用于X 射線瞬時(shí)成像的像增強(qiáng)器自適應(yīng)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(yè)技術(shù)學(xué)院交通信息學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130130；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)重慶研究院，重慶 400020；3.深圳市精智華醫(yī)療科技有限公司，廣東 深圳 518107；4.長(zhǎng)春蓋爾瑞孚艾斯曼汽車(chē)零部件有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130013)

當(dāng)上世紀(jì)初，X 射線波前被物質(zhì)輪廓調(diào)制后，通常用膠片存貯其空間成像信息。該射線成像系統(tǒng)的核心部件射線增感屏與現(xiàn)今使用的光陰極十分類(lèi)似，兩者的主要區(qū)別在于射光轉(zhuǎn)換與射電轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信息采集并且非常不利于后續(xù)的圖像處理。在此基礎(chǔ)上，線陣/面陣X 射線光電傳感器成像于上世紀(jì)末被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測(cè)，并且也成為了當(dāng)下最為主流的X 射線成像手段[3]。然而，PIN 結(jié)器件結(jié)構(gòu)作為X 射線二維光電陣列的基本組成單元，成像系統(tǒng)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(yè)領(lǐng)域X 射線低輻射劑量以及高速信息采集場(chǎng)合，這種經(jīng)典的二維面陣X 射線光電傳感器便很難滿足瞬時(shí)成像的特定需求。X 射線像增強(qiáng)器作為一種典型的瞬時(shí)微光成像器件，在超低X 射線劑量檢測(cè)方面優(yōu)勢(shì)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(shí)成像響應(yīng)時(shí)間均小于亞納秒量級(jí)[4]。只要通過(guò)更換熒光顯像材料，X射線像增強(qiáng)器的瞬時(shí)成像能力完全可以達(dá)到微秒量級(jí)[5]，完全可以滿足工業(yè)領(lǐng)域?qū)Φ蛣┝克矔r(shí)X 射線無(wú)損探傷的特殊需要。然而，絕大多數(shù)物質(zhì)對(duì)X 射線波前調(diào)制能力相對(duì)較弱[6－7]，對(duì)于X 射線投影成像而言其對(duì)比度天生不為1，進(jìn)而導(dǎo)致X 射線成像對(duì)噪聲天生非常敏感，實(shí)際的成像效果通常遠(yuǎn)低于系統(tǒng)理論計(jì)算值。雖然采用相襯成像等技術(shù)手段可以有效緩解成像調(diào)制度過(guò)低問(wèn)題[8－9]，但末端X 射線像增強(qiáng)器的工作狀態(tài)對(duì)成像的對(duì)比度也起到非常關(guān)鍵的作用，因此本文針對(duì)X 射線像增強(qiáng)器瞬時(shí)成像系統(tǒng)，提出了一種自適應(yīng)頻控技術(shù)以提升X 射線成像的最終分辨效果。

1 射線像增強(qiáng)器空間光學(xué)傳遞模型

X 射線像增強(qiáng)器的工作原理如下:X-Ray 穿透被測(cè)物體后照射到碘化銫(CSI)光電陰極上誘發(fā)外光電效應(yīng)并激發(fā)出真空自由光電子，自由光電子在電場(chǎng)作用下轟擊微通道板(Microchannel Plate，MCP)并產(chǎn)生大量倍增電子云。大量倍增電子云在強(qiáng)電場(chǎng)作用下轟擊熒光屏實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。在實(shí)際X射線像增強(qiáng)器設(shè)計(jì)時(shí)，光陰極自由電子的牽引電場(chǎng)通常很小，所以光陰極可以與微通道板呈現(xiàn)近貼式安裝結(jié)構(gòu)，其空間光學(xué)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(fā)射電子初始能量，因?yàn)楣怆婈帢O是蒸鍍?cè)谖⑼ǖ腊逯希琇1的距離幾乎可以忽略，且電子產(chǎn)生之初就進(jìn)入微通道板通道孔內(nèi)，因此R1對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的成像干擾一般可以不在考慮范圍之內(nèi)。

從光電陰極出射的電子數(shù)量極少、能量低，不足以轟擊熒光屏成像，因此需要通過(guò)微通道板對(duì)電子進(jìn)行倍增。微通道板是由內(nèi)壁含高電子發(fā)射系數(shù)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(dāng)陰極出射的電子通過(guò)一定角度入射到微通道板輸入端時(shí)，由于其內(nèi)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(gè)激發(fā)出多個(gè)，再由被激發(fā)出的電子撞擊在內(nèi)壁上以同樣的原理再次激發(fā)電子，通過(guò)以上步驟的多次重復(fù)，最終實(shí)現(xiàn)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(gè)微通道管的增益值β 基本相同，但是在實(shí)際情況中，由于工藝的原因，微通道板中每個(gè)微通道管的β 值會(huì)存在一定差別，最終的成像效果在熒光屏表面會(huì)存在一定的隨機(jī)噪聲，具體的成像噪聲效果如圖2 所示。

圖2 像增強(qiáng)器X 射線成像噪聲效果

因此其本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)必然對(duì)最終所顯示的XRay 圖像清晰度造成影響，對(duì)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(dá)式為:

另外，由于熒光屏的顯示效果主要受顯示涂層對(duì)光線的散射干擾，干擾值取決于顯示涂層的厚度、結(jié)構(gòu)及工藝條件。通常顯示涂層的分子非常小，當(dāng)材料尺寸小于5 μm 時(shí)，顯示圖像的成像細(xì)節(jié)度可達(dá)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(jìn)行可見(jiàn)光顯示部件之間的限制因素不能被忽略，它們之間的細(xì)節(jié)識(shí)別度滿足公式:

式中:L2為微通道板(MCP)倍增后的出射一側(cè)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(gè)像增強(qiáng)器中主要包括陰極、R1、微通道板(MCP)、R2和熒光屏這五個(gè)對(duì)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(duì)整體分辨率的影響小，故可以忽略不計(jì)，因此最終對(duì)圖像識(shí)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(shè)像增強(qiáng)器的成像識(shí)別度為R，則其滿足公式:

整理得:

又因?yàn)橄裨鰪?qiáng)器的約束函數(shù)為:

由上式可知，像增強(qiáng)器的約束條件受結(jié)構(gòu)、工藝等其他各方面因素的影響很大，在本系統(tǒng)所用像增強(qiáng)器的對(duì)比度為0.2～ 0.3 時(shí)，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(qiáng)器的理論圖像識(shí)別度約為18.6 LP/mm。然而，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，用本文顯微成像系統(tǒng)去標(biāo)定上述X 射線像增強(qiáng)器的空間光學(xué)傳遞特性，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析存在較大差距，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示?？梢?jiàn)，被測(cè)物質(zhì)不同時(shí)，X 射線像增強(qiáng)器收到的X 射線劑量存在明顯差別。當(dāng)被測(cè)物質(zhì)原子序數(shù)較低時(shí)，X 射線像增強(qiáng)器將被大量的X 射線轟擊并進(jìn)入飽和狀態(tài)，進(jìn)而由于過(guò)高的電子增益能力致使X 射線成像的對(duì)比度大幅下降。加上X 射線成像天生對(duì)比度較低這一先天不足，導(dǎo)致最終的成像效果與器件的理論光學(xué)傳遞模型存在極大差距。為了解決這一技術(shù)問(wèn)題，根據(jù)X 射線像增強(qiáng)器的飽和狀態(tài)自適應(yīng)控制其電子倍增特性對(duì)提升系統(tǒng)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(qiáng)器自適應(yīng)頻控模型

作為一個(gè)理想電流源，X 射線像增強(qiáng)器的陽(yáng)極負(fù)載會(huì)因接收X 射線劑量發(fā)生劇烈變化。飽和后的X射線像增強(qiáng)器陽(yáng)極電流會(huì)使理想電流源的電流特性失效，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)X 射線像增強(qiáng)器驅(qū)動(dòng)電源的最佳開(kāi)關(guān)諧振頻率隨陽(yáng)極電流變化而動(dòng)態(tài)改變。所以與傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源相比，X 射線像增強(qiáng)器的門(mén)控電源如果選用固定開(kāi)關(guān)震蕩頻點(diǎn)，其電源的能量利用率也會(huì)隨負(fù)載變化而變化，這會(huì)直接影響整個(gè)器件的工作效率。對(duì)此，本文提出了一種基于零電壓震蕩頻率反饋的像增強(qiáng)器電源自適應(yīng)頻控模型。利用零電壓切換電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自適應(yīng)諧振頻率，鑒別陽(yáng)極負(fù)載變化作為背景光光強(qiáng)的反饋，對(duì)電源進(jìn)行門(mén)控調(diào)整。這種自適應(yīng)門(mén)控電源結(jié)構(gòu)屬于簡(jiǎn)單且可靠的模擬電路系統(tǒng)，在可以獲得較高自適應(yīng)門(mén)控帶寬的同時(shí)，還可以彌補(bǔ)數(shù)字系統(tǒng)在射線強(qiáng)輻射環(huán)境下工作的魯棒性。具體自適應(yīng)頻控電源模型如圖4 所示。

圖4 像增強(qiáng)器的零電壓跟蹤頻率震蕩電路拓?fù)?/p>

當(dāng)MOS 管Q1開(kāi)始由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通時(shí)，Q1漏極壓降趨于接近0 V，諧振網(wǎng)絡(luò)的電容C1電壓最小，震蕩電流I1開(kāi)始對(duì)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(shí)MOS 管Q2漏極電壓達(dá)到最大值。當(dāng)電容C1完成充電后開(kāi)始反向放電，此時(shí)電流開(kāi)始升高，Q1、Q2漏極電壓下降。最終Q2漏極電壓會(huì)逐漸下降進(jìn)而Q1柵極電壓下降直至Q1管截止，此時(shí)Q1漏極電壓與Q2柵極電壓上升，Q2導(dǎo)通。根據(jù)上述過(guò)程，該諧振電路實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)互補(bǔ)型交互，此時(shí)MOS 管Q1、Q2的互補(bǔ)開(kāi)關(guān)頻率f0應(yīng)與電感L1的值有關(guān)，其對(duì)應(yīng)關(guān)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(fù)載還會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)頻率造成影響。此時(shí)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(lián)諧振角頻率；n為變壓器主副線圈匝數(shù)比。若外界光照變強(qiáng)等效為電流IP變大，進(jìn)而輸出負(fù)載R5降低，此時(shí)輸出繞阻諧振網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)因數(shù)Qout下降。

進(jìn)而改變輸入繞阻端電感L1的特性間接影響輸入網(wǎng)絡(luò)諧振頻率，從而完成自適應(yīng)頻率跟蹤。當(dāng)取虛部時(shí)，電路諧振頻率變?yōu)?

可見(jiàn)，當(dāng)外X 射線輸入劑量hν明顯變大時(shí)，圖4 中微通道板組電壓增益將趨于飽和，此時(shí)輸出的陽(yáng)極電流IP較強(qiáng)，從工程角度來(lái)看其電流變化一般在30 nA 至30 μA 之間，整個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)的自激震蕩頻率也要隨之改變，以保證整個(gè)微光夜視系統(tǒng)電源的能量利用率達(dá)到最佳。當(dāng)X 射線像增強(qiáng)器處于非強(qiáng)飽和條件下，即圖4 中光電陰極接收到的射線劑量較弱時(shí)，陽(yáng)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(nèi)阻約為100 000 MΩ)。但是隨著外界射線劑量hν的增大，陽(yáng)極電流IP隨之增大，等效負(fù)載R5會(huì)降至100 MΩ，此時(shí)理想電流源的特性失效。由于式(10)中等效負(fù)載R5的改變導(dǎo)致整個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)的最佳諧振頻率f′也發(fā)生改變，所以該零電壓震蕩頻率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠通過(guò)等效負(fù)載R5的變化實(shí)時(shí)改變諧振網(wǎng)絡(luò)的頻率f′對(duì)應(yīng)關(guān)系，達(dá)到頻率自適應(yīng)跟蹤的效果。使用自適應(yīng)頻控后的X 射線成像整體效果如圖5 所示。對(duì)比采用本文提出的自適應(yīng)頻控技術(shù)前后相同分辨率條件下的成像，如圖6 所示。

圖5 自適應(yīng)頻控后的成像效果

圖6 最終成像對(duì)比效果

3 結(jié)論

為解決X 射線瞬時(shí)成像系統(tǒng)中X 射線透射劑量過(guò)強(qiáng)導(dǎo)致成像對(duì)比度下降問(wèn)題，引入了一種可以根據(jù)頻率變化自適應(yīng)改變微通道板組電源電位的門(mén)控技術(shù)。通過(guò)在MCP 和陽(yáng)極熒光屏兩端分別搭建零電壓震蕩頻率電路，將陽(yáng)極諧振網(wǎng)絡(luò)的頻率信號(hào)反饋至微通道板組，控制MCP 電壓增益進(jìn)而使陽(yáng)極熒光屏穩(wěn)定成像。分析了零電壓震蕩頻率反饋電路的頻率與等效負(fù)載變化關(guān)系，提出適用于像增強(qiáng)器源電路的頻率自適應(yīng)跟蹤原理。通過(guò)開(kāi)展X 射線瞬時(shí)對(duì)比成像實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所提出的自適應(yīng)頻控模型對(duì)成像分辨率提升效果明顯。