摘 要： 針對(duì)帶微通道板（MCP）的雙近貼聚焦X射線像增強(qiáng)器普遍存在動(dòng)態(tài)范圍小、使用壽命短等缺點(diǎn)，對(duì)其電源系統(tǒng)進(jìn)行研究并改進(jìn)，從而使X射線像增強(qiáng)器能夠更好地滿(mǎn)足X射線檢測(cè)和醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的應(yīng)用要求。這種電源可以使像增強(qiáng)器始終產(chǎn)生對(duì)比度良好的高分辨率圖像; 同時(shí)還可以延長(zhǎng)像增強(qiáng)器的使用壽命。
關(guān)鍵詞： X射線成像 像增強(qiáng)器 選通電源 FPGA PWM
X射線像增強(qiáng)器是帶微通道板（MCP）的雙近貼聚焦X 射線像增強(qiáng)器，一般由光電陰極、MCP和熒光屏三部分組成，如圖1所示。由于MCP的引入，使得它具有很多優(yōu)良的性能：體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、圖像空間分辨率高且畸變小、增益高、可結(jié)合性強(qiáng)、電磁干擾低和快門(mén)比高等。由于這些性能,使其在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
目前的X射線像增強(qiáng)器普遍采用直流供電。為了增大動(dòng)態(tài)范圍和防止過(guò)高的電流損壞像增強(qiáng)器件,在電路中設(shè)置了自動(dòng)亮度控制(ABC)電路和亮源保護(hù)(BSP) 電路,但是這兩種電路功能的實(shí)現(xiàn)是以犧牲成像質(zhì)量為代價(jià)的，得到的圖像模糊、對(duì)比度低，看不清亮光后面模糊背景中的物體。另外，自動(dòng)增益控制電路對(duì)較強(qiáng)的點(diǎn)光源或線光源起不到自動(dòng)保護(hù)的作用，微通道板內(nèi)部細(xì)管會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間處于電子飽和狀態(tài)而灼傷，出現(xiàn)點(diǎn)狀或條狀黑斑，從而減短使用壽命[1]。本文針對(duì)帶微通道板（MCP）的雙近貼聚焦X射線像增強(qiáng)器普遍存在動(dòng)態(tài)范圍小、抗疲勞能力差、不能在強(qiáng)光下工作等缺點(diǎn)，對(duì)其高壓電源系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。從而使X射線像增強(qiáng)器能夠更好地滿(mǎn)足X射線檢測(cè)和醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的應(yīng)用要求。
1 X射線選通增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)途徑
如果在X射線像增強(qiáng)器選通電極上不加直流高壓，而代之以可以自動(dòng)高速接通和切斷的連續(xù)矩形脈沖高壓，則僅在脈沖持續(xù)期間才有光電子通過(guò)而轟擊熒光屏，這樣就構(gòu)成了一個(gè)選通快門(mén)。矩形脈沖的寬度就是曝光時(shí)間，其大小控制著像增強(qiáng)器的工作時(shí)間。經(jīng)過(guò)這樣改進(jìn)的自動(dòng)脈沖門(mén)控電源的作用機(jī)理就是電源感知進(jìn)入像增強(qiáng)器的光量，根據(jù)輸入光強(qiáng)度的變化自動(dòng)高速接通和切斷，而且電源的接通和切斷控制是通過(guò)調(diào)節(jié)周期固定的脈沖的占空比實(shí)現(xiàn)的[2]。熒光屏上的微電流的變化反映了輸出圖像亮度的變化，一般取熒光屏上的微電流作為反饋信號(hào)。當(dāng)在弱光下工作時(shí)，像增強(qiáng)器工作在直流供電狀態(tài)；當(dāng)在強(qiáng)光下工作時(shí)，像增強(qiáng)器工作在選通狀態(tài)。當(dāng)熒光屏上輸出圖像亮度增大時(shí)，熒光屏反饋電流增大，通過(guò)調(diào)節(jié)門(mén)脈沖信號(hào)的占空比，使像增強(qiáng)器工作時(shí)間縮短，保持熒光屏上的輸出圖像亮度不變；反之亦然。由于像增強(qiáng)器處于接通狀態(tài)時(shí)，各個(gè)電極上都加上合適的電壓值，不會(huì)影響系統(tǒng)的分辨率[1]。
對(duì)于雙近貼像增強(qiáng)器來(lái)說(shuō)，選通方式有如下幾種[3]:
(1)陰極選通：快門(mén)脈沖加于陰極與MCP輸入面之間。這種方案所需脈沖電壓幅度低(100伏～300伏)，但要承受較大容性負(fù)載。如果電壓幅度不夠或脈沖上升沿和下降沿速度慢，就會(huì)產(chǎn)生離焦，影響像質(zhì)。另一方面,因MCP對(duì)透過(guò)陰極的光有強(qiáng)吸收作用，所以快門(mén)比（定義為像管打開(kāi)時(shí)從熒光屏來(lái)的光亮相對(duì)于像管關(guān)閉時(shí)透過(guò)的光亮的比值）可以很容易達(dá)到106。目前此方案屬最常用的選通方案。
(2)MCP選通：快門(mén)電壓直接加到MCP兩面。這種方案要承受更大的容性負(fù)載(100pF),而且所需脈沖電壓幅度要求較高(1 000V左右)。雖然電壓與聚焦無(wú)關(guān)，但直接影響增益，且因增益隨電壓變化很靈敏，故脈沖由邊沿向中心傳播的過(guò)程中不均勻性也會(huì)放大，從而產(chǎn)生“空心效應(yīng)”，使選通速度受到限制。所得到的快門(mén)比為104，此方案比方案(1)差得多。
(3)熒光屏選通：快門(mén)脈沖加到MCP輸出極與熒光屏之間。極間電容較小，但電壓幅度要幾千伏，因所需脈沖能量很高，這種方式通常不采用。
這里采用加在光電陰極和MCP 間的電壓是脈沖電壓,如圖2所示，它的頻率和脈寬隨進(jìn)入像增強(qiáng)器的光強(qiáng)變化而變化,在光照強(qiáng)時(shí)頻率較低、脈寬較窄;光照弱時(shí)正好相反,這樣就在不改變像增強(qiáng)器供電的情況下,實(shí)現(xiàn)了ABC和BSP控制,從而實(shí)現(xiàn)了不降低分辨率而提高動(dòng)態(tài)范圍的目的,使像增強(qiáng)器在不同輸入光強(qiáng)度下都能有效工作,所以在像增強(qiáng)器熒光屏上總是輸出均勻一致的圖像。
采用這種自動(dòng)脈沖門(mén)控電源給像增強(qiáng)器陰極供電可以減小強(qiáng)光下到達(dá)MCP 的電子流, 防止因電流飽和而生成的沖蝕圖像,從而有助于降低強(qiáng)光產(chǎn)生的光暈或圖像模糊效應(yīng)，使像增強(qiáng)器在強(qiáng)光照射下仍能產(chǎn)生對(duì)比度良好的高分辨率圖像。因此該方法可以大幅度地提高像增強(qiáng)器的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)X射線的自適應(yīng)增強(qiáng)。另外，由于是間歇式供電，還可以延長(zhǎng)像增強(qiáng)器的使用壽命。
2 電源控制電路設(shè)計(jì)
和傳統(tǒng)的X射線像增強(qiáng)器使用的直流電源一樣，MCP和熒光屏上所加的高電壓都是通過(guò)對(duì)低直流電壓產(chǎn)生振蕩再倍壓整流后產(chǎn)生的，如圖3上半部分所示。選通電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何產(chǎn)生脈寬隨輸入光強(qiáng)變化而變化的脈沖電壓信號(hào)加在陰極上，如圖3下半部分所示的陰極脈沖發(fā)生器。以下重點(diǎn)介紹此部分電路的設(shè)計(jì)�！�
