用于X 射線瞬時成像的像增強器自適應頻控研究?

王 賀，常峻瑋，汪 智，3，尚瑞瑞，母一寧

(1.吉林交通職業技術學院交通信息學院，吉林 長春 130130；2.長春理工大學重慶研究院，重慶 400020；3.深圳市精智華醫療科技有限公司，廣東 深圳 518107；4.長春蓋爾瑞孚艾斯曼汽車零部件有限公司，吉林 長春 130013)

當上世紀初，X 射線波前被物質輪廓調制后，通常用膠片存貯其空間成像信息。該射線成像系統的核心部件射線增感屏與現今使用的光陰極十分類似，兩者的主要區別在于射光轉換與射電轉換[1]。由于熒光分子和乳膠分子非常小，膠片成像的分辨率極高[2]，但這種成像模式很難實現動態信息采集并且非常不利于后續的圖像處理。在此基礎上，線陣/面陣X 射線光電傳感器成像于上世紀末被廣泛應用于醫學檢測，并且也成為了當下最為主流的X 射線成像手段[3]。然而，PIN 結器件結構作為X 射線二維光電陣列的基本組成單元，成像系統X 射線的輸出功率提出了很高的要求，并且面陣X 射線光電傳感器的幀頻通常較低，所以在工業領域X 射線低輻射劑量以及高速信息采集場合，這種經典的二維面陣X 射線光電傳感器便很難滿足瞬時成像的特定需求。X 射線像增強器作為一種典型的瞬時微光成像器件，在超低X 射線劑量檢測方面優勢明顯，并且組成其核心部件，碘化銫光電陰極、微通道板的瞬時成像響應時間均小于亞納秒量級[4]。只要通過更換熒光顯像材料，X射線像增強器的瞬時成像能力完全可以達到微秒量級[5]，完全可以滿足工業領域對低劑量瞬時X 射線無損探傷的特殊需要。然而，絕大多數物質對X 射線波前調制能力相對較弱[6－7]，對于X 射線投影成像而言其對比度天生不為1，進而導致X 射線成像對噪聲天生非常敏感，實際的成像效果通常遠低于系統理論計算值。雖然采用相襯成像等技術手段可以有效緩解成像調制度過低問題[8－9]，但末端X 射線像增強器的工作狀態對成像的對比度也起到非常關鍵的作用，因此本文針對X 射線像增強器瞬時成像系統，提出了一種自適應頻控技術以提升X 射線成像的最終分辨效果。

1 射線像增強器空間光學傳遞模型

X 射線像增強器的工作原理如下:X-Ray 穿透被測物體后照射到碘化銫(CSI)光電陰極上誘發外光電效應并激發出真空自由光電子，自由光電子在電場作用下轟擊微通道板(Microchannel Plate，MCP)并產生大量倍增電子云。大量倍增電子云在強電場作用下轟擊熒光屏實現電光轉換。在實際X射線像增強器設計時，光陰極自由電子的牽引電場通常很小，所以光陰極可以與微通道板呈現近貼式安裝結構，其空間光學傳遞模型如下所示:

式中:L1為光電陰極到微通道板的距離，V1為光電陰極與微通道板之間的電壓差，M1為光電陰極發射電子初始能量，因為光電陰極是蒸鍍在微通道板之上，L1的距離幾乎可以忽略，且電子產生之初就進入微通道板通道孔內，因此R1對整個系統的成像干擾一般可以不在考慮范圍之內。

從光電陰極出射的電子數量極少、能量低，不足以轟擊熒光屏成像，因此需要通過微通道板對電子進行倍增。微通道板是由內壁含高電子發射系數材料的鉛玻璃管制成，玻璃管的直徑為2 μm，集合在一起成為微通道管面陣，微通道板兩端加有高壓，當陰極出射的電子通過一定角度入射到微通道板輸入端時，由于其內壁涂層材料的特殊屬性，撞擊在管壁材料上的電子將在材料和管壁電壓的作用下由一個激發出多個，再由被激發出的電子撞擊在內壁上以同樣的原理再次激發電子，通過以上步驟的多次重復，最終實現電子的倍增作用，如圖1 所示。

在理想情況下微通道板中的每個微通道管的增益值β 基本相同，但是在實際情況中，由于工藝的原因，微通道板中每個微通道管的β 值會存在一定差別，最終的成像效果在熒光屏表面會存在一定的隨機噪聲，具體的成像噪聲效果如圖2 所示。

圖2 像增強器X 射線成像噪聲效果

因此其本身的結構參數必然對最終所顯示的XRay 圖像清晰度造成影響，對于微孔直徑為d，相鄰距離為s的微通道板，其極限分辨率表達式為:

另外，由于熒光屏的顯示效果主要受顯示涂層對光線的散射干擾，干擾值取決于顯示涂層的厚度、結構及工藝條件。通常顯示涂層的分子非常小，當材料尺寸小于5 μm 時，顯示圖像的成像細節度可達120 LP/mm 以上。但是由于電子彌散半徑的存在，以及微通道板與熒光屏之間存在一定距離，所以從微通道板到最終進行可見光顯示部件之間的限制因素不能被忽略，它們之間的細節識別度滿足公式:

式中:L2為微通道板(MCP)倍增后的出射一側到熒光屏的距離，V2為微通道板(MCP)與熒光屏兩者間所加的電壓，M2為微通道板(MCP)出射面的電子輸出能量。綜上所述，在整個像增強器中主要包括陰極、R1、微通道板(MCP)、R2和熒光屏這五個對整體分辨率存在約束的限制因素，但是由上述討論可知，陰極、R1和熒光屏對整體分辨率的影響小，故可以忽略不計，因此最終對圖像識別度起影響因素的為微通道板(MCP)和顯示部件之間的限制，設像增強器的成像識別度為R，則其滿足公式:

整理得:

又因為像增強器的約束函數為:

由上式可知，像增強器的約束條件受結構、工藝等其他各方面因素的影響很大，在本系統所用像增強器的對比度為0.2～ 0.3 時，其理論分辨率為35 LP/mm，令L2＝2.0 mm，M2＝2.5 eV，V2＝5 000 V，代入上式則可得本文所選用的X 射線像增強器的理論圖像識別度約為18.6 LP/mm。然而，在實驗環境中，用本文顯微成像系統去標定上述X 射線像增強器的空間光學傳遞特性，其實驗結果與理論分析存在較大差距，具體實驗結果如圖3 所示?？梢?，被測物質不同時，X 射線像增強器收到的X 射線劑量存在明顯差別。當被測物質原子序數較低時，X 射線像增強器將被大量的X 射線轟擊并進入飽和狀態，進而由于過高的電子增益能力致使X 射線成像的對比度大幅下降。加上X 射線成像天生對比度較低這一先天不足，導致最終的成像效果與器件的理論光學傳遞模型存在極大差距。為了解決這一技術問題，根據X 射線像增強器的飽和狀態自適應控制其電子倍增特性對提升系統的整體成像效果十分重要。

圖3 2.0 LP/mm 鉛柵的X 射線成像效果

3 X 射線像增強器自適應頻控模型

作為一個理想電流源，X 射線像增強器的陽極負載會因接收X 射線劑量發生劇烈變化。飽和后的X射線像增強器陽極電流會使理想電流源的電流特性失效，進而導致整個X 射線像增強器驅動電源的最佳開關諧振頻率隨陽極電流變化而動態改變。所以與傳統的開關電源相比，X 射線像增強器的門控電源如果選用固定開關震蕩頻點，其電源的能量利用率也會隨負載變化而變化，這會直接影響整個器件的工作效率。對此，本文提出了一種基于零電壓震蕩頻率反饋的像增強器電源自適應頻控模型。利用零電壓切換電源拓撲結構的自適應諧振頻率，鑒別陽極負載變化作為背景光光強的反饋，對電源進行門控調整。這種自適應門控電源結構屬于簡單且可靠的模擬電路系統，在可以獲得較高自適應門控帶寬的同時，還可以彌補數字系統在射線強輻射環境下工作的魯棒性。具體自適應頻控電源模型如圖4 所示。

圖4 像增強器的零電壓跟蹤頻率震蕩電路拓撲

當MOS 管Q1開始由截止轉為導通時，Q1漏極壓降趨于接近0 V，諧振網絡的電容C1電壓最小，震蕩電流I1開始對電容C1充電并且電容C1上兩端壓降上升。隨著電容C1的不斷充電，震蕩回路中的電流I1逐漸降低，此時MOS 管Q2漏極電壓達到最大值。當電容C1完成充電后開始反向放電，此時電流開始升高，Q1、Q2漏極電壓下降。最終Q2漏極電壓會逐漸下降進而Q1柵極電壓下降直至Q1管截止，此時Q1漏極電壓與Q2柵極電壓上升，Q2導通。根據上述過程，該諧振電路實現了自適應互補型交互，此時MOS 管Q1、Q2的互補開關頻率f0應與電感L1的值有關，其對應關系如下所示:

由于存在帶有中心抽頭變壓器作用，輸出繞阻的負載還會對開關頻率造成影響。此時將變壓器副邊阻抗折算至原邊，其回路總阻抗值為:

式中:ω0為并聯諧振角頻率；n為變壓器主副線圈匝數比。若外界光照變強等效為電流IP變大，進而輸出負載R5降低，此時輸出繞阻諧振網絡品質因數Qout下降。

進而改變輸入繞阻端電感L1的特性間接影響輸入網絡諧振頻率，從而完成自適應頻率跟蹤。當取虛部時，電路諧振頻率變為:

可見，當外X 射線輸入劑量hν明顯變大時，圖4 中微通道板組電壓增益將趨于飽和，此時輸出的陽極電流IP較強，從工程角度來看其電流變化一般在30 nA 至30 μA 之間，整個諧振網絡的自激震蕩頻率也要隨之改變，以保證整個微光夜視系統電源的能量利用率達到最佳。當X 射線像增強器處于非強飽和條件下，即圖4 中光電陰極接收到的射線劑量較弱時，陽極熒光屏上表面和微通道板組下表面之間的真空部分與熒光屏整體可視為等效電流源(其等效內阻約為100 000 MΩ)。但是隨著外界射線劑量hν的增大，陽極電流IP隨之增大，等效負載R5會降至100 MΩ，此時理想電流源的特性失效。由于式(10)中等效負載R5的改變導致整個諧振網絡的最佳諧振頻率f′也發生改變，所以該零電壓震蕩頻率拓撲結構能夠通過等效負載R5的變化實時改變諧振網絡的頻率f′對應關系，達到頻率自適應跟蹤的效果。使用自適應頻控后的X 射線成像整體效果如圖5 所示。對比采用本文提出的自適應頻控技術前后相同分辨率條件下的成像，如圖6 所示。

圖5 自適應頻控后的成像效果

圖6 最終成像對比效果

3 結論

為解決X 射線瞬時成像系統中X 射線透射劑量過強導致成像對比度下降問題，引入了一種可以根據頻率變化自適應改變微通道板組電源電位的門控技術。通過在MCP 和陽極熒光屏兩端分別搭建零電壓震蕩頻率電路，將陽極諧振網絡的頻率信號反饋至微通道板組，控制MCP 電壓增益進而使陽極熒光屏穩定成像。分析了零電壓震蕩頻率反饋電路的頻率與等效負載變化關系，提出適用于像增強器源電路的頻率自適應跟蹤原理。通過開展X 射線瞬時對比成像實驗，驗證了本文所提出的自適應頻控模型對成像分辨率提升效果明顯。