Masaüstü x-ışını görüntüleme sisteminin dizaynı ve üretimi

Endüstriyel amaçlı kullanılan numunelerin (boru, tekerlek, cep telefonu, çanta, vb.) iç yapılarının görüntülenmesi on yıllardır önemini koruyan bir konudur. X-ışını radyografisi denilen, X-ışınlarının madde içinde sogurulmasını temel alan görüntüleme, numunelerin iç yapısını görüntüleme konusunda en yaygın kullanılan yöntemdir. Genellikle vakum tüp içerisinde üretilen X-ışınlarının, görüntülenecek numune içerisindeki farklı bölgelerde, farklı oranlarda sogrulması sonucunda, gelen X-ışınlarının şiddeti, numuneyi terk ederken belli oranlarda degişir. Bu değişim, numunenin ardına yerleştirilen algılayıcılar sayesinde algılanarak, numunenin gözle görülmeyen iç yapısı hakkında bilgi taşıyan X-ışınları dagılımı, görünür hale dönüştürülür. Algılayıcılar arasında, kimyasal işlemler sonunda görüntü oluşturan filmler, anında görüntü veren iki boyutlu, yüksek piksek sayısına sahip dijital ışıldayıcı ekranlar, CCD, CMOS, amorf silikon gibi yarıiletken malzeme tabanlı sensör dizilerinden oluşan sistemler bulunmaktadır. Görüntüleme işlemi iyonlaştırıcı radyasyon kullanılarak yapıldıgından, medikal görüntüleme ve endüstriyel görüntüleme işlemlerinde gereksinimler ve kısıtlamalar degişiklik gösterir. Medikal görüntülemede mümkün olan en az dozla, en kısa sürede en yüksek çözünürlüklü, istenilen bölgenin görüntülenmesi esastır. Bununla birlikte endüstriyel görüntülemede ise doz ve zaman kısıtlamaları, medikal görüntülemeye göre daha esnektir. Ancak doz ve zaman kavramlarındaki artışın, görüntülemenin maliyetini artıracagı açıktır. Endüstriyel numunelerin görüntülenmesinde esas amaç yüksek çözünürlüklü ve düşük maliyetli görüntülemedir. Piyasada satılan X-ışını görüntüleme sistemleri genelde CCD veya CMOS sensörler kullanmaktadır ve bu konu ile ilgili literatürde çok az sayıda PIN fotodiyot bazlı çalışma bulunmaktadır. Bugüne kadar üretilen X-ışını görüntüleme cihazlarının yüksek maliyetli oluşu temel olarak, görüntüleme sistemlerinde kullanılan sensör ve sensör dizilerinin üretim maliyetinin yüksek olmasından kaynaklanmaktadır. Bunun yanında X-ışını üretimi ve kararlılıgı için üretilen cihazların ileri malzeme ve teknolojisi gerektirmesi maliyetlerin artmasına sebep olmaktadır. Tez kapsamında üretilen görüntüleme sisteminin maliyeti 1000 USD 'nin altında tutulmuştur. Bu çalışmada üretilen sistemin ticari benzerlerine göre son derece düşük maliyetli olması çalışmayı bu yönüyle özgün kılmaktadır. Bahsedilen fiyatlarda bir dijital X-ışını görüntüleme sistemin kullanılabilir hale getirilmesi, nükleer görüntüleme alanında önemli bir gelişme olacaktır. Bu tez konusu kapsamında, son derece ucuz, kolay bulunabilen bir Si-PIN fotodiyot olan BPW-34 temelli bir X-ışını görüntüleme sistemi dizayn edilmiş ve üretilmiştir. Kaynak olarak kullanılan X-ışınları CEI OX/70-P dişçi tüpü ile elde edilmiştir. Tüpün anot beslemesi için kendi dizaynımız olan ±20 kV yüksek gerilim saglayabilen güç kaynagı kullanılmıştır. X-ışını fotonlarının, fotodiyodun ara (intrinsic) bölgesinde meydana getirdigi küçük akım, laboratuvarımızda dizayn edilen ve üretilen bir yük hassas önyükseltici ile gerilime dönüştürülmüş ve sonrasında bir şekil kuvvetlendirici ile genliği artırılmıştır. İki boyutlu bir pozisyon tarayıcı yardımıyla objenin hemen arkasına yerleştirilen detektör biriminin pozisyonu degiştirilerek tarama işlemi gerçekleştirilmiştir. Aessent AES220B FPGA ve Arduino modülü yardımıyla data USB üzerinden bilgisayara aktarılmış ve veri gri ölçek siyah-beyaz resme dönüştürülmüştür. X-ışını görüntüleme cihazlarında kullanılan güç kaynakları 5-6000 kV arasında yüksek gerilim ve 0.1-100 mA aralıgında akım sağlayabilme özelliklerine sahiptir. Tez kapsamında üretilen görüntüleme sistemi, çanta, cüzdan gibi kişisel eşya içerigi veya cep telefonu, saat gibi görece küçük ve iç yapısının görüntülenmesinde yüksek enerji ve şiddette X-ışını gerektirmeyecek numuneler için dizayn edilmiştir. Bu amaçla kullanılacak görüntüleme sistemimiz için, kullandıgımız X-ışını tüpüne kararlı gerilim ve akım saglayabilen bir güç kaynağı dizayn edilmiş ve görüntüleme çalışmlarında kullanılmıştır. X-ışını üreteci olarak CEI OX/70-P diş röntgeni uygulamalarında kullanılan X-ışını tüpü kullanılmıştır. Bu tüp 70 kV gerilim ve 8 mA lik akım degerlerinde AC veya DC modda çalışabilen, tungsten anotlu, cam kaplamalı, bir X-ışını tüpüdür. CEI OX/70-PX-ışını tüpü, sıcak katot (filament beslemeli) modunda çalıştıgından, filament gücü, yüksek gerilim güç kaynagından ayrı bir güç ünitesi olmak üzere bir varyak kullanılarak saglanmıştır. Tüpün çalışması için gereken anot-katot arası yüksek gerilim, 0-40 kV ayarlanabilir bir güç kaynagı üretilerek sağlanmıştır. Çift trafo ve çift kaskat sisteminin kullanıldıgı, simetrik gerilim üretebilen (±20 kV) yüksek gerilim güç kaynagının üretilmesi, elektrik izolasyonu konusunda önemli kolaylık saglamıştır. Yüksek gerilim güç kaynağı temel olarak, sinyal genişlik modülatörü (PWM), seri baglı transformatörler ve izolasyon transformatörü, Villard kaskat voltaj yükseltici birimlerinden oluşmaktdır. CEI OX/70-P X-ışını için tüp akımı en fazla mA mertebesinde olacagından, PWM ünitesinde tek MOSFET barındıran yapı tercih edilmiştir. Bu PWM ünitesinde saat sinyali basit bir NE555 devre tasarlanarak saglanmıştır. Bir DC güç kaynağı ile beslenen PWM, MOSFET yardımıyla seri baglanmış transformatörleri anahtarlama görevini yapmaktadır. CEI OX/70-P tüp için gerekli yüksek gerilim, simetrik olarak uygulandığından, negatif kutup için ve pozitif kutup için ayrı transformatörler kullanılmıştır. Bu transformatörler piyasada kolaylıkla bulunabilen, 220VAC şebeke gerilimini 12, 18, 24, 36, 48 VAC değerlerine düşürebilen 25 W lık transformatörlerdir. CEI OX/70-P X-ışını tüpü ile yüksek gerilim altında çalışıldığı durumlarda, şebekeye geri dönüş akımları ile karşılaşılmıştır. Tüp filamentinin uçları arasındaki gerilim 2.5 V olmasına ragmen, filamentin uçlarının topraga göre 20000 V değerinde oluşu bu durumun sebebi olarak değerlendirilmiştir. Filament beslemesi için kullanılacak bir izolasyon transformatörü dizayn ederek bu durumun önüne geçilmiştir. Yüksek gerilim güç kaynagı için üretilen kaskat yükselticiler için kullanılan diyotlar ileri yönde voltaj düşümü az olan hızlı çalışan yüksek gerilim diyotlarıdır. Bu diyotlar için birçok deneme yapılmış ve sonunda 15 kV 'luk piyasadan kolaylıkla temin edilebilen T75A diyotları kullanılmıştır. Kapasitör olarak 8 kV, 10 nF MKP (Metalized Polypropylene) kullanılmıştır. Yüksek gerilim ünitesindeki açık kablolar ve sivri uçlar, etrafındaki havayı hızlıca iyonize ettiginden, bu bölgeler güç kayıplarına neden olmaktadır. Bu nedenle bu bölgelerin yalıtılması son derece önemlidir. Kaskat unitesi, hazırlanan kalıp içerisine epoksi reçine dökülerek havadan tamamen izole edilmiş ve elektriksel yalıtım saglanmıştır. Yüksek gerilim ünitesinin simetrik çıkış verebilmesi için, voltaj katlayıcı ünitelerden iki adet üretilmiştir. Sonuç olarak negatif (-20 kV) ve pozitif (+20 kV) yüksek gerilim iki farklı katlayıcı ünitesinden elde edilmiştir. Görüntüleme işlemi, numunenin hareketsiz bir tutucu üzerine sabitlenerek, BPW-34 Si-PIN fotodiyot tabanlı detektör biriminin, numuneden geçen X-ışınlarını belirli pozisyonlarda algılamasından ve bu verinin analiz edilmesinden oluşmakadır. Detektör birimi tek bir BPW-34 fotodiyottan oluştuğundan, iki boyutta hareket edebilen, motor kontrollü X-Y eksenli tabla dizayn edilmiştir. Tablanın hangi yönde ve ne kadar hareket edecegi, Mach3 kontrol programı ile belirlenmiştir. Genel olarak taramalar, bir başlangıç noktasından itibaren belirlenen adım aralıklarında tablanın ilerletilmesi şeklinde yapılmıştır. Tablanın belirlenen pozisyonlardaki X-ışını sayımları bilgisi, dizayn edilen detektör ve veri aktarma birimi yardımıyla bilgisayara aktarılmaktadır. X-Y eksenli tablanın hareketi, detektörün kaydettigi sayımlarla senkronize olmalıdır. Bunun için tabla bir adım ilerlediginde, detektör sayım almaya başlamakta, tablanın takip eden hareketine başladıgı anda, detektör sayım değeri bilgisayara aktarılarak sıfırlanmakta ve yeni pozisyon için sayım başlatılarak işlem devam etmektedir. Tablanın eksenleri en küçük yerdegiştirmesi 30 µm olan sonsuz miller üzerinde hareket etmektedir. Bu durum, görüntüleme sisteminin uzaysal çözünürlügünün 30 mikron oldugu anlamına gelmektedir. Tablanın her pozisyon değiştirmesi durumunda detektör verisinin bilgisayara aktarılıp, sıfırlanması ve detektörün kendisini yeni gelen veriye hazırlaması gerekmektedir. Detektör birimi, dijital ve analog sinyal çıktısı verebilmektedir. Görüntüleme oluşturma çalışmalarında dijital sinyal çıktısı öncelikle tek detektör kullanılarak Arduino Mega yardımıyla bilgisayara aktarılmıştır. Sinyallerin aktarma ve sıfırlama işlemlerinin motor hareketiyle senkronizasyonu, basit bir lojik devre dizayn edilerek saglanmıştır. X ve Y motorlarının hareket etme anında, motor sürücü devredesindeki aktif olan sinyal her iki motor için de belirlenip 74LS32 (OR) mantık devresine giriş olarak verilmiştir. Böylece herhangi bir motorun hareket ettigi durumlar bu sinyal kullanılarak belirlenmiştir. Ancak bu sinyaller mikrosaniye mertebesinde oldugundan işlenmesi kolay degildir. Bu zorluk bir sinyal genişletici lojik devresi ile çözülmüştür. NE555 ve 74LS04 entegre devreleri kullanılarak dizayn edilen bu devre sinyallerin milisaniye mertebesine genişletilmesini saglanmıştır ve bu sinyal Arduino birimine dijital giriş olarak tanıtılmıştır. Tarama alanı bölgesinde alınan veri kaydedildikten sonra görüntü oluşturma kodu geliştirilmiş ve veri gri ölçek (0-255) görüntüye dönüştürülmüştür. Tarama işlemi, veri algılama aşamasında tek detektör kullanıldıgından görece uzun sürmektedir. Örneğin, 5 cm × 5 cm lik bir tarama alanı, 200 µm adım aralıklarında ve her adımda 1 saniye beklenilmesi durumunda 17 saat sürmektedir. Tüpün tipik çalışma voltajı olan 70 kV tan çok daha düşük 30 kV gerilimlerde ve 5 µA tüp akımlarında çalışıldıgında, sürenin uzun olması, anotta önemli sıcaklık artışlarına ya da tüpte herhangi bir olumsuzluğa sebep olmamıştır. Bununla beraber uzun çalışma süresi, tüpe uygulanan voltajda zamanla meydana gelebilecek degişimlerin olasılığını artırmıştır. Bu durum, görüntü oluşturma algoritmasında, ikinci bir detektörle monitöre ettigimiz, tüpten direkt gelen X-ışınlarının sayımlarındaki degişiklikler göz önüne alınarak düzeltme faktörü olarak eklenmiştir. CEI OX/70-P X-ışını tüpünden üretilen ve numuneden saçılarak dogrultu değiştiren fotonların, oluşturulşan gri ölçek görüntü üzerindeki etkilerini en aza indirmek için detektörün hemen önüne basit bir kolimatör yerleştirilmiştir. Kolimatör, 2.5 mm kalınlıgında alüminyum levha üzerinde 1 mm lik delik açılarak oluşturulmuş ve detektörün aktif bölgesinin tam ortasına yerleştirilmiştir. Böylece X-ışınlarının bu delikten geçerek detektöre ulaşması sağlanarak, numune içerisinde saçılmaya ugrayarak gelen X-ışınlarının detektöre ulaşması büyük oranda engellenmiştir. Tez konusu kapsamında üretilen X-ışını görüntüleme cihazı kullanılarak altı farklı numune için radyografi görüntüleri elde edilmiştir. Görüntülerdeki fonun bir biçim olmayışı, üretilen X-ışınlarının şiddetindeki küçük değişimleri göstermektedir. Bu değişimlerin kaynağının, yüksek gerilim kaynağındaki voltaj dalgalanmaları, tüp akımını saglayan varyak ve izolasyon transformatöründeki akım-voltaj değişimleri gibi etkenler olduğu sonucuna varılmıştır. Saatler mertebesindeki uzun görüntüleme süreleri boyunca, sistem kararlı çalışmış ancak yine de meydana gelen degişiklikler görüntüyü etkilemiştir. Fon düzeltmesi için, donanımsal degişiklikler yerine, bir başka BPW34 tabanlı detektör birimi kullanılmıştır. Numuneden geçmeden detektöre ulaşan X-ışınlarının şiddetinin kaydedilmesi ve görüntü oluşturma algoritması içerisine düzeltme faktörü olarak kullanılması sonucunda, fondaki şiddet degişimleri büyük oranda ortadan kalkmıştır. BPW34 Si-PIN fotodiyotlar, tez kapsamındaki görüntüleme çalışmalarında kullanılan X-ışını enerjilerinde (20-30 keV) düşük verime sahiptir. Işıldayıcı kristal kullanımı, radyasyon detektörlerinin verimini artırmada kullanılan en önemli etkendir. CsI kristali bu baglamda, görece düşük maliyeti, üretim kolaylığı, etkin sinyal oluşturma hızı ve duyarlılığı bakımlarından avantaj sağlar ve detektör sistemlerinde yaygın bir şekilde kullanılır. Tez kapsamında çalışılan bir diğer konu da dikine Bridgman tekniği kullanılarak CsI kristalinin büyütülmesi olmuştur. Üretilen dijital görüntü verisinin birden fazla detektör yardımıyla alındığı durumda, tüm detektörlerden aynı anda bilgisayara ya da bir saklama birimine transfer edilmesi için FPGA birimi ile çalışılmıştır. Dört BPW34 Si-PIN fotodiyot tabanlı detektör ünitesi yanyana getirilerek oluşturulan düzenekteki her bir detektör veri FPGA yardımıyla bilgisayara aktarılmış ve detektör sayımları degerlendirilmiştir. Işıldayıcı kristal büyütme ve bunun lineer bir detektör serisine entegre edilip, örneklerin iç yapısını temsil eden sinyal bilgisinin FPGA birimi ile aktarılması sonucunda dijital X-ışını görüntüsü oluşturma çalışmaları, bu tezi bir adım ileriye taşımak için yapılacak gelecek çalışmalar olarak değerlendirilmiştir.