微纳CT系统探测器特性研究

发布时间：2017-05-08 09:17

  本文关键词：微纳CT系统探测器特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：具有微纳米三维空间分辨力的CT系统称为微纳CT系统(Micro-nano CT)。课题来自于国家重大仪器专项——微纳结构超微分辨计算机三维成像分析仪开发应用。本文以微纳CT系统的关键核心部件超高分辨力高灵敏度大像素矩阵探测器为研究对象,对低能X射线转换屏转换效率与空间分辨率、光耦合与传输、高分辨大矩阵光电转换器件等探测器特性开展研究。研究探测器特性对微纳CT系统的开发具有重要意义。本文分析并比较四种常用平板探测器的特点及局限,重点研究了适合微纳CT系统超高空间分辨力要求的闪烁屏光纤耦合CCD探测器的结构形式,探测器X射线转换屏、光纤光锥、高分辨CCD三个关键部件特性,以及部件之间的光谱匹配、尺寸匹配等问题。分析微纳CT系统常用闪烁体材料的特性并确定采用Cs I作为闪烁屏材料。通过理论分析建模与仿真,得出Cs I闪烁屏的X射线转换因子、调制传递函数(modulation transfer function,MTF)分别与闪烁屏厚度、衬底反射系数、X射线能量的关系,并据此设计闪烁屏参数。分析光纤的物理特性,重点研究光纤结构与光传导关系,完成光纤分别与闪烁屏、CCD耦合方案设计。研究所选用的CCD芯片KAF-8300的相关特性,详细分析其结构、工作原理、性能参数以及输出放大器等。完成CCD驱动系统总体方案设计,以及具体的软硬件设计。所设计的驱动系统包括时序脉冲产生和功率驱动两个关键模块。针对KAF-8300 CCD芯片的类型和特点,时序脉冲产生模块采用Altera公司的EP2C70F896C6 FPGA来完成,通过对其编程产生CCD工作所需的复杂驱动时序;功率驱动模块采用分立器件与集成功率器件相结合的方法设计,将FPGA产生的时序脉冲转换成CCD驱动要求的时钟电平。并完成系统程序调试及硬件调试,通过实际测试验证驱动系统能够使KAF-8300在28MHz的极限输出速率下正常工作,满足系统要求。本文在分析了微纳CT系统对探测器特殊要求的基础上,通过理论分析、建模和仿真得出了闪烁屏厚度及光纤耦合初步设计方案,完成了CCD选型及读出驱动系统设计,并提出了相应优化和改善措施,实现探测器系统各环节器件特性的匹配。本文完成的探测器特性研究为探测器的设计、优化以及关键部件选型提供理论分析、仿真计算以及实验验证,对微纳CT系统探测器的设计具有重要指导作用。
【关键词】：微纳CT 探测器 闪烁体 CCD
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R814;TP391.41
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 绪论9-13
• 1.1 课题背景9
• 1.2 课题研究现状9-11
• 1.3 课题研究内容及意义11
• 1.4 论文结构安排11-13
• 2 微纳CT系统探测器13-23
• 2.1 微纳CT系统简介13-14
• 2.1.1 微纳CT系统原理及特点13
• 2.1.2 微纳CT系统关键技术13-14
• 2.2 平板探测器的种类及特点14-17
• 2.2.1 非晶硅平板探测器14-15
• 2.2.2 CMOS平板探测器15
• 2.2.3 CCD平板探测器15-16
• 2.2.4 EMCCD平板探测器16-17
• 2.3 闪烁体光纤耦合CCD探测器17-21
• 2.3.1 探测器结构17-19
• 2.3.2 探测器工作原理19
• 2.3.3 探测器主要性能指标19-21
• 2.3.4 影响探测器性能指标的因素21
• 2.4 本章小结21-23
• 3 闪烁体光纤耦合CCD探测器特性分析23-51
• 3.1 闪烁体23-35
• 3.1.1 微纳CT系统常用闪烁体24
• 3.1.2 CsI闪烁屏24-25
• 3.1.3 闪烁屏荧光透过率分析25-30
• 3.1.4 闪烁屏X射线转换因子分析30-32
• 3.1.5 闪烁屏参数设计32-35
• 3.2 光纤35-41
• 3.2.1 光纤概述35-36
• 3.2.2 光纤物理特性分析36-38
• 3.2.3 光纤耦合设计38-41
• 3.3 面阵CCD41-49
• 3.3.1 面阵CCD原理41-42
• 3.3.2 面阵CCD分类及特性42-45
• 3.3.3 面阵CCD型号选择45
• 3.3.4 KAF-8300 CCD特性45-49
• 3.4 本章小结49-51
• 4 KAF-8300 CCD驱动系统设计51-65
• 4.1 KAF-8300 CCD驱动分析51-53
• 4.1.1 KAF-8300 CCD驱动原理51-52
• 4.1.2 KAF-8300 CCD驱动设计现状52-53
• 4.2 KAF-8300 的驱动需求53-55
• 4.2.1 KAF-8300 的驱动时序分析53-54
• 4.2.2 KAF-8300 的功率驱动分析54-55
• 4.3 KAF-8300 驱动系统设计55-64
• 4.3.1 驱动系统总体设计55-56
• 4.3.2 水平转移驱动和复位驱动设计56-59
• 4.3.3 垂直转移驱动设计59-60
• 4.3.4 电源模块设计60-61
• 4.3.5 偏置电压设计61-63
• 4.3.6 输出放大模块设计63-64
• 4.4 KAF-8300 驱动时序设计64
• 4.5 本章小结64-65
• 5 面阵CCD驱动系统测试结果分析65-75
• 5.1 程序调试65-66
• 5.2 硬件调试66-68
• 5.3 性能分析68-74
• 5.3.1 垂直转移驱动性能分析68-69
• 5.3.2 水平转移及复位驱动性能分析69-71
• 5.3.3 CCD输出信号测试及分析71-74
• 5.4 本章小结74-75
• 6 总结与展望75-77
• 6.1 论文总结75
• 6.2 课题展望75-77
• 致谢77-79
• 参考文献79-83
• 附录83
• A. 作者在攻读硕士学位期间受理专利目录83
• B. 作者在攻读硕士学位期间发表论文目录83

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