Как выбрать цифровой плоскопанельный детектор

Как выбрать цифровой детектор

________________
12 марта 2019

Цифровой плоскопанельный детектор — это пластина, которая состоит из сетки чувствительных к рентгеновскому излучению элементов. При выборе детектора надо одновременно смотреть на тип матрицы, тип сцинтиллятора, размер детектора, размер пикселя, разрядность оцифровки, а также класс пыле-влагозащиты. Неправильный выбор не позволит достигнуть требуемого качества контроля, резко снизит производительность или сократит ресурс работы детектора.

 

 

Системы цифровой радиографии избавляют от расходников и оборудования плёночной и компьютерной радиографии. Дефектоскопистам не надо работать с пластинами, плёнкой, проявителем, фиксажом и водой. С ними не нужны сканеры, проявочные машины, сушильная техника, оцифровщики и затемнённое помещение с температурой не менее 20 °С. Системы цифровой радиографии позволяют сэкономить деньги на расходниках и место в помещении.

Системы цифровой радиографии автоматизируют и ускоряют процесс контроля. В среднем, экспозиция на плоскопанельный детектор длится 10 секунд, после чего полученное изображение передаётся на компьютер за 2 секунды. Для сравнения: сканер позволяет получать цифровое изображение с фосфорной пластины от 10 секунд до 5 минут. А на одну проявку и сушку плёнки уйдёт 30-40 минут. Цифровая радиография обеспечивает самую высокую производительность.

Качество изображений, полученных с помощью детектора, будет эквивалентно качеству снимков, полученным при помощи плёнки. Вот, что прописано на этот счёт в ГОСТ ISO 17636-2-2017: «Процедура, установленная настоящим стандартом, обеспечивает минимальные требования к радиографическому контролю, позволяющие получать цифровые радиограммы с чувствительностью контроля эквивалентной установленной в ISO 17636-1 для плёночной радиографии». И далее: «...при использовании способов класса А и класса B соответственно, видимость дефектов с использованием пленочной или цифровой радиографии эквивалентна».

 

 

 


Данила Ксенофонтов,
технический специалист

Принцип действия

На рынке представлено несколько производителей плоскопанельных детекторов. Среди них можно выделить Perkin Elmer, GE, Varex, Thales FlashScan и Hamamatsu. Несмотря на общую для всех производителей принципиальную схему детектора, качество полученного изображения у каждой модели разнится. Связано это с той элементной базой и теми решениями, которые используются на каждом конкретном производстве.

Детектор представляет собой прямоугольник. Корпус обычно выполняется из пластика или металла. Экран, который защищает чувствительную матрицу, делают из карбона. Этот материал прозрачен для рентгеновского излучения, поэтому никак не сказывается на качестве изображения.

Есть 2 типа преобразования рентгеновского излучения в электрический сигнал: прямое и непрямое. В первом случае рентгеновское излучение сразу преобразуется в сигнал. Во втором случае излучение сначала преобразуется в свет, а свет преобразуется в сигнал. В детекторах для промышленной радиографии используется второй тип преобразования.

Выделим 3 общих шага преобразования рентгеновского излучения в цифровое изображение.

1. Преобразования сцинтиллятора: рентген в свет

Сцинтиллятор. Преобразование рентгеновского излучения в свет

За преобразование рентгеновского излучения в свет отвечает сцинтиллятор. В качестве сцинтиллятора, как правило, используют оксисульфид гадолиния (GadOx) — Gd2O2S, либо йодистый цезий — CsI. Йодистый цезий состоит из множества оптоволоконных каналов и внешне напоминает соты. Оксисульфид гадолиния — зернистый. Также в качестве сцинтилляторов возможны другие модификации указанных материалов с добавлением разных легирующих добавок.

GadOx и CsI различаются чувствительностью. Так сцинтиллятор типа йодистый цезий даёт наибольший выход света среди всех известных сцинтилляторов, соответственно детектор со сцинтиллятором Csl будет наиболее чувствительным. Об этом, в частности, сказано в публикации On the Development of Digital Radiography Detectors: A Review.

Чем больше энергия рентгеновского излучения, тем меньше вероятность преобразования рентгеновского кванта в свет. Соответственно, для регистрации излучения с большой энергией необходимо увеличение толщины сцинтиллятора, чтобы преобразовывалась достаточная часть излучения.

2. Светочувствительная матрица: свет в электроны

Светочувствительная TFT- или CMOS-матрица преобразуют свет в электроны, которые заряжают или разряжают конденсатор в каждом элементе матриц. При считывании происходит разрядка или зарядка конденсаторов, при этом возникает электрический ток.

3. Аналого-цифровое преобразование: электроны в цифровое изображение

Ток зарядки и разрядки конденсаторов измеряется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Полученные значения преобразуется в уровень серого для каждого из пикселей, а из пикселей формируется изображение.


Структура йодистого цезия


Структура оксисульфида гадолиния

 

 

Типы детекторов

Промышленные плоскопанельные детекторы подразделяются на два вида: на основе TFT-технологии и на основе CMOS-технологии. Обе технологии представляют собой матрицу из светочувствительных элементов. В обоих случаях они располагаются под слоем сцинтиллятора и регистрируют излучаемый им свет.

TFT-технология

Первый вид детекторов сделан на основе TFT-технологии. В расшифровке — thin film transistor, в переводе — тонкоплёночный транзистор.

В детекторах на основе TFT-технологии основным элементом являются фотодиоды на основе аморфного кремния. Ёмкость каждого фотодиода в исходном состоянии заряжена до определённого напряжения. При облучении светом она разряжается: чем больше света, тем меньше остаточный заряд. При считывании фотодиод заряжается до исходного состояния, величина тока измеряется с помощью аналого-цифрового преобразователя и преобразуется в уровень серого. Как результат: по сигналам с каждого светодиода формируется изображение.

Панели на основе TFT-матриц могут достигать размеров 43×43 см. При этом размер пикселя составляет от 100 до 200 мкм. Отличительной особенностью аморфного кремния является очень высокая радиационная устойчивость, что позволяет применять такие панели при высоких энергиях рентгеновских квантов, от 20 кВ до 15 МэВ.

В детекторах на основе TFT-технологии чаще используется сцинтиллятор на основе цезий-йода, чем на основе оксисульфида гадолиния. Дело в том, что цезий-йод имеет наивысшую чувствительность. При этом у цезий-йода плохая разрешающая способность, но это не сильно влияет на результат из-за большого размера пикселя TFT-матрицы.

Для объектов с большой толщиной лучше использовать детекторы на основе TFT-матриц с сцинтиллятором цезий-йод. Они лучше переносят высокоэнергетичное излучение более 300 кэВ. Большой размер пикселя, к примеру 200 мкм, не скажется на качестве контроля, поскольку в изделиях большой толщины, обычно, ищут большие дефекты.

Среди производителей детекторов на основе TFT-матриц можно выделить объединившие производство Varex и Perkin Elmer, а также Vidisco и Novo.


Схема преобразования рентгеновского излучения в детекторах на основе TFT технологии

Схема преобразования рентгеновского излучения в детекторах на основе CMOS-технологии

CMOS-технология

Второй вид детекторов выполнен на основе CMOS-технологии. В расшифровке — complementary metal-oxide-semiconductor. В отечественной литературе также встречается наименование КМОП — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник.

В основе CMOS-технологии лежат полупроводниковые светочувствительные элементы. Свет от сцинтиллятора передаётся на светочувствительный элемент по волоконно-оптической шайбе — стержню из стекла или полимера. Шайба служит для фокусировки света на чувствительной области пикселя. Без неё будет зарегистрирована только часть света.

При попадании света на светочувствительный элемент CMOS-матрицы происходит зарядка конденсатора. При считывании конденсатор разряжается и измеряется величина тока. Измеренное значение преобразуется в уровень серого и по значениям с каждого пикселя формируется изображение.

С помощью CMOS-технологии можно создать матрицу с меньшим пикселем и получить более высокое качество изображения, в сравнении с TFT-технологией. Самый маленький размер пикселя у CMOS-матриц — 50 мкм. В детекторах на основе CMOS-матриц используется оксисульфид гадолиния из-за высокой разрешающей способности. Цезий-йод здесь не применим из-за очень маленького размера пикселя. Но у них есть ограничения по размеру. Так, самый большой CMOS детектор достигает размеров 29×23 см.

CMOS-матрицы быстрее деградируют от рентгеновского излучения, чем TFT-матрицы. Во- первых, это проявляется в увеличении темнового тока. Это ток, который протекает в светочувствительных элементах без внешнего воздействия. Он определяет шум детектора. Во-вторых, деградация проявляется в потемнении волоконно-оптической шайбы, от чего снижается чувствительность.

Детекторы на основе CMOS-матриц следует использовать для контроля тонкостенных объектов с высокими требованиями к качеству изображения. При контроле изделий малой толщины используется излучение малой энергии, которое даёт меньшее рассеяние и меньше повреждает CMOS-детектор.

Среди производителей детекторов на основе CMOS-матриц можно выделить Hamamatsu. В целом, этот вид детекторов в последнее время получил распространение благодаря развитой технологической базе: CMOS-матрицы широко применяются в фотоаппаратах, видеокамерах и т.д.

 

Разрядность оцифровки

При использовании цифровых детекторов мы сразу получаем электрический сигнал. Как и в компьютерной радиографии электрический сигнал оцифровывается. Разрядность оцифровки определяет диапазон чисел, которые могут быть сопоставлены аналоговому сигналу. Чем больше разрядность оцифровки, тем меньше погрешность сопоставления.

Разрядность оцифровки измеряется в битах, либо уровнях серого. 2 бита соответствуют 4 уровням серого. 14 бит соответствуют 16 384 уровням серого.Это минимальная разрядность оцифровки, которая встречается у современных детекторов. А 16 бит соответствуют 65 535 уровням серого. Это оптимальная разрядность оцифровки.

Амплитуда импульса будет соответствовать одному из уровней серого. При этом та часть, которая отступает от начала деления будет составлять погрешность измерения.

 

Требования НТД

Нормативно-техническая документация, в частности ГОСТ ИСО 17636-2, определяет два ключевых характеристики систем цифровой радиографии. К ним относятся: базовое пространственное разрешение и отношение сигнал/шум.

Дадим определение каждому понятию.

1. Базовое пространственное разрешение цифрового изображения. Согласно ГОСТ ISO 17636-2–2017 БПР «соответствует половине измеренной нерезкости цифрового изображения и соответствует эффективному размеру пикселя, и характеризует наименьший размер объекта, который может быть разрешен (отображен) на цифровом изображении».

Проще говоря, чем меньше базовое пространственное разрешение, тем более маленький объект мы можем различить на снимке. Ситуация как с термином «чувствительность контроля». Чем меньше, тем выше качество изображения.

Для определения БПР берётся двухпроволочный эталон, который служит индикатором качества изображения. Проводится экспозиция, после чего изображение передаётся на компьютер. Метод определения заключается в том, что две проволочки считаются различимыми, если сигнал в промежутке между ними ниже, как минимум, на 20% от сигнала проволочки. При этом, согласно ISO 19232-5 измерение должно проводиться, как минимум, на 60% длины проволок.


Разрядность оцифровки
при 4-х уровнях серого

Снимок, сделанный для проверки базового пространственного разрешения детектора GE DXR-250С-W.
Выделяем область с двухпроволочным эталоном

Изображение двухпроволочного эталона, автоматически выделенного ПО в указанной области

Профиль сигнала от пары проволочек. SRb = 130 мкм. Перепад серого < 20% от макс. на 9-й паре проволок

 

БПР измеряется в мкм и может принимать одно из следующих значений в мм: 0.05, 0.063, 0.08, 0.1, 0.13, 0.16, 0.2, 0.25, 0.32, 0.4, 0.5, 0.63, 0.8. БПР детектора без геометрического увеличения не может быть меньше размера пикселя. Следовательно лучше выбирать детектор таким образом, чтобы не приходилось прибегать к способу геометрического увеличения. Он требует дополнительного оборудования и затрат труда.

2. Отношение сигнал/шум — отношение среднего значения сигнала к стандартному отклонению сигнала (шуму). Чем больше сигнал, тем больше отношение сигнал/шум. Это происходит из-за того, что шум растёт медленнее, чем сигнал.

Для определения отношения сигнал/шум проводится экспозиция сварного шва на цифровой детектор. Вне околошовной зоны, в которой нет объектов, выделяется квадрат и на нём программно рассчитывается средний уровень серого и разброс значений. Чем больше отношение сигнала к величине разброса, тем лучше выявляемость дефектов.

Полученное значение делится на базовое пространственное разрешение. Деление на БПР необходимо поскольку чем больше площадь пикселя, тем больше отношение сигнал/шум. Это называется нормализованное отношение сигнал/шум. Именно к этому параметру предъявляются требования в нормативной документации.

 

 

 

 

 

Влияние шума на конечный сигнал

Режимы работы детекторов

Цифровые детекторы могут работать в нескольких режимах: накопления, накопления с усреднением и «видеорежим».

В режиме накопления детектор накапливает сигнал. По окончанию экспозиции полученная доза преобразуется в один кадр.

 

Накопление 1 кадр.
SNRn=37

Режим накопления с усреднением. Накопление 32 кадра. SNRn=200

Режим накопления с усреднением. Накопление 2048 кадров. Наложен фильтр

 


В режиме накопления с усреднением детектор делает несколько снимков с определённой длительность экспозиции. Затем, полученный сигнал в каждой точке усредняется по всем снимкам. Это делается для снижения влияния разнообразных шумов на снимок. К примеру, проводится экспозиция на 10 секунд, из 10 сек каждые 2 секунды делается отдельный кадр, а потом они усредняются. При неизменном уровне сигнала падает шум, а значит растёт отношение сигнал/шум. Это возможно только в плоскопанельных детекторах.

В «видеорежиме» детектор накапливает минимальную дозу для получения изображения и сразу делает новый кадр. Это позволяет отслеживать какие-либо процессы в динамике. Данный режим используется значительно реже режима накопления.

 

Виды корректировки изображений

Детектор может иметь собственный шум из-за неоднородности структурных элементов: пикселей, полос пикселей. Для учёта неоднородности детектора и снижения уровня собственных шумов существует ряд функций, которые позволяют повысить качество изображения.

К примеру, у детектора «Цифракон ТЛ 2923» есть функция корректировки битых пикселей. Разрешение детектора — 5800×4600, это почти 27 млн. пикселей. Некоторые из них со временем могут выйти из строя. Для того чтобы один отдельно взятый пиксель не портил изображение, разработана функция корректировки битых пикселей. Битый пиксель фиксируется и сигнал в этом пикселе заменяется усредненным сигналом с соседних пикселей.

Функции калибровки качественно отличают детекторы от плёнки и запоминающих пластин, так как там нельзя провести корректировку шума носителя изображения. Плёнка каждый раз новая, поэтому не получится сделать поправку на шум. При считывании пластины, её положение в сканере будет меняться. Из-за этого мы не сможем внести поправку.

Есть два варианта калибровки: корректировка нуля и калибровка по усилению. В первом случае детектор считывает сигнал, когда нет рентгеновского излучения. Полученные значения принимаются за нуль. Во втором — проводится тестовая экспозиция. Для этого перед детектором помещается стальная пластина, и делается снимок. До калибровки на изображении будет видна структура детектора в виде полос. После калибровки изображение уже будет однородным, так как для каждого пикселя будет введена собственная поправка по усилению.

 

Электроника детекторов

Большая часть свойств детектора зависит от электроники. Она отвечает за сбор и оцифровку сигнала с элементов матрицы. Чем меньше собственные шумы электроники, тем более точно сигнал передаётся на аналогово-цифровой преобразователь. Чем выше разрядность АЦП, тем меньше погрешность преобразований сигнала.

Экспозиция на плоскопанельный цифровой детектор GE DXR-250С-W. Объект контроля почти полностью закрывает собой детектор

Большая часть электроники состоит из полупроводниковых элементов. Они деградируют от рентгеновского излучения. А при контроле зачастую встречаются объекты, которые по своим габаритам не могут перекрыть ионизирующее излучение. Чтобы защитить электронику производители используют несколько способов.

Объект контроля — алюминиевое литьё. Литьё частично закрывает рабочую область детектора. Электроника детектора ничем не защищена

Часть цифровой системы Alpha Pro. Электроника расположена позади рабочей зоны детектора

Первый способ — защита электроники вольфрамовой пластиной. Конструктивно производители располагают электронику за рабочей зоной детектора. А перед ней размещают вольфрамовую пластину. Это вариант уменьшает высоту и ширину детектора, но увеличивает его массу. Этот принцип защиты применяется, в частности, на детекторах фирмы Varex, рассчитанных на большие энергии.

 

Часть цифровой системы RayzorX Pro. Электроника вынесена за рабочую зону детектора

Второй способ — вынесение электроники за рабочие зоны детектора. С одной стороны это увеличивает размеры, с другой — позволяет уменьшить дозовую нагрузку на электронику, убрав её из прямого пучка.



Третий способ — использовать специальные кожухи. Чтобы обезопасить управляющую электронику производители выпускают защитные кожухи. Они делаются с различной толщиной для достижения баланса между оптимальной степенью защиты и весом. Как правило, крепление кожуха к детектору осуществляется винтами.

Все детекторы работают в определённом диапазоне излучения. Минимальная энергия может составлять от 10 до 40 кэВ. Максимальная энергия варьируется от 160 кэВ до 15 МэВ. Для большинства детекторов максимальная энергия составляет порядка 300 кэВ. Если регулярно превышать максимально заявленный диапазон излучения, электроника детектора выйдет из строя.

Защитный кожух на детекторе
XRD 0822 АРЗ IND

Эффект «послесвечения»

Прямое воздействие рентгеновского излучения на детектор нежелательно. Детекторы на основе CMOS-матриц при прямом воздействии излучения энергии больше 160 кВ быстрее деградируют и теряют ресурс работы.

Детекторы на основе аморфного кремния могут выдерживать и большее прямое напряжение. Но при этом у детекторов со сцинтиллятором типа цезий-йод может наблюдаться эффект «послесвечения». Сцинтиллятор типа цезий-йод после окончания экспозиции может некоторое время светиться, что может отразиться на последующих снимках. Чтобы не было эффекта свечения лучше избегать прямого воздействия на детектор, либо выдерживать некоторое время между экспозициями.

 

Объект контроля — стальная пластина толщиной 10 мм с отверстием посередине. Первоначальный снимок

Снимок после смещения объекта контроля. На месте, где было отверстие наблюдается остаточное изображение

Снимок, сделанный без ионизирующего излучения. Изображение сформировано остаточным свечением сцинтиллятора после предыдущих экспозиций
 

Радиография головки рельса со стальными компенсаторами

 


К примеру, при контроле труб большого диаметра проблем не будет — труба полностью закроет детектор, и воздействие будет непрямое. При контроле объектов сложной формы придётся использовать компенсаторы — набор пластин, с помощью которых наращивается защита детектора от прямого излучения. При этом общая толщина листов должна быть схожа с толщиной объекта контроля.

Компенсаторы также помогают при работе с детекторами на основе CMOS-технологии. Они защищают полупроводниковые светочувствительные элементы от прямого рентгеновского излучения и позволяют избежать эффект «послесвечения» у детекторов с сцинтиллятором цезий-йод.

Для детекторов на основе TFT-матриц со сцинтиллятором типа GadOx компенсаторы не потребуются. Во-первых, этот тип матрицы не чувствителен к воздействию прямого рентгеновского излучения. Во-вторых у сцинтиллятора типа GadOx нет эффекта послесвечения.

 

Сочетание детекторов с тремя типами аппаратов

Плоскопанельные детекторы могут плохо работать с полупериодными аппаратами. При выводе изображения на снимках могут оставаться полосы. Они возникают из-за того, что считывание пикселей происходит полосами, а излучение от аппарата идёт импульсами. Эти процессы накладываются друг на друга, и некоторые полосы получают большую дозу, чем другие.

Снимок сварного шва на полупериодный аппарат ICM SITE-X. На изображении отмечаются слабые вертикальные полосы

Использование импульсных аппаратов даёт худшее качество изображения при просвечивании больших радиационных толщин. Это происходит за счёт значительной доли излучения с низкой энергией. Чтобы на каждый кадр приходилась одинаковая доза излучения необходимо дополнительно синхронизировать детектор и импульсный аппарат.

Плоскопанельные цифровые детекторы лучше всего работают с аппаратами постоянного потенциала из-за узкого спектра излучения и непрерывности излучения.

Дополнительное оборудование

В простейшем случае детектор напрямую подключается к ПК и питается от сети. Но также возможны и другие варианты. Например, передача информации может идти при помощи Wi - Fi модуля, который может быть как встроенным, так и вынесенным.

Питание также может осуществляться не только от сети, но и от аккумуляторов. К примеру, у комплекса Цифракон-М питание осуществляется с помощью двух аккумуляторов. При этом с помощью зарядного устройства можно поддерживать в рабочем состоянии дополнительные 6 аккумуляторов.

Также к детекторам могут поставляться различные устройства крепления.

 



 

 

 


Аккумуляторы и зарядное устройство детектора «ЦИФРАКОН»

  

Работа в полевых условиях

Технологические отверстия детектора «Цифракон ТЛ» повышают риск получения механических повреждений

В большинстве случаев плоскопанельные детекторы не противоударные. Также они не оснащены дополнительной защитой от внешнего воздействия. Такие детекторы применяются в стационарных условиях. Так у детектора «Цифракон ТЛ» в корпусе имеются технологические отверстия для циркуляции воздуха. При их использовании высок риск механических повреждений.

Для безопасной работы в полевых условиях детектор должен быть оснащён дополнительным внешним корпусом, защищающим от повреждений. Большим плюсом будет влаго- и пылезащита уровня IP67.

 

Нормативная документация

На данный момент есть два ГОСТа, регламентирующих использование цифровой радиографии. Первый — это ГОСТ Р ИСО 10893-7-2016. Второй —  ГОСТ ISO 17636-2-2017.

Последний вступил в силу в ноябре 2018 года. Он более подробно описывает работу с цифровыми плоскопанельными детекторами. В частности, там приведены схемы контроля, формулы вычисления расстояния от источника излучения до объекта контроля. Кроме того, там прописан размер участка, контролируемого за одну экспозицию.

 

Когда плоскопанельный детектор не поможет

Плоскопанельный детектор не поможет при многопоточном контроле. То есть при одновременном контроле нескольких объектов разными бригадами дефектоскопистов обойтись одним детектором не получится. Покупать детекторы на каждую бригаду затратно. В таком случае может быть выгоднее использовать рентгеновскую плёнку.

При контроле трубопроводов может сказаться отсутствие гибкости. Края детектора не будут плотно прилегать к трубе — чем дальше от центра, тем большее расстояние от детектора до трубы, тем большая нерезкость и геометрическое увеличение. Это может привести к тому, что часть изображения будет непригодна.

 

Программное обеспечение

Основная задача ПО — преобразование измеренных сигналов в уровень серого и формирование изображения. Программное обеспечение содержит фильтры, которые позволяют адаптировать уровень серого в каждой конкретной точке для получения лучшего контраста. Перераспределение уровня серого делает изображение более контрастным.

Программное обеспечение у детекторов схоже с ПО оцифровщиков запоминающих пластин: одинаковые фильтры для обработки изображений, функции измерения базового простарнственного разрешения и отношения сигнал/шум. Но у детекторов добавляется перечень функций: калибровка нуля, калибровка по усилению, задание длительности экспозиции и количество снимков для усреднения.

Распространённое ПО для цифровых детекторов: Rhythm RT, X-Vizor, DiSoft.

 

Стоимость

Детектор 15×15 см на аморфном кремнии с пикселем 150 мкм стоит около 1,5 млн. CMOS детекторы большого размера или детекторы на аморфном кремнии 43×43 см стоят около 5 млн.

 

Шпаргалка

  1. TFT+CsI — наилучшая чувствительность и наивысшая скорость получения снимка.
    Подойдёт для объектов большой толщины.
  2. CMOS+GadOx — наименьший размер пикселя и наилучшее качество изображения.
    Подойдёт для тонкостенных объектов и объектов повышенной важности.
  3. TFT+GadOx не нуждается в компенсаторах.