大面積高分辨率數(shù)字X射線探測(cè)器關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、數(shù)字X射線探測(cè)器能夠?qū)⒉豢梢?jiàn)的X射線信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字式電信號(hào)，是X射線成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。“基于光柵微分干涉的X射線相襯成像系統(tǒng)”對(duì)數(shù)字X射線探測(cè)器提出了大面積和高空間分辨率這兩個(gè)要求。但是目前的X射線探測(cè)器因存在兩個(gè)主要問(wèn)題而難以滿足上述要求：第一個(gè)問(wèn)題是探測(cè)器中X射線轉(zhuǎn)換屏的空間分辨率因熒光的側(cè)向擴(kuò)散而大大降低。第二個(gè)問(wèn)題是探測(cè)器中圖像傳感器的感光面積遠(yuǎn)小于實(shí)際應(yīng)用中75×75mm2的最低需求。
　　 為了解決以上兩個(gè)問(wèn)題，

2、本論文開(kāi)展了大面積高分辨率數(shù)字X射線探測(cè)器的研制工作，主要內(nèi)容分為以下兩個(gè)部分：
　　 第一個(gè)部分是制作像素化X射線轉(zhuǎn)換屏，以提高X射線轉(zhuǎn)換屏的分辨率。
　　 像素化X射線轉(zhuǎn)換屏適合于使用硅基深孔陣列來(lái)制作。硅基深孔陣列是一種高深寬比的微結(jié)構(gòu)，而光助電化學(xué)刻蝕是制作硅基深孔陣列的理想方法。為了能在整個(gè)5英寸硅片上制作出均勻的深孔陣列，自行設(shè)計(jì)并制作了一套新型大面積硅片光助電化學(xué)刻蝕裝置。該裝置借助一個(gè)水冷隔熱系統(tǒng)和一個(gè)花

3、灑式溶液循環(huán)系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)光助電化學(xué)刻蝕裝置中溶液升溫和氣泡堆積的問(wèn)題。所制作的深孔陣列邊長(zhǎng)有5μm和1.5μm兩種，深寬比分別達(dá)到了30和100。深孔陣列經(jīng)高溫?zé)嵫趸蚗射線熒光材料CsI:Tl的填充之后，完成了像素化X射線轉(zhuǎn)換的制作。經(jīng)測(cè)試，像素化X射線轉(zhuǎn)換屏的空間分辨率達(dá)到了20lp/mm，滿足最初的設(shè)計(jì)要求。另外，還利用新型大面積硅片光助電化學(xué)刻蝕裝置，通過(guò)逐步加大刻蝕電流的方法補(bǔ)償側(cè)向腐蝕給微結(jié)構(gòu)形貌帶來(lái)的不利影響，制作了兩

4、種形貌一致性很好的高深寬比深槽陣列，用于X射線光柵的制作。
　　 第二個(gè)部分是開(kāi)發(fā)基于4顆CMOS芯片拼接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以擴(kuò)大探測(cè)器的成像面積。
　　 4顆CMOS芯片LUPA-4000與一個(gè)2×2光錐陣列耦合后，能夠拼接成完整的圖像，成像面積達(dá)到98.5×98.5mm2。受光錐陣列結(jié)構(gòu)尺寸的制約，在本課題中只能使用CMOS芯片，從底層開(kāi)始完成整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了基于以太網(wǎng)遠(yuǎn)程控制，并對(duì)4顆LUP

5、A-4000芯片單獨(dú)用DDR2 SDRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存的方案。用基于Verilog的FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)LUPA-4000芯片的驅(qū)動(dòng)時(shí)序和DDR2 SDRAM芯片的控制器，用ARM作為整個(gè)系統(tǒng)的微控制器，采集到的圖像數(shù)據(jù)在PC機(jī)中存儲(chǔ)。為了便于LUPA-4000芯片與光錐小端的耦合，為每一顆LUPA-4000制作了一塊獨(dú)立的PCB板，各PCB板之間留有一定量的調(diào)整間隙。本論文完成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從電路原理圖設(shè)計(jì)和PCB板圖設(shè)計(jì)，到FPGA設(shè)計(jì)