CN1105803A - X射线图像增强器 - Google Patents

Abstract

一种X射线图像增强器，包括具有金属制的X 射线输入窗的真空外壳、在上述X射线输入窗内表 面上形成的输入面、在上述真空外壳内沿着从上述输 入面发射的电子的前进方向顺序设置的聚焦电极、阳 极和输出面。上述X射线输入窗在形成输入面一侧 的面上具有凹凸表面硬化层，上述输入面具有在上述 凹凸表面硬化层上形成的荧光体层和在该荧光体层 上形成的光电面。

Description

本发明涉及X射线图像增强器。

近年来，X射线图像增强器将由X射线管电压小于30KV（管电流1mA）的低能X射线及大于30KV（管电流1mA）的高能X射线得到的X射线图像变换为可见光图像应用于医疗诊断及非破坏检查等已得到了普及。

这种先有的X射线图像增强器如图1和图2所示，其基本结构为在真空外壳（以下简称为外壳）11内从X射源A一侧开始顺序设有输入面12、聚焦电极13、阳极14、输出面15。外壳11由入射X射线的金属制输入窗11a、支撑集电极的玻璃制壳体部11b和兼作输出面15或支撑输出面15的光学玻璃制输出部11c构成。

与输入窗11a相隔指定间隔而设置的输入面12起阴极的功能，由向X射线源A一侧呈凸状的形成曲面的输入基板，例如铝制金属基板12a、在该金属基板12a的凹面一侧形成的将X射线变换为可见光的荧光体层12b、在该荧光体层12b上形成的透明导电膜12c和在该透明导电膜12c上形成的将由荧光体层12b发出的可见光变换为电子的光电面12d构成。这里，透明导电膜12c通常由氧化铟、ITO（氧化铟和氧化锡的化合物）等构成，用于阻止构成荧光体层12b的碱卤化物例如碘化钠激活的碘化铯与构成光电面12d的材料发生反应和用于得到荧光体层表面上的连续导电性。

另一方面，在输入面12相对的设置输出面（这里，是支撑输出荧光体的光学玻璃基板兼作外壳的一部分的结构）15的一侧，设置由外壳输出部11c一侧支撑的阳极14，在阳极14与作为阴极的输入面12之间，例如沿外壳壳体部11b的内壁设有第一聚焦电极13a，在该聚焦电极13a与输出面15之间，设有圆筒状的第二聚焦电极13b。由第一和第二聚焦电极13a，13b构成静电电子透镜系统。

在上述结构的X射线图像增强器中，从X射线源A发射的X射线B穿过被照射体C后到达输入窗11a，投射到该输入窗11a上的X射线图像在后面所述的输入面上变换为电子图像。该电子图像在由施加在作为阴极的输入面12与阳极14之间的例如30KV的管电压分压的电压的第一聚焦电极极13a和第二聚焦电极13b形成的静电电子透镜系统中被加速、聚焦，在输出面15上再次变换为可见光。这时，与输入面12上的可见光强度相比，例如可以得到增强1000倍以上的可见光图像。

上述先有的X射线图像增强器的输入面如其放大图图2所示的那样，由于外壳的输入窗11a与输入面12相隔指定间隔，所以，会使X射线的散射增大，降低对比度。下面，以输入面有效直径为4英寸的X射线图像增强器为例，参照图3说明这一问题。

获得图3的数据所使用的X射线管的管电压为50KV，管电流为1mA，纵轴表示X射线图像增强器的对比度（%）及对比度比，横轴表示铅圆板的直径（mm）。这里，所谓对比度（%），是用百分比表示在输入有效视野的中心部设置指定直径的铅时的输入有效视野的亮度相对于X射线图像增强器的输入有效视野的亮度的值。另外，对比度比是根据对比度（%）定量计算的比率。

图3的曲线C是图2所示的先有结构的X射线图像增强器的特性，由图可知，对比度测量时铅圆板的直径（mm）以40mm为界限，直径越小，对比度降低的程度越显著。这就意味着尺寸小的被照射体的对比度远远小于尺寸大的被照射体的对比度，于是，在工业应用中就难于判断细小部位的缺陷。

另外，图4是使用相同的X射线图像增强器只将X射线管的管电压变为30KV时对比度的实验数据。由图4的曲线e可知，和图3的曲线c一样，对比度测量时的铅圆板的直径（mm）以40mm为界限，直径越小，对比度降低的程度越显著。但是，其降低的急剧程度比图3的情况大。

另一方面，实公照34-20832号公报等发表了在铝制输入窗的内表面直接形成输入面的X射线图像增强器。但是，对于这种在输入窗内表面直接形成输入面的结构，以铝为输入窗还未达到实用化。将具有由这种很薄的材料构成的输入窗的X射线图像增强器组装后进行抽真空排气时，由于管内外的压力差，输入窗将发生变形，当然输入面也发生变形，从而不能获得所希望的光电面，因此，输出图像也发生畸变。

本发明的目的旨在提供一种可以克服上述缺点、保持高亮度并且可以得到高对比度的X射线图像增强图。

本发明提供的X射线图像增强器包括：具有金属制X射线输入窗的真空外壳、在上述X射线输入窗内表面形成的输入面、在上述真空外壳内沿着从上述输入面发射的电子的前进方向顺序设置的聚焦电极、阳极和输出面。上述X射线输入窗在形成输入面一侧的面上具有凹凸表面硬化层，上述输入面具有在上述凹凸表面硬化层上形成的荧光体层和在该荧光体层上形成的光电面。

在本发明的X射线图像增强器中，作为金属制X射给输入窗的材质，可以使用铝或铝合金等X射线透过率高、加工容易、并且利用表面硬化处理使表面硬化后具有能耐X射线图像增强器的内外压力差的强度的材质。

金属制X射线输入窗的凹凸表面硬化层，可以通过对构成金属制X射线输入窗的金属板施行例如凹凸表面硬化处理而形成。该凹凸表面硬化层的形成方法，例如可按如下方法进行。

即，通过使用直径为50-200μm的硬球例如玻璃珠以1-4kg/cm²的压力、加工时间1-5分钟轰击金属板，进行表面硬化处理。结果，金属板的表面成为凹凸面，同时形成凹凸表面硬化层。

本发明的X射线图像增强器使用X射线，管电压小于30KV（管电流1mA）的低能X射线时特别有效。

图1是说明先有的X射线图像增强器和X射线摄影方法的示意图。

图2是将图1所示先有的X射线图像增强器的一部分取出所示的剖面图。

图3是使用高能X射线时本发明的X射线图像增强器的一个实施例和先有的X射线图像增强器的对比度特性的数据的曲线图。

图4是使用低能X射线时本发明的X射线图像增强器的一个实施例和先有的X射线图像增强器的对比度特性的数据的曲线图。

图5是本发明的X射线图像增强器的一个实施例的主要部分的放大剖面图。

图6是将图5的一部分放大的剖面图。

图7是表示经过表面硬化处理的A1板的表面的粗糙度与表面硬化层的硬度的关系的曲线图。

本发明的X射线图像增强器除了在输入窗的内表面直接形成输入面和对输入窗的内表面进行凹凸硬化处理外，具有和图1所示的先有的X射线图像增加器相同的结构。

即，如图1所示，其基本结构是在真空外壳11内，从X射线源A一侧开始，顺序设置输入面12、聚焦电极13、阳极14和输出面15，外壳11由入射X射线的金属制输入窗11a、支撑聚焦电极的玻璃制壳体11b和兼作输出面15或者支撑输出面15的玻璃制输出部11c构成。

如图5所示，输入窗11a的内表面利用凹凸表面硬化处理形成具有凹凸面的凹凸表面硬化层11d。这里所用的输入窗11a的材质是铝合金，特别使用ASTM5000系列的Al-Mg合金。输入窗11a通过利用冲床将这种铝合金板加工成形为碟形进行上述凹凸表面硬化处理而得到。

在该凹凸表面硬化层11d的凹凸面上，直接形成输入面12。输出面12由在凹凸表面硬化层11d的凹凸面上形成的光反射性物质层12a、在该光反射性物质层12a上形成的将X射线变换为可见光的荧光体层12b、在该荧光体层12b上形成的透明导电膜12c和在该透明导电膜12c上形成的将由荧光体层12b发射的可见光变换为电子的光电面12d构成。这里，透明导电膜12c通常由氧化铟、ITO（氧化铟和氧化锡的化合物）等构成，用于阻止构成荧光体层12b的碱卤化物例如碘化钠激活的碘化铯与构成光电面12d的材料发生反应，并用于得到荧光体层表面上的连续导电性。

另一方面，在与输入面12相对的设置输出面（这里，是支撑输出荧光体的光学玻璃基板兼作外壳的一部分的结构）15的一侧设置由外壳输出部11c侧向支撑的阳极14，在阳极14与作为阴极的输入面12之间，例如沿外壳壳体11b的内壁设置第一聚焦电极13a，在该聚焦电极13a与输出面15之间设置圆筒状的第二聚焦电极13b。由第一和第二聚焦电极13a，13b构成静电电子透镜系统，这些和图1所示的先有的X射线图像增强器的结构相同。

如前所述，在本发明的X射线图像增强器中，在输入窗11a的内表面形成凹凸表面硬化层11d，并在其上直接形成输入面12。该凹凸表面硬化层11d的威氏硬度，如上所述，最好为120-250。其威氏硬度小于120时，不能充分承受X射线图像增强器的内外压力差，X射线输入窗11a有可能发生变形。另一方面，其威氏硬度超过250时，难于进行成形加工，也不理想。

凹凸表面硬化层11d的表面的粗糙度最好为2-10μm。粗糙度小于2μm时，凹凸表面硬化层11d的硬度低，不能充分承受X射线图像增强器的内外压力差，X射线输入窗11d有可能变形。如果粗糙度超过10μm，则在其上形成的荧光体的附着性弱，并且荧光体的膜质有软点。

本发明者按如下方法进行了求经过表面硬化处理的Al-Mg合金的表面的粗糙度、处理面的硬度、荧光体在处理面上的附着力和荧光体的膜质的关系的实验。

即，将厚度为0.5mm的上述Al-Mg合金板加工成形为输入窗的形状后，使用粒径100μm的玻璃珠进行凹凸表面硬化处理，改变压力和加工时间，得到具有各种粗糙度的处理面的Al-Mg合金输入窗试料。

测量这些Al-Mg合金输入窗试料的处理面的威氏硬度，就得到图7所示的结果。由图7的曲线可知，为了得到能耐X射线图像增强器的内外压力差的大于120的威氏硬度，其粗糙度必须大于2μm。

然后，在Al-Mg合金输入窗试料的处理面上利用真空镀膜形成荧光体层，检查其附着力和荧光体层的膜质。其结果示于如下表1。

表1

◎：最好

○：良好

△：比较好

×：不好

由上述表1可知，为了得到Al-Mg合金输入窗板的足够的硬度，表面粗糙度最好大于5μm，为了得到足够的荧光体附着力，表面粗糙度最好小于10μm;为了得到足够好的荧光体的膜质，表面粗糙度最好小于10μm。综合上述情况，表面粗糙度最好为2-10μm。

如上所述，若只着眼于荧光体的附着力和膜质，表面粗糙度为5μm时最好，而硬度却不是最好。但是，即使表面粗糙度为5μm，经过凹凸表面硬化处理后也可能得到最好的硬度。

即，首先，为了得到最好的硬度，在将Al-Mg合金板（ASTM5000系列）加工成形为输入窗的形状后，以高压力进行凹凸表面处理和凹凸表面硬化处理后，得到10μm或大于10μm的表面粗糙度。然后，可以在低压力下对Al-Mg合金板进行凹凸表面硬化处理，挤压先前形成的凹凸，使表面粗糙度成为5μm左右。结果，即使表面粗糙度为5μm，也可得到威氏硬度约250的表面。

如以上所述，按照本发明的X射线图像增强器，由于在X射线输入窗内表面形成凹凸表面硬化层，所以，由抽真空排气而产生的X射线图像增强器的内外压力差引起的X射线输入窗的变形很小，并且，由于存在在凹凸表面硬层上形成的光反射性物质层，所以，入射面发射的光射向光电面方向可以获得高对比度的输出图像。

另外，作为X射线输入窗的材质，使用铝或铝合金时，可以得到X射线输入窗的成形性好并且价格方面有利的X射线图像增强器。

使用本发明的X射线图像增强器时，作为X射线源，采用低能X射线时，对于尺寸小的被照射体就可以获得对比度很高的输出图像。

下面，说明本发明的实施例。

实施例1：

本实施例的X射线图像增强器的特征是形成特定结构的输入面。即，作为X射线输入窗11a的材质，使用厚度0.5mm的铝合金（或铝），在X射线输入窗11a的凹面上，例如施行凹凸表面硬化处理。利用该凹凸表面硬化处理，形成凹凸面的高度约为数微米的粗糙度的粗表面，同时，表面得到硬化。即，这样处理过的X射线输入窗11a的凹面形成凹凸表面硬化层11d。

在该凹凸表面硬化导11d的凹凸面上，形成光反射性物质层即约2000

的铝薄膜12a。该铝薄膜在约2×10^-5Pa的低压下进行真空镀膜而得到。另外，在该光反射性物质层12a上，利用真空镀膜形成厚度约400μm的荧光体层12b。该荧光体层12b是在基板温度约180℃时利用真空镀膜先在4.5×10^-1Pa的压力下形成厚度约380μm的第一层CsI/Na荧光体，然后在小于10^-3Pa的压力下形成厚度约200μm的第二层CsI/Na荧光体而形成的。

包括该荧光体层12b在内的X射线输入窗11a通过金属制的例如钢制的环11e与外壳壳体11b焊接。然后与X射线输入窗11a焊接在一起的外壳壳体11b再与外壳输出部11c焊接。最后，在荧光体层12b上通过透明导电膜12c或者直接形成光电面12d。

在这样构成的X射线图像增强器中，从X射线源A发射的X射线B穿过被照射体C后入射到输入窗11a上时，如图6所示，在荧光体层12b内，例如在a点发出光，该光分解为向输出方向传播的光b和向输入窗11a一侧传播的光c。其中，射向输入窗11a一侧的光c在到达输入窗11a的表面即表面硬化凹凸面12f上时，在该处发生乱反射，通常，该乱反射光d就是引起亮度降低的原因。但是，在凹凸表面硬化层11d上形成了作为光反射性物质的铝薄膜12a，所以，光c不能达到凹凸表面硬化层11d，而被铝薄膜12a反射，反射光d射向输出面15一侧，从而可以防止亮度降低。

下面，以输入面有效直径为4英寸的情况为例，参照图3说明使用本实施例的X射线图像增强器和先有结构的X射线图像增强器的对比度特性的比较数据。

如前所述，在图3中，纵轴表示对比度（%）和对比度比，横轴表示铝圆板的直径。图中，使用有效输入直径为4英寸的X射线图像增强器，以管电压为50KV、管电流为1mA进行了实验。图3的直线a，b都是使用本实施例结构的输入窗的例子，其中，直线a是使用由铝构成的输入窗的情况，直线b是使用由尺寸与铝相同的铍构成的输入窗的情况。如前所述，曲线c是使用图1所示的先有结构的X射线图像增强器的例子。

由图3所示的结果可知，先有结构的X射线图像增强器的对比度以铅圆板的直径（mm）40mm为界限，直径越小对比度下降程度越显著，与此相反，本实施例的X射线图像增强器的对比度如直线a，b所示，与铅圆板的直径（mm）成正比地上升，与铅圆板的直径成线性比例关系。这就意味着，在判断更细小的被照射体时，通过着色使其有浓淡差时就很容易进行判断。

这样，本实施例的X射线图像增强器就可以使以往难于实现的输入窗兼作输入面结构的X射线图像增强器达到实用化。

实施例2：

本实施例是使用和实施例1相同的X射线图像增强器（输入窗的材料为Al-Mg合金），采用低能X射线时测量对比度特性的例子。如上所述，图4是纵轴表示对比度（%）和对比度比、横轴表示铅圆板的直径的曲线图。它是在X射线管电压为30KV，管电流为1mA的条件下做的实验。

图4的直线d是使用本实施例结构的输入窗的例子，曲线e是使用图1所示的先有结构的X射线图像增强器时对比度的变化。

由图4可知，先有结构的X射线图像增强器的对比度与使用高能X射线（X射线管电压5KV，管电流1mA）时相比，铅圆板的直径（mm）以40mm为界限，直径越小，其对比度降低的程度越显著;相反，本实施例的X射线图像增强器的对比度如直线d所示，与铅圆板的直径成线性比例关系，和上述实施例一样，对于判断更细小的被照射体，可以高精度地进行判断。

如上所述，按照本发明，可以使以往难以实现的在输入窗内表面直接形成输入面的结构的X射线图像增强器实用化，并且可以实现进一步提高对比度的X射线图像增强器。

输入窗材质，除了上述实施例中使用的Al-Mg合金外，使用Al-Mg-Si系列合金（ASTM6000系列）也可以获得同样的效果。

Claims (7)

1、一种X射线图像增强器，包括：具有金属制的X射线输入窗的真空外壳、在上述X射线输入窗内表面上形成的输入面、在上述真空外壳内沿着从上述输入面发射的电子的前进方向顺序设置的聚焦电极、阳极和输出面。上述X射线输入窗在形成输入面一侧的面上具有凹凸表面硬化层，上述输入面具有在上述凹凸表面硬化层上形成的荧光体层和在该荧光体层上形成的光电面。

2、按权利要求1所述的X射线图像增强器，其特征在于：上述金属制的X射线输入窗的材质为铝或铝合金。

3、按权利要求1所述的X射线图像增强器，其特征在于：上述凹凸表面硬化层的表面粗糙度为2-10μm。

4、按权利要求1所述的X射线图像增强器，其特征在于：上述凹凸表面硬化层的威氏硬度为120-250。

5、按权利要求1所述的X射线图像增强器，其特征在于：上述凹凸表面硬化层是由将输入窗材质加工成形为输入窗的形状后，通过利用硬球轰击输入窗材质表面而得到。

6、按权利要求1所述的X射线图像增强器，其特征在于：上述输入面进而还具有在上述凹凸表面硬化层上形成的光反射性物质层。

7、按权利要求6所述的X射线图像增强器，其特征在于：上述光反射性质质层为金属薄膜。

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