CN1101976C - 硬x射线像增强器 - Google Patents
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Abstract
一种硬X射线像增强器，本发明采用衬底-X射线光电阴极结构，其中光电阴极是由X射线吸收发射层和俄歇电子发射层构成，吸收发射层为400-600厚的CsI蒸镀层，俄歇电子发射层为500-1000厚的单层或多层镀层结构，且不设有微通道板；使所制作的像增强器转换效率高，有较高的信噪比和很好的背景，输出亮度可调、成品率提高、生产成本大幅下降，适合于批量生产，其可应用于工业、医疗的X射线诊断和拍照，也可 用于X射线的高速摄影。
Description
本发明是对X射线像增强器结构的改进，属于X射线诊断技术领域。
目前对于X射线像增强器的研究和改进的报导及专利很多，主要是对电子光学系统、转换屏造制方法和材料、以及输出荧光屏等方面的改进，而对阴极组件的改进则很少。有关X射线像增强器阴极组件的结构已有的公开资料有三种类型。第一种为阴极衬底—转换屏—阴极导电层—可见光光电阴极的结构；如CN97108608.7专利申请，这种结构由于转换屏的存在，使得转换效率不高(约10％)；同时由于转换屏(如CsI(Na)屏)是依靠晶体生长形成的类似光导纤维的光管结构来提高光的传输能力和图像的空间分辨率，不可避免地会有光管缺陷存在，这就带来了图像不清、背景噪声大的缺点；并且转换屏(厚300-500μm)完全靠晶体生长形成，不仅工艺复杂，而且成本很高；为了降低可见光光电阴极表面的横向电阻、防止图像滞留，在转换屏与光电阴极之间制作有导电层，使得工艺更加复杂；这种结构整管的成品率最高只有30％。第二种为场助X射线光电阴极结构，如CNZL93119245.5中导电基底—X射线光电阴极—场助电极的结构，其中光电阴极采用低/高密度的硷金属卤化物，为500-800μm厚度的真空蒸镀层，制作成本高；并且导电基底和场助电极的制作工艺更为复杂，更重要的是这种结构的像增强器转换效率，须使用有微通道板，不仅噪声大、背景差，而且制作尺寸受限于微通道板的尺寸，不能做出更大尺寸的像增强器，同时这种结构的整管依然有成品率低、成本高的缺陷。第三种是软X射线光电阴极中的衬底—光电阴极的结构，其光电阴极为CsI蒸镀层(厚约500μm)，其仅适用于低能量的软X射线，由于转换率低，亦须使用有微通道板，所以其不仅适用范围小，而且也存在有噪声大、背景差、成本高的缺点。CNZL93104172.4中也公开有衬底—光电阴极的结构，由公开的内容中分析，其能适用于硬X射线范围，但并未公开其光电阴极的结构和材料，而且也有微通道板的设置，所以其至少存在有噪声大、背景差、成本高的缺陷。另外，由于现有技术中对可见光光电阴极采用有进铯处理，且装管前不能暴露大气，而使游离活泼原子引人，极易造成管内电极间打火现象。总之，现有的X射线像增强器普遍存在有转换效率低、噪声大、背景差、亮度不可调、结构复杂、工艺要求高、成品率低、成本高的缺陷。
本发明的目的是对X射线像增强器的光电阴极结构进行改进，使之成为硬X射线(射线能量大于12.4Kev)光电阴极，所制做的硬X射线像增强器具有转换效率高、噪声小、背景好、结构简单、制作容易、成品率高、成本低的优点，并提出其制做方法。本发明的另一目的是设计出亮度可调的硬X射线像增强器。
为实现上述目的，本发明的技术方案是按以下方式完成。所设计的硬X射线像增强器，采用衬底—X射线光电阴极结构的阴极组件；其中X射线光电阴极由X射线吸收发射层和俄歇(Auger)电子发射层构成，吸收发射层靠近衬底设置，为400-600厚的CsI或PbI的蒸镀层，俄歇电子发射层厚500-1000，设置在吸收层表面，为单层或多层的低密度蒸镀层，在多层之间可以夹有高密度蒸镀层；所述的像增强器内不设有微通道板。其中吸收发射层选用低密度蒸镀层比高密度的效果更好些。俄歇电子发射层所用的材料为原子序数小于35的轻元素的卤化物、氧化物、氢化物；在制作时可以选用其中的一种为材料，也可以选用其中的几种分别镀制或是几种的混合镀制。
本发明的特征还在于，在阴极组件光电阴极一侧近贴设置有二次电子发射网，做为光电子二次发射电极，网与光电阴极的间隙为1-2mm，网孔密度为6-70格/mm，以不影响像增强器的空间分辨率为原则；并在网的表面制有二次电子发射层。近贴的二次电子发射网能使光电阴极发射出的光电子得到倍增，并通过光电阴极与网间电压差的调整使像增强器的输出亮度可调，而网孔密度是随像增强器空间分辨率越高要求其密度越大。所述的二次电子发射网可选用镀镍铜网或是镀镍不锈钢网，镀镍是为了提高所镀二次发射材料的附着力，网上的二次电子发射层为800-1400厚的二次电子发射材料蒸镀层。
本发明的特征还在于，所述的俄歇电子发射层可以按超晶格结构制做，即采用多种材料交替蒸镀几十层直到满足其厚度要求，而每一层的厚不超过其材料的平均自由层厚度，通常在10-30范围内。所述的俄歇电子发射层无论是超晶格结构，还是单层或多层的低密度结构，以及多层低密度之间夹有高密度的结构，都可以进行阴极激活的进铯处理，即在真空加温条件下对光电阴极进铯处理，以提高俄歇电子发射系数。进铯处理后的光电阴极可以暴露于大气，这对所装配的整管有好处。
由于采用本发明所设计的硬X射线光电阴极，则使所制备的硬X射线像增强器的性能得到了很大的改善。光电阴极的制作不仅用料少、工艺简单、生产周期缩短、成品率高、生产成本降低，而且大大提高了量子效率，能达到60-140％，从而提高了像增强器的信噪比，也省去了微通道板的设置，使大尺寸像增强器的制作不受其限制；由于光电阴极进铯处理后能够暴露于大气，故而没有游离活泼原子的引入，所以从根本上消除了管内各电极间打火和背景变坏的现象，从而大大改善了整管的对比度(经样管试验，未照X射线时加上各极电压，使阳极电压加至25KV，输出屏完全不发光，证明管内无噪声源，各电极间也无打火现象)，这对提高整管的成品率、降低背景特别有利；再由于在光电阴极后近贴有二次电子发射网，不仅能使光电子得到倍增，提高转换效率，而且也使输出图像的亮度可调，也加宽了X射线能量变化的范围(最高能适应150Kev的射线能量)；由于按本发明制作的X射线像增强器的时间响应快，能达到Ps量级，所以其能用于X射线的高速摄影。总之，本发明所设计的硬X射线像增强器具有结构简单、简化了制作工艺、提高了成品率(＞60％)，降低了生产成本(＞50％)，并使像增强器的性能得到很好的改善，适合工业化批量生产。
附图1为本发明所设计硬X射线像增强器的结构示意图。图中1为输入窗，2为阴极组件，3为管壳，4为聚焦电极，5为输出屏，6为阳极，7为(铝)衬底，8为X射线光电阴极，9为(近贴的)二次电子发射网。
以下结合附图详细说明本发明技术方案的实施例及其要求。
本发明所设计光电阴极的各蒸镀层使用真空镀膜机完成，各蒸镀层的紧密疏松度可按CNZL93119245.5中叙述操作进行。各膜层镀制厚度若用时间难以控制，则可用材料量来控制。俄歇电子发射层材料的选用可以按《表面与薄膜分析基础》(严燕来译，复旦大学出版社1986年出版)中的叙述，以无毒、无污染、价格低廉为原则进行选用，其中有用原子序数小于35的轻元素做为俄歇电子发射材料的记载。超晶格结构的制作在《近代物理学进展》(张礼编，清华大学出版社1998年出版)中已有记载。光电阴极的进铯处理在可见光光电阴极的制作中普遍被使用，只是本发明制作的X射线光电阴极在进铯处理后可暴露于大气，从而使活泼的游离原子挥发。
本发明所设计的二次电子发射网可以选用网的丝径在4μm-50μm范围内，丝径与网孔径的比例为1∶2；网上镀制的二次电子发射层也采用真空镀膜机完成，二次电子发射材料则可按《光电器件》(沈塘和编，人民教育出版社1961年出版)中叙述来选取，可以选取一种材料制作，也可以选取多种材料分别镀制，或者是多种材料的混合镀制。网上的二次电子发射层可以镀制在网的外侧或是内侧，也可以是两侧都镀制，不影响其效果，从镀制工艺的连续性上考虑则尽量制作在一侧，这样既省时、又省工。
实施例1.在0.3mm厚的铝衬底上以CsI为材料，镀制600厚的低密度X射线吸收发射层，接着以KCl为材料镀制800厚的低密度俄歇电子发射层，以此就构成了硬X射线光电阳极，用其制作的硬X射线像增强器的量子效率可达80％以上。另取成都773厂生产的镀镍铜网，丝径粗50μm，方格孔径100μm，在真空镀膜机内以银镁混合物和铜镁混合物为材料，同时混合镀制1200厚的二次电子发射层，其二次电子倍增系数可达2-3倍。
实施例2.在0.3mm厚的铝衬底上，以PbI为材料镀制400厚的高密度X射线吸收发射层，接着以KCl、IiF、MgO为材料同时混合镀制800厚的低密度俄歇电子发射层，用其制作的硬X射线像增强器，其量子效率可达60％以上。另取镀镍铜网，丝径粗30μm，方格孔径60μm，在真空镀膜机内以CsI和KCl为材料镀制1000厚的二次电子发射层，其二次电子倍增系数可达3-4倍。
实施例3.在0.3mm厚的铝衬底上，以CsI为材料镀制500厚的低密度X射线吸收发射层，接着以LiF、NaCl、LiH、LiCl、KCl为材料，分别镀制低密度蒸镀层，其中LiH为高密度蒸镀层，形成1000厚的俄歇电子发射层，将其用于制作硬X射线像增强器，其量子效率可达到100％以上。另取进口的镀镍不锈钢网，丝径粗10μm，方格孔径20μm，在真空镀膜机内以铜铍合金、银镁混合物、铜镁混合物为材料分别镀制，形成800A厚的二次电子发射层，其二次电子倍增系数可达3-4倍。
实施例4.在0.3mm厚的铝衬底上，以CsI为材料镀制500厚的低密度X射线吸收发射层；接着以LiF、Mg2O3、NaF为材料分别镀制低密度蒸镀层，形成800厚的俄歇电子发射层，以其制成的硬X射线像增强器的量子效率可达80％以上。
实施例5.在0.3mm厚的铝衬底上，以CsI为材料镀制500厚的低密度X射线吸收发射层；接着以LiF、BeO、KCl、NaF、LiH、LiCl、NaCl为材料分别按超晶格结构镀制俄歇电子发射层(每层厚20)，如此反复镀制5次，形成700厚的蒸镀层；再在真空机中完成进铯处理，然后在装管前短时间暴露于大气，以其制作的硬X射线像增强器的量子效率可达140％以上。
实施例6.取进口的镀镍不锈钢网，丝径粗4μm，方格孔径10μm，在真空机内以铜铍合金、银镁混合物、镍铍合金为材料分别镀制，形成1400厚的二次电子发射层，其二次电子倍增系数可达4-5倍。
Claims (6)
1.一种硬X射线像增强器，采用有衬底一X射线光电阴极结构的阴极组件，其特征在于，所述的X射线光电阴极由X射线吸收发射层和俄歇电子发射层构成；吸收发射层为400--600厚的CsI或PbI蒸镀层，靠近衬底设置；俄联电子发射层厚500--1000，设置在吸收发射层表面，为单层或是多层蒸镀层结构；所述的像增强器内不设有微通道板。
2.根据权利要求1所述的像增强器，其特征在于，所述的俄歇电子发射层可以是超晶格结构的蒸镀层，也可以是单层或是多层的低密度蒸镀层，在多层之间可以夹有高密度蒸镀层。
3.根据权利要求2所述的像增强器，其特征在于，在阴极组件光电阴极一侧近贴设置有二次电子发射网，作为光电子二次发射电极；网孔密度为6-70格/mm；并在网的表面制有二次电子发射层。
4.根据权利要求3所述的像增强器，其特征在于，所述的二次电子发射网选用镀镍金属网，网上的二次电子发射层为800-1400厚的二次电子发射材料蒸镀层。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的像增强器，其特征在于，俄歇电子发射层所用材料为原子序数小于35的轻元素的卤化物、氧化物、氢化物，制做时可选用其中的一种为材料，也可以选用其中几种分别镀制或是几种的混合镀制。
6.根据权利要求5所述的像增强器，其特征在于，制做的X射线光电阴极还需进行阴极激活的进铯处理。
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