用于X 射线瞬时成像的像增强器自适应频控研究∗

王 贺，常峻玮，汪 智，3，尚瑞瑞，母一宁

(1.吉林交通职业技术学院交通信息学院，吉林 长春 130130；2.长春理工大学重庆研究院，重庆 400020；3.深圳市精智华医疗科技有限公司，广东 深圳 518107；4.长春盖尔瑞孚艾斯曼汽车零部件有限公司，吉林 长春 130013)

当上世纪初，X 射线波前被物质轮廓调制后，通常用胶片存贮其空间成像信息。该射线成像系统的核心部件射线增感屏与现今使用的光阴极十分类似，两者的主要区别在于射光转换与射电转换[1]。由于荧光分子和乳胶分子非常小，胶片成像的分辨率极高[2]，但这种成像模式很难实现动态信息采集并且非常不利于后续的图像处理。在此基础上，线阵/面阵X 射线光电传感器成像于上世纪末被广泛应用于医学检测，并且也成为了当下最为主流的X 射线成像手段[3]。然而，PIN 结器件结构作为X 射线二维光电阵列的基本组成单元，成像系统X 射线的输出功率提出了很高的要求，并且面阵X 射线光电传感器的帧频通常较低，所以在工业领域X 射线低辐射剂量以及高速信息采集场合，这种经典的二维面阵X 射线光电传感器便很难满足瞬时成像的特定需求。X 射线像增强器作为一种典型的瞬时微光成像器件，在超低X 射线剂量检测方面优势明显，并且组成其核心部件，碘化铯光电阴极、微通道板的瞬时成像响应时间均小于亚纳秒量级[4]。只要通过更换荧光显像材料，X射线像增强器的瞬时成像能力完全可以达到微秒量级[5]，完全可以满足工业领域对低剂量瞬时X 射线无损探伤的特殊需要。然而，绝大多数物质对X 射线波前调制能力相对较弱[6－7]，对于X 射线投影成像而言其对比度天生不为1，进而导致X 射线成像对噪声天生非常敏感，实际的成像效果通常远低于系统理论计算值。虽然采用相衬成像等技术手段可以有效缓解成像调制度过低问题[8－9]，但末端X 射线像增强器的工作状态对成像的对比度也起到非常关键的作用，因此本文针对X 射线像增强器瞬时成像系统，提出了一种自适应频控技术以提升X 射线成像的最终分辨效果。

1 射线像增强器空间光学传递模型

X 射线像增强器的工作原理如下:X-Ray 穿透被测物体后照射到碘化铯(CSI)光电阴极上诱发外光电效应并激发出真空自由光电子，自由光电子在电场作用下轰击微通道板(Microchannel Plate，MCP)并产生大量倍增电子云。大量倍增电子云在强电场作用下轰击荧光屏实现电光转换。在实际X射线像增强器设计时，光阴极自由电子的牵引电场通常很小，所以光阴极可以与微通道板呈现近贴式安装结构，其空间光学传递模型如下所示:

式中:L1为光电阴极到微通道板的距离，V1为光电阴极与微通道板之间的电压差，M1为光电阴极发射电子初始能量，因为光电阴极是蒸镀在微通道板之上，L1的距离几乎可以忽略，且电子产生之初就进入微通道板通道孔内，因此R1对整个系统的成像干扰一般可以不在考虑范围之内。

从光电阴极出射的电子数量极少、能量低，不足以轰击荧光屏成像，因此需要通过微通道板对电子进行倍增。微通道板是由内壁含高电子发射系数材料的铅玻璃管制成，玻璃管的直径为2 μm，集合在一起成为微通道管面阵，微通道板两端加有高压，当阴极出射的电子通过一定角度入射到微通道板输入端时，由于其内壁涂层材料的特殊属性，撞击在管壁材料上的电子将在材料和管壁电压的作用下由一个激发出多个，再由被激发出的电子撞击在内壁上以同样的原理再次激发电子，通过以上步骤的多次重复，最终实现电子的倍增作用，如图1 所示。

在理想情况下微通道板中的每个微通道管的增益值β 基本相同，但是在实际情况中，由于工艺的原因，微通道板中每个微通道管的β 值会存在一定差别，最终的成像效果在荧光屏表面会存在一定的随机噪声，具体的成像噪声效果如图2 所示。

图2 像增强器X 射线成像噪声效果

因此其本身的结构参数必然对最终所显示的XRay 图像清晰度造成影响，对于微孔直径为d，相邻距离为s的微通道板，其极限分辨率表达式为:

另外，由于荧光屏的显示效果主要受显示涂层对光线的散射干扰，干扰值取决于显示涂层的厚度、结构及工艺条件。通常显示涂层的分子非常小，当材料尺寸小于5 μm 时，显示图像的成像细节度可达120 LP/mm 以上。但是由于电子弥散半径的存在，以及微通道板与荧光屏之间存在一定距离，所以从微通道板到最终进行可见光显示部件之间的限制因素不能被忽略，它们之间的细节识别度满足公式:

式中:L2为微通道板(MCP)倍增后的出射一侧到荧光屏的距离，V2为微通道板(MCP)与荧光屏两者间所加的电压，M2为微通道板(MCP)出射面的电子输出能量。综上所述，在整个像增强器中主要包括阴极、R1、微通道板(MCP)、R2和荧光屏这五个对整体分辨率存在约束的限制因素，但是由上述讨论可知，阴极、R1和荧光屏对整体分辨率的影响小，故可以忽略不计，因此最终对图像识别度起影响因素的为微通道板(MCP)和显示部件之间的限制，设像增强器的成像识别度为R，则其满足公式:

整理得:

又因为像增强器的约束函数为:

由上式可知，像增强器的约束条件受结构、工艺等其他各方面因素的影响很大，在本系统所用像增强器的对比度为0.2～ 0.3 时，其理论分辨率为35 LP/mm，令L2＝2.0 mm，M2＝2.5 eV，V2＝5 000 V，代入上式则可得本文所选用的X 射线像增强器的理论图像识别度约为18.6 LP/mm。然而，在实验环境中，用本文显微成像系统去标定上述X 射线像增强器的空间光学传递特性，其实验结果与理论分析存在较大差距，具体实验结果如图3 所示。可见，被测物质不同时，X 射线像增强器收到的X 射线剂量存在明显差别。当被测物质原子序数较低时，X 射线像增强器将被大量的X 射线轰击并进入饱和状态，进而由于过高的电子增益能力致使X 射线成像的对比度大幅下降。加上X 射线成像天生对比度较低这一先天不足，导致最终的成像效果与器件的理论光学传递模型存在极大差距。为了解决这一技术问题，根据X 射线像增强器的饱和状态自适应控制其电子倍增特性对提升系统的整体成像效果十分重要。

图3 2.0 LP/mm 铅栅的X 射线成像效果

3 X 射线像增强器自适应频控模型

作为一个理想电流源，X 射线像增强器的阳极负载会因接收X 射线剂量发生剧烈变化。饱和后的X射线像增强器阳极电流会使理想电流源的电流特性失效，进而导致整个X 射线像增强器驱动电源的最佳开关谐振频率随阳极电流变化而动态改变。所以与传统的开关电源相比，X 射线像增强器的门控电源如果选用固定开关震荡频点，其电源的能量利用率也会随负载变化而变化，这会直接影响整个器件的工作效率。对此，本文提出了一种基于零电压震荡频率反馈的像增强器电源自适应频控模型。利用零电压切换电源拓扑结构的自适应谐振频率，鉴别阳极负载变化作为背景光光强的反馈，对电源进行门控调整。这种自适应门控电源结构属于简单且可靠的模拟电路系统，在可以获得较高自适应门控带宽的同时，还可以弥补数字系统在射线强辐射环境下工作的鲁棒性。具体自适应频控电源模型如图4 所示。

图4 像增强器的零电压跟踪频率震荡电路拓扑

当MOS 管Q1开始由截止转为导通时，Q1漏极压降趋于接近0 V，谐振网络的电容C1电压最小，震荡电流I1开始对电容C1充电并且电容C1上两端压降上升。随着电容C1的不断充电，震荡回路中的电流I1逐渐降低，此时MOS 管Q2漏极电压达到最大值。当电容C1完成充电后开始反向放电，此时电流开始升高，Q1、Q2漏极电压下降。最终Q2漏极电压会逐渐下降进而Q1栅极电压下降直至Q1管截止，此时Q1漏极电压与Q2栅极电压上升，Q2导通。根据上述过程，该谐振电路实现了自适应互补型交互，此时MOS 管Q1、Q2的互补开关频率f0应与电感L1的值有关，其对应关系如下所示:

由于存在带有中心抽头变压器作用，输出绕阻的负载还会对开关频率造成影响。此时将变压器副边阻抗折算至原边，其回路总阻抗值为:

式中:ω0为并联谐振角频率；n为变压器主副线圈匝数比。若外界光照变强等效为电流IP变大，进而输出负载R5降低，此时输出绕阻谐振网络品质因数Qout下降。

进而改变输入绕阻端电感L1的特性间接影响输入网络谐振频率，从而完成自适应频率跟踪。当取虚部时，电路谐振频率变为:

可见，当外X 射线输入剂量hν明显变大时，图4 中微通道板组电压增益将趋于饱和，此时输出的阳极电流IP较强，从工程角度来看其电流变化一般在30 nA 至30 μA 之间，整个谐振网络的自激震荡频率也要随之改变，以保证整个微光夜视系统电源的能量利用率达到最佳。当X 射线像增强器处于非强饱和条件下，即图4 中光电阴极接收到的射线剂量较弱时，阳极荧光屏上表面和微通道板组下表面之间的真空部分与荧光屏整体可视为等效电流源(其等效内阻约为100 000 MΩ)。但是随着外界射线剂量hν的增大，阳极电流IP随之增大，等效负载R5会降至100 MΩ，此时理想电流源的特性失效。由于式(10)中等效负载R5的改变导致整个谐振网络的最佳谐振频率f′也发生改变，所以该零电压震荡频率拓扑结构能够通过等效负载R5的变化实时改变谐振网络的频率f′对应关系，达到频率自适应跟踪的效果。使用自适应频控后的X 射线成像整体效果如图5 所示。对比采用本文提出的自适应频控技术前后相同分辨率条件下的成像，如图6 所示。

图5 自适应频控后的成像效果

图6 最终成像对比效果

3 结论

为解决X 射线瞬时成像系统中X 射线透射剂量过强导致成像对比度下降问题，引入了一种可以根据频率变化自适应改变微通道板组电源电位的门控技术。通过在MCP 和阳极荧光屏两端分别搭建零电压震荡频率电路，将阳极谐振网络的频率信号反馈至微通道板组，控制MCP 电压增益进而使阳极荧光屏稳定成像。分析了零电压震荡频率反馈电路的频率与等效负载变化关系，提出适用于像增强器源电路的频率自适应跟踪原理。通过开展X 射线瞬时对比成像实验，验证了本文所提出的自适应频控模型对成像分辨率提升效果明显。