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工業CT

工業CT技術是工業計算機斷層掃描技術的縮寫，它是Randon J在1917年提出的，直到1970年代才用于無損檢測。隨著計算機科學的發展和探測器技術的飛速發展，近年來工業CT取得了顯著進步，已廣泛用于航空航天，核能，軍事以及無損制圖和分層設計與制造領域。工業CT是一種實用的無損檢測方法，它從滿足一般工業應用的低能耗工業CT發展到了滿足大型和復雜結構零件測試要求的高能量領域。

輻射檢測服務器作為工業CT的基礎。當準直的能量束I0穿過物體時，每個體積元素在每個透射方向上的衰減系數μi不同。結果，檢測器接收的發射能量I也不同。根據一定的圖像重建算法，可以得到被檢工件截面的較薄部分，沒有圖像重疊（圖1），通過重復上述過程可以獲得新的斷層圖像。當測量足夠的二維斷層圖像時，可以重建三維圖像。

實際上，工業CT是一種射線檢測技術。與傳統的射線探測技術相比，工業CT的主要優點如下：

1. 工業CT的圖像目標不受周圍細節的阻擋。可以直接獲取目標的特征，例如空間位置，形狀和大小信息；
2. 工業CT具有出色的密度分辨率能力，高質量CT圖像的密度分辨率可以達到0.1％甚至更高；
3. 工業CT圖像是數字化的結果，便于存儲，傳輸，分析和處理。

在工業CT中，X射線源通常用于X射線機和線性加速器中。通常使用三種檢測器：高分辨率CMOS半導體芯片，平板檢測器和閃爍檢測器。平板探測器通常由非晶硅或非晶硒制成，覆蓋有數百微米的閃爍晶體（例如CsI），像素大小約為127微米，圖像質量接近膠片。閃爍檢測器的優點是檢測效率高，尤其是在高能量條件下，它可以達到16～20位的動態范圍，讀取速度約為微秒

檢測器是工業CT系統的核心部件之一，它對重建圖像的質量影響很大。在檢測器的設計中應考慮以下性能指標：檢測效率，線性，動態范圍，均勻一致性，穩定性，大小，響應速度，通道數等。

從探測器結構圖（圖2）可以清楚地看到工業CT探測器的信號轉換過程。首先，射線信號進入閃爍體，在閃爍體中產生可見光。光電二極管將可見光轉換為電流信號。然后，i-v轉換電路將電流信號轉換成電壓信號。最后，由AD轉換裝置將其轉換為數字信號，并傳輸至數據傳輸系統。

從閃爍探測器的結構描述中可以看出，其工作原理如下：當射線進入閃爍器時，在某個點產生二次電子，該二次電子使閃爍器的分子或原子電離并激發。在去激勵中發出大量光子。由于閃爍體周圍的反射層的作用，大部分熒光通過光耦合劑或光導到達光電二極管的光敏表面。光電二極管將光信號轉換為電流信號，然后通過后續電路將其轉換和放大，以輸出可以測量的電壓信號。綜上所述，閃爍探測器的工作過程可以分為以下幾個階段：

(1) 射線進入閃爍體并與其相互作用。閃爍體吸收部分射線能量以激發和離子化分子，因此存在能量沉積速率。

(2) 當發生激發分子去激發時，部分能量用于熒光；能量的另一部分轉換為熱運動，從而加熱了閃爍體，因此閃爍體具有絕對的閃爍效率。

(3) 使用反射材料在光電二極管的光敏表面上收集盡可能多的熒光。在此過程中，一些光子將被閃爍器吸收或逸出，因此將存在光收集效率的問題。

(4) 熒光進入光電二極管的p結后，電子空穴對被激發。在內部電位場或外部偏置電壓的作用下，電子和空穴分別移動到兩極，形成光電流，光電流與光強成正比。

理想的閃爍體晶體應具有以下特征：

• 它應該具有很高的發光效率，以將輻射能量轉換為可檢測的光信號；
• 從射線到熒光的轉換過程是線性的，也就是說，產生的光子數應盡可能與閃爍體沉積的能量成比例；
• 必須具有良好的光收集效率，并且閃爍體應該對它發出的光透明；
• 閃爍體應具有良好的光學性能，并應滿足實際探測器所需的尺寸。

(5) 閃爍體材料的折射率應與硅相似，以便熒光可以有效地耦合到光電二極管陣列的光敏表面。

實際上，所有現有的閃爍體材料不能同時滿足所有上述特性。因此，應根據實際應用要求選擇最合適的閃爍體材料。目前，CsI(T1)，BGO和CdWO₄是工業CT中使用最廣泛的無機閃爍體，其閃爍性能如表1所示。下面分別介紹這些閃爍體。

CsI(Tl)，BGO和CdWO₄的閃爍特性

屬性	CsI(Tl)	BGO	CdWO4
發光量 (光子/MeV)	52000	8500	13000
峰值波長 (nm)	550	480	515
密度 (g/cm3)	4.5	7.13	7.9
輻射長度 (cm)	1.86	1.12	1
熔點 (℃)	621	1050	1123
折射率 (峰值波長)	1.78	2.25	2.15
衰減時間 (ns)	1000	300	20000
發光系數 (%/℃)	0.32	-1.6	0.1

應用于工業CT的閃爍晶體

CsI

隨著核技術和高能物理的發展，無機閃爍晶體的應用領域不斷拓寬，對無機閃爍晶體提出了越來越高的要求。早在1980年代，人們就注意到CsI(Tl)晶體的優點：發射光譜可以與硅光電二極管匹配，光發射率高，輻照長度比NaI(Tl)晶體短，并且機械性能好。一種出色且實用的閃爍晶體材料。近年來，該晶體因其改善的抗輻射能力而受到青睞。

CsI(Tl)閃爍體的發光量達到52,000光子/ MeV，發射光譜的峰值波長為550nm，與硅光電二極管的響應光譜相匹配。它的衰減時間由快速分量0.6us和慢速分量3.5us組成。此外，CsI(Tl)閃爍體具有很高的機械強度，很強的抗沖擊性和抗振性以及很強的可塑性，使其易于加工成薄片。與NaI(TI)閃爍體相比，CsI(Tl)閃爍體具有比NaI(Tl)更好的性能，但其發光效率低于NaI(Tl)：不易溶解，具有大的射線吸收系數，并且音量可以相對較小。發光峰值波長為565nm，與硅光電二極管匹配良好。因此，CsI(Tl)閃爍體通常用于低能工業CT。

圖解說明了離散閃爍相機的模塊。該原型具有一個3×4像素陣列，每個像素由一個3×3?5 mm³ CsI（TI）晶體與一個3×3 mm² PIN光電二極管耦合組成。讀出電路由兩個3×3 mm²的IC組成。可以從單個模塊的陣列中構造出具有有用成像尺寸的相機。

參考文獻

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[6] Limits on Interactions between Weakly Interacting Massive Particles and Nucleons Obtained with CsI(Tl) Crystal Detectors

BGO

閃爍體能有效地將高能粒子和輻射轉換為可見光譜區域內或周圍波長的光，廣泛應用于核醫學成像、工業CT和高能物理等領域。鍺酸鉍（Bi₄Ge₃O₁₂或BGO）是1975年發展起來的一種性能優良的閃爍體，由于其在可見波段的短衰減時間、光照、輻射發光和高功率激光下的雙光子吸收等令人感興趣的發光特性而得到了廣泛的研究。。它最大的優點是原子序數和密度高（7.138/cm³），因此對低能和高能射線都有較大的吸收系數，探測效率高。其發射光譜范圍為350nm-650nm，峰值波長約為480nm。此外，它還具有透明性好、發光衰減時間短、不易熟化等優點。但其缺點是發光效率低，僅為高能工業CT中常用的NaI（Tl）發光效率的14%。

圖示了一種由三個或三個以上的光學隔離BGO晶體組成的探測器，該晶體連接在一個10 mm的方形光電倍增管上，該光電倍增管為該組提供一個快速定時脈沖。每個晶體還單獨耦合到位置敏感光電二極管，該光電二極管識別阻止湮滅光子的晶體并確定相互作用的深度。

參考文獻

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CdWO₄

鎢酸鉻閃爍體（CdWO₄）具有不潮變，密度高，X射線吸收系數大，輻射長度短，抗輻射損傷的優點。另外，CdWO₄閃爍體的發射光譜在400nm-600nm范圍內，發射峰波長約為515nm，可以很好地匹配光電二極管的敏感波長。CdWO₄閃爍體具有出色的閃爍性能，是鎢酸鹽系列中最好的。由于這些優點，CdWO₄閃爍體非常適合于高能工業CT檢測器，而CdWO₄晶體可使檢測器非常致密，從而提高了CT系統的空間分辨率。CdWO₄晶體具有出色的閃爍和光學特性，使其廣泛用于高能工業CT探測器。

隨著大型零部件的可靠性和安全性要求的不斷提高，監視零部件的裝配質量變化已成為確保安全性的關鍵技術。解決上述問題必須依靠工業CT，特別是高能工業C T端可以很好地實現。因此，使用工業CT技術，尤其是高能工業CT技術，有望解決以下技術問題：

1. 精密測試特殊部件的焊接質量；
2. 監視大型零件的裝配質量（例如零件姿態，裝配間隙和位置變化）以及內部結構的精密檢查；
3. 其他材料和組件的結構仿真和工業CT檢查。

參考文獻

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