摘 要： 針對帶微通道板（MCP）的雙近貼聚焦X射線像增強器普遍存在動態(tài)范圍小、使用壽命短等缺點，對其電源系統(tǒng)進行研究并改進，從而使X射線像增強器能夠更好地滿足X射線檢測和醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的應(yīng)用要求。這種電源可以使像增強器始終產(chǎn)生對比度良好的高分辨率圖像; 同時還可以延長像增強器的使用壽命。
關(guān)鍵詞： X射線成像 像增強器 選通電源 FPGA PWM
X射線像增強器是帶微通道板（MCP）的雙近貼聚焦X 射線像增強器，一般由光電陰極、MCP和熒光屏三部分組成，如圖1所示。由于MCP的引入，使得它具有很多優(yōu)良的性能：體積小、結(jié)構(gòu)簡單、圖像空間分辨率高且畸變小、增益高、可結(jié)合性強、電磁干擾低和快門比高等。由于這些性能,使其在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
目前的X射線像增強器普遍采用直流供電。為了增大動態(tài)范圍和防止過高的電流損壞像增強器件,在電路中設(shè)置了自動亮度控制(ABC)電路和亮源保護(BSP) 電路,但是這兩種電路功能的實現(xiàn)是以犧牲成像質(zhì)量為代價的，得到的圖像模糊、對比度低，看不清亮光后面模糊背景中的物體。另外，自動增益控制電路對較強的點光源或線光源起不到自動保護的作用，微通道板內(nèi)部細管會因長時間處于電子飽和狀態(tài)而灼傷，出現(xiàn)點狀或條狀黑斑，從而減短使用壽命[1]。本文針對帶微通道板（MCP）的雙近貼聚焦X射線像增強器普遍存在動態(tài)范圍小、抗疲勞能力差、不能在強光下工作等缺點，對其高壓電源系統(tǒng)進行改進。從而使X射線像增強器能夠更好地滿足X射線檢測和醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的應(yīng)用要求。
1 X射線選通增強實現(xiàn)途徑
如果在X射線像增強器選通電極上不加直流高壓，而代之以可以自動高速接通和切斷的連續(xù)矩形脈沖高壓，則僅在脈沖持續(xù)期間才有光電子通過而轟擊熒光屏，這樣就構(gòu)成了一個選通快門。矩形脈沖的寬度就是曝光時間，其大小控制著像增強器的工作時間。經(jīng)過這樣改進的自動脈沖門控電源的作用機理就是電源感知進入像增強器的光量，根據(jù)輸入光強度的變化自動高速接通和切斷，而且電源的接通和切斷控制是通過調(diào)節(jié)周期固定的脈沖的占空比實現(xiàn)的[2]。熒光屏上的微電流的變化反映了輸出圖像亮度的變化，一般取熒光屏上的微電流作為反饋信號。當(dāng)在弱光下工作時，像增強器工作在直流供電狀態(tài)；當(dāng)在強光下工作時，像增強器工作在選通狀態(tài)。當(dāng)熒光屏上輸出圖像亮度增大時，熒光屏反饋電流增大，通過調(diào)節(jié)門脈沖信號的占空比，使像增強器工作時間縮短，保持熒光屏上的輸出圖像亮度不變；反之亦然。由于像增強器處于接通狀態(tài)時，各個電極上都加上合適的電壓值，不會影響系統(tǒng)的分辨率[1]。
對于雙近貼像增強器來說，選通方式有如下幾種[3]:
(1)陰極選通：快門脈沖加于陰極與MCP輸入面之間。這種方案所需脈沖電壓幅度低(100伏～300伏)，但要承受較大容性負載。如果電壓幅度不夠或脈沖上升沿和下降沿速度慢，就會產(chǎn)生離焦，影響像質(zhì)。另一方面,因MCP對透過陰極的光有強吸收作用，所以快門比（定義為像管打開時從熒光屏來的光亮相對于像管關(guān)閉時透過的光亮的比值）可以很容易達到106。目前此方案屬最常用的選通方案。
(2)MCP選通：快門電壓直接加到MCP兩面。這種方案要承受更大的容性負載(100pF),而且所需脈沖電壓幅度要求較高(1 000V左右)。雖然電壓與聚焦無關(guān)，但直接影響增益，且因增益隨電壓變化很靈敏，故脈沖由邊沿向中心傳播的過程中不均勻性也會放大，從而產(chǎn)生“空心效應(yīng)”，使選通速度受到限制。所得到的快門比為104，此方案比方案(1)差得多。
(3)熒光屏選通：快門脈沖加到MCP輸出極與熒光屏之間。極間電容較小，但電壓幅度要幾千伏，因所需脈沖能量很高，這種方式通常不采用。
這里采用加在光電陰極和MCP 間的電壓是脈沖電壓,如圖2所示，它的頻率和脈寬隨進入像增強器的光強變化而變化,在光照強時頻率較低、脈寬較窄;光照弱時正好相反,這樣就在不改變像增強器供電的情況下,實現(xiàn)了ABC和BSP控制,從而實現(xiàn)了不降低分辨率而提高動態(tài)范圍的目的,使像增強器在不同輸入光強度下都能有效工作,所以在像增強器熒光屏上總是輸出均勻一致的圖像。
采用這種自動脈沖門控電源給像增強器陰極供電可以減小強光下到達MCP 的電子流, 防止因電流飽和而生成的沖蝕圖像,從而有助于降低強光產(chǎn)生的光暈或圖像模糊效應(yīng)，使像增強器在強光照射下仍能產(chǎn)生對比度良好的高分辨率圖像。因此該方法可以大幅度地提高像增強器的動態(tài)范圍，實現(xiàn)X射線的自適應(yīng)增強。另外，由于是間歇式供電，還可以延長像增強器的使用壽命。
2 電源控制電路設(shè)計
和傳統(tǒng)的X射線像增強器使用的直流電源一樣，MCP和熒光屏上所加的高電壓都是通過對低直流電壓產(chǎn)生振蕩再倍壓整流后產(chǎn)生的，如圖3上半部分所示。選通電源設(shè)計的關(guān)鍵在于如何產(chǎn)生脈寬隨輸入光強變化而變化的脈沖電壓信號加在陰極上，如圖3下半部分所示的陰極脈沖發(fā)生器。以下重點介紹此部分電路的設(shè)計。
