Röntgenkameras für den industriellen Einsatz

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1 Röntgenkameras für den industriellen Einsatz Dr. Peter Schmitt, Rolf Behrendt Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen Am Wolfsmantel 33, Erlangen Dr. Norman Uhlmann Fraunhofer Entwicklungszentrum Röntgentechnik Dr.-Mack-Str. 81, Fürth Seite 1 Übersicht Flächenkamera vs. Zeilenkamera Industrielle Anforderungen Auswahlkriterien Flächenkameras - Flat panel Detektoren - XEye Zeilenkameras - Photodiodenzeilenkameras - TDI Zeilenkamera XScan Zählende, energiesensitive Technologie Seite 2

2 Matrixkamera vs. Zeilenkamera Zeilenkamera - Aufnahme in Bewegung - Vorteil: in großer Länge verfügbar -> für großformatige Objekte geeignet - Nachteil: kurze Belichtungszeit Matrixkamera - Objekt muss während Aufnahme ruhen - Vorteil: parallele Datenerfassung, im Vergleich zu Zeilenkamera wesentlich längere Belichtungszeit möglich - Nachteil: großformatige Kameras sehr teuer Seite 3 Auswahlkriterien für Röntgenkameras Prüfanforderung Entscheidender Parameter Hohe Wandstärkenunterschiede Dynamik Detailerkennbarkeit Pixelauflösung / CTF, Kontrastauflösung Sichere Erkennung kleiner Fehler Taktzeit Standzeit des Detektors Anzahl Pixeldefekte, Detailerkennbarkeit Bildwiederholrate / Zeilenfrequenz Empfindlichkeit / DQE Kameraformat Strahlungsstabilität, Burn-In, Image Lag Seite 4

3 Flat Panel Detektoren Röntgenstrahlung wird von Szintillator in sichtbares Licht umgesetzt, Nachweis durch lichtempfindliche (meist amorphe) Si-Schicht Lebensdauer bei hoher Energie durch Strahlenschäden begrenzt Bildformat bis ca. 40 cm x 40 cm Pixelgröße je nach Typ 50 μm bis 400 μm Dynamik bis ca : 1 Seite 5 Flat Panel Detektoren Halbleiter liegt direkt im Röntgenstrahlungsfeld Röntgenquanten Verkürzte Lebensdauer durch Schädigung des Halbleiters bei hohen Röntgenenergien Image Lag Burn In Pixeldefekte Prinzipieller Aufbau von flat panel Detektoren mech. Schutz Szintillator lichtempfindlicher Halbleiter Abschirmung Elektronik Seite 6

4 Image Lag Erstes Bild Zweites Bild ohne image lag Image Lag: Bild wird beim Auslesen nicht vollständig gelöscht Korrektur nur bei bekanntem image lag möglich Simulation: Zweites Bild bei 8 % image lag Simulation: Zweites Bild bei 15 % image lag Seite 7 Burn In Einprägen des Objekts in Dunkelbild Korrektur durch Dunkelbildabgleich Verlust an Dynamik Dunkelbild Seite 8

5 Röntgendetektor XEye Strahlungsstabil bis ca. 160 kev Kein Image lag / burn in Auflösung bis 50 μm 7 Bilder/s Aktive Fläche ca. 20 cm x 20 cm, Dynamik :1 (@ 400 μm) Belichtungszeit 1 ms bis 10 s Seite 9 Röntgendetektor XEye Aufnahmeprinzip Optische Abbildung eines Szintillatorschirms auf optische Kamera Nachteil: geringe Empfindlichkeit Vorteil: vollständige Abschirmung von Sensor und Elektronik vor Röntgenstrahlung möglich Seite 10

6 Röntgendetektor XEye Aufnahmeprinzip 1 Kamera: n-kameras: geringe Empfindlichkeit höhere Empfindlichkeit Seite 11 Röntgendetektor XEye Aufnahmeprinzip Gesamtbild wird aus mehreren überlappenden Teilbildern zusammengesetzt Seite 12

7 Röntgendetektor XEye Aufnahmeprinzip Korrektur von Überlappbereichen, Verdrehungen einzelner Sensoren, Vergrößerungsunterschieden Seite 13 Vergleich Flat Panel - XEye Flat Panel Detektoren + hohe Empfindlichkeit + Geringe Bautiefe - Pixeldefekte - Image lag / burn in - Standzeit unter Dauerbestrahlung XEye + Strahlungsstabil + Keine Pixeldefekte + kein image lag / burn in - Empfindlichkeit geringer (ca. Faktor 2) - Bautiefe ca. 32 cm - Gewicht Seite 14

8 Photodioden-Zeilenkameras Aufbau ähnlich flat panel Detektoren: Photodioden liegen im Strahlungsfeld Lebensdauer bei hoher Energie durch Strahlenschäden begrenzt Zeilenfrequenz bis 1700 Hz Scanbreite bis 1,2 m Pixelgröße je nach Typ 80 μm bis 1,5 mm Seite 15 TDI-Röntgendetektorzeile XScan Prinzipieller Aufbau ähnlich XEye Pixelgröße von 26 μm bis 6 mm Zeilenfrequenz bis 3000 Hz Scanbreite bis 1 m Strahlungsstabil bis ca. 160 kev Seite 16

9 TDI-Funktionsprinzip Ladungsbild wird auf CCD-Sensor objektsynchron verschoben Größere effektive Pixelfläche => Verbesserter Signal/Rauschabstand Objekt - bewegung Ladungstransfer Seite 17 TDI-Laminographie Tiefenschärfe abhängig von Laminographiewinkel Röntgenquelle Objekt Sensor Objektbewegung t 1 t 2 t 3 Ladungsvorschub (= Zeilentakt) Seite 18

10 TDI-Laminographie mit XScan Anwendung: Schichttrennung von z.b. Vorder und Rückseite einer Leiterplatte 2D-Röntgenbild: TDI-Röntgenbild: Seite 19 Vergleich Photodiodenzeilen - XScan Photodiodenzeilen + Spezialversionen mit sehr hoher Dynamik verfügbar - Bei hoher Geschwindigkeit sehr kurze Belichtungszeit - Zeilenfrequenz typ. 1 1,7 khz - Standzeit unter Dauerbestrahlung XScan + Strahlungsstabil + Dynamik ca : 1 + Zeilenfrequenz bis 3 khz + hohe Empfindlichkeit durch Mehrfachbelichtung (TDI-Prinzip) - Bei Tiefen Objekten Einschränkungen durch Laminographie - Effekt Seite 20

11 Einzelphotonenzähler / Energiesensitive Detektoren Tesafilm Stufenkeil: 8 kvp / 40 mas Medipix2-Detektor + kein Dunkelrauschen beliebig lange Belichtungszeit + kein Ausleserauschen beliebig hohe Dynamik + ideales lineares Ansprechverhalten + kein image lag + hohe Empfindlichkeit im Niedrigenergiebereich + Materialerkennung möglich (energiesensitiv) - Begrenzte Zählrate (ca. 1 MHz / Pixel) Seite 21 Zusammenfassung und Ausblick Wahl der optimalen Röntgenkamera für eine Anwendung hängt stark von den Anforderungen ab, eingehende Betrachtung des Gesamtsystems erforderlich. Auf dem Gebiet der industriell einsetzbaren Röntgenkameras wurden in den vergangenen 10 Jahren wesentliche Fortschritte erzielt Weitere Fortschritte durch zählende und/ oder energieauflösende Röntgenkameras zu erwarten Großformatige strahlungsstabile Röntgenkameras mit hoher Bildwiederholfrequenz z.b. für in-line CT in Vorbereitung Seite 22