CN203930076U - 一种用于x射线安检装置的双能量线阵探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种用于X射线安检装置的双能量线阵探测器，包括多个通道板和一个通讯板；通道板设置有双能光电二极管阵列、信号调理模块、多路开关、AD转换模块和ARM处理器；双能光电二极管阵列包括高能光电二极管阵列和低能光电二极管阵列，高能光电二极管阵列和低能光电二极管阵列之间设置有铜滤波片；通讯板设置有FPGA，FPGA通过通讯总线与ARM处理器相连。本实用新型的双能量线阵探测器有较低的制造成本，提高了探测器抗干扰能力，抗潮湿环境的能力和探测灵敏度。同时，模块化的设计可根据探测需要方便的改变探测器的扫描宽度和扫描速度，可实现即插即用的功能。
Description
技术领域
本实用新型属于安检设备技术领域，具体是一种用于X射线安检装置的双能量线阵探测器。
背景技术
目前，X射线探测技术已广泛应用于安检、医疗、探伤等领域的无损检测。X射线安检设备或系统，主要有双能量系统、背散射系统和CT系统。而双能量系统由于其较高的性价比成为当前的主流产品。其核心部件探测器子系统，存在如扫描速度慢，由于信号噪声等造成的图像质量差，探测精度低，可靠性差，制造成本高等缺点。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种用于X射线安检装置的双能量线阵探测器。
本实用新型的技术方案是：
一种用于X射线安检装置的双能量线阵探测器，包括多个通道板和一个通讯板；
所述通道板设置有双能光电二极管阵列、信号调理模块、多路开关、AD转换模块和ARM处理器；
所述双能光电二极管阵列包括高能光电二极管阵列和低能光电二极管阵列，高能光电二极管阵列和低能光电二极管阵列之间设置有铜滤波片；
高能光电二极管阵列包括多组高能闪烁晶体和第一光电二极管，高能闪烁晶体包有感光材料并与第一光电二极管通过光学耦合剂粘贴固定；
低能光电二极管阵列包括多组低能闪烁晶体和第二光电二极管，低能闪烁晶体与第二光电二极管通过光学耦合剂粘贴固定；
所述第一光电二极管的引脚、第二光电二极管的引脚分别与信号调理模块的输入端连接，信号调理模块的输出端与多路开关连接，多路开关还连接AD转换模块的输入端，AD转换模块的输出端连接ARM处理器的输入端，ARM处理器连接到通讯总线上；
所述通讯板设置有FPGA，FPGA通过通讯总线与ARM处理器相连。
有益效果：
本实用新型的双能量线阵探测器有较低的制造成本，提高了探测器抗干扰能力，抗潮湿环境的能力和探测灵敏度。同时，模块化的设计可根据探测需要方便的改变探测器的扫描宽度和扫描速度，可实现即插即用的功能。
附图说明
图1是本实用新型具体实施方式的用于X射线安检装置的双能量线阵探测器结构框图；
图2是本实用新型具体实施方式的双能光电二极管阵列结构示意图，其中，1-第二光电二极管；2-低能闪烁晶体，3-铜滤波片，4-高能闪烁晶体，5-第一光电二极管，6-第二光电二极管的引脚，7-第一光电二极管的引脚；
图3 是本实用新型具体实施方式的模拟电源LM317的电路原理图；
图4是本实用新型具体实施方式的模拟电源LM337的电路原理图；
图5是本实用新型具体实施方式的数字电源的电路原理图；
图6是本实用新型具体实施方式的基准电压源的电路原理图；
图7是本实用新型具体实施方式的滤波电路原理图；
图8是本实用新型具体实施方式的AD转换模块的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细说明。
本实施方式的用于X射线安检装置的双能量线阵探测器，如图1所示，包括多个通道板和一个通讯板；通道板设置有双能光电二极管阵列、信号调理模块、多路开关、AD转换模块和ARM处理器。
双能光电二极管阵列包括高能光电二极管阵列和低能光电二极管阵列。
如图2所示，高能光电二极管阵列和低能光电二极管阵列之间设置有铜滤波片3；高能光电二极管阵列包括多组高能闪烁晶体4和第一光电二极管5，高能闪烁晶体包有感光材料并与第一光电二极管5通过光学耦合剂粘贴固定；低能光电二极管阵列包括多组低能闪烁晶体2和第二光电二极管1，低能闪烁晶体2与第二光电二极管1通过光学耦合剂粘贴固定。
本实施方式所述高能为145KeV，低能为75KeV。闪烁晶体材料的探测效率在60%以上即可，根据不同厚度的闪烁晶体在75 KeV和145 KeV时的探测效率蒙特卡罗模拟仿真结果，最终本实施方式的高能闪烁晶体选择掺铊碘化铯(CsI(Tl))晶体，厚度为3mm，其发射波长为565nm，与半导体光电二极管匹配很好。低能闪烁体材料为硫氧化钆Gd2O2S:Pr 和Gd2O2S:Pr,Ce,F(均简称GOS)，厚度为0.3mm。GOS是很重要的新一代高性能多晶陶瓷闪烁体，发射波长为545nm与传统的CsI(Tl)、CdWO4 等单晶闪烁体相比，它具有较低的生产成本和较高的成像速度。CdWO4在300KeV高能下的探测效率仍然很高，是主要的高能闪烁晶体材料之一。
第一光电二极管、第二光电二极管均采用硅光电二极管，闪烁晶体把入射的X射线转化为可见光，硅光电二极管感应可见光后转化为电信号，再由信号调理模块的电路读出，然后输入给ARM处理器。
掺铊碘化铯(CsI(Tl))晶体的四周包有反光材料（如二氧化钛、铝箔、聚四氟乙烯带子等），但第一光电二极管所在的面要透光，这样能使更多的光子被光电二极管收集。GOS周围不用包有反光材料。闪烁体和光电二极管之间，使用与闪烁体具有相同折射率的光学耦合流体（如：高粘滞性硅油）作为耦合剂，以提高光的收集效率。
高能光电二极管阵列和低能光电二极管阵列内部分别由32 个光电二极管构成，根据探测规模，也可设计成16个，64个等，每个光电二极管之间的距离为1.6mm，即像素宽度（间距）为1.6mm，像素高度为沿阵列方向的长度是51.2mm。等于光电二极管阵列的长度，因此可以将多个光电二极管排列在一起形成更大规模的阵列且中间没有“死区”。像素的有效宽度为1.175mm，像素高度为3.1mm，有效高度为2 mm。
光电二极管是将闪烁体输出的极其微弱的闪烁脉冲信号变换成电信号的器件，将它与闪烁晶体封装在一起，构成一个探测模块。选择日本滨淞公司生产的S11212（与CsI(Tl)匹配及GOS匹配）光电二极管作为光电转换器件。
高能光电二极管阵列和低能光电二极管阵列上下叠加在一起，用铜滤波片将射线整形减少高能、低能射线的能量叠加，并被分别探测，从而得到高能投影数据和低能投影数据。铜滤波片为0.6mm厚。
第一光电二极管的引脚7、第二光电二极管的引脚6分别与信号调理模块的输入端连接，信号调理模块的输出端与多路开关连接，多路开关还连接AD转换模块的输入端，AD转换模块的输出端连接ARM处理器的输入端，ARM处理器连接到通讯总线上；
通道板负责光电信号转换、模数转换，通讯板通过通讯总线控制多块通道板，并与ARM处理器配合负责数据采集与传输，实现与PC机通讯。
通讯板设置有FPGA，FPGA通过通讯总线与ARM处理器相连。
本实施方式中，双能量线阵探测器的电源分主电源和基准电压源两个板块。
主电源使用由4NIC朝阳电源提供的线性电源（+5V：5A、-5V：3A），模拟电源+1.5V使用美国国家半导体公司的三端可调正稳压器LM317（如图3所示）、-2.5V使用了LM337（如图4所示）。数字电源使用了低压差线性稳压器LDO芯片AS1117-2.5、AS1117-3.3，电路如图5所示。
基准电压源使用德州仪器(Texas Instruments)生产的芯片REF3040与运算放大器OPA350 配合使用为光电传感器S8559和模数转换器ADS8405 提供稳定的参考电压，电路如图4所示。
信号调理模块包括放大滤波模块和反向电压器跟随器，放大滤波模块包括前置放大电路、滤波电路和主放大电路，前置放大电路的输入端分别与第一半导体光电二极管的引脚、第二半导体光电二极管的引脚连接，前置放大电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端连接主放大电路的输入端，主放大电路的输出端连接反向电压跟随器的输入端，反向电压跟随器的输出端连接多路开关。
①放大滤波模块
双能量线阵探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且双能量线阵探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。
分立放大电路元件多、体积大、对电路状态要求高、一致性不好、稳定性差，不是探测器系统的首选，必须考虑使用集成运算放大器。双能量线阵探测器中前置放大电路中使用反相电压放大器，主放大电路中使用同相电压放大器。
本实施方式的双能量线阵探测器的模拟滤波（硬件滤波）方法为多级滤波，在前级滤波电路中，由于空间有限，只能采用无源滤波电路。为了减小电路板面积，没有采用π形RC滤波电路和π形LC滤波电路，而采用了RC滤波电路，在达到滤波效果同时节省了电路板面积板面积。在探测器的后级滤波中采用了低通有源滤波电路，可以通过改变电阻Rf和R1的阻值来调节通带电压的放大倍数，如图5所示。
此外，还可以采用一阶滞后法和中位值平均法的数字滤波（软件滤波）方法，在不牺牲信号灵敏度前提下，尽可能降低噪音的影响。一阶滞后法对周期性干扰具有良好的抑制作用，中位值平均法对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。
②反向电压器跟随器
由于光电二极管的输出特性为负输出，因此在电压跟随器的选择上选择具有反向特性的德州仪器公司制造生产的OPA2353反向电压跟随器，其运放类型为高速，具有两个放大器，带宽为44MHz，摆率：22V/μs，所需电源电压范围：2.7V~5.5V，针脚数为8，工作温度范围：-55°C~+125°C，输入/输出类型：Rail-Rail I/O，输入偏移电压最大：10mV，运放特点：Single-Supply、Rail to Rail，其额定电源电压为+5V。
探测器传过来的模拟信号需要转换为数字信号，由AD转换模块进行A/D转换，该AD转换模块采用ADC 芯片ADS8405，是一个16位，1.25MHz的ADC 芯片，ADS8405的原理如图6所示。
ADS8405在双能量线阵探测器中的应用要点有：参考电压源、模拟量的输入及数据接口。
① 参考电压源
ADS8405需要外接一个电压范围在2.5V~4.2V之间的参考电压源。模数转换器上设有参考电压输入引脚。为了保证转换器有良好的工作状态，这个引脚需要输入平稳，低噪声和良好解耦的参考电压。本探测器选择了德州仪器公司的REF3040用来驱动此引脚，该器件是一个低噪声带隙的参考电压源。在第1引脚和第48引脚之间接了一个0.1uF的去耦电容。
② 模拟电压的输入实际上就是光电传感器的第九引脚输出的模拟量光电信号。为了保持转换器的线性度，-IN和+IN以及他们之间的压差都限制在了许可范围内。为了减小噪音，还使用了低通滤波器和低带宽的输入信号。输入信号源的阻抗和+IN/-IN输入的阻抗实现了很好的搭配，确保了两端输入同步。从而避免了漂移偏差，增益偏差和线性偏差。
③ 数据接口
ADS8405有外接时钟信号，因为其内部有时钟振荡器来输出时钟并控制模数转换节奏和数据的吞吐量。当CONVST（40）引脚信号下降沿到来时，模数转换器会从采样状态切换到保持状态。因为CONVST引脚直接连接到了微控制器FPGA的I/O口，微控制器输出的平稳低抖动下降沿信号能够使转换器很好的工作，所以此引脚没有外接电阻。ADS8405是以二进制格式并行输出数据的，当CS（42）和RD（41）引脚都为低电平时，并行输出可用。BYTE（39）引脚用来设置输出位数的，当BYTE为低电平时为16位并行输出，高电平时8位输出。为了保证整个光电检测模块的高速性能，选择了16位输出。
FPGA是一类高集成度的可编程逻辑器件，本探测器选择了Altera公司的cycloneIII系列芯片EP3C5E144C8。在通道板电路中，FPGA向通道板中的ARM处理器AT91RM9200发送地址和控制命令，ARM处理器控制数据采集、处理、转换，暂时保存各像素数据，并向FPGA发送数据。FPGA将读取到的高、低能信号数据打包传送到计算机上。
根据不同规模，有12 至24 块通道板需要和通讯板通讯，由于并行总线结构清晰、容易实现、速度可以满足系统要求，探测器采用了以ISA 总线为原型的通讯总线，在其基础上做一些简化，以方便其实现。为了适应探测器的需要，将标准ISA总线裁减为并行输出数据总线16 根，地址总线8 根，控制总线2 根，裁减后的总线使用IDC34 牛头插座连接，以增强可靠性。通过ISA 总线，探测器实现了通道板和通讯板可靠稳定的通讯。
本探测器的工作流程如下：开始工作时通道板初始化，FPGA向各个通道板的ARM处理器发送地址和控制命令，ARM处理器控制双能光电二极管开始工作，接收到的双能信号经过降噪、放大、滤波、反向电压等处理后传给A/D转换模块，处理后存入存储器同时给FPGA反馈，信号采集成功。当FPGA接收到反馈信号后给ARM发出重复指令。当信号接收32个，即光电传感器总数时，FPGA将读取到的高、低能数据打包并传给PC进行分析。
Claims (4)
1.一种用于X射线安检装置的双能量线阵探测器，其特征在于：包括多个通道板和一个通讯板；
所述通道板设置有双能光电二极管阵列、信号调理模块、多路开关、AD转换模块和ARM处理器；
所述双能光电二极管阵列包括高能光电二极管阵列和低能光电二极管阵列，高能光电二极管阵列和低能光电二极管阵列之间设置有铜滤波片；
高能光电二极管阵列包括多组高能闪烁晶体和第一光电二极管，高能闪烁晶体包有感光材料并与第一光电二极管通过光学耦合剂粘贴固定；
低能光电二极管阵列包括多组低能闪烁晶体和第二光电二极管，低能闪烁晶体与第二光电二极管通过光学耦合剂粘贴固定；
所述第一光电二极管的引脚、第二光电二极管的引脚分别与信号调理模块的输入端连接，信号调理模块的输出端与多路开关连接，多路开关还连接AD转换模块的输入端，AD转换模块的输出端连接ARM处理器的输入端，ARM处理器连接到通讯总线上；
所述通讯板设置有FPGA，FPGA通过通讯总线与ARM处理器相连。
2.根据权利要求1所述的用于X射线安检装置的双能量线阵探测器，其特征在于： 所述第一光电二极管、第二光电二极管均采用硅光电二极管。
3.根据权利要求1所述的用于X射线安检装置的双能量线阵探测器，其特征在于：所述高能闪烁晶体材料为掺铊碘化铯晶体，厚度为3mm，其发射波长为565nm，低能闪烁晶体材料为硫氧化钆，厚度为0.3mm。
4.根据权利要求1所述的用于X射线安检装置的双能量线阵探测器，其特征在于：所述信号调理模块包括放大滤波模块和反向电压器跟随器，放大滤波模块包括前置放大电路、滤波电路和主放大电路，前置放大电路的输入端分别与第一半导体光电二极管的引脚、第二半导体光电二极管的引脚连接，前置放大电路的输出端连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端连接主放大电路的输入端，主放大电路的输出端连接反向电压跟随器的输入端，反向电压跟随器的输出端连接多路开关。
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