Плоскопанельные детекторы и высокое напряжение.

 

Все привыкли, что при работе с пленкой рабочее напряжение на рентгеновской трубке сильно зависит от радиационной толщины просвечиваемого металла.

В отличие от пленки плоскопанельные детекторы имеют ряд отличий:

 

1. Отсутствие зернового шума. Формально зерновой шум, то есть пространственная неоднородность по полю детектора, на плоскопанельных детекторах присутствует, но благодаря цифровым технологиям данный недостаток полностью компенсируется в результате калибровки.
2. Высокая эффективность. Стандартное решение со сцинтиллятором CsI толщиной до 0.6 мм позволяет иметь достаточный сигнал при малых временах экспозиции.
3. Низкий шум электроники. При работе с сигналами, составляющими проценты от полного диапазона детектора, по-прежнему можно получать качественное изображение, в отличие от пленки, когда фактическая экспозиция ограничена снизу порогом минимальной оптической плотности.
4. Огромный динамический диапазон. Разброс сигналов может составлять 80 и более децибел. Децибелы: 20 log(Сингал)

 

Если мы переведем трубку в изоватный режим^* и будем измерять контраст (CSa)^** на стальных пластинах с толщинами 10 мм, 20мм, 30мм, 40мм, то получим следующие кривые.

 

Как видно из кривых оптимальное изображение для толщин в диапазоне от 10 мм до 40 мм будет получено при напряжении от 190 до 250 киловольт. Так как минимум контраста достаточно плоский, на практике это приводит к тому, что напряжение 200-225 кВ является оптимальным для большинства толщин. Увеличение напряжения не приводит к видимым изменениям контраста.

При увеличении напряжения до 180-200 киловольт контраст резко увеличивается, а потом выходит на плато и видимость объектов с увеличением напряжения не изменяется.

Приведем для примера набор изображений полученных на стальной стенке 22 миллиметра на детекторе детекторе Perkin Elmer, размер пикселя 200 микрон, сцинтиллятор CsI 600 микрон. Время накопления 4 секунды, наг по напряжению 20 кВ в изоватном режиме.

140 кВ

160 кВ

180 кВ

200 кВ

220 кВ

240 кВ

260 кВ

280 кВ

300 кВ

320 кВ

 

 

В совокупности с автоматической регулировкой напряжения и огромным динамическим диапазоном плоскопанельных детекторов, это означает, что при изменении толщин не требуется каких-либо изменений в картах контроля.

 

Приведем изображения, полученные на детекторе Perkin Elmer, размер пикселя 200 микрон, сцинтиллятор CsI 600 микрон.

 

Напряжение 200 кВ, толщина стенки 10 мм, контрастная чувствительность 0.5%

 

Напряжение 200 кВ, толщина стенки 40 мм, контрастная чувствительность 0.5%

 

Физически такое поведение контраста обусловлено следующими причинами:

 

При росте напряжения уменьшается эффективное сечение взаимодействия рентгеновских квантов с образцом. При этом меняется сам характер взаимодействия. Чем выше энергия рентгеновского кванта, тем больше сечения комптоновского эффекта превалирует над сечением фотоэффекта.

Кванты, попавшие на детектор можно условно разбить на три группы.

1. Кванты, прошедшие без взаимодействия – полезный сигнал
2. Кванты, отразившиеся в образце – шумовые кванты
3. Кванты, отразившиеся от стенок – шумовые кванты

 

Чем выше напряжение, тем большую долю в спектре занимают рассеянные и отраженные кванты по отношению к квантам, прошедшим через образец без взаимодействия.

 

Поэтому, с одной стороны:

1. Растет число квантов, прошедших через образец без взаимодействия и зарегистрированных в детекторе, что уменьшает относительный статистический шум
2. Общий уровень сигнала растет по отношению к шумам электроники.

С другой стороны:

1. Из-за уменьшения эффективного сечения взаимодействия в образце падает относительный предельный контраст. То есть изменение толщины образца приводит к меньшему относительному изменению сигнала.
2. Увеличивается доля рассеянных и отраженных квантов в спектре, прошедшем через образец.
3. Уменьшается эффективность самого детектора из-за уменьшения эффективного сечения взаимодействия. Большее доля рентгеновских квантов проходит через детектор без взаимодействия. Кванты, зарегистрированные в детекторе, оставляют в среднем меньшую долю своей энергии.
4. Увеличиваются пробеги вторичных электронов в детекторе, ухудшая пространственное разрешение.

 

 

 

 

Применение математических фильтров дает возможность просматривать детали с большим разбросом толщин, при сохранении весьма избыточной контрастной чувствительности во всем диапазоне толщин.

Стальной объект  с разбросом толщин от 2 до 22 миллиметров. Напряжение 200 кВ.

 

 

Что делать, если в наличие есть только рентгеновская трубка с максимальным напряжением 160 кВ, при этом радиационная толщина просвечиваемых объектов составляет до 40 мм? Для пленки ответ однозначный: необходимо покупать более мощный рентгеновский источник.

В случае с плоскопанельным детектором мы имеем возможность скомпенсировать недостаточную мощность рентгеновского аппарата временем накопления.

 

Напряжение 160 кВ, толщина стенки 40 мм, контрастная чувствительность 0.5%, время накопления 30 секунд.

 

 

 

 

Выводы: Выводы делайте сами.

 

 

 

*          Изоватный режим – режим с постоянной мощностью P=U*I=const.

**        Контраст (CSa) – измеряется согласно ASTM E2597-07 Practice for Evaluation DDA. Контраст измеряется, как отношение стандартного отклонения сигнала на основном металле к среднему перепаду сигнала на канавке глубиной 5% от толщины основного металла.