Давно чесались руки написать что-нибудь доброе и вечное о цифровой рентгенографии, коей занимаюсь уже как 5 лет. О себе – 12 лет в разработке железа. Начинал как конструктор, потом была схемотехника, разработка печатных плат, разработка документации, работа с ЧПУ, интеграция HW/SW, управление проектами, маркетинг. В общем – с миру по нитке.
Мы занимаемся разработкой и производством в РФ цифровых плоскопанельных рентгеновских детекторов для промышленности и медицины. Если кто забыл, что такое рентген – смотрим «Опыт рентгеноскопии в домашних условиях», «Самодельный рентгеновский компьютерный томограф», но не забываем про вред ионизирующего излучения во время домашних экспериментов.
Для кого все это нужно?
В первую очередь для медиков, это самый крупный рынок. Пленочный рентген изживает свой век, в крупных городах везде стоит цифра.
Во вторую – силовым структурам и безопасникам. В досмотровых сканерах используется детектор в виде узкой линейки, но когда необходимо получить высокое качество изображения, например при провозе запрещёнки в неожиданных местах человеческого организма или поиске закладок/жучков в оборудовании, используют плоскопанельный детектор.
В третьих – производственникам. Это контроль качества сварки, отливок, пайки металлов и монтажа электронных компонентов. Если сварка и отливки еще плотно сидят на аналоге, ибо стандарт по использованию цифрового рентгена вышел в РФ только в 2017 году, то серьезные операторы линий по монтажу плат имеют за душой рентгеновский контроль как-минимум BGA чипов.
Минутка истории
Первым регистратором рентгеновского излучения стала пленка, она выпускается в виде кассет разных размеров и чувствительности, принцип работы – реакция светочувствительного вещества на рентген и последующая проявка/усиление. Трудно, долго, ошибся в процессе экспозиции – узнаешь об этом после проявки.
Естественно природная лень толкала на поиск более удобного пути и им стала компьютерная рентгенография (CR). На входе имеем запоминающую фосфорную пластину, она сохраняет скрытое рентген изображение. Чтобы увидеть результат пластину помещают в оцифровщик, где ИК лазер сканирует всю поверхность, а фотосенсор фиксирует люминисценцию. Таким образом получают цифровое изображение и потом затирают предыдущее засветкой. Диаметр лазерного пучка (25-100 мкм) определяет разрешение системы. Проще чем аналог, но не моментально. Пластины хватает на несколько тысяч экспозиций.
Далее прогресс рождал различные системы моментального преобразования, например, усилитель рентгеновского изображения (УРИ). УРИ позволял работать в режиме реального времени, хоть и с искажениями. Принцип работы – на входе стоит люминофор (сцинтиллятор), порождающий видимый свет, который порождает на фотокатоде электроны, которые ускоряются и снова регистрируются люминофором, потом стоит линза и ПЗС сенсор. Непросто да? Одним из плюсов такой системы была возможность фокусировки электронного пучка и масштабирование изображения, минусы – геометрические искажения рентгенооптического преобразователя (РЭОП) и его размер. Весить это добро могло под 50 килограмм. Выглядит УРИ примерно так (видна ПЗС камера и громадина РЭОПа):
Следующий этап – детекторы на основе ПЗС матриц. Это уже современность, тот же сцинтиллятор, оптика и сам сенсор. Плюсы – высокое разрешение, от 2kх2k. Минусы – размер ПЗС сенсора порядка 2х2 см, вспоминаем фотоаппараты. Используется в микротомографии, как дешевый аналог плоскопанельных детекторов.
Наши дни
Почти все современные детекторы строятся на основе КМОП или TFT матриц, мы делаем на КМОП. Размер матрицы от 10х10 см до 40х40 см, что уже неплохо. КМОП матрицы меньше чем TFT, но пиксель 25-70 мкм. TFT при размерах 40х40 см имеют пиксель 130-200 мкм. Когда необходима высокая чувствительность (маммография, микротомография) обычно ставят КМОП, в остальных случаях TFT. Все сенсоры производит Азия.
Схема детектора изображена на рисунке. Рентгеновское излучение преобразуется в оптическое с помощью слоя сцинтиллятора. Так как КМОП-сенсор не очень любит ионизирующее излучение, отделяем его от люминофора волоконно-оптической плитой (ВОП). ВОП тоже не простая, а с добавками церия, чтобы не темнела со временем под рентгеном.
Как правило материал сцинтиллятора это йодид цезия (CsI) или оксисульфид гадолиния (GadOx). Отличаются они структурой, CsI это игольчатые кристаллы, по которым свет проходит как по волокну, GadOx – сплошной слой, в котором сильны эффекты рассеяния. Вот так выглядит кристалл йодида цезия:
Преобразование рентгена в свет и прохождение через толщу люминофора достаточно сложный процесс, играет всё: толщина, тип нанесения (кристаллы лучше растить сразу на ВОП), энергия излучения. Останавливаться на этом детально не буду, кто хочет узнать больше про чувствительность – читаем «X-Ray Detector Characterization — a comparison of scintillators». Грубо – до энергии 60 кВ используют GadOx, выше 100 – CsI, в серединке оба варианта. Для справки: маммография это диапазон от 20 до 40 кВ, обычная медицина от 50 до 150 кВ, промышленность от 150 до 450 кВ.
Да, совсем забыл, собирать все это добро в единый блок просто так нельзя, нужна чистая комната и оборудования для совмещения сенсоров с максимальной точностью, у нас получается уложиться в 1 пиксель.
В качестве протокола передачи данных часто используется GigE Vision/Genicam, так как в качестве физического уровня выступает гигабитный Ethernet. При большом размере матрицы и динамическом режиме работы его уже не хватает, приходится использовать Full CameraLink или оптоволокно.
В итоге детекторы выглядят так:
Снимать можно сварку, керамику, металпорошковую печать, платы с BGA чипами, лабораторных животных и делать томографию небольших объектов. Если кому интересно и есть свежие идеи по применению – пишите, будем рады.
Комментарии (50)
alex323
25.09.2018 21:42+1Для справки: маммография это диапазон от 20 до 40 кВ, обычная медицина от 50 до 150 кВ, промышленность от 150 до 450 кВ.
Насколько я знаю, в ядерной физике энергия измеряется в электронВольтах, а не в Вольтах. Соответственно выше должно быть не кВ, а кэВ.Sdima1357
25.09.2018 22:03+1Это жаргон. Дело в том что трубка на 120 кv имеет максимум излучения значительно ниже чем 120 кэв
Собственно говоря количество фотонов растет с падением частоты, потом низкоэнергетические компоненты поглощаюся материалом анода и оболочкой. Получается такой горбик спадающий к 120кэв
primogengrout Автор
25.09.2018 23:37+1Спектр при экспозиции в 120 кВ от медицинского излучателя выгляди примерно так:
"Sdima1357
25.09.2018 23:52Да спасибо, просто немного упростил и не стал упоминать к- edge, зависимость от угла, алюминиевые фильтры и прочие эффекты, которые интересны в CT и менее важны для обычных снимков.
Mad__Max
26.09.2018 01:41А за счет чего интенсивность излучения в более жесткой части спектра с фильтром вдруг становится выше чем начальная (без фильтра, пунктирная линия)?
Фильтры же только поглотить часть излучения могут. Ну еще рассеять — т.е. поглотить фотоны высоких энергий и переизлучить более низких.
Или тут помимо фильтров и мощность рентген трубки каждый раз меняется?Sdima1357
26.09.2018 02:16Судя по картинке каждый интеграл снормирован отдельно, то есть график качественный, а не количественный Когда делают снимок, управлять временем экспозии или током трубки довольно несложно, а вот со спектром сложности, хотелось бы иметь монохромный, а их сегодня компактных нет.
primogengrout Автор
26.09.2018 10:24+1График привел для справки, из моей статьи по двухэнергетической рентгенографии. Это моделирование. Все «интегралы» были нормированы по керме, так как условием было использование автоэкспонометрического контроля.
Для интересующихся есть хороший инструмент моделирования спектра рентгена
5oclock
25.09.2018 21:45"Пленочный рентген изживает свой век, в крупных городах везде стоит цифра."
А записать диск при этом фиг выпросишь.Nick_Shl
26.09.2018 16:40Вообще не понимаю зачем пишут на диски, если можно на флешку? Еще понятно когда обязательно надо отдать снимок пациенту а у того флешки с собой нет — диск просто дешевле.
Но если отдавать не обязательно, а пациент пришел с флешкой и просит на нее записать...dunkelfalke
26.09.2018 17:22Чужие флешки в медицинскую аппаратуру пихать это как случайный секс без резинки.
balexa
26.09.2018 17:33Даже если предположить, что у вас там правильно настроенное ПО с последними обновлениями и никакие вирусы вам не занесут, то кто будет отвечать, если вместо флешки у пациента окажется usb-киллер?
Nick_Shl
26.09.2018 18:09dunkelfalke, любую флешку совать это "секс без резинки". А флешки таки суют — хотя бы для снятия логов и разных данных. Сам лично принимал участие в работе над несколькими медицинскими устройствами, где предполагалось использование флешек докторами. Сделаны они были на QNX/Linux и запустить с флешки что-нибудь в принципе было не возможно — оператор имеет доступ только к GUI, а не к операционной системе.
balexa, для предотвращения такого нужна всего лишь коробочка с гальванической развязкой USB. Кроме того,все ходы записанывсе данные пациента имеются — ему самому дороже будет. Во-первых возмещать придется, во-вторых за такое может грозить статья.balexa
26.09.2018 18:22В теории это вполне возможно, конечно. Но это решается проще. Например я часто встречал в клиниках запускают диски через звонок в техподдержку. Т.е. врач вставляет диск, звонит по телефону и просит запустить.
А еще есть легаси, где стоит винда, где нет гальванической развязки и т.д. Понятно что все можно сделать, но зачем? Кейз когда пациенту надо записать на флешку довольно редок. Уж лучше бы единую медицинскую БД нормальную сделали.
dunkelfalke
26.09.2018 18:24+1Тоесть с одной стороны: специальная коробочка и гемор с потенциальным судебным разбирательство от которого ещё не факт, что будет какой-то толк, специальная операционная система.
С другой стороны: просто писать на компакт-диски, которые стоят копейки и архивируются намного лучше флешек.
Что-то даже мне второй вариант проще кажется.
sim2q
25.09.2018 23:14Ссылки в начале статьи — золотой фонд)
А вопрос такой — на сколько порядков (надеюсь) различается интенсивность излучения при контроле BGA пайки до гарантированного стирания FLASH памяти?Sdima1357
25.09.2018 23:29Думаю что несколько порядков. Коэффициент поглощения примерно пропорционален третьей степени заряда ядра. Кремний имеет относительно низкий атомный номер(количество протонов в ядре и соответственно электронов), а медь и припой высокие. То есть для необходимого контраста высокие дозы не нужны
primogengrout Автор
25.09.2018 23:31Конкретику по дозам для FLASH не знаю, в этой статье пишут про 200 кГр, рабочая доза для любого современного детектора — до 10-100 мкГр. Девяти порядков должно хватить;)
sim2q
26.09.2018 00:34Когда-то были полулярны микросхемы памяти с УФ стиранием. И их более дешёвая версия на тех же кристаллах, но без окошка. Было мнение, что их можно стирать в… ренгеновском кабинете. Партии у нас были маленькие, так что я так и не попробовал:)
Sdima1357
26.09.2018 00:50+1Я тоже слышал эти басни.Ультрафиолет поглощается кремнием, а для рентгена микроны кремния практически прозрачны, они в нем не застревают и не производят эффекта. И количество фотонов в единицу времени типичной рентгеновской трубки на порядки меньше уф лампы на том же расстоянии при той же мощности… КПД рентгеновских трубок намного меньше одного процента.и каждый фотон значительно «тяжелее»(то есть их тупо меньше на единицу энергии) То есть не дождетесь, у вас трубка раньше выйдет из строя. Так что это была неправильная легенда.
sim2q
26.09.2018 00:59Количество запоротых микросхем были единицы, а так — точно бы сходил для опытов:)
Sdima1357
26.09.2018 01:13Я думаю что без окошка были OTP с пережигаемыми перемычками. Так что вряд-ли бы вы их стерли рентгеном или еще чем нибудь :)
sim2q
26.09.2018 01:16С перемычками были, но мы ими не занимались, у них вроде как немного другие характеристики «прожига». А в случае «РФ» и «РТ» было все одинаково, вплоть до напряжения программирования..~21V
Sdima1357
26.09.2018 01:22Возможно Вы правы, Но тогда рентгена нужно очень много(синхротрон? Атомная бомба?) и неизвестно то-ли она сотрется то ли испортится.
pvvv
25.09.2018 23:37возможно и ошибаюсь, откуда именно цифры — не скажу (не помню), но флэш вроде бы может начать сбоить набрав единицы Грэй, то есть около сотни Рентген, характерные дозы на снимок, типа флюорографии — милиРентген. Микросхемы/печатные платы не столь прозрачны как легкие, так что там и энергии повыше да и дозы побольше могут быть.
но всё равно разница получается примерно 3-5 порядков.sim2q
26.09.2018 01:21Спасибо!
вспомнилось вот: habr.com/post/424407/?reply_to=19157671#comment_19157851
Goroshki
25.09.2018 23:31В теории это всё красиво)
Размер пикселя Вашего детектора озвучьте, пжл!
И вообще, Подробностей мало;)primogengrout Автор
25.09.2018 23:3150 мкм, подробности это уже будет рекламная статья, Хабр не одобряе
amarao
26.09.2018 02:09А почему нет сенсоров прямого действия? Так, чтобы заряд в матрице накапливался под воздействием рентгена? УФ так ловят, ИК так ловят, видимый свет так ловят. А что останавливает с рентгеном?
Если сцинтилятор может поглотить фотон и посветить, то почему специальный сенсор не может получить заряд от удара высокоэнергетического фотона?Dorogonov_DA
26.09.2018 10:27У нас просто нет материалов, которые являлись бы одновременно и полупроводниками, и достаточно «тяжёлыми» для взаимодействия с фотонами рентгеновского спектра. Обычный кремний для рентгена практически прозрачен, это хорошо видно, если посмотреть на рентгеноскопию микросхем.
Есть детекторы прямого преобразования на основе селена, но и они ограничены по энергии регистрируемых фотонов где-то до 150кэВ, и работоспособны в очень узком диапазоне температур — от 5 до 30 градусов Цельсия. Ещё есть детекторы на основе теллурида кадмия, они немного получше селеновых, но всё равно имеют ограничения.
При том, эффективность современных детекторов прямого преобразования — до 15%, а непрямой детектор со сцинтиллятором даёт эффективность порядка 30%.amarao
26.09.2018 11:55-1Странно, я открыл статью en.wikipedia.org/wiki/List_of_semiconductor_materials и вижу очень тяжёлые элементы:
Uranium dioxide
Lead(II) iodide
Iron disulfide
И ни один из тяжёлых не показывает фотоэффекта?Dorogonov_DA
26.09.2018 14:25+1Фотоэффект они показывают, для перекрытия всего актуального диапазона энергий тормозного излучения, используемого в распространённой современной технике, достаточно и фотоэффекта свинца, но свинец не является полупроводником — мы из него не можем сделать датчик на основе внутреннего фотоэффекта.
Не из всех материалов, являющихся полупроводниками с химико-физической точки зрения, мы можем сделать полупроводниковый прибор с приемлемыми параметрами.amarao
26.09.2018 16:23Я очень за пределами своих знаний тут, но гугль говорит:
www.sciencedirect.com/science/article/pii/0168900289913752
Semiconductor radiation detectors have been fabricated from melt grown crystals of lead iodide (PbI2) and the performance of these detectors as room temperature X-ray spectrometers has been measured. These detectors exhibit good energy resolution (915 eV FWHM for the 5.9 keV peak of 55Fe at 20°C). Preliminary results indicate they are more stable than HgI2 detectors and capable of operating at temperatures over 100°C.
vilgeforce
26.09.2018 09:57«в крупных городах везде стоит цифра.» — ах если бы. СПб, крупная больница, и только три пленки из девяти — цифра. Да еще и не захотели писать на носители :-(
Mad__Max
27.09.2018 01:10Да, даже в СПб и Москве еще куча мест где пленка осталась. А уже если «выехать за КАД»…
LevC
26.09.2018 16:49Сколько времени уйдет на просветку стыка магистральной трубы диаметром под 1,5 метра? ;)
primogengrout Автор
26.09.2018 17:08Наши партнеры делали автоматический сканер с нашим детектором, который по кругу трубу 1.4м объезжает с толщиной стенки 20мм стали. Суммарно у них выходило около 60-90 минут, но не могу поручиться полностью за эти данные
LevC
26.09.2018 18:57Полагаю, что мерный пояс с пленкой будут более устойчивы к полевым работам + одна экспозиция панорамником против кучи покадровых снимков на панель.
Так что у пленки еще долго не будет конкурентной альтернативы в дефектоскопии трубопроводов и прочего габаритного технологического оборудования. Еще несомненный плюс — гибкость.
Если к этому добавить стоимость одной панели и ограничения по рабочим температурам, то становится совсем всё грустно.primogengrout Автор
27.09.2018 10:24Если мы говорим о конкретно трубопроводе, то да, пока время нас ограничивает.
Температура эксплуатации -20 до +40, так что это не ограничение
bopoh13
26.09.2018 16:53Покажите местоположение чипов в картах с бесконтактной оплатой. По совету западных специалистов молоток не отключает NFC; хочу попробовать использовать керн.
Mad__Max
27.09.2018 01:19Банковской карты что-ли? Там чип только один (место — прямо под контактной площадкой, вроде почти по центру ее) и если его убить, то карта перестанет работать вообще — и бесконтактно и контактно.
Разве что магнитной полосой останется прокатывать. Но и в магнитной полосе где-то записан признак, что карта чипованная и большинство терминалов откажется проводить операцию по магнитной полосе видя, что карта с чипом и будет требовать связи с чипом.
Хотя керном можно попробовать перебить контакт от чипа к антенне «намотанной» внутри карты.
pavlick
26.09.2018 18:55я правильно понимаю, что применение таких сенсоров — это, если можно так выразиться, житейские приложения? Для научного использования не подходят? А то рассказывали мне истории, когда на покупку нормального цифрового рентгеновского регистратора иностранного производства не хватает выделяемого годового бюджета, а переносить с года на год нельзя. Ну а российских нет. Но там надо регистрировать жесткий рентген, а может даже и гамму.
eugeneb0
28.09.2018 00:16А можно ли довести чувствительность этого оборудования до такого уровня, чтобы снимать пейзажи в естественной радиации? Пусть с многочасовой экспозицией, пусть с разрешением хотя бы 50 на 50 точек?
Это у меня, собственно, давняя мечта. Я даже пару лет назад пытался такую камеру из обычной зеркалки соорудить. Снял все фильтры, на вход алюминиевую обскуру поставил (бериллия дома не держу). Толстой медью обернул от сторонней засветки. Но получил лишь то, что насчитал: чувствительности не хватает 1-2 порядков. У вас, однако, сцинтиллятор + размер «пиксела» вроде можно увеличивать в процессе считывания. Может, вытянет?
Javian
Интересно бы посмотреть примеры дифракции рентгеновских лучей в кристаллах.
DrZlodberg
А если бы кто-нибудь объяснил, как это дело расшифровывают — вообще шикарно. А то про методы определения структуры кристаллов и атомов ещё в школе рассказывают, но вот как именно понять, что ты там увидел — такого нигде не попадалось.
igruh
Берилл?
Javian
Да