CN1042772C - 一种x射线象增强器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种X射线象增强器及其制作方法，其特点为光电阴极为场助X射线光电阴极，或是低/高密度结构的碱金属卤化物X射线光电阴极，因而象增强器具有高的X射线转换效率，高的空间分辨率和高的时间分辨率，使用本发明制作的X光诊断仪可广泛应用于医疗、工业和安全等部门。

Description

一种X射线象增强器
本发明属于把X射线图象转换为可见光图象的象增强器的结构及其制作方法的改进。
在已有技术中一直采用三条途径来解决X射线图象的观察和记录问题，最早使用的是X光胶片，这种胶片对X光曝光后，经显影定影，可供观察和长期保存；第二条途径是利用X光转换屏，用一种硫化锌、镉类材料经激活剂激活后制成的薄膜，能将X光转换为黄绿色荧光供观察；第三条途径是使用五十年代初出现的X射线象增强器，这种真空光电成象器件，使用输入(转换)屏/光电阴极及阴极射线发光屏结构，依靠加速光电子及缩小图象来增强图象亮度。六十年代，人们引入了CsI(Na)转换屏，取代原来的硫化锌、镉类材料，提高了器件的转换效率及空间分辨率。七十年代人们将微通道板(MCP)引入上述器件中倍增光电子，大大提高了X射线象增强器的转换效率；同时出现了双近贴聚焦式X射线象增强器，但由于工艺上的缘故，其机械强度和空间分辨率是不能令人满意的。以后又出现了使用两个单近贴聚焦管串联的象增强器和美国专利US4142101和US3394261。上述这些X射线象增强器的共同特点是使用了输入(转换)屏/光电阴极结构，即先用输入屏将X射线转换为可见光，再用对可见光敏感的光电阴极将其转换为光电子；在七十年代末，出现了使用CsI的X射线光电阴极及由其构成的双近贴聚焦X射线象增强器原型，参见Bateman J.E.and Apsimon R.J.,AEEP,VOl.52,189(1979)，该阴极可将X射线直接转换为光电子，因而可以取代输入(转换)屏/光电阴极复合结构，从而提高了器件的转换效率与空间分辨率，此后，这种阴极被用在X射线条纹管与分幅管中，构成了在X射线波段工作的时间分辨率达到皮秒量级的高速摄影机。1987年，出现了改进型CsIX射线光电阴极，(参见Tan Kaisheng,J.Electronics(Chinese),Vol.9.No.5,451(1987)，及美国专利US5225,670)它是由高/低/高及高/低密度CsI构成光电阴极，在同一时期出现了实用化的使用CsIX射线光电阴极的近贴聚焦X射线象增强器及用它构成的X光诊断仪，参见中国专利89221880.0及91227072.1就上述已有的X射线象增强器而言，存在着提高转换效率与空间分辨率的双重任务，而对于高速摄影的X射线变象管(包含条纹管和分幅管)，还有提高阴极时间分辨率的任务。
本发明的目的在于克服上述已有技术中的不足，提出一种新的X射线象增强器及其制作方法，致力于改善X射线光电阴极的量子效率、空间分辨率及时间分辨率。
本发明的特点在于对X射线光电阴极使用了场助原理，实现了一种新型结构的场助X射线光电阴极，本发明比原有的CsI类X射线光电阴极具有更高的量子效率(即转换率)和优化了的光电子能量分布与角分布，因此，本发明可以同时提高象增强器的总转换效率与空间分辨率；此外，由于本发明的X射线光电阴极有一个强的光电子引出场，它减弱了光电子与次级电子的无规则运动，因而大幅度提高了阴极的时间分辨率。
按照本发明所设计的X射线光电阴极，是由合适的导电基底、适当结构的碱金属卤化物发射层及存在于发射表面的金属薄膜组成。所谓阴极的合适的导电基底，它兼有支撑与导电的共同作用，因而可以是轻金属，例如铝、钛薄片，也可以是其上镀有轻金属薄导电膜的对X射线吸收微弱的介质材料。所谓阴极的适当结构的碱金属卤化物发射层是由一层镀在导电基底上的低密度的疏松的碱金属卤化物(如CsI、CsBr等)及镀在低密度层表面的一层高密度的碱金属卤化物(如CsI、CsBr等)组成。这个靠近真空一侧的高密度碱金属卤化物层可以提供一个微观上较为平整的表面，有利于形成可靠的高空间分辨率的象增强器，这样一种低/高密度结构的X射线光电阴极具有比单纯的低密度层及高/低/高或高/低密度层结构更高的转换效率。场助型X射线光电阴极是在发射表面再镀上一层极薄的金属膜而构成，它既可以作为引出场的电极，又薄得不会妨碍光电子和次极电子穿过它而逸入真空，从而提高了时间分辨率。
本发明设计的近贴X射线象增强器是由X射线光电阴极(可以是低/高密度结构的或场助型的)、微通道板(MCP)、阴极射线发光屏、金属/陶瓷封接的管壳和真空室组成，管内保持超高真空(例如133.32×10-7帕以上的真空度)。X射线阴极直接将X射线图象高效率地转换为相应的电子图象，然后MCP将此电子图象增强，最后阴极射线发光屏将增强了的电子图象转换为可见光图象。近贴聚焦象增强器通常有五个电极，它们是光电阴极、光电阴极偏压极、MCP输入极、MCP输出极和阴极射线发光屏极，当使用低/高密度结构阴极而不用场助型时，只要四个电极，没有偏压极。本发明构成的倒象式X射线象增强器，在光电阴极与微通道板之间有电子光学聚焦系统、电子偏转器、电子快门，它们将光阴极发出的光电子聚焦、电子图象缩小后成象在微通道板的输入面上，经MCP增强后，通过近贴区轰击阴极射线发光屏，输出可见光图象；光电阴极可以制成球面状。
本发明构成的近贴聚焦象增强器可以制成大尺寸(如φ100mm)的象增强器，只要MCP的尺寸许可；本发明构成的倒象式象增强器，X射线阴极的尺寸可以大到管壳允许的尺寸。本发明还可构成各种时间分辨率的X射线探测器，如对X射线敏感的光电管、光电倍增管、位敏探测器、X射线条纹相机与分幅相机等。
本发明构成的近贴型X射线象增强器可以构成各种X射线诊断仪器，如单幅(或多幅)X射线高速摄影机(此时，X射线象增强器处于选通状态，曝光时间取决于选通脉冲的宽度，最短可达纳秒量级)，便携式X射线诊断仪等。
便携式X射线诊断仪由本发明构成的近贴型X射线象增强器、小型X射线管、整机电源及将这些联接为一体的机架组成。其整机电源包括向X光管供电的灯丝电源及高压直流电源，向X射线象增强器供电的微型瓦片式高压电源及可由220v/110v或12vDC供电的适配器，在X射线源的出口处，本发明添加了锥形防护罩。
附图1是本发明的X射线光电阴极结构之一的示意图。图中1是光电阴极导电基底；2是对所要探测的X射线(以射线能量Kev表征)吸收甚微的薄导电层，当选用轻金属铝或钛作导电基底时，2可以省略，当用玻璃等介质材料作导电基底时，2不能省略；3是低密度碱金属卤化物层；4是高密度碱金属卤化物层。
附图2是采用场助原理的X射线阴极的结构示意图，图中5是极薄的金属膜，用作偏压电极，在导电基底(1或轻金属2)与5之间加有偏压，使电场指向材料内部，从而对电子存在一个引出场。
附图3是本发明构成的近贴X射线象增强器结构示意图，图中6为钛窗，7为MCP，8为阴极射线发光屏，9为输出窗，10为管壳，11为真空室。
附图4是当碱金属卤化物沉积在MCP输入面上时，利用场助阴极的近贴X射线象增强器的结构示意图。图中场助电极独立支撑于MCP的输入面上，其上加有相对于MCP输入面为负的电压。
附图5为采用本发明的近贴象增强器构成的便携式X光诊断仪结构示意图，图中12为近贴象增强器，13为电源，14为小型X射线管，15为锥形防护罩，16为机架，17为输出窗。
实施例，根据附图1和附图2制成了一个φ100mm的近贴聚焦X射线象增强器。入射窗为0.5mm厚钛箔制作成，导电基底为0.1mm厚的纯铝箔，发射层是疏松的碱金属卤化物CsI，是在低压氩气或氮气的气氛中用电阻加热法蒸镀到导电基底上，当达到一定厚度(大约是200～500μm)后，停止蒸发，并将系统真空度提高到133.32×10-6帕以上，然后继续蒸镀，在疏松层表面形成致密的发射层，层厚约为200～500μm；在这高密度发射层表面再蒸镀一层厚200A左右的铝膜(或Ag膜)，作为场助电极，这就形成了场助X射线光电阴极。为了确保系统真空度(133.32×10-7帕)和得到允许的机械性能，管壳采用金属/陶瓷封接，阴极与MCP输出面之间的距离为0.3～0.5mm,MCP输出面与阴极射线发光屏之间的距离为0.8～1.5mm。制作成的φ100mm双近贴X射线象增强器，其输出亮度在25cd/m2以上，空间分辨率在10线对/毫米以上，转换系数为18坎德拉.秒/毫伦.m2，时间分辨率达到皮秒置级。这种X射线象增强器能达到这样的技术指标，主要是由于射入的X射线(能量范围3Kev～90Kev)在层3和层4中产生光电子和次级电子，其在外加引出场的作用下向发射表面漂移并最终射入真空室。由于有很强的引出场，它削弱了光电子和次级电子在阴极中无规则运动的势态，因而既减少了光电子和次级电子的空间弥散，优化了出射电子的角分布，又减少了它们在阴极中驻留的时间，这就提高了象增强器的空间分辨率和时间分辨率。

Claims (3)

1．一种近贴式X射线象增强器，它由输入窗、光电阴极、微通道板、阴极射线发光屏、输出窗、金属/陶瓷管壳和真空室组成，其特征在于，所述的光电阴极由以下几部分组成：
(a)．光电阴极导电基底兼有支撑和导电作用，可用轻金属薄片或用镀有轻金属导电膜的对X射线吸收微弱的介质材料构成；
(b)．在导电基底上涂覆的对X射线敏感的光电发射层，是由一层低密度碱金属卤化物及一层高密度碱金属卤化物构成，高密度层镀在低密度层上，位于真空一侧，碱金属卤化物采用CsI、CsBr、CuI，涂覆的方式为真空蒸镀；
(c)．设置的场助电极，是蒸镀在光电发射层上的金属薄膜，工作时，在阴极导电基底与场助电极之间加上直流偏压，能产生一个指向阴极内部的强电子引出场；
当具有(a)、(b)、(c)三个特征时，构成场助X射线光电阴极；只具有(a)、(b)二个特征时，构成低/高密度结构的碱金属卤化物X射线光电阴极。
2．根据权利要求1所述的X射线象增强器，其特征在于，当所述的增强器为倒象式时，在光电阴极与微通道板之间设置有：电子光学聚焦系统、电子偏转器和电子快门。
3．根据权利要求1或2所述的X射线象增强器，其特征在于，当用其制做便携式X光诊断仪时，在诊断仪的X射线源的出口处有一个锥形防护罩。
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