Цифровой рентген: от альфы до гаммы +51



Привет Хабр!

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.

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (50):

  1. Javian
    /#19156933

    Интересно бы посмотреть примеры дифракции рентгеновских лучей в кристаллах.
    image

    • DrZlodberg
      /#19158449

      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.

  2. alex323
    /#19157343 / +1

    Для 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
      /#19157407 / +1

      Это 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
        /#19157689 / +1

        Спектр при экспозиции в 120 кВ от медицинского излучателя выгляди примерно так:
        "

        • Sdima1357
          /#19157749

          Да 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
          /#19157957

          А 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
            /#19158007

            Судя 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
              /#19158717 / +1

              График 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

  3. 5oclock
    /#19157357

    "Пленочный рентген изживает свой век, в крупных городах везде стоит цифра."
    А записать диск при этом фиг выпросишь.

    • Nick_Shl
      /#19160889

      Вообще 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
        /#19161155

        Чужие флешки в медицинскую аппаратуру пихать это как случайный секс без резинки.

      • balexa
        /#19161213

        Даже 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
        /#19161433

        dunkelfalke, 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 записаны все данные пациента имеются — ему самому дороже будет. Во-первых возмещать придется, во-вторых за такое может грозить статья.

        • balexa
          /#19161527

          В 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
          /#19161545 / +1

          Тоесть 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.

  4. sim2q
    /#19157611

    Ссылки 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
      /#19157661

      Думаю 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
      /#19157671

      Конкретику 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
        /#19157851

        Когда-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
          /#19157875 / +1

          Я 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
            /#19157895

            Количество запоротых микросхем были единицы, а так — точно бы сходил для опытов:)

            • Sdima1357
              /#19157915

              Я думаю что без окошка были OTP с пережигаемыми перемычками. Так что вряд-ли бы вы их стерли рентгеном или еще чем нибудь :)

              • sim2q
                /#19157917

                С 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
                  /#19157927

                  Возможно Вы правы, Но тогда рентгена нужно очень много(синхротрон? Атомная бомба?) и неизвестно то-ли она сотрется то ли испортится.

    • pvvv
      /#19157695

      возможно 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.

  5. Goroshki
    /#19157673

    В теории это всё красиво)
    Размер пикселя Вашего детектора озвучьте, пжл!
    И вообще, Подробностей мало;)

    • primogengrout
      /#19157677

      50 мкм, подробности это уже будет рекламная статья, Хабр не одобряе

  6. amarao
    /#19157997

    А 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
      /#19158747

      У 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
        /#19159213 / -1

        Странно, 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
          /#19160035 / +1

          Фотоэффект 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
            /#19160783

            Я 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.

  7. vilgeforce
    /#19158629

    «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
      /#19162995

      Да, даже в СПб и Москве еще куча мест где пленка осталась. А уже если «выехать за КАД»…

  8. latonita
    /#19158765

    А сделайте рентген загранпаспорта с биометрией!) где там она спрятана?)

  9. LevC
    /#19160941

    Сколько времени уйдет на просветку стыка магистральной трубы диаметром под 1,5 метра? ;)

    • primogengrout
      /#19161059

      Наши 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
        /#19161715

        Полагаю, 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
          /#19163961

          Если мы говорим о конкретно трубопроводе, то да, пока время нас ограничивает.
          Температура эксплуатации -20 до +40, так что это не ограничение

  10. bopoh13
    /#19160979

    Покажите местоположение чипов в картах с бесконтактной оплатой. По совету западных специалистов молоток не отключает NFC; хочу попробовать использовать керн.

    • Mad__Max
      /#19163007

      Банковской 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.

  11. pavlick
    /#19161703

    я 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.

  12. harlong
    /#19162899

    Снимок шиншиллы (тушканчика?) «недобитый». )))

    • Ryppka
      /#19164023

      На мой взгляд ангиографиста — безбожно перебитый) И что?

  13. eugeneb0
    /#19167851

    А 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?