CN1032989A

CN1032989A - X光光电阴极、象增强器和成象仪

Info

Publication number: CN1032989A
Application number: CN 88102912
Authority: CN
Inventors: 杨晓文; 佘永正; 吴存亚
Original assignee: Xiamen University; Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Xiamen University; Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 1988-05-13
Filing date: 1988-05-13
Publication date: 1989-05-17
Also published as: CN1014478B

Abstract

X光光电阴极、象增强器和成象仪，本发明涉及真空光电成象器件和X射线成象探测装置。它提供一种对医用X射线波段敏感的X射线光电阴极，并相应实现一种直接转换方式工作的X射线象增强器以及用该器件制成的小型便携低强度X射线成象仪。该器件包括上述光电阴极、微通道板和输出荧光屏，采用近贴聚焦结构。该成象仪包括上述增强器、小型X光源和微型高压装置。广泛适用于医学上的透视诊断，工业上无损探伤和结构透视，以及保安透视检查等。

Description

本发明涉及真空光电成象器件和x射线成象探测装置。

目前通用的x射线象增强器都是采用间接转换工作方式，即x光源辐射的透过被测物的x光子首先为输入荧光屏或晶体闪烁体吸收，转换成可见光子输出，此微弱的可见光子流再经过可见光光电阴极转换成光电子并被加速或倍增，轰击输出荧光屏，从而获得与被测物x射线透射象相对应的亮度增强了约5000～10000倍的可见荧光象输出。亮度增益部分来自光电子被加速，部分来自图象面积的缩小。采用静电聚焦方式将光电子象倒象转移到输出荧光屏，图形面积一般缩小100倍。这种x射线象增强器输入端直径通常为6寸到9寸，它体积庞大，只能固定在实验室使用。此外，输入荧光屏或晶体闪烁体与可见光光电阴极分别制备于透明载体的两端，在工艺上常会发生荧光屏或闪烁体被污染从而使其发光效率大大下降，发光亮度不均匀等现象。其次，载体对可见光必须有极高透明度，厚度必须减到50μm以下，否则将会影响器件的分辨率。因而制备这种面积大又非常薄的透明体，在工艺上难度很大。加上可见光光电阴极制备工艺较复杂，因而器件良品率低，成本高，价格昂贵。

美国曾提出一种平板式单级近贴聚焦x射线象增强器以及随后提出多级串联结构的专利。器件体积虽然缩小了，转换效率低的缺点也得到改善，但工艺上的复杂和困难更为突出。

美国专利4142101描述了一种低强度x射线和γ射线的成象器件，它仍然是采用晶体闪烁体的间接转换方式工作的x射线象增强器。但它采用与可见光光电阴极近贴聚焦的微通道板来增强光电子流，倍增系数可达10³～10⁴。这种器件体积小，可获得较高转换效率，但入射x射线转换成可见光的闪烁体层需制备于可见光象增强器的输入光纤面板窗接触大气的一端。构成闪烁体的是锗如CsI（Na）、CsI（TI）一类碱金属卤化物，它们在空气中极易吸潮变质，必须密封防潮。密封材料不可避免地会衰减入射的x射线强度;同时光纤面板虽可相当完善地传递可见光象，但光损耗至少在30%以上;再者为扩大视场，需采用图象缩小的光纤面板，这种价格昂贵的特种光纤面板不仅增加了光损耗，而且也降低了分辨率。在这种器件中，灵敏度与分辨率之间存在无法解决的矛盾;为提高对入射x射线的吸收，必须增厚闪烁体层;而闪烁体层厚度增大，则在其中产生的可见光当穿过闪烁体层时将被散射，从而使分辨率下降。因此，这种器件仍然存在间接转换方式工作的x射线象增强器所有的缺点。

要实现直接转换方式工作的x射线象增强器，关键是寻找对x射线敏感的高效光电阴极，J.E.Bateman曾在Advances in Electronics and Electron Physics 52189（1979）中报导了一种对x射线敏感的光电阴极，它由阴极基底和阴极发射体层组成，阴极基底采用铝箔，厚度为5μm。发射体层采用碘化铯，厚度为200～500μm，呈疏松均匀密度结构。其相对密度为5%，即0.18g/cm³。其缺点是它仅对能量小于10Kev的光子有较大响应，如能量提高，则量子效率变差，不适用于能量在20～50Kev的医用x射线波段。

本发明的目的之一是提供一种采用直接转换方式工作的近贴聚焦转换图象的x射线象增强器。在保证有相当转换效率的基础上，它具有分辨率高、体积小、工艺简单、良品率高、成本低等优点，从而取消了昂贵的光纤面板和消除了由于采用晶体闪烁体而带来的一系列缺点。

本发明的目的之二是提供一种采用上述x射线象增强器的便携式小型低强度x射线成象仪，具有体积小、重量轻、便于携带、无需特殊防护以及可以在明室中实时观察等特点，适用于x射线的透视、诊断和探伤等领域。

实现上述目的的关键在于提出一种对所需x射线波段敏感的x射线光电阴极，实现直接转换的工作方式，即从不可见的x光子不经过先转换成可见光子再转换成光电子的间接转换方式，而是直接转换成光致电子的工作方式，从而取消了上述已有x射线象增强器中的晶体闪烁体和光纤面板。

本发明所述的直接转换工作方式对所需x射线波段敏感的x射线光电阴极由阴极基底和阴极发射体层组成，阴极基底采用轻金属箔，例如铝箔。发射体层采用碱金属卤化物，例如碘化铯或灵敏度更高的溴化铯，并采用密实层加疏松层的变密度结构，即阴极基底表面有一密实层作为衬底层，从密实层表面至发射表面为密度呈减小变化的疏松层。密实层的厚度为1～2μm，密度为50～100%，即2～4g/cm³，最好为70%，约3g/cm³。疏松层的厚度为100～300μm，最好为250μm左右，以疏松层与密实层连接处作为疏松层的起始处，起始处的密度为30～50%，最好为50%，发射表面的密度为2～5%，最好为2%，平均密度为10%，即0.4g/cm³，其中间的密度变化可以是连续减小，也可以是不连续减小。

铝箔的厚度选择应考虑其既可承受近贴聚焦时静电场的吸引力，又对所通过的x射线波段的光子能量无明显衰减。

发射体层的材料选择应考虑有高的二次电子发射系数。为了提高二次电子发射效率，可将发射体层做成比正常密度低很多的疏松状结构，因为疏松结构有比密实结构大得多的二次电子平均逸出深度，它主要起发射二次电子层的作用，而密实层主要起入射x射线吸收层的作用，在该层激发产生的一次光电子输运到疏松层再激发产生低能的二次电子。总之，这种变密度结构的光电阴极既保证对x射线有较高的吸收效率，又具有较高的二次电子逸出几率。

已有的真空型x射线象增强器由于采用间接转换工作方式，所以它由防潮密封装置、x射线晶体闪烁体、光学纤维面板、可见光光电阴极、微通道板、输出荧光屏和放大镜等组成。本发明所提供的采用直接转换方式工作的近贴聚焦转换图象的真空型x射线象增强器由输入窗、采用密实层加疏松层变密度结构的x射线光电阴极、与光电阴极近贴聚焦的微通道板和与微通道板近贴聚焦的输出荧光屏等组成。阴极发射体层也可直接制备在微通道板的输入面上，省去轻金属箔所做的阴极基底。

本发明所述的便携式低强度x射线成象仪x光源，采用小型x光管或放射性同位素源，x射线象增强器采用上述直接转换方式工作的近贴聚焦转换图象的真空型x射线象增强器，即x射线象增强器的光电阴极采用密实层加疏松层变密度结构的发射体层，光电阴极与微通道板近贴聚焦;还有高压发生器，以便提供x光管高压以及x射线象增强器各电压。在输出荧光屏端加装遮光罩，除射线出射孔以外，在小型x光管的其余部分加装铅橡皮屏蔽。也可采用密实层加疏松层变密度结构的发射体层直接制备在微通道板输入面上的直接转换方式工作的真空型x射线象增强器，即以微通道板输入面作为光电阴极的阴极基底。采用放射性同位素源作为x光源时，无需供电电源，更符合小型化要求，但制备大剂量的放射性源价格昂贵，并且由于放射性源125I的半衰期，使用寿命只有半年，故目前使用小型x光管作为x光源为佳。常规的x射线成象仪的高压发生器采用交流市电经变压、倍压构成，这种50HZ的工频变压器体积大而笨重，滤波需用大容量耐高压的电容器，稳压性能差。为了实现小型、便携，高压电源必须微型化，采用高频脉冲振荡电压经升压、倍压来获得所需的各高压。

与已有的x射线光电阴极比较，本发明采用对所需x射线波段敏感的x射线光电阴极，实现了直接转换的工作方式，即从不可见的x光子不经过先转换成可见光子再转换成光电子，而是直接转换成光致电子的工作放式。取消了常规x射线象增强器中的晶体闪烁体和光纤面板。因而新的器件既不需要防止闪烁体层潮解的密封保护装置，消除了在光纤面板中的光能损耗，又克服了由于闪烁体层较厚导致分辨率下降的困难。x射线光电阴极虽然也较厚，但光电阴极呈疏松状结构，x射线在其中的散射较小，因而不会使分辨率性能变坏。还可以将x射线光电阴极直接制备于微通道板上。所以新的器件的分辨率性能不会受到x射线光电阴极厚度的严重影响。图1所示的x射线象增强器的分辨率为3～4lp/mm，本发明的新器件的分辨率最终可达到20lp/mm。图象按1∶1大小传递。输出图象尺寸较图1的大4倍，无需再用放大镜放大，人眼可直接目视。

采用x射线光电阴极的另一优点是这种阴极可以事先制备，然后在干燥空气中转移到动态测试装置进行性能测试。合格的阴极从动态测试装置取出，在干燥隋性气体（如氮）保护下装配于器件的管壳中。x射线光电阴极在装入器件之前，可先行选择。装配入器件后，性能无明显变化，从而大大提高了x射线象增强器的良品率，简化了工艺，完全避免了制备可见光光电阴极时常迂到的污染荧光屏、增加亮背景等问题。器件的成本得以大幅度降低。

本发明提出的便携式低强度x射线成象仪重量轻，体积小，成本低，功耗小，x射线强度低，安全可靠，可在任何明室或野外条件使用，不仅可对人体四肢骨骼作x射线透视，而且可用于检测薄层材料的内部结构或缺陷。

以下结合附图给出本发明的实施例。

图1是本发明采用的x射线光电阴极结构示意图。图中6是如铝箔一类的轻金属箔，厚约50μm。厚度选择使其既可承受近贴聚焦时静电场的吸引力又对所通过的x射线波段的光子能量无明显衰减。在铝箔基底上制备一层总厚度达250μm的二次电子发射系数高的材料高的材料7，如CsI，CsBr一类碱金属卤化物。已知x射线致光电发射机理是发射体吸收高能x光子4后，激发产生高能的初光电子（及很小一部分的高能Auger电子）。每个初光电子在输运过程中与发射体原子碰撞激发产生多个低能的二次电子，它们在电场作用下输运到表面逸出构成x射线致光电发射电流8。为了提高二次电子发射效率，可将发射体层制备成比正常密度低很多的疏松状结构。制备方法采用在惰性气体中缓慢蒸发。图1中同时给出了发射体中密度分布示意图。横轴表示距基底的距离l，纵轴表示发射体层的密度ρ。从基底附近到发射表面，密度大致呈下降分布。密度的改变是通过控制蒸发时惰性气体压强来实现。如采用氩，蒸发过程中其压强从0.05乇～10乇范围内变化。开始在高真空下蒸发碱金属卤化物，然后逐渐升高蒸发时的惰性气体压强，结果就形成越往表面密度越低的光电阴极层。x射线光电阴极的密实层主要起入x射线吸收层的作用。在该层激发产生的一次光电子输运到疏松层再激发产生低能的二次电子。由于疏松结构有比密实结构大得多的二次电子平均逸出深度，因而疏松层主要起发射二次电子层的作用。这种变密度结构的光电阴极，既保证对x射线有较高的吸收效率，又具有较高的二次电子逸出几率。作为另一种方式，也可将阴极层接制备于微通板输入面上。此时无需铝箔基底。

将x射线光电阴极，微通道板，输出荧光屏装入由输入输出玻璃窗构成的管壳，然后抽真空，经长时间排气处理后，封下（真空度～8×10^-7乇）即完成。

例如发射体层的发射面距微通道板的输入面为0.4mm，微通道板的输出面与薄铝层的入射面距离为3mm，工作时微通道板输出面取零电位，阴极基底的电压为-1600～-1800V，微通道板的工作电压为-900～-1100V，输出荧光屏前的薄铝层的电压为+6～+7KV。若采用阴极直接制备于微通道板输入面上，微通道板上工作电压取-1000～-1200V，其它不变，则输出屏亮度可达到20Cd/m²。

图2是本发明提出的小型x射线象增强器结构示意图。

x光源1辐射的x射线2辐照到被测物3上。穿透的x射线4经过x射线象增强器14的输入窗5和薄的轻金属（如铝）层6，入射到x射到x射线光电阴极7上。轻金属层既是阴极的基底，又是阴极的电极。x射线光电阴极7吸收入射的x光子后，直接转换成x光致电子8，在电场作用下逸出光电阴极层外。逸出的电子密度分布同入射的被测物的透射x光子密度分布相对应。它们射入微通道板9的输入端并在微通道板中倍增后，在其输出端出射倍增了的电子束10，倍增了的电子束10在加速电压作用下，穿过镀于荧光屏12前面的薄轻金属（如铝）层11轰击与微通道板9输出端近贴聚焦的输出荧光屏12。这样就在输出屏上直接显示出对应于被测物x射线透视象的亮度增强了的可见光象，通过输出窗13观察者直接目视此图象。

图3是采用本发明提出的小型x射线象增强器以及小型x光管，微型高压电源15构成的低强度x射线成象仪的结构示意图。由于是在明室中使用，在x射线象增强器输出窗后加装遮光罩，避免四周光线对观察输出屏图象的影响。x光源可以采用放射性同位素源（如¹²⁵I）它无需供电电源，更符合小型化要求。本发明采用小型x光管作x光源。x射线成象不采用体积大价格贵的x光学元件来聚焦，而是利用简单的投影成象原理。这要求辐射源接近于点光源。但缩小x光管焦斑;靶流只能限制在很小水平，否则，很快会使x光管靶材料的焦点处发热熔化。为要求具有一定的x射线强度输出，本发明采用的小型x光管光学焦点为0.3×0.3mm²。这样要求被测物距x光源足够远，才能有较好的图象分辨率。而距离越远输出屏的亮度就越低。本发明提出的低强度度x射线成象仪使x射线象增强器与x光管间距离可调，作为一实例，最大距离可达25cm。作为医用目的x光管靶压约40KV～50KV;作为工业应用，视被测物的不同，x光管的靶压＞50KV。

为了实现高压电源微型化，本发明提出高压电源的电路方框图如图4所示２捎酶咂德龀逭竦吹缪咕贡堆估椿竦盟韪鞲哐埂⒄饩痛蟠蠹跣×吮溲蛊鞯奶寤椭亓浚档土硕月瞬ǖ缛莸囊蟆光管及x射线象增强器电压均属可调，便于使用。

图4中25为市电，16为开关稳压电源，17为低压变压器，18为整流电路，19为稳压电路，20为振荡器，21为放大电路，22为高频升压变压器，23为倍压器，24为分压器，1为x光管。

以下给出疏松层密度呈连续变化的x射线光电阴极的实施例。

在蒸发容器内充0.1乇的氩气，约150～250mg的CsI（或CsBr）置于钽片组成的坩锅内，在2～5分钟内将坩锅内的全部材料缓慢蒸发，在蒸发的同时，连续地充进氩气，在蒸发结束时氩气压逐渐升至5乇。结果可形成密度从衬底层至发射表面连续变化的x射线光电阴极。

以下再给出疏松层密度呈梯度变化的x射线光电阴极的实施例。

在容器内充以0.1乇的氩气，钽片坩锅内盛以150～250mg的CsI（或CsBr），在2～5分钟内将坩锅内的全部材料缓慢蒸发在0.1乇氩气下蒸发15～40秒，然后再充进氩气至0.5乇蒸发15～40秒，逐步将氩气压分别增至0.8乇、1.0乇、1.2乇、1.4乇、1.6乇、2乇、3乇、4乇、5乇，蒸发时间每次相同，直到将材料全部蒸发完毕。

Claims

1、一种X射线光电阴极，由阴极基底和阴极发射体层组成，阴极基底采用轻金属箔(例如铝箔)，发射体层采用碱金属卤化物，其特征是发射体层采用密实层加疏松层的变密度结构，即在阴极表面有一密实层作为衬底层，从密实层表面至发射表面是密度呈减小变化的疏松层。

2、一种真空型x射线象增强器，设有光电阴极，起电子倍增作用的微通道板和输出荧光屏，微通道板与输出荧光屏之间近贴聚焦，其特征是光电阴极为发射体层采用密实层加疏松层的变密度结构的x射线光电阴极，包括采用轻金属箔的阴极基底和采用密实层加疏松层变密度结构的发射体层，光电阴极与微通道板近贴聚焦。

3、一种真空型x射线象增强器，设有光电阴极，起电子倍增作用的微通道板和输出荧光屏，微通道板与输出荧光屏之间近贴聚焦，其特征是光电阴极为发射体层采用密实层加疏松层的变密度结构的x射线光电阴极，采用密实层加疏松层变密度结构的发射体层以微通道板输入面作为光电阴极的阴极基底。

4、一种便携式低强度x射线成象仪，包括x光源、高压发生器和x射线象增强器，其特征是x射线象增强器采用直接转换方式工作的近贴聚焦转移图象的真空型x射线象增强器，即x射线象增强器的光电阴极采用密实层加疏松层变密度结构的发射体层，光电阴极与微通板近贴聚焦，高压发生器采用高频脉冲振荡电压经升压的高频高压电源。

5、一种便携式低强度x射线成象仪，包括x光源、高压发生器和x射线象增强器，其特征是x射线象增强器采用直接转换方式工作的近贴聚焦转移图象的真空型x射线象增强器，即x射线象增强器的光电阴极采用密实层加疏松层变密度结构的发射体层，以微通道板输入面作为光电阴极的阴极基底。

6、如权利要求1至5所述的光电阴极、象增强器和成象仪，其特征是所说的光电阴极的发射体层采用碘化铯或溴化铯，作为衬底层的密实层厚度为1～2μm，密度为50～100%，即2～4g/cm³，疏松层的厚度为100～300μm，起始处的密度为30～50%，发射表面的密度为2～5%，其中间的密度按连续变化或不连续变化，密实层的密度最好为70%，疏松层起始处的密度最好为50%，发射表面的密度最好为2%。