我国建成世界上首台实用的高能高分辨率CT系统,且分辨率达到10 Lp/mm,该系统被命名为“精卫”。这一消息一经发布,立即引发业内广泛关注,因为这一全自主可控高分辨力高能CT的研制成功,对发展国内高端设备具有重要意义。

作为最有效的无损检测手段之一,高能 CT在国防、航空航天、核能核电、高铁交通等 行业的大型构件和大型装备精密检测方面具备重要应用价值。

目前,常规高能 CT 系统普遍采用工业电子加速器产生的毫米量级横向尺寸的电子束打靶产生焦斑尺寸1～2毫米的轫致辐射 X 射线源,空间分辨率限制在 3.5 Lp/mm(线阵探测器)和 2 Lp/mm(面阵探测器),阻碍了其在高端装备上的进一步应用。

随着国际形势的发展和我国综合国力的增强,对自主可控的高空间分辨率高能CT的需求日趋迫切。

从物理本质上看,提升高能CT的空间分辨率需要从提升X射线源品质(射线源焦斑尺寸)以及探测器性能(探元尺寸)两个方面着手。

“精卫”装置测试结果:(a)双丝像质计DR成像测试,可清晰分辨13D 号丝(丝直径 0.05 mm);(b)自研分辨率测试卡CT 成像测试,可清晰分辨 10 lp/mm (50 μm 调制度≥12.5%);(c)CT系统 7 h长时剂量稳定性 1.6%(标准差/平均值)。

比如,美国ColoSSIS系统便是通过提升探测器性能来提升高能CT的空间分辨率的典型代表,其采用焦点尺寸约1.5mm的9MeV加速器,探测器像素做到30 μm,CT整机系统分辨力为150～200 μm。

为进一步提升CT系统的空间分辨力,中国工程物理研究院应用电子学研究所提出基于光阴极高品质电子源的高能微焦点X射线源的创新性技术路线,同时联合国内优势单位研制国产高分辨率X射线光学探测系统,最终建成分辨率达到10 Lp/mm的世界上首台实用的高能高分辨率CT系统。

这里提别要介绍一下中国工程物理研究院应用电子学研究所高亮度光阴极电子源团队。他们一直致力于高平均功率、高亮度电子源及应用研究,先后承担了国家 863 计划重大专项课题,科技部国家重大科学仪器设备开发专项,国家自然科学基金课题等数十项课题的研究工作,创造了多个国内“首个”。比如,首个光阴极微波电子枪、首个磁压缩器、首个GaAs半导体光阴极直流高压电子枪、首个超导加速器驱动的自由电子激光装置等。该团队先后获得国防科技工业一等奖、国际发明展览会金奖、四川省科技进步奖等多项荣誉,并于2018年获得“2018年度国防科技工业十大创新任务(团队)”。

团队负责人、中国工程物理研究院应用电子学研究所副总师、黎明研究员,是一名加速器专家,主要从事加速器、自由电子激光和辐射成像等领域科学研究,主持国家重大科学仪器设备开发专项、863计划项目等多项研究工作。

高分辨CT和常规CT的实际检测结果的差异。

据了解,该项目针对高能微焦点X射线源的需求专门设计了高重复频率、高能微焦点电子加速器,他们研究了高占空比光阴极微波电子枪、高稳定性高量子效率的半导体光阴极、先进辐射转换靶等关键内容,结合物理设计以及实验结果,确定了实现最大能量>9 MeV、焦斑尺寸小于100 μm的高能微焦点X射线源。

针对高分辨率探测器的要求,团队开展大幅面、高一致性X转换屏的研究,深入研究了材料制备、拼接工艺对闪烁体转换屏分辨率和发光效率的影响。

还开展了高精度、高效率X射线光学探测系统研究,掌握分辨率可调的光学成像技术、低噪声CCD信号读出技术以及图像畸变矫正等关键技术。

他们设计了适用于X射线光学探测系统的CT重建程序,发展针对性的图像降噪算法以及偏置扫描技术,满足精确、快速重建图像的需求。

据悉,该项目采用了高重复频率、高能微焦点电子加速器,能够兼具常规工业电子直线加速器高剂量率以及光阴极加速器电子束高品质的优点,使得高能X射线源在获得大剂量率同时焦斑尺寸较常规高能CT减小10~20倍。结合本征分辨率可达~50 μm的探测器技术,CT整机的空间分辨率达到10 Lp/mm,将公开报道的高能CT系统的分辨率提升了3倍。得益于电子直线加速器能量方便可调的优势,项目研制的高能微焦点CT系统可以实现6~15 MeV X射线能量快速可调,且在高能工况下X射线源尺寸能够进一步减小,空间分辨能力能够进一步提高。

目前,项目研制完成至今已经稳定运行超过500小时,为国内多家单位的疑难杂件进行了检测工作,均取得了令人欣喜的结果,让人看到了以往常规高能CT看不清、低能微焦点CT看不透的缺陷。

黎明研究员带领的科研团队研制出自主可控的高能微焦点CT系统,实现了我国高能微焦点CT系统从无到有的突破,同时创造了高能CT系统空间分辨率新的世界纪录。 该项目已获得专利 6件,软件著作权1项,形成工艺文件 3 项,为我国发展自主可控的高能微焦点CT系统提供了技术支持和知识产权保障。

(作者：胡月）