Точная фильтрация для компенсации смещения детектора в компьютерной томографии с подсчетом фотонов

Точная фильтрация для компенсации смещения детектора в компьютерной томографии с подсчетом фотонов

Резюме

В КТ с подсчетом фотонов каждое рентгеновское событие группируется по энергии, поэтому небольшие пульсации смещения детектора сдвигают пороговые значения групп и изменяют измеряемый спектр. Детекторы с интеграцией энергии выдерживают пульсации смещения в десятки милливольт; детекторам с подсчетом фотонов требуется амплитуда 50–100 мкВ от пика до пика. В этой статье приводятся уравнения поля, ослабления и уровня шума, три проблемы фильтрации, встречающиеся в производстве, а также этапы проектирования компонентов и компоновки, позволяющие достичь целевого значения в микровольтах.

1. Введение

Детекторы с интеграцией энергии собирают свет от сцинтиллятора и суммируют заряды, поэтому выходной сигнал соответствует общей энергии падающего излучения. Такая архитектура допускает нестабильное напряжение питания, и пульсации в десятки милливольт редко изменяют конечное значение КТ.

В компьютерной томографии с подсчетом фотонов используются материалы прямого преобразования, такие как теллурид кадмия и цинка, кремний или глубокие кремниевые дрейфовые структуры. Каждый рентгеновский фотон создает электронно-дырочную пару, а интегральная схема на входе сортирует каждое событие по энергетическому порогу.

Заряд на фотон невелик, в диапазоне от десятков до сотен фемтокулонов. Поэтому любое возмущение на шине смещения усиливается, вызывая спектральный дрейф, флуктуации скорости счета и артефакты изображения. Доклинические исследования показывают, что пульсации выше 0.001% от рабочего напряжения ухудшают разрешение пика энергии детектора CdZnTe более чем на 5%.

В данной статье рассматривается фильтрующая цепь на входе детектора, уравнения, описывающие распространение пульсаций, три производственные проблемы и этапы проектирования, позволяющие поддерживать напряжение смещения в микровольтном диапазоне.

2. Основной механизм

2.1 Как пульсации смещения модулируют количество фотонов

Поле смещения разделяет электронно-дырочные пары, создаваемые каждым фотоном. Скорость дрейфа носителей заряда определяется следующим образом:

v_d = μ · E_bias / d

где v_d — скорость дрейфа в м/с, μ — подвижность носителей заряда в м²/(В·с), E_bias — напряжение смещения в вольтах, а d — толщина сенсора в метрах.

Пульсирующая составляющая на смещении изменяет поле на ΔE/E = ΔV/E_bias, что изменяет как время сбора данных, так и амплитуду индуцированного импульса. В результате происходит перемещение энергетических интервалов.

Относительное изменение числа фотонов, пересекающих пороговое значение, происходит вслед за тем же самым возмущением:

ΔN / N ≈ (1/N) · (dN/dA) · ΔA ∝ ΔV(t) / E_bias

где N — количество фотонов при пороговом значении, A — амплитуда импульса, V(t) — пульсация смещения в вольтах, а E_bias — напряжение смещения в вольтах.

При напряжении смещения 1,000 В пульсации в 1 мВ равны 1 ppm относительного возмущения. При коэффициенте усиления детектора 100 мВ/кэВ этого достаточно, чтобы сместить границу интервала уровня кэВ на счетный запас. Следовательно, амплитуда пульсаций должна оставаться ниже 50–100 мкВ.

2.2 Многоступенчатое LC-π затухание

В качестве входного источника смещения обычно используется многоступенчатый LC-π фильтр или линейный стабилизатор напряжения. Для двухступенчатой ​​π-цепи затухание составляет приблизительно:

|V_out / V_in| ≈ 1 / [ (2πf)⁴ · L_1 · L_2 · C_1 · C_2 ]

где f — частота пульсаций в герцах, L_1 и L_2 — последовательные индуктивности в генри, C_1 и C_2 — параллельные емкости в фарадах, а V_out / V_in — коэффициент затухания.

При частоте 5 МГц с L_1 = L_2 = 100 мкГн и C_1 = C_2 = 10 нФ расчетное затухание превышает 120 дБ. В реальных условиях устройство не достигает этого значения, поскольку эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) конденсаторов создают нули на высоких частотах. Диэлектрик класса I с коэффициентом диэлектрической проницаемости (DF) ниже 0.1% сохраняет емкостные свойства в мегагерцовом диапазоне, поэтому он предназначен для использования в последнем каскаде прецизионной π-цепи.

2.3 Диэлектрические потери и уровень теплового шума

Коэффициент рассеяния добавляет тепло и фазовые искажения при воздействии высокого напряжения и высокой частоты. Мощность потерь составляет:

P_loss = 2πf · C · V_rms² · tanδ_eff

где f — частота в герцах, C — емкость в фарадах, V_rms — среднеквадратичное напряжение на компоненте в вольтах, tanδ_eff — эффективный коэффициент рассеяния, а P_loss — мощность потерь в ваттах.

Микросхема емкостью 10 нФ и напряжением 1,000 В с коэффициентом усиления tanδ_eff = 0.2% при частоте 100 кГц и напряжении 700 В среднеквадратичного значения рассеивает около 6.16 Вт. Это тепло повышает температуру, что изменяет диэлектрическую проницаемость, а это, в свою очередь, изменяет потери.

Аналогичные потери приводят к возникновению шумового напряжения через эквивалентное параллельное сопротивление R_p = 1/(2πfC·tanδ):

V_n = √(4 · k · T · B · R_p)

где k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура в кельвинах, B — ширина полосы пропускания в герцах, R_p — эквивалентное параллельное сопротивление в омах, а V_n — шумовое напряжение в вольтах.

Оба параметра уменьшаются при уменьшении tanδ_eff. Таким образом, диэлектрик с низкими потерями является первым шагом к снижению уровня шума, предшествующим любым изменениям топологии фильтра.

Рис. 1 — Два LC-каскада с индуктивностью 100 мкГн и емкостью 10 нФ обеспечивают затухание 120 дБ на бумаге выше 5 МГц, что позволяет удерживать напряжение смещения детектора 1,000 В в пределах пульсаций 50 мкВ.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Целевое значение пульсаций относительно объема модуля.

Детекторный модуль размещается внутри вращающейся рамы или плоского панельного корпуса с очень небольшим свободным пространством. Большая емкость снижает низкочастотные пульсации, но объем высоковольтного конденсатора увеличивается с увеличением емкости. Пленочный элемент емкостью 100 нФ и напряжением 1,000 В может быть в пять-восемь раз больше по объему, чем керамический элемент того же номинала, и имеет более высокую индуктивность выводов.

В результате проектные группы жертвуют пропускной способностью ради размера, и возможности для следующего поколения ASIC-микросхем считывания исчерпываются.

Проблема 2: ток утечки со временем изменяет смещение.

Ток утечки протекает через делитель высокого значения и защитные резисторы, вызывая падение напряжения на них, поэтому фактическое смещение отклоняется от заданного значения. Детекторам на основе CdZnTe необходим ток утечки ниже наноамперного уровня. Конденсатор, пропускающий десятки наноампер, добавляет погрешность постоянного тока, которую калибровка не корректирует.

Утечка также возрастает с повышением температуры. Для керамического конденсатора она может удваиваться на каждые 10 °C. В результате длительные исследования перфузии приводят к отклонению от энергетической калибровки и появлению полосчатых артефактов.

Проблема 3: Частичный разряд приводит к износу детали во время эксплуатации.

Внутренние пустоты, заусенцы на электродах и дефекты герметизации вызывают частичный разряд. Каждое такое событие незначительно, но непрерывная бомбардировка приводит к износу диэлектрика. Затем сопротивление изоляции падает, и деталь может выйти из строя из-за короткого замыкания.

Если во время вращения выходит из строя источник смещения, весь набор данных за это вращение теряется. Поэтому емкость конденсаторов критического пути указывается при PD ≤ 5 пКл, и это значение относится к каждому устройству, а не к образцу.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использовать диэлектрик класса I на заключительном этапе фильтрации.

Выберите термокомпенсирующую керамику класса I с коэффициентом в пределах ±30 ppm/°C. Ее емкость очень мало изменяется при постоянном напряжении смещения, что позволяет удерживать полюс затухания там, где он был предусмотрен конструкцией. При напряжении смещения менее 1,000 В, N4700 Она теряет менее 2% своей емкости, в то время как компонент X7R может потерять более 40%.

На заключительном этапе используйте конденсаторы емкостью от 1 нФ до 47 нФ и устанавливайте на деталь номинальную мощность при напряжении, в 1.5–2 раза превышающем рабочее напряжение.

Стратегия 2: Снизить сопротивление электростатического и заземляющего проводников в схеме.

Разместите конденсатор прямо поперек линии смещения и аналоговой плоскости заземления, обеспечив кратчайший возможный обратный путь. Для компонентов поверхностного монтажа небольшой корпус снижает эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). Для компонентов с выводами используйте схему Кельвина или четырехпроводное соединение. Полезное правило: каждые 10 нГн дополнительной индуктивности контура приводят к затуханию примерно на 6 дБ на частоте 10 МГц.

В одной серии представлены как низкопрофильные варианты для поверхностного монтажа, так и варианты с радиальными выводами, поэтому компоновка может соответствовать пространству портала без изменения электрической схемы.

Стратегия 3: Регулирование после пассивного фильтра.

Если пассивная фильтрация не позволяет достичь уровня микровольт, добавьте высоковольтный линейный стабилизатор напряжения. Его остаточные пульсации составляют приблизительно:

V_ripple,out ≈ V_ripple,in / (1 + A_OL · β)

где V_ripple,in и V_ripple,out — входное и выходное пульсации напряжения в вольтах, A_OL — коэффициент усиления усилителя регулятора в разомкнутой цепи, а β — коэффициент обратной связи.

При A_OL = 80 дБ и β = 0.01 подавление достигает 40 дБ. Регулятор добавляет собственный шум, поэтому выберите малошумящий высоковольтный усилитель и установите небольшие керамические конденсаторы на опорном узле и выходном узле.

Стратегия 4: Охраняйте землю и аналоговый возврат.

Цифровые схемы считывания и аналоговый источник смещения часто используют одну плату, и цифровые помехи переключения достигают шины смещения через паразитные емкости. Соедините цифровые и аналоговые заземления в одной точке, добавьте синфазный дроссель на входе смещения и подключите вывод заземления конденсатора к аналоговой звездообразной точке. Эти три шага снижают синфазные помехи на 20–30 дБ и расширяют полезный диапазон фильтрующей цепи на одну декаду.

Стратегия 5: Проверка на старение, протекание и выделения.

Емкость и потери изменяются с температурой, поэтому контролируйте температуру конденсатора с помощью терморезистора и регулируйте заданное значение смещения. Для каждого устройства необходимо провести 100% тестирование на старение при высоких температурах и проверку на частичные разряды (ЧР), после чего запросить отчет. Отчет о проверке при ЧР ≤5 пКл при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное, позволяет отличить медицинские компоненты от промышленных.

Стратегия 6: Совместное проектирование цепи смещения с использованием резисторов и диодов.

Делительные резисторы, токоограничивающие резисторы и защитные диоды находятся в одной цепи смещения. Резисторы HVRGXP со стеклянным покрытием Обладают низким коэффициентом напряжения и низким уровнем шума, поэтому образуют тихую RC-цепь поглощения с керамическими конденсаторами. Применение: HVR-BSP толстопленочные резисторы где делитель требует плоского элемента с низкой индуктивностью.

Для защиты от скачков напряжения используйте быстровосстанавливающиеся диоды которые подавляют обратные переходные процессы до того, как они достигнут диодной матрицы внутри резервуара.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для питания смещения детектора подсчета фотонов.

Фильтр смещения должен удерживать целевое напряжение в микровольтах, при этом сам компонент должен оставаться холодным, иметь минимальные утечки и не разряжаться. Компания HVC производит компоненты N4700, отвечающие этим четырем требованиям, на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Эффективность диэлектрических потерь (DF_eff) составляет менее 0.1% на частоте 1 кГц и менее 0.3% на частоте 100 кГц при высоком напряжении. Низкие потери снижают как диэлектрический нагрев, так и тепловой шум, что и позволяет достичь целевого значения в 100 мкВ.
• Стабильность емкости. Частота полюса π-фильтра изменяется менее чем на ±2% в диапазоне рабочих температур, поэтому энергетическая калибровка остается неизменной.
• Частичные разряды не превышают 5 пКл при номинальном напряжении и 100% экранировании. Керамический состав, формирование кромок электродов и вакуумная эпоксидная заливка предотвращают возникновение разрядов в готовом изделии.
• Низкий ток утечки. Сопротивление изоляции выше 10 ГОм при 500 В постоянного тока обеспечивает достаточно малое падение напряжения на делителе для детектора из CdZnTe.
• Широкий диапазон корпусов и номинальных параметров. Значения от 1 пФ до десятков нанофарад и номинальное напряжение от 1 кВ до 50 кВ доступны в вариантах для поверхностного монтажа, с радиальными выводами и с винтовыми клеммами.
• Координированные компоненты. Резисторы HVRGFP и HVRGXP с покрытием из стекла. HVR-BSP Толстопленочные резисторы, высоковольтные диоды и фильтрующие модули, изготовленные на заказ, можно заказать по одной и той же спецификации.

Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам Murata Серия высоковольтных кабелей DHS и DHR, Vishay HVCC и TDK с выводами, что сокращает время квалификации. В тех случаях, когда конструкция сохраняет пленочный конденсатор На грубой стадии обе стадии могут происходить из одного порядка.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а изготовленные на заказ фильтрующие модули — в течение 6–10 недель, в то время как для указанных выше брендов этот срок составляет 20–30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в выборе топологии фильтра, расчете уровня шума, анализе компоновки и разработке планов скрининга частичных разрядов.

Укажите напряжение смещения, целевое значение пульсаций, предел утечки, доступный объем и тип детектора. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист соответствия с номерами деталей, данными о коэффициенте заполнения и утечке, отчет о проверке частичных разрядов и комплект для оценки двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какой уровень пульсаций смещения может выдерживать детектор подсчета фотонов?

Поддерживайте амплитуду пульсаций ниже 50–100 мкВ. Предел определяется шириной бина: ΔN/N ∝ ΔV/E_bias, поэтому при напряжении смещения 1,000 В пульсации в 1 мВ соответствуют 1 ppm относительного изменения поля. При коэффициенте усиления 100 мВ/кэВ это сдвигает границу бина уровня кэВ на видимую величину. Детекторы с интеграцией энергии выдерживают десятки милливольт, поэтому требования меняются в зависимости от типа детектора.

В2: Почему измеренное затухание не соответствует расчетному значению?

Поскольку эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) конденсаторов создают высокочастотные нули, которые не содержатся в идеальной формуле LC-π, формула |V_out/V_in| ≈ 1/[(2πf)⁴ · L_1 · L_2 · C_1 · C_2] предполагает идеальные компоненты. В аппаратной реализации ESL последнего каскада устанавливает верхний предел. Необходимо поддерживать низкую индуктивность контура и использовать диэлектрик класса I, сохраняющий емкостные свойства в мегагерцовом диапазоне.

В3: Как потери в конденсаторе влияют на уровень шума?

Есть два способа. P_loss = 2πf · C · V_rms² · tanδ_eff нагревает деталь, а тепло снова изменяет диэлектрическую проницаемость и потери. Те же потери определяют параллельное сопротивление R_p = 1/(2πfC·tanδ), которое создает тепловой шум через V_n = √(4kTBR_p). Если убрать tanδ_eff, оба члена сойдутся, поэтому выбор диэлектрика стоит на первом месте.

Вопрос 4: Какой ток утечки допустим?

Достаточно низкое значение, чтобы падение постоянного тока на делителе оставалось ниже уровня калибровки энергии. Детекторы на основе CdZnTe работают при уровне утечки в наноамперах. Измеряйте утечку при рабочей температуре, а не при комнатной, поскольку утечка в керамике может удваиваться на каждые 10 °C. Уточняйте сопротивление изоляции при номинальном напряжении и в верхней части температурного диапазона.

В5: Нужен ли дополнительный регулятор напряжения после LC-π фильтра?

Только там, где пассивная сеть не может достичь цели. Линейный регулятор подавления пульсаций снижает их на 1/(1 + A_OL·β), поэтому при коэффициенте усиления в разомкнутой цепи 80 дБ и коэффициенте обратной связи 0.01 он добавляет 40 дБ подавления. Он также добавляет собственный шум, поэтому следует сохранить пассивные каскады, которые удаляют низкочастотные составляющие, и использовать регулятор для подавления остаточных шумов.

Вопрос 6: Как предотвратить появление цифровых помех на шине смещения?

Соедините цифровую и аналоговую земли в одной точке, добавьте синфазный дроссель на входе смещения и верните землю конденсатора к аналоговой звездообразной точке. Эти три шага снижают синфазный шум на 20–30 дБ. Они практически не занимают места на печатной плате и расширяют полезный диапазон фильтрующей цепи на десятилетие, поэтому выполните их до добавления дополнительных емкостей.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-54, Медицинское электрооборудование — Часть 2-54: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам рентгеновского оборудования для рентгенографии и рентгеноскопии.Женева: МЭК, 2018.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. А. Будиаф, С. Буазабиа, Н. Харид и М.Л. Амрани, Аналитический расчет порога частичного разряда в газовой полости внутри изоляции высоковольтного кабеля.Электротехника, том 104, № 2, стр. 555-565, 2021. https://doi.org/10.1007/s00202-021-01310-9
8. Использование низких напряжений для проверки высоковольтных конденсаторов (ток утечки).Форум сообщества EEVblog по электронике, https://www.eevblog.com/forum/testgear/using-low-voltage-levels-to-test-hv-capacitors-leakage-current/ .
9. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
10. Технические заметки по проектированию и надежности конденсаторов (указатель, включая информацию о периоде возникновения дуги, коронном разряде и влиянии компоновки печатной платы на отказы при высоком напряжении), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/tech-notes/capacitors-all/ .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com