（信号与信息处理专业论文）基于mcp的高分辨率x射线成像系统设计.pdf

中北大学学位论文 基于m o p 的高分辨率x 射线成像系统设计 摘要 目前，国内研制的x 射线成像系统的空间分辨率一般为5 勿m m 左右，不能观察到 物体内部的精细结构。带微通道板( m c p ) 的x 射线像增强器在x 射线成像系统中的应 用可以大大提高系统的成像质量，然而，像增强器在增强有用信息的同时也会将噪声增 强，这势必会影响系统成像的空间分辨率和清晰度；另外，对于采用恒定增益像增强器 的系统，很多成像条件的变化都会对系统成像质量造成很大影响。 基于以上背景，本文在研究了x 射线成像理论和微光成像理论的基础上，将高分辨 率x 射线像增强器作为将x 射线图像转换为可见光图像的转换装置，并利用光锥的无畸 变传输特性，将其作为光学中继元件( 即在x 射线像增强器光纤面板荧光屏和c c d 之间 采用光锥进行耦合) ，设计了一个高分辨率x 射线成像系统。本文研究开发的高分辨率 x 射线成像系统，具有分辨率高( 可达1 2 勿m m ) ，m c p 电压可调，体积小，重量轻等优 点，能够满足小幅面的医学成像和无损检测的要求。 本文分析了成像系统的硬件结构，对其主要器件的性能参数作了详细介绍；对系统 的主要性能指标进行了测试研究，主要包括：空间分辨率、透度灵敏度、系统动态范围 及响应均匀性、系统所称图像灰度均值与像增强器微通道板电压的关系以及系统的调制 传递函数m t f 等；还对影响系统分辨率的因素以及系统成像最佳放大倍数和最小检出缺 陷尺寸进行了分析和计算。实验结果表明，本文设计开发的高分辨率x 射线成像系统能 够检测到许多普通c r 和d r 系统无法检测到的微缺陷。 另外，根据像增强器微通道板电压与增益的关系，利用输出电压可调的高压电源给 像增强器微通道板供电。最后，本文从图像梯度幅度值和图像边缘的关系出发探讨了射 线图像质量的客观评价理论，利用将图像梯度幅度值累积和作为评价指标的图像质量评 价方法，对系统在不同m c p 电压下所成图像的质量进行了分析评价。 关键字：x 射线成像，高分辨率，m c p ，图像质量评价 中北大学学位论文 t h ed e s i g no fh i g h - r e s o l u t i o nx r a yi m a g i n gs y s t e m b a s e do nm c p a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h er e s o l u t i o nr a t i oo fm o s tc h i n e s e - m a d ex - r a yi m a g i n gs y s t e m si sa b o u t 5 1 p r a m , w ec a l ln o to b s e r v et h es u b t l ei n t e r n a ls t r u c t u r e so fs o m eo b j e c t sw i mt h e m t h e a p p l i c a t i o no fx - r a yi m a g ei n t e n s i f i e r sw i 也m i c r o - c h a n n e lp l a t e ( m c p ) i nt h ex - r a y i m a g i n i n gs y s t e mc a ni m p r o v et h ei m a g i n gq u a l i t yo ft h es y s t e mg r e a t l y b u tt h en o i s ew i l lb e i n t e n s i f i e da l o n g 谢t l lt h eu s e f u li n f o r m a t i o n , w h i c hc a ni n f l u e n tt h er e s o l u t i o nr a t i oa n d c l a r i t yo f t h ei m a g i n gq u a l i t yo f t h es y s t e m o nt h ei m a g i n gs y s t e mw i t hc o n s t a n tg a i n ，m a n y c h a n g e so fi m a g i n gc o n d i t i o n sw i l li n f l u e n tt h ei m a g i n gq u a l i t yo ft h es y s t e mg r e a t l y b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d , a f t e rs t u d y i n gt h ex - r a yi m a g i n ga n dl o w - l i g h t - l e v e l i m a g i n gt h e o r y , t h ep a p e rd e s i g n e dah i g h - r e s o l u t i o nx - r a yi m a g i n gs y s t e mb yu s i n gt h e h i g h - r e s o l u t i o nx - r a yi n t e n s i f i e ra st h ec o n v e r t i n gi n s t a l l a t i o nw h c hc o n v e r t e dx - r a y i m a g e t ov i s i b l el i g h ti m a g e , a n du s i n gt h en o n d i s t o r t i o nt r a n s p o r tp r o p e r t yo f o p t i c a lf i b e rt a p e r , t o o ki ta so p t i c a lr c l a yc o m p o n e n t ( x - r a yi m a g ei n t e n s i f i e ro p t i c a lf i b e rp a n e lf l u o r e s c e n t s a 陀宅nw a sc o u p l e dt op h o t o s e n s i t i v es u r f a c eo fc c d ) t h eh i g h - r e s o l u t i o nx - r a yi m a g i n g s y s t e m d e s i g n e d i n t h e p a p e r h a ss o m e a d v a n t a g e s o f h i g h r e s o l u t i o n ( r e a c h e d1 2 勿m m ) ， a d a p t i v em c pv o l t a g e ，l e s sc u b a g e , l i g h t e rw e i g h ta n dp o r t a b i l i t y i tc o u l ds a t i s f yt h ed e m a n d o f s m a l ld o m a i nm e d i c a li m a g i n ga n dn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h ei m a g i n gs y s t e mh a sb e e na n a l y z e da n dt h ec a p a b i l i t y p a r a m e t e r so f t h ed e t a i l e da p p a r a t u sh a v e b e e np r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h ep a p e ra l s ot e s t e d a n dr e s e a r c h e dt h em a i np r o p e r t yi n d e xo f t h es y s t e m , w h i c hi n c l u d i n g ：r e s o l u t i o n , p e n e t r a t i o ns e n s i t i v i t y , d y n a m i cr a n g ea n dt h er e s p o n s eh o m o g e n e i t y ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ei m a g eg r e ym e a nv a l u ea n dt h em c p v o l t a g e ，a n dt h em t fo f t h es y s t e m b e s i d e s ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n tt h er e s o l u t i o nr a t i oo ft h es y s t e m , t h e 中北大学学位论文 o p t i c a lm a g n i f yt i m e so f t h es y s t e ma n dt h e 玎1 i n i l n u md r a w b a c ks i z et h a tt h es y s t e mc a n d e t e c t t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w e dt h a tt h ei m a g i n gs y s t e md e s i g n e di nt h ep a p e rc o u l d d e t e c tm a n ys l i g h td r a w b a c k st h a tc o l n l l l o nc ra n dd rc o u l dn o td e t e c t i na d d i t i o n , a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i po fm c pv o l t a g ea n dt h eg a i no ft h es y s t e m ，t h e a u t h o ru s e da na d j u s t a b l eh i g h - v o l t a g ep o w e rs u p p l yt os u p p l yt ot h em c po ft h ex - r a y i n t e n s i f i e r f i n a l l y , b a s e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg r a da m p l i t u d ea n dt h e 文i g eo f t h e i m a g e ，t h ep a p e ri n v e s t i g a t e dt h eo b j e c t i v ei m a g eq u a l i t ye v a l u a t i o nt h e o r y , a n da d v a n c e da n i m a g eq u a l i t ye v a l u a t i n gm e l t h o dt h a tu s i n gt h eg r a da m p l i t u d ea c c u m u l a t i o na s a ni m a g e q u a l i t ye v a l i 谢n gi n d e x ，a n da n a l 蹿a n d 舒棚l l a 圭韶t h ei m a g eq u a l i t yu n d e rd i f f e r e n tm c p v o l t a g ew i t ht h ev e r y m e t h o d k e yw o r d ：x - r a yi m a g i n g , h i g h - r e s o l u t i o n , m c p , i m a g eq u a l i t ye v a l 吼血g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 。 j 法律责任由本人承担。 论文作者签名：奎渣望 日期：趁堡。：兰： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：查遗整日期： 逸容。笪：互 导师签名：6 己e l 期： 趁旦壁：至 中北大学学位论文 1 1 课题来源和研究背景 第一章绪论 x 射线自被发现以来，就被广泛地应用于医疗、工业无损检测、物质研究、天体研 究等领域，为人类文明的进步做出了极大的贡献。x 射线检测实时成像技术是8 0 年代中 期以来国际上新兴的一项无损检测技术。x 射线实时成像系统主要由x 射线源( x 射线机) 、 x 射线接收转换装置、图像处理和分析系统、图像显示和储存单元等组成“3 。它的工作 原理是：由x 射线管产生的近似为一个点光源发射出来的强度均匀的x 射线束照射被检测 物体，射线穿透被检测物体不同密度分布区域时会产生不同的衰减，这些携带了物体内 部结构和缺陷等信息的x 射线由射线接收转换装置转换成可见光图像，利用半导体传感 技术和计算机信息处理技术，将检测图像直接显示在计算机屏幕上，应用计算机程序进 行评定，然后将图像数据保存到储存介质上n 1 。 带微通道板( m c p ) 的像增强器最初是在军事科学领域，为了适应夜战的需要而发 展起来的。狭义上讲，它能将微弱光照射下的景物，通过光电阴极的光电子转换、电子 倍增器增强和荧光屏电光转换再现为可见光图像的一类成像器件；而从广义上讲， 它是一类多波段、多功能的光电子成像器件，可用来对紫外光、可见光、近红外光、x 射线和，射线照射下的景物，进行探测、增强和成像，或为电视摄像器件提供图像增强 的前级像管器件业1 。 ， 作为x 射线成像技术和微光成像技术相结合的产物，带微通道板( m c p ) 的单近贴聚 焦x 射线像增强器具有很多优良的性能：体积小，结构简单，图像空间分辨率高且畸变 小，增益高，可结合性强，抗电磁干扰性能好，因此它被广泛地用作x 射线成像系统的 接收转换器件。基于像增强器的x 射线实时成像无损检测原理可概述为：x 射线穿透被 检测物体后被图像增强器所接收，图像增强器把不可见的x 射线检测信号增强并转换为 光学图像，光学图像再经图像采集系统，输入计算机进行a d 转换，转换为数字图像， 经计算机处理后，还原在显示器屏幕上显示出被检测物体内部的缺陷性质、大小、位置 等信息，按照有关标准对检测结果进行缺陷等级评定，从而达到检测的目的啪。 l 中北大学学位论文 本课题是针对目前国内研制的x 射线成像系统成像所需的照射时间长、分辨率普遍 不高、体积大等缺点，并就m c p - x 射线像增强器在x 射线成像系统中的应用，针对x 射线像 增强器普遍存在的动态范围小的缺点而提出的。本课题由山西省科技厅资助( 0 4 1 1 0 6 ) 。 1 2 国内外研究现状及发展趋势， 1 2 1x 射线实时成像技术国内外研究现状 x 射线实时成像检测技术( x - r a yr e a l - t i m er a d i os o p yi n s p e c t i o n ) ，可代替x 射线 胶片照相探伤方法，具有实时、动态和可以连续地从各个角度对试件进行检测的优点， 在石油管道、航空航天产品无损检测、汽车发动机生产线在线检测、电子元器件内部质 量检测等领域得到了广泛的应用h 1 x 射线实时成像检测技术大致经历了影像增强器成像技术和数字化成像技术两大发 展过程嘲。 1 影像增强器成像技术 影像增强器于1 9 4 8 年问世嘲，它主要是由输入屏、输出屏、阴极、阳极和聚焦极组 成的电真空器件。x 射线影像增强器可以把x 射线影像增强并转换为可见光图像。影像 增强器的输入屏涂有碘化铯荧光粉，紧贴输入屏的内侧是涂有锑铯光电阴极。在x 射线 的作用下输入屏的碘化铯，发光激发阴极产生光电效应发射出电子，这些电子在靠近输 入屏一端的阳极高压电场的作用下高速飞向输出屏，激发荧光材料发光，经过这一转换 过程使输出屏上的可见光增强了几万倍，从而可以大幅度减少x 射线剂量。影像增强器 通常要与摄像系统配合使用，摄像机把图像拍摄下来转换成电视视频信号，再通过监视 器观察记录的影像。 这种成像技术，由于它能够实时地获取检测图像，目前已广泛应用于对于中小构件 昀工业检测，但也存在一些问题：( 1 ) 检测图像的分辨率较低，对直径2 3 m m ( 9 英寸) 输入 场的像增强器，空间分辨率不超过1 8 1 p n n 1 。( 2 ) 在强磁场环境下使用时图像发生扭曲。 ( 3 ) 过量的x 射线会导致输入荧光面永久损坏。( 4 ) 易老化，使用寿命短。 2 数字化x 射线成像技术 2 中北大学学位论文 数字化x 射线成像技术主要有以下几种类型：存储板x 射线成像技术( c r ) ，直接数 字化x 射线成像技术( d r ) ，电荷耦合器件( c c d ) 探测器，计算机层析成像技术( c t ) 等等 强6 。也9 】 0 ( 1 ) c r 技术 1 9 8 1 年，日本富士公司首先开发出了产品化的计算机放射成像系统c r 伽。c r 系统 实现了x 射线成像信息的数字化，使数字图像数据可用计算机处理、显示和存储。 j c r 技术采用影像板( i m a g ep l a t e ，简称i p 板) 代替传统的胶片增感屏来记录x 射线 信号，再用激光激励影像板，通过专用的读出设备读出影像板存储的数字信号，之后 再用计算机进行处理和成像嘲。 目前，我国c r 技术趋于成熟，影像板接收面积达3 5 6 m m x4 3 2 m m ，分辨率l o l p m m ，对 x 射线动态响应的线性范围达到1 一1 0 6 ，灵敏度是x 射线光屏片的2 0 倍。国际上，富士公 司代表着c r 系统的最高水平，能够以4 0 0 0 像素吼的高分辨率获取3 5 6 m mx4 3 2 m m 的 激光打印胶片忉。 ( 2 ) d r 技术 到1 9 9 7 年，出现了直接数字化x 射线成像技术( d i r e c tr a d i o g r a p h y ，且p d r ) ，d r 技术的 探测器可以迅速将探测到的x 射线信号直接转化为数字信号输出，而不需要c r 中的激光 扫描和专用的读出设备，所以d r 的实时性高于c r ，在动态成像领域颇具发展潜力啪。 d r 检测系统组成见图1 1 。按照图像的成像方式分为线扫描成像和面扫描成像；根 据成像过程可分为直接和间接式d r 系统。直接d r 成像系统主要分为图像增强器成像系 统、平板型成像系统和线阵扫描成像系统等跏。 射线源 刮检测对象 射线成像 探测器 图像数字 化系统 数字图像 处理系统 图1 1d r 检测系统组成框图 图1 2 为图像增强器式d r 系统，主要通过射线视频系统与数字图像处理系统集成 实现。系统采用射线一可见光一电子一电子放大一可见光的光放大技术，是将射线光子由转 换效率较高的主射线转换屏转换为可见光图像，可见光光子经光电转换变为电子，而后 对电子进行放大，放大后的电子聚集在小屏上再次转换为可见光图像。通过上述增强后 3 中北大学学位论文 的图像亮度可放大l 万倍以上，这样的图像即使在自然光条件下也是清晰的。用普通视 频摄像机拾取图像即可获取好的图像并可通过电视屏幕实时观察。 2 4 1f _ j 1 ；l 苎兰竺卜 l - - - - - 一 ! | 鸹像记录卜 ! l 罂像镳出卜 l 前鬣艘犬器l ； f a d 转换嚣i ： 1 图像存储器l ： l 匿像处理器i ： 也| 图1 2 图像增强器d r 检测系统框图 1 x 射线源2 被测工件3 x 射线图像增强器4 摄像机5 数字图像处理系统 目前，国内研制的x 射线成像系统空间分辨率一般为5 1 p m m ，高档微焦点x 射线成像 系统每毫米可达十个线对，每秒可获得4 0 0 幅或更多的图像，与国际先进水平仍有很大 差。主要产品仍使用焦点面积为2 m m 2 m m 的低速旋转阳极管；参量控制台靠手工操作， 自动化程度低；专用机的品种不全；8 0 k w 以上的设备性能不先进，且没有形成规模化生 产：变频式x 射线机近两年才刚投入生产，在电路设计、元器件选用和制造工艺方面尚需 逐步完善口1 。 目前，在我国x 射线实时成像系统的一些关键部件如工业用图像增强器、高清晰度的 c c d 摄像机、l d a 线阵扫描探测器和c m o s 传感器基本上还不能国产化，一次性设备投资较 大，制约了x 射线实时成像技术的发展1 。 1 2 2x 射线成像技术的发展趋势 在二维成像方面，迄今为止c r 市场覆盖面较广，据说这是最符合放射科传统工作流 程的技术方式。但因受制子图像质量、实时显示及操作等方面的因素，使直接数字化成 像( d i r e c tr a d i o g r a p h y ，d r ) 成为开发的热点嵋1 。主要应用近年异军突起的平板薄膜晶 管( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ) 技术( 有源阵列) 制成“高分辨实时成像板 采集图像1 。 三维成像方面，c t 技术非常先进，但是价格比较昂贵，因此也不利于普及“坊， 4 中北大学学位论文 1 2 3x 射线像增强器国内外研究现状 像增强器是微光夜视系统的核心部件，由于其在军事领域应用的广泛性，受到了各 个国家的重视，发展异常迅速。目前国内外都在大力开展针对像管如何减少正离子反馈、 延长使用寿命、扩大动态范围、提高信噪比和分辨率以及减小晕光效应等关键技术的研 究。习惯上，人们把微光增强器从性能和结构上分为一代、二代、超二代、三代和四代 等种类m 1 。 x 射线像增强器最早出现于2 0 世纪5 0 年代，各个国家这个领域的科研人员一直在 致力于提高其性能的探索。2 0 世纪8 0 年代美国l i x i 公司研发了一种x 射线转换屏和 微光管的复合体式双近贴x 射线像增强器n 羽。2 0 世纪8 0 年代末我国研制成功了带微通 道板的单近贴聚焦的x 射线像增强器，碘化铯光电阴极直接镀在微通道板上，并设计出 相应的x 射线成像系统样机，具备了美国同期双近贴聚焦x 射线影像增强器和相应的带 放射性同位源的x 射线成像系统的技术性能。与美国l i x i 公司产品相比，它还具有体 积小、重量轻、可在亮室中实时成像、x 射线辐射量低、结构简单和造价低廉的优点n 钔羽。 9 0 年代，在x 射线源、系统结构方面作了较大改进，提高了分辨率( 由4 5 勿m m 提高 到6 8 勿m 肌以上) 。为了适应医疗和工业诊断中的应用，不但便携，而且图像幅面展宽， 宜多人观察。在原机基础上，在观察端加附小型c c d 摄像头和8 c m 6 c m 的观察屏，并可 对信息进行存储、记录及拍片幻。 2 0 0 4 年，南京理工大学提出了提升x 射线像增强器各项性能指标的一系列措施，研 制出了分辨率达8 1 p m ，寿命超过1 0 0 0 h 的单近贴x 射线像增强器n 钔。 目前，中国科学院西安光学精密机械研究所已经研制成功( p 2 5 一- l o o m m 系列，空 间分辨率达到l o 1 5 1 p m m 的m c p 射线像增强器( 要求x 射线焦斑 5 0 册) 。 基于像增强器的x 射线成像系统具有成像时间短的优点，能实时( 2 5 帧s ) 观察透视 图像，适合于工件和结构件的动态检测。但是由于受图像增强管的结构和工艺的限制， 与其它系统相比，图像增强器系统动态范围较小，对比灵敏度较低，这大大限制了其在 工业探伤和微电子器件检测技术中的应用。 5 中北大学学位论文 1 3 问题分析及解决方案的提出 1 3 1 问题分析 目前，国内研制的x 射线成像系统的空间分辨率一般为5 1 p m n 左右，不能观察到物 体内部的精细结构( 例如电子器件、集成电路、印刷电路板、小型或微型电机、传感器 的内部结构等) ，与国际先进水平有很大差距，远远不能满足国防和经济建设的需要， 而且国外对我国实行禁运，因此，研究、设计和生产我们自己的高分辨率x 射线成像系 统已经迫在眉睫。 带微通道板( m c p ) 的x 射线像增强器在x 射线成像系统中的应用可以大大提高系 统的成像质量，然而，像增强器在增强有用信息的同时也会将噪声增强，这势必会影响 系统成像的空间分辨率和清晰度；对于采用恒定增益像增强器的系统，当射线源剂量过 大时还可能导致系统饱和而不能正常成像，另外，调节x 射线源电压致使其剂量的变化、 不同试件对x 射线的衰减程度不同、射线源电压的波动导致射线强度的变化以及射线源 的不稳定性等因素都要求像增强器具有较大的照度动态范围，以更好地满足射线检测系 统应用的要求。 。 目前，x 射线像增强器和c c d 之间的耦合方案有两种：( 1 ) 通过光学透镜耦合，将x 射线像增强器荧光屏图像耦合到c c d 上。( 2 ) 缩小倍率型像增强器与c c d 芯片直接耦合。 第一种方案由于采用光学透镜，成像系统的体积、重量较大，不利于系统小型轻量化， 并且集光效率低，光能传输损耗较大，最后图像的信噪比也明显降低。第二种方案使用 了缩小倍率型像增强器，但是这种像增强器技术难度大，成本高，不便于推广陆1 。 对于基于m c p - x 射线像增强器的x 射线成像系统，m c p 电压直接影响成像系统的增 益和成像质量，研究m c p 电压与系统所成图像灰度均值之间的对应关系，以及提出一种 有效、可行的图像质量评价方法，并对系统在不同m c p 电压下所成图像质量进行评价， 将为今后系统自适应增强控制的硬件实现和系统成像质量的提高提供依据。 1 3 2 问题解决方案的提出 基于以上背景，本文在研究y x 射线成像理论和微光成像理论的基础上，将高分辨率 6 中北大学学位论文 x 射线像增强器作为将x 射线图像转换为可见光图像的转换装置，并利用光锥的无畸变传 输特性，将其作为光学中继元件( 即在x 射线像增强器光纤面板荧光屏和c c d 之间采用光 锥进行耦合) ，设计了一个高分辨率x 射线成像系统。该耦合方式与1 3 1 节中介绍的两 种传统耦合方式相比，具有光能传输损耗小，图像的信噪比大，体积小，重量轻等优点。 论文的另一个任务是对系统性能进行测试研究，为以后改进系统成像质量奠定基 础。 本课题的研究意义在于： ( 1 ) 本文研究开发的高分辨率x 射线成像系统，具有分辨率高、m c p 电压可调、体 积小、重量轻等优点，能够检测到许多普通c r 和d r 系统无法检测到的微缺陷。 ( 2 ) 对系统性能进行了测试研究，其结论为今后更深入地研究和改进系统成像质 量提供了依据。 1 4 研究内容与技术途径 一、： ： 1 4 1 研究目标 j 在深入研究x 射线成像理论和微光成像理论的基础上，基于目前国内的技术和工艺， 以实现高分辨率成像为目标，将高分辨率x 射线像增强器作为将x 射线图像转换为可见 光图像的转换装置，选择最佳的光学中继方案，将m c p x 射线像增强器和c c d 进行耦合， 设计一个高分辨率x 射线成像系统。对系统性能进行测试研究，用输出电压可调的高压 电源给像增强器的m c p 供电，并提出一种适用，而且可靠有效的客观图像质量评价方法， 调节m c p - x 射线像增强器m c p 电压，对其在不同电压下所成图像质量进行分析评价。 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 研究微光成像理论和x 射线成像理论，重点研究像增强器m c p 电压与增益的关系。 ( 2 ) 研究光锥的性质，以及将其作为成像系统光学中继元件的优点，研究光锥与c c d 的耦合方式。 ( 3 ) 对成像系统的主要性能指标进行测试研究，主要包括：透度灵敏度，空间分辨率， 系统动态范围及晌应均匀性，系统所称图像灰度均值与像增强器微通道板电压的 。 7 中北大学学位论文 关系以及系统的调制传递函数m t f 。 ( 4 ) 对影响系统分辨率的因素以及系统成像最佳放大倍数和最小检出缺陷尺寸进行分 析和计算。 ( 5 ) 研究图像质量评价理论，提出一种适用，并且可靠有效的客观图像质量评价方法， 调节m c 卜x 射线像增强器m c p 电压，对其在不同电压下所成图像质量进行分析评价。 1 4 3 论文结构安排 第一章介绍了x 射线实时成像技术和像增强器的国内外研究现状与发展动态，分析 了目前国内x 射线实时成像技术和将x 射线像增强器应用于x 射线成像系统的问题所在， 由此提出了本文研究工作的必要性，分析了论文的工作和实现方法。 第二章详细讨论了x 射线像增强器的工作原理和性能参数，探讨了m c p 电压与增益 的关系。 第三章给出了系统的设计方案及结构框图，分析了系统成像的原理。对组成系统的 各个主要器件做了详细的介绍，给出了主要器件的性能参数。并分析研究了光锥与c c d 耦合应用于成像系统的优点以及研究光锥与c c d 的耦合方式。 第四章对成像系统的主要性能指标进行了测试研究，主要包括：空间分辨率，透度 灵敏度，系统动态范围及响应均匀性，系统所称图像灰度均值与像增强器微通道板电压 的关系以及系统的调制传递函数m t f 等，并对影响系统分辨率的因素以及系统成像最佳 放大倍数和最小检出缺陷尺寸进行了分析和计算。 第五章在研究了射线图像质量评价理论的基础上，提出了一种适用，而且可靠有效 的客观图像质量评价方法，调节u c p - x 射线像增强器m c p 电压，用该方法对系统在不同m c p 电压下所成图像质量进行分析评价。 最后为总结和展望，对本文所作工作进行了总结，对本课题今后的研究方向提出一 些意见。 8 中北大学学位论文 第二章x 射线像增强器原理分析 2 1 二代像增强器简介 自从二十世纪6 0 年代二代像增强器出现以来，由于其具有尺寸小、重量轻、成本低 等优点，至今仍在微光夜视、夜盲助视、天文观测、x 射线图像增强、医疗诊断和高速 电子摄影等技术领域中得到广泛应用。 二代像增强器又称为微通道板像增强器，如图2 1 所示，它是一种真空光电成像器 件，其作用是把微弱光图像增强到足够的亮度，以便人们用肉眼进行观察。它主要由光 电阴极、电子光学系统和荧光屏组成。其图像增强作用主要由三个环节完成，即光电阴 极把输入到它上面的低能辐射图像通过外光电效应转变为电子图像；电子图像通过特定 的静电场或电磁复合场而获得能量并被加速聚焦到该电子光学系统的像面上；位于电子 光学系统像面的荧光屏被高速电子轰击而发出和入射图像强弱分布相对应的，被增强了 的目标可见图像嘲j 图2 1 双近贴聚焦像增强器结构原理图 2 2x 射线像增强器结构及工作原理 x 射线像增强器是一种将低照度的x 射线图像转换为可见光图像的器件，被广泛的应 用于医学x 射线检查和工业探伤设备等。我们这里介绍的x 射线像增强器是带m c p 的平板 式近贴x 光像增强器，m c p 的引入，使得它具有增益大，体积小，所需x 射线剂量小，结 构简单，造价低廉，分辨率高等优点。它一般有两种结构，其区别主要在阴极。一种是 9 中北大学学位论文 另一种是双阴极、双近贴x 射线像增强器n 们，它们的结 出荧光并 图2 2 单阴极单近贴x 光像增强器原理示意图图2 3 双阴极、双近贴x 光像增强器原理示意捌 m c p - x 射线像增强器成像原理可表述如下：x 射线图像透过输入窗入射到光电阴极上， 光电阴极被x 射线激发产生光电子，光电子入射进入微通道板( m c p ) 并被微通道板倍增， 倍增后的电子在加速电场的作用下打到荧光屏上产生光学图像。 下面主要对组成l i l c p - x 射线像增强器的三个部分一光电阴极、m c p 和荧光屏分别加 以分析。 2 3x 射线阴极 x 射线像增强器是利用光电阴极的外光电效应把x 光子转换为电子的。 2 3 1x 射线阴极的特点 由x 射线光电子物理学可知，如果x 射线光子与阴极材料的原子相碰撞时会发生以下 几种非弹性碰撞过程： ( 1 ) 一次电子发射： ( 2 ) 二次电子发射； ( 3 ) 俄歇电子发射； 0 ( 4 ) 特征谱( 线状) 和连续谱x 射线发射； ( 5 ) 长波辐射( 紫外，可见光，红外) ； ( 6 ) 电子一空穴对产生； ( 7 ) 电子振荡( 等离子体) 辐射。 1 0 中北大学学位论文 测试证明，二次电子发射x 射线阴极电流的主要来源，占9 9 以上n 铂。 、 x 射线阴极的光电子发射过程如下：x 射线光子被c s i 中铯原子吸收，从其内壳层激发 出一次电子，他们可以直接构成一次光电流，逸出概率很小，贡献甚微，可以忽略。而 绝大部分与相邻的更高能级上的电子不断变换能量，产生更多的二次电子。由于阴极材 料是相对疏松的，因而有助于这些二次电子在外加高电场作用下，不断倍增，其中，“有 幸 不被中途复合掉的二次电子( 扩散长度大于出深度者) ，克服真空界面位垒，以一 定概率逸出真空，变为光电子，从而构成了与输入x 射线图像相应的二维光电子图像。 x 射线像增强器的x 射线阴极一般分为透射式( 入射窗阴极材料) 和反射式( 阴极材 料m c p ) 两种n 4 1 。透射式二次电子以透射形式穿过阴极材料逸入真空；反射式二次电子 从阴极材料入射面逸入真空。 2 3 2o s i m c p 反射式x 光阴极 采用真空蒸镀法将c s i 蒸镀在m c p 输入端面，就构成了典型的c s i m c p 反射式x 光阴 极。如图2 4 所示，当一个能量为e ( k e v ) 的x 射线光子打在厚度为d 的阴极材料某点上， 将在该点产生一次光电子，一次光电子在行进过程中将产生多个二次电子，二次电子的 物理发射过程十分复杂，通常将其分为三步u 们： ， ( 1 ) 二次光电子在行进过程中发生能量损失并激发产生二次电子的过程。这时材料体内 + 电子受一次光电子激发，有低能态与跃迁至高能态。 ( 2 ) 二次电子从激发产生的地点向表面运动的过程。在这一过程中，它可能与自由电子， 晶格原子和点阵缺陷相碰撞，与离子产生复合而损失能量。 ( 3 ) 达到表面的一次电子克服表面势垒而逸出的过程。 囊 ( a ) c s i _ l c p 反射式x 光阴极结构图( b ) c s i m c p 反射式x 光阴极光电子产生过程 图2 4c s i w c p 曼射式x 光阴极原理示意图 1l 中北大学学位论文 令m c p 的斜切角为，则x 射线光子以与阴极材料表面秒角的方向进入阴极材料。在 入射过程中不断与阴极材料交换能量( 被吸收过程) ，从该原子内壳激发出一次光电子， 这些一次光电子直接逸出阴极材料外( 数量极少) ，或将其能量交给原子壳中更高能纵的 电子( 二次电子) ，使他们获得能量以克服表面势垒逸出阴极，形成有用的二次电子发射。 这些逸出的二次电子在m c p 两端电场的作用下，轰击对面的阴极材料或通道壁，以大于l 的二次发射系数，经多次电子倍增，在m c p 输出端形成放大万倍的电子流。这些倍增的 电子被板屏之间的高压电场加速打在荧光屏上，在荧光屏上显现出一幅被检物体x 射线 透射强度二维可见光图像。这就是阴极材料m c p 反射式阴极x 射线像增强器的原理。如 图2 4 所示，当x 光子打在c s i 层a 点时，将发生三个物理过程： ( 1 ) x 射线反射，很小，可忽略。 ( 2 ) x 射线折射入c s i 阴极层，产生一次电子和二次电子，它是x 射线光电阴极电子信号的 主要来源。 ( 3 ) x 射线透过c s i 阴极层，进入相邻通道，降低对比度。 2 3 3 窗材苄斗阴极透射式x 射线阴极 y ， 图2 5 窗材料阴极透射式x 光阴极 如果将阴极材料做在窗材料上，就构成了透射式x 射线阴极。如图2 5 ，其工作原理 类似反射式阴极。区别点在于“1 ： ( 1 ) x 射线照射透射式x 射线阴极时，一次电子所激发的二次电子从阴极后界面逸入真空。 ( 2 ) x 射线阴极后续有加速电场，以提供阴极二次电子从真空界面逸出的能量。 1 2 中北大学学位论文 ( 3 ) 透射式阴极通常在靠近基底处是致密层，在致密层上有一层疏松层，以提高二次电 子的逸出深度和逸出概率。 2 4 微通道板( m c p ) 微通道板是于2 0 世纪6 0 年代末蚴开发成功的一种简单紧凑的电子倍增器件，可以 探铡带荷粒子、电子、x 射线和u v 光子等，具有低功耗、自饱和、高速探测和低噪声等 优点，并以多种形式应用于各种探测器中。 c h a n n e l o u t p t 玎s i d g 确f a u e l e t r o d e n 柏暑f 1 p l l 7 v i y e lr u i 一： 尸吣嬲国锺笋瑟o u t p u t e l c t r o n 一 ，e l e c t r o n s i n p u t s i d e if s t r i p 1 e l e c 碍o d e ll ，u p , r e 呸j i 图2 6m c p 结构示意图 图2 7 微通道板中的工作原理示意图 m c p 是由每平方厘米上几十万乃至数百万个细微空心单通道平行并列融合而成，通道 直径痧6 5 0 肋不等，如图2 6 。m c p 两端面镀有镍铬金属薄膜，但没有通道的实体边， 用于提供良好的端面接触，以施加电压。为防止入射电子直接穿过通道而不产生倍增和 防离子反馈，将通道轴线与m c p 表面法线做成某一角度。通道内壁是由高二次发射系数的 高铅玻璃制成。 2 4 1m c p 的工作原理 m c p 必须工作于真空环境中，其工作机理是：在m c p 两端面加上电压，利用通道内表 层产生二次电子。当电子或其它粒子以一定能量撞击低电势输入面的通道内壁时产生二 次电子，二次电子在场强的作用下沿通道加速前进。重复多次碰撞过程，最后在高电势 的输出端面产生大量的电子，这个过程被形象地比喻为电子雪崩，如图2 7 所示。 m c p 的增益取决于两端面施加的电压值、长径比和通道内壁材料的二次电子发射特 1 3 中北大学学位论文 性。通常m c p 的增益可达1 0 4 ，所以，m c p n - i 把二维电子图像倍增约1 0 0 0 0 倍输出。通过调 节微通道板端面间的电压，还可以控制其增益。 2 4 2m o p 的特性 1 m c p 的物理特性 m c p 的物理特性主要包括m c p 的外径、厚度、有效面积、通道间距、斜切角、输入面 电极直径、输出面电极直径、开口面积比、长径比和动态范围等。 2 增益特性 m c p 的增益主要取决于微通道板输入面与输出面的电势差和微通道板的输入电流密 度。通过增加施加于微通道板端面问的电势差( 即通道内电子的撞击能量) ，可以获得更 多的二次电子，从而使微通道获得更大的增益。 m c p 的一个固有特性就是它的非线性，增益和施加于其两端面间的电压成近似的指 数关系n 町n ，而m c p 制造商都未曾提供m c p 精确的标准特性，在参考文献 1 6 ， 1 7 中， 利用实验的方法测得微通道板电压增益关系为： l o g l o ( g ) = 口o + q 母y + 口2 奉y 2 + 吗奉y ， ( 式2 1 ) 基于m c p 的像增强探测器的增益特性如下图2 8 所示： 图2 8 在5 0 k v 和不同的x 射线管电流下测得的探测器增益一电压关系曲线 由于m c p 特殊的制造过程，使得通道内部通常吸附着大量残余气体：如 凰，h ：o , c o y f f l n o ：等。吸附在靠近通道出射端的残余气体，在电场或电子撞击作用下，产 1 4 中北大学学位论文 生电离或脱附。这些反馈离子在通道内反向加速并在撞击邻近入射端的通道壁时还会产生 额外的电子增益，形成背景噪声。离子反馈的发生取决于残余气体压力和电子密度。有外 来污染物的微通道板还有可能产生自发射。为了尽量降低m c p 产生的背景噪声，m c p 最大 工作电压不得超过1 0 0 0 v ，通常推荐的最佳工作电压为7 0 0 v 。 狮c p 的输入电流密度对增益也有很大影响。当工作电压低于7 0 0 v 时，m c p 的增益( 即 输出电流密度) 随工作电压增加而增加，此时输入电流密度对增益没有影响。当m c p 工作 电压超过7 0 0 v 时，微通道板的增益在一定范围内随着输入电流密度的增加而增加，但当输 出电流密度超过输入电流密度的5 后，输出电流密度将不再随之增加，这就是m c p 的“自 饱和现象 。因此，低电阻微通道板将起到提高微通道板的增益饱和起点和扩大微通道板动 态范围的作用。 3 空间分辨率 m c p 的空间分辨率取决于m c p 的通道尺寸。理论极限分辨率定义为每毫米内通道阵列 的阵列数： r ：墨坠 ： ( 式2 2 ) 3 吐 式中，r 为理论极