應的檢測方法[3]，對測試儀提出的主要指標包括：①快門關斷時間： ≦3ms；②可測余輝值的時間范圍： 5ms～500ms；③射線源高壓調(diào)節(jié)范圍： 140～160kV；④射線源束流調(diào)節(jié)范圍： 0.2～0.6mA。

3 關鍵性技術(shù)問題研究

以下關鍵性技術(shù)問題都是整機設計中必須考慮的重點，其中快門的設計是該項目的重難點。

3.1 電動缸選型計算

由于射線源的控制電路無法將射線源的關斷響應時間控制在3ms 以內(nèi)，所以設備采用機械快門的方式實現(xiàn)射線的關斷。具體實現(xiàn)方案為： 由電動缸負載鎢鎳鐵合金板在射線源與探測器直接進行直線往返運動，利用鎢鎳鐵合金對X 射線的遮擋作用實現(xiàn)關斷功能。

余輝測試儀的工作流程如圖2 所示。電動缸速度變化曲線如圖3 所示。

根據(jù)測試儀的主要指標、工作流程和射線源的參數(shù)，我們可以確定的參數(shù)是：

光縫距離： h=3.3mm。

快門關斷時間： t＜3ms。

最高速度： Vmax＞3.3/3=1.1 m/s。

圖2 余輝測試儀工作流程表Fig.2 Flow chart of afterglow tester

由此選定的符合技術(shù)參數(shù)的電動缸直線單元的型號為WM60。該直線單元的參數(shù)為：

最大速度Vmax=2.5m/s＞1.1m/s；最大加速度amax=20m/s2，工作加速度a=15m/s2；導 程p=50mm；最大行程5000mm。

由Vmax=1.5m/s，螺距P=50mm，得到所需最大電機轉(zhuǎn)速R=1500/50*60=1800rpm。

直線單元可搭配最高電機轉(zhuǎn)速3000rpm，對應的空載轉(zhuǎn)矩Midle=2.6N·m。故最終電動缸直線單元的具體型號為： WM60-000-MM-50-400-860-6KAO-2EN。

由此決定的電機選型計算過程如下： 擋板重量m=5kg，根據(jù)直線單元確定的參數(shù)是：

圖3 電動缸速度變化曲線Fig.3 Speed curve of electric cylinder

由此選定的電機型號為： AKM43E-ACCNR-00。

3.2 測試儀的射線屏蔽

輻射損傷是一定量的電離輻射作用于機體后，受照機體所引起的病理反應。由于X 射線職業(yè)人員平日長期接觸X 射線，如果較長時間接受超允許劑量的射線照射，不僅會引起全身性急慢性放射損傷，而且也會引起局部的皮膚損害。所以在設計過程中，射線屏蔽設計是必不可少的。測試儀屏蔽問題的難點在于暗盒組件的屏蔽設計，主要有以下幾方面的設計要求：

（1）暗盒受到X 射線的直接照射，需要嚴格防護。

（2）粘貼過厚的鉛板會增加暗盒重量，增加操作人員的負擔。

（3）暗盒與射線嘴之間有20mm 的間隙。

根據(jù)以上要求，首先暗盒整體粘接4mm 厚鉛板，而正對X 射線照射方向再粘接3mm 厚鉛板，寬度超過射線峰寬度的10 倍。

由于暗盒與射線嘴之間有20mm 的間隙，考慮到射線散射的問題，須設計專用的射線防護圈（如圖4 所示），并包裹3mm 厚的鉛板，同時借鑒以往射線防護工作的經(jīng)驗，采用迷宮式結(jié)構(gòu)，暗盒和射線防護圈相互搭接，形成如圖4 所示的迷宮結(jié)構(gòu)。

此方案不但可以滿足射線防護的要求，還減輕了暗盒的重量。此方案經(jīng)MCNP 軟件使用蒙特卡羅算法仿真計算證明[4-5]，測試儀的最大射線泄漏率小于0.2μGy/h，完 全滿足GB15208.1-2005 標準中的相關要求。

圖4 暗盒屏蔽設計方案Fig.4 Shielding solution of the cassette

3.3 余輝測試儀的電磁兼容

電磁兼容是指設備或系統(tǒng)在其磁場環(huán)境中正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。對測試儀而言，電磁兼容主要包括電磁輻射屏蔽和接地屏蔽兩方面的問題[6]。

電磁輻射屏蔽方面，由于電機驅(qū)動器是一個主要的騷擾源，故設計了專門的屏蔽罩，通過完整的屏蔽導體進行屏蔽，并保證了屏蔽體良好接地，屏蔽罩由薄鋼板SPCC-1.2 加工完成。在接地屏蔽方面，將探測箱、機架、臺面和門板等通過銅導線連接，統(tǒng)一進行接地，即可保證良好的屏蔽效果。最后，采用屏蔽電纜以減少外部電源的傳導騷擾，并將測試儀內(nèi)部的強弱電分開布置。

4 CsI 探測器余輝性能測試儀結(jié)構(gòu)設計

綜合上述關鍵性技術(shù)問題的分析結(jié)果，CsI 探測器余輝性能測試儀的關鍵尺寸和布置方案已固定，在此基礎上進行完整的結(jié)構(gòu)設計工作。設計過程中使用Pro/E 3.0軟件完成建模、裝配、工程圖轉(zhuǎn)化等工作，有效地提高了工作效率。

設計完成的余輝測試儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和完整外形結(jié)構(gòu)分別如圖5～圖7 所示。測試儀的長度由電動缸的尺寸決定，為1420mm，高度由源探距決定，為816mm。測試儀主體框架由方管焊接而成，門板由1.5mm 厚的薄鋼板加工完成。

圖5 余輝測試儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.5 Internal structure of afterglow tester

圖6 余輝測試儀外形結(jié)構(gòu)Fig.6 Outline structure of afterglow tester

圖7 余輝測試儀實物圖Fig.7 A pictures of afterglow tester

5 結(jié)論

事實上不同牌號、批次、廠家的CsI 晶體，在不同曝光條件下，其余輝值都是不一樣的。所以，余輝的測試作為放射技術(shù)質(zhì)控內(nèi)容之一，這對于提高圖像質(zhì)量，具有十分重要的意義。

CsI 探測器余輝性能測試儀的研制成功可以達到的目的有： ①掌握探測器更多的特性信息，并開創(chuàng)探測器利用的新局面，為圖像質(zhì)量更上一層樓打下一定的基礎，從而提高我所傳統(tǒng)安檢設備的市場競爭力；②根據(jù)使用的探測板，將設備進行分類，做到有的放矢，成本控制；③使得探測器板生產(chǎn)過程可控，分類存儲，提高正規(guī)化生產(chǎn)水平；④一臺設備使用同類探測器板，方便調(diào)試和維修。

余輝測試儀有效地提高了CsI 探測器的生產(chǎn)效率和測試效率，但仍有一定的提升空間，例如將整機尺寸縮小達到設備小型化的目的；檢測其余閃爍探測器的余輝性能，增加測試儀的檢測能力；提高設備的自動化水平，優(yōu)化測試流程等等。在下一步的工作中，需要利用現(xiàn)有的研究經(jīng)驗，有效提高余輝測試儀的實用性。

[1] 高富強，張小嬌，周日峰. 低能X 射線工業(yè)CT 探測器光電轉(zhuǎn)換效率的研究[J].核電子學與探測技術(shù)，2010，10.

[2] 李玉蘭，李元景.高能x 射線成像系統(tǒng)固體探測器模塊的設計[J].清華大學學報（自然科學版），2003.

[3] I.SAINT-GOBAIN Ceramic Plastics. CSI （Tl），CSI （Na），CSI（pure）Cesium Iodide Scintillation Material[Z].Saint-Gobain Crystals,2004.

[4] J. Chavanelle, A. Pousse, ct al. Scintillator Crystal Optimization by Monte Carlo Simulation for Photodiode Matrix Detector[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2001.

[5] Hsiao-Hua, Huan Lee.Monte Carlo Calculations of the Vacuum Compton Detector Sensitivities[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，36，6.

[6] 呂文紅，郭銀景，唐富華，等. 電磁兼容原理及應用教程[M]. 清華大學出版社，2008.