高分辨率X射線探測器讀出電子學(xué)系統(tǒng)的研制及性能測試

張紅凱，馮召東，李曉輝，杜秋宇，魏書軍，劉雙全，秦秀波，魏存峰，魏 龍

（1．中國科學(xué)院高能物理研究所核輻射與核能技術(shù)重點實驗室，北京 100049；

2．北京市射線成像技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100049；

3．中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4．核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室，北京 100049）

高分辨率X射線探測器讀出電子學(xué)系統(tǒng)的研制及性能測試

張紅凱1，2，3，馮召東1，2，3，李曉輝1，2，杜秋宇3，4，魏書軍1，2，劉雙全1，2，秦秀波1，2，魏存峰1，2，魏 龍1，2

（1．中國科學(xué)院高能物理研究所核輻射與核能技術(shù)重點實驗室，北京 100049；

2．北京市射線成像技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100049；

3．中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4．核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室，北京 100049）

本文針對光錐耦合X射線探測器低噪聲的設(shè)計要求，研制了一套讀出電子學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括模擬驅(qū)動電路、前端處理電路及基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的數(shù)字信號處理電路。利用X射線成像平臺，對研發(fā)的探測器進行了性能測試。探測器系統(tǒng)絕對增益為0．168 6DN／e－，線性工作范圍為0～154μGy。制冷溫度為－20℃時，暗電流噪聲為0．037e－／（pixel·s），讀出噪聲為10．9e－。探測器的本征空間分辨率達16lp／mm。測試結(jié)果表明，研制的讀出電子學(xué)系統(tǒng)能滿足高分辨率X射線探測器對低噪聲特性的需求。

X射線探測器；讀出電子學(xué)；現(xiàn)場可編程門陣列

X射線成像技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)無損檢測、勘探、考古、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。X射線探測器作為X射線成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其分辨率直接決定了X射線成像系統(tǒng)是否能應(yīng)用于小角度X射線散射實驗和天文觀測等對成像質(zhì)量要求較高的科學(xué)研究［1－2］。因此，研制高分辨率的X射線探測器，對X射線成像技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要意義。

電荷耦合器件（CCD）具有像素尺寸小、噪聲低、動態(tài)范圍大、量子效率高等特點，滿足高分辨率X射線探測器對光電探測器件的要求［3］。利用光錐進行光學(xué)耦合CCD，一方面可增大有效探測面積，另一方面可延長CCD芯片的使用壽命，因此光錐耦合X射線探測器是高分辨率X射線探測器的重要發(fā)展方向［4］。高分辨率X射線探測器不僅需要性能良好的光電探測器件，也需要低噪聲的讀出電子學(xué)系統(tǒng)。本文介紹光錐耦合X射線探測器讀出電子學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計，并對由該讀出電子學(xué)系統(tǒng)組成的X射線探測器進行性能測試。

1 光錐耦合X射線探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

X射線探測器由光錐耦合閃爍屏、光電探測器件及讀出電子學(xué)系統(tǒng)等組成。光電探測器件采用Truesense公司的全幀型面陣CCD芯片KAF－16803，加設(shè)半導(dǎo)體制冷器有利于降低CCD芯片的熱噪聲影響。光錐耦合閃爍屏與CCD組成X射線傳感器，將X射線轉(zhuǎn)化為電信號，電信號通過讀出電子學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為計算機可顯示的數(shù)字信號。

考慮到密封和制冷效率，將讀出電子學(xué)系統(tǒng)分別集成在兩塊印制電路板（PCB）上。其中模擬PCB與CCD連接后封裝于防水、密封和避光的機械探頭中；數(shù)字PCB的平面與探頭軸線平行，以減少探測器體積，兩個PCB通過柔性PCB傳輸線連接。另外，將模擬電路和數(shù)字電路分開設(shè)計，可減少數(shù)字信號與模擬信號間的相互干擾，從而降低讀出電子系統(tǒng)的電子學(xué)噪聲。

圖1 讀出電子學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig．1 Structure diagram of read－out electronics system

2 讀出電子學(xué)系統(tǒng)硬件設(shè)計

X射線探測器讀出電子學(xué)系統(tǒng)硬件由模擬驅(qū)動電路、前端處理電路、基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的數(shù)字信號處理電路組成，如圖1所示。FPGA邏輯產(chǎn)生的時序信號，通過模擬驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換為CCD所需的驅(qū)動脈沖和控制脈沖；在驅(qū)動脈沖和控制脈沖的作用下，CCD將收集到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并通過水平移位寄存器逐行轉(zhuǎn)移出去；轉(zhuǎn)移出來的模擬信號經(jīng)ADC芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)FPGA進一步處理后，通過千兆以太網(wǎng)傳輸至后端的計算機。

模擬驅(qū)動電路設(shè)計主要包括兩部分：直流偏置電壓設(shè)計和時序驅(qū)動設(shè)計［5］。直流偏置電壓主要由DC－DC芯片提供，為保證CCD正常工作，直流偏置電壓必須控制在CCD的額定電壓范圍內(nèi)。時序信號由FPGA邏輯產(chǎn)生，但其驅(qū)動能力不足以滿足該CCD對時序信號電平的需求。因此，時序驅(qū)動設(shè)計采用專用CCD驅(qū)動芯片，將FPGA邏輯產(chǎn)生的時序信號轉(zhuǎn)換為該CCD所需的驅(qū)動脈沖和控制脈沖。

前端處理電路的任務(wù)是從CCD輸出的模擬信號中提取有用信號，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號。為有效提取有用信號而去除各種干擾和噪聲信號，目前廣泛采用的是相關(guān)雙采樣技術(shù)［6］。本文采用ADI公司的AD9826，它是一款面向面陣CCD的前端處理芯片，具有三路相同的相關(guān)雙采樣電路、可編程增益放大器、1個模擬切換器以及1個16位的AD轉(zhuǎn)換器。

數(shù)字信號處理電路包括主控芯片F(xiàn)PGA和千兆以太網(wǎng)傳輸電路。FPGA主要用于產(chǎn)生CCD所需的時序信號，并對經(jīng)AD9826轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號做進一步處理。千兆以太網(wǎng)傳輸電路由FPGA內(nèi)部的MAC硬核和專用PHY芯片聯(lián)合實現(xiàn)，并通過RG45網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)字信號傳輸至計算機。

X射線探測器讀出電子學(xué)系統(tǒng)的時序驅(qū)動設(shè)計集成在模擬PCB上，直流偏置電壓設(shè)計、前端處理電路和數(shù)字信號處理電路設(shè)計集成在數(shù)字PCB上，模擬PCB通過柔性PCB與數(shù)字PCB進行數(shù)據(jù)傳輸。

3 FPGA固件邏輯設(shè)計

FPGA固件邏輯主要包括CCD時序邏輯、SPI接口邏輯、千兆以太網(wǎng)絡(luò)接口邏輯。CCD時序邏輯模塊主要用于產(chǎn)生時序信號，并提供有嚴格相位限制的雙采樣時鐘和模擬轉(zhuǎn)換時鐘，保證相關(guān)雙采樣技術(shù)的實現(xiàn)。SPI接口邏輯模塊主要實現(xiàn)AD9826的模式配置。千兆以太網(wǎng)接口邏輯模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

FPGA固件邏輯的設(shè)計如圖2所示。上電后，F(xiàn)PGA通過千兆以太網(wǎng)接口接收來自上位機的配置命令，首先將并行配置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，然后通過SPI總線接口對AD9826進行配置，使之工作在單端口相關(guān)雙采樣模式。配置成功后，若上位機發(fā)出拍攝控制命令，CCD時序邏輯會產(chǎn)生時序信號，該信號通過模擬驅(qū)動電路，會轉(zhuǎn)換為CCD所需的驅(qū)動脈沖和控制脈沖，同時，CCD時序邏輯會提供有嚴格相位限制的雙采樣時鐘和模擬轉(zhuǎn)換時鐘，保證AD9826相關(guān)雙采樣技術(shù)的實現(xiàn)，將CCD輸出模擬信號中的有用信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字信號，該數(shù)字信號暫存于內(nèi)置FIFO中，并通過千兆以太網(wǎng)接口傳輸至上位機。

圖2 FPGA固件邏輯設(shè)計Fig．2 Firmware logic design of FPGA

4 系統(tǒng)集成與性能測試

用光錐耦合碘化銫（鉈）閃爍屏、CCD芯片KAF－16803、讀出電子學(xué)系統(tǒng)及冷卻裝置，構(gòu)成X射線探測器。利用X射線成像平臺，對X射線探測器的重要性能指標進行測試。

4．1 系統(tǒng)增益

本文研制的X射線探測器符合圖像傳感器及相機標準EMVA1288的4個要求，是一個線性系統(tǒng)，因此，探測器系統(tǒng)絕對增益K滿足：

其中：σ2y為有X射線時圖像有效區(qū)域內(nèi)像素灰度的方差；σ2y，dark為無X射線時圖像有效區(qū)域內(nèi)像素灰度的方差；μy為有X射線時圖像有效區(qū)域內(nèi)像素灰度的平均值；μy，dark為無X射線時圖像有效區(qū)域內(nèi)像素灰度的平均值。

在ADC增益為0、偏置為0的情況下，得到X射線探測器的平場和暗場圖像，選取有效區(qū)域處理得到如圖3所示的光子轉(zhuǎn)移曲線，擬合直線斜率即系統(tǒng)絕對增益K＝0．168 6DN／e－，與y軸的截距為3．422 8DN2，圖像灰度的方差在低灰度范圍內(nèi)與灰度大致呈正比，在接近CCD輸出飽和值時方差迅速下降。

圖3 光子轉(zhuǎn)移曲線Fig．3 Curve of photon transfer

4．2 線性工作范圍

本文研制的X射線探測器是一線性系統(tǒng)，故輸出信號強度與入射劑量在一定范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。在－20℃，X射線管電壓為67．9kV、電流為1mA的情況下，通過增加曝光時間的方法增加入射劑量，得到X射線探測器的線性工作范圍。圖4為X射線探測器的線性響應(yīng)曲線，曝光時間為0時，其偏置強度為1 616DN；繼續(xù)增加劑量而輸出信號強度不再增大時，說明輸出信號強度已達飽和，飽和強度為40 778DN。當(dāng)劑量超過154μGy時，輸出信號強度不再隨劑量的增大呈線性增加，因此可知該X射線探測器的線性工作范圍為0～154μGy。

4．3 暗電流噪聲

暗場信號是熱生載流子在CCD像素勢阱中積累而產(chǎn)生的，隨著積分時間的增加而線性增大。根據(jù)圖像傳感器及相機標準EMVA 1288，暗場信號強度隨積分時間變化曲線的斜率即暗電流噪聲。暗電流噪聲測試在無光、ADC增益和偏置均為0的情況下進行，圖5為制冷溫度分別為25℃和－20℃時，暗電流噪聲測試的結(jié)果。25℃、－20℃的暗電流噪聲分別為15．041 0、0．006 3DN／（pixel·s）。在當(dāng)前增益下，灰度強度轉(zhuǎn)換為電子，則25℃的暗電流噪聲為89e－／（pixel·s），－20℃的暗電流噪聲為0．037e－／（pixel·s）。光子科學(xué)公司生產(chǎn)的高分辨率CCD X射線探測器的暗電流噪聲一般低于0．05e－／（pixel·s）（制冷情況下），因此可知該X射線探測器的暗電流噪聲能滿足高分辨率X射線探測器的要求。

圖4 X射線探測器的線性響應(yīng)曲線Fig．4 Linear response curve of X－ray detector

圖5 暗電流噪聲測試Fig．5 Test of dark current noise

4．4 讀出噪聲及信噪比

讀出噪聲是CCD輸出信號通過電子線路中電荷轉(zhuǎn)移、信號放大、模數(shù)變換等過程而引入的噪聲，包括像素復(fù)位噪聲（KTC噪聲）、1／f噪聲及白噪聲等［7］。讀出噪聲隨機出現(xiàn)，無法直接測量，但可由X射線探測器的光子轉(zhuǎn)移曲線外推，光子轉(zhuǎn)移曲線與y軸的截距即為讀出噪聲的平方［8］。因此，本文研制的X射線探測器讀出噪聲為1．85DN，當(dāng)前增益下的讀出噪聲為10．9e－。

根據(jù)圖像傳感器及相機標準EMVA1288，信噪比滿足：

其中：SNR為探測器系統(tǒng)信噪比；σy為有X射線時圖像有效區(qū)域內(nèi)像素的標準差。

利用測試系統(tǒng)增益時的數(shù)據(jù)，可得到探測器系統(tǒng)信噪比隨劑量的變化曲線。系統(tǒng)信噪比曲線如圖6所示。當(dāng)入射X射線處于低劑量范圍內(nèi)（≤130μGy），信噪比隨劑量的增大而線性增大；當(dāng)劑量繼續(xù)增加至130μGy，信噪比達到飽和值；當(dāng)劑量超過150μGy，由于灰度強度接近飽和值，而灰度方差開始不斷下降，從而導(dǎo)致信噪比重新開始迅速上升。

圖6 信噪比曲線Fig．6 SNR curve

4．5 X射線探測器成像結(jié)果

圖7為本文研制的X射線探測器對最高分辨率為20lp／mm的鉛線對卡的成像結(jié)果，從左至右，空間分辨率依次增大。圖8為不同空間分辨率處鉛線對卡圖像的截面灰度曲線。

圖7 鉛線對卡的X射線成像結(jié)果Fig．7 X－ray image of lead line－pair card

圖8 不同空間分辨率處鉛線對卡圖像的截面灰度曲線Fig．8 Cross－section gray curves of lead line－pair card image at different spatial resolutions

根據(jù)Michelson對比度的定義：

其中：C為對比度；Ib為像素灰度本底值；Imax為像素灰度波峰值；Imin為像素灰度波谷值。

根據(jù)各空間分辨率的截面灰度曲線，計算不同空間分辨率處的矩形波對比度，結(jié)果列于表1。分辨率為16lp／mm時，對比度為10%，一般情況下采用對比度為10%的線對數(shù)表征系統(tǒng)的空間分辨能力，因此可知該X射線探測器的本征空間分辨率為16lp／mm。

本文研制的X射線探測器與光子科學(xué)公司生產(chǎn)的X－ray VHR CCD Camel的比較列于表2，其暗電流噪聲和空間分辨率性能指標均優(yōu)于光子科學(xué)公司生產(chǎn)的X－ray VHR CCD Camel，因此該X射線探測器能滿足高分辨率X射線探測器的要求。

表1 鉛線對卡不同空間分辨率處截面灰度的對比度Table 1 Contrast of cross－section gray at different spatial resolutions of lead line－pair card

表2 X射線探測器的比較Table 2 Comparison of X－ray detector

5 結(jié)論

本文針對全幀型CCD圖像傳感器KAF－16803，基于FPGA器件，采用集成的相關(guān)雙采樣電路和增益調(diào)節(jié)電路的16位ADC芯片，研制了一套低噪聲的讀出電子學(xué)系統(tǒng)。采用光錐耦合碘化銫（鉈）閃爍屏、CCD芯片KAF－16803、讀出電子學(xué)系統(tǒng)及冷卻裝置構(gòu)成X射線探測器。在X射線成像平臺上對探測器進行性能測試，結(jié)果表明：由讀出電子學(xué)系統(tǒng)所組成的光錐耦合X射線探測器能滿足小角度X射線散射和天文觀測等科學(xué)研究平臺的高性能需求，具有較大的推廣應(yīng)用價值。

［1］ ITO K，F(xiàn)UJISAWA T，IWATA T，et al．Novel fast－arrayed CCD X－ray detector using interline transfer－type CCD for time－resolved X－ray diffraction measurements［J］．Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A，2007，582（2）：673－682．

［2］ WANG M，ZHU P P，ZHANG K，et al．A new method to extract angle of refraction in diffraction enhanced imaging computed tomography［J］．Journal of Physics D：Applied Physics，2007，40（22）：6 917－6 921．

［3］ 金龍旭，李國寧，劉妍妍，等．幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD驅(qū)動電路的設(shè)計［J］．光學(xué)精密工程，2008，16（6）：1 140－1 145．

JIN Longxu，LI Guoning，LIU Yanyan，et al．Design of driving circuit for frame transfer area CCD［J］．Optics and Precision Engineering，2008，16（6）：1 140－1 145（in Chinese）．

［4］ COAN P，PETERZOL A，F(xiàn)IEDLER S，et al．Evaluation of imaging performance of a taper optics CCDFReLoN＇camera designed for medical imaging［J］．Journal of Synchrotron Radiation，2006，13：260－270．

［5］ ZHANG M，REN J．Driving and image enhancement for CCD sensing image system［C］∥3rd IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology．［S．l．］：［s．n．］，2010：216－221．

［6］ 薛旭成，李云飛，郭永飛．CCD成像系統(tǒng)中模擬前端設(shè)計［J］．光學(xué)精密工程，2007，15（8）：1 191－1 195．

XUE Xucheng，LI Yunfei，GUO Yongfei．Design of analog front end of CCD imaging system［J］．Optics and Precision Engineering，2007，15（8）：1 191－1 195（in Chinese）．

［7］ CAI R，WU Q，SHI W，et al．CCD performance model and noise control［C］∥2011International Conference on Image Analysis and Signal Processing．［S．l．］：［s．n．］，2011：389－394．

［8］ JANESICK J R．Scientific charge－coupled devices［M］．Bellingham：SPIE Press，2001．

Development and Performance Evaluation of Read－out Electronics System for High Resolution X－ray Detector

ZHANG Hong－kai1，2，3，F(xiàn)ENG Zhao－dong1，2，3，LI Xiao－h(huán)ui1，2，DU Qiu－yu3，4，WEI Shu－jun1，2，LIU Shuang－quan1，2，QIN Xiu－bo1，2，WEI Cun－feng1，2，WEI Long1，2
（1．Key Laboratory of Nuclear Radiation and Nuclear Energy Technology，
Institute of High Energy Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China；
2．Beijing Engineering Research Center of Radiographic Techniques and Equipment，Beijing100049，China；
3．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China；
4．State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics，Beijing100049，China）

An electronics system was developed according to the low noise requirement of FOT X－ray detector in this paper．The electronics system consists of an analog drive circuit，a front end processing circuit and a digital signal processing circuit which is based on field programmable gate array（FPGA）．The performance of FOT X－raydetector was evaluated on the X－ray imaging platform．The overall system gain is 0．168 6DN／e－，and the linear operating range of the detector is 0－154μGy．When the cooling temperature reaches－20℃，the dark current noise is 0．037e－／（pixel·s）and the read noise is 10．9e－．The intrinsic spatial resolution of the detector is 16lp／mm．The results indicate that the designed read－out electronics system meets the requirements of high resolution X－ray detector．

X－ray detector；read－out electronics；FPGA

TL82

：A

：1000－6931（2015）03－0534－06

10．7538／yzk．2015．49．03．0534

2014－08－25；

2014－10－14

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項資助（2011YQ03011205，2013YQ03062902）；國家自然科學(xué)基金大裝置聯(lián)合基金重點資助項目（U1332202）

張紅凱（1988—），男，河南鶴壁人，碩士研究生，粒子物理與原子核物理專業(yè)