工业CT光电二极管探测器特性研究

论文摘要

工业CT (Industrial Computed Tomography)是工业计算机断层扫描成像的简称。工业CT系统主要由射线源系统、探测系统、机械扫描与控制系统、数据采集与传输系统和计算机图像处理系统组成。探测系统是工业CT系统的关键子系统。探测系统的性能优劣将直接影响到整个工业CT系统的图像质量和性能指标。提高探测器性能是工业CT系统研究和开发的重要内容,分析和研究工业CT探测器的特性具有重要的工程应用价值和学术价值。为了在工业CT系统设计过程中,对探测器的设计和器件选型做到有的放矢,同时为了有效提高和改善探测器性能,对影响探测器的灵敏度、线性范围及稳定性的诸多因素进行了分析和研究。首先分析比较了几种常用的辐射探测器的优缺点及其适用范围,重点分析了工业CT系统中应用最广泛的闪烁体光电二极管探测器的结构与工作原理,并对组成该探测器的两个关键器件——闪烁体与光电二极管的特性进行深入研究。分析了工业CT探测器中常用闪烁体的发光效率、发射光谱、衰减时间等特性,并采用蒙特卡洛方法对闪烁体的荧光收集效率进行仿真,给出了提高荧光收集效率的三点措施。设计了光电二极管的特性测试系统,包括光电二极管的低噪声放大电路设计与光路设计两个部分,并且使用该系统对光电二极管的特性进行了实验测试和分析。在对闪烁体与光电二极管特性研究的基础之上,本文提出了改善探测器性能的三项措施:①提出了闪烁体与光电二极管的匹配度的概念,使闪烁体与光电二极管的选型有据可依;②在元器件采购时,可以采用本测试系统对光电二极管进行检测,确保其性能达到要求;③提出在必要的时候设计温度控制系统对探测系统的温度进行控制,提高探测器的性能。最后本文对闪烁体光电二极管探测器的灵敏度进行了研究,得出了具有普遍意义的表达式,并验证了其正确性。探测器灵敏度的研究使我们对X射线源的剂量、探测器的动态范围及其他参数有了估算的依据。在工业CT系统设计过程中,对射线源的选型,探测器的设计,射线源到探测器的距离设计等具有重要指导意义。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 课题研究现状
• 1.3 课题研究内容
• 2 工业 CT 及探测器介绍
• 2.1 工业CT 简介
• 2.1.1 工业CT 的基本原理
• 2.1.2 工业CT 技术发展历程
• 2.1.3 工业CT 结构
• 2.2 探测器的种类及特点
• 2.2.1 气体探测器
• 2.2.2 半导体探测器
• 2.2.3 闪烁体光电倍增管探测器
• 2.2.4 闪烁体光电二极管探测器
• 2.3 闪烁体光电二极管探测器
• 2.3.1 闪烁体光电二极管探测器结构
• 2.3.2 探测器工作原理
• 2.3.3 探测器的主要性能指标
• 2.3.4 探测器的性能指标对工业CT 性能的影响
• 2.4 本章小结
• 3 工业 CT 探测器特性测试系统设计
• 3.1 闪烁体
• 3.1.1 闪烁体材料概述
• 3.1.2 闪烁体的物理特性
• 3.1.3 工业CT 常用闪烁体特性简介
• 3.1.4 闪烁体中光的收集效率的研究
• 3.2 光电二极管
• 3.2.1 光电二极管结构及工作原理
• 3.2.2 光电二极管的基本特性
• 3.2.3 光电二极管的基本参数
• 3.2.4 光电二极管的噪声
• 3.3 光电二极管特性测试原理
• 3.3.1 暗电流测试原理
• 3.3.2 光谱响应度测试原理
• 3.3.3 线性范围测试原理
• 3.3.4 温度特性测试原理
• 3.4 光电二极管放大电路设计
• 3.4.1 放大电路需求分析
• 3.4.2 放大电路方案设计
• 3.4.3 放大电路设计实现
• 3.4.4 放大电路的性能参数计算
• 3.5 光电二极管测试光路设计
• 3.5.1 光谱响应度测试光路设计
• 3.5.2 线性范围测试光路设计
• 3.5.3 光电二极管温度特性测试光路设计
• 3.6 本章小结
• 4 光电二极管特性测试及分析
• 4.1 暗电流测试
• 4.1.1 暗电流-温度测试
• 4.1.2 暗电流-反偏电压测试
• 4.2 光谱响应度测试
• 4.3 线性范围
• 4.4 光电二极管响应温度特性测试
• 4.5 本章小结
• 5 探测器设计及应用中的几个关键问题
• 5.1 光电二极管选型
• 5.1.1 光电二极管的检测
• 5.1.2 光电二极管与闪烁体的匹配研究
• 5.2 闪烁体光电二极管探测器灵敏度研究
• 5.3 探测器的温度特性研究
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 课题展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读学位期间发表的论文目录