CN1093489A - 平板型x射线像增强器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种采用复合X射线光阴极的平板型X射线 像增强器，包括输入窗、铝层、发射体层、微通道板、荧 光屏、输出窗、管壳，其特点是所说发射体层由重金属 层和透射次级电子发射体构成，为了进一步增强进入 微通道中的电子数，在微通道板的输入端面可增加轻 金属膜层，细金属栅网和透射次级电子发射层。具有 高灵敏度、闪烁噪声低、空间和时间分辨率好的特 点。

Description

本发明涉及应用于医疗透视及诊断和工业无损探伤的平板型X射线像增强器及其制造方法，特别是采用复合X射线光阴极的平板型X射线像增强器及其制造方法。

与传统应用的静电聚焦型倒像式X射线像增强器相比，平板型X射线像增强器具有结构紧凑、重量轻、体积小、高的空间和时间分辨率、无边缘图像畸变以及输出图像面积大，可直接观察等优点。

本申请发明人佘永正等人发明的中国专利CN88102912中提出过一种如图4所示的平板型X射线像增强器。这类X射线像增强器在具有输入窗401的真空管壳411中设有光电阴极、起电子倍增作用的微通道板408、以及输出荧光屏413，微通道板408与输出荧光屏413之间近贴聚焦。其中，光电阴极412是将X射线直接转换成光电子的X射线光阴极412，X射线光阴极412与微通道板408之间近贴聚焦。这类X射线像增强器可以在保证有相当X射线转换效率的基础上，具有高分辨率。而且其制备工艺简单，成品率高。但仍然存在以下问题：第一，在用人眼直接观察时，像增强器的闪烁噪声较大，在观察厚部位以及X射线主射线剂量较低时尤为严重。闪烁噪声大时将使像增强器的空间分辨率降低;第二，X射线光阴极的效率仍然较低，因而运用时要求X射线剂量较大，从而增大X射线透视仪的X光源功率，使仪器重量、体积增大，在手提式X射线透视仪中这一问题更为严重;第三，先前研制的X射线光阴极在高能X射线区域其灵敏度更低，进而影响像增强器在硬X射线波段的应用。

本发明目的在于提供一种采用复合X射线光阴极，通过提高X射线转换效率来解决以上问题的平板型X射线像增强器及其制造方法。

典型的平板型X射线像增强器是一个采用X射线光阴极、微通道板和显示荧光屏的真空器件。X射线和微通道板之间以及微通道板和显示荧光屏之间电子都是近贴聚焦。本发明人佘永正等对这类像增强器的进一步研究表明，显示荧光屏上的闪烁噪声来自通道板内电子增益的指数式脉冲幅度分布。这是因为在单个通道内电子是在电场加速下通过与通道内壁多次碰撞而获得倍增的。若吸收一个X光子只产生一个光电子并进入某一根通道，由于倍增过程的统计特性，每次入射的单个光电子产生的电子增益不是常数，而是呈指数形式变化，因而在显示荧光屏上显现为亮度的变化，即闪烁噪声。若同时入射于同一通道的光电子数不是一个而是多个，则指数分布形式将改变而趋于平缓，从而使闪烁噪声降低。当代表吸收一个X光子事件所产生的同时进入同一通道的光电子数（包括初光电子和次级电子）大于例如20时，微通道板的闪烁噪声将被抑止。因此，为消除闪烁噪声，需提供一种倍增机制使得X射线光阴极每吸收一个X光子后所产生的光电子数大于（或等于）20，也就是说，需要提高X射线的转换效率。这就是本发明的发明构思。

根据以上发明思想，改进的平板型X射线像增强器主要是在X射线光阴极上或微通道板输入端等处形成复合X射线光阴极。这类复合X射线光阴极中，有些不仅吸收X光子产生初光电子，而且对高能初光电子起电子倍增作用;有些不仅对所产生的光电子及次级电子起倍增作用，而且本身吸收X光子也产生高能初光电子及次级电子。因此，复合X射线光阴极是以上述多种途径将X射线转换为电子的，因而具有更高的X射线转换效率。

本发明中，对已有技术提出了改进，主要是在X射线光阴极的阳极基底例如铝箔支撑层（简称铝层）上淀积了重金属层，作为X射线吸收体和初光电子发射体。在重金属层上再淀积一透射次级电子发射体。重金属层吸收X光子产生的高能初光电子由透射次级电子发射体倍增，这样将使同时进入微通道板同一通道的电子数增加，从而减小由于通道中电子增益呈指数式脉冲度分布引起的闪烁噪声，同时X射线光阴极灵敏度增高，在高能X光子范围尤为明显。

本发明中，在微通道板的输入端面增加轻金属膜电极，细金属栅网和透射次级电子发射层，其制作方法是在细金属丝栅网上覆盖一层薄金属膜，在轻金属膜上栅网一侧淀积透射次级电子发射层。该透射次级电子发射层既是前面X射线光阴极（例如前述重金属层和透射次级电子发射体）产生的光电子及次级电子的透射次级电子发射倍增极，还可以进一步作为入射X射线的吸收体，并在其中产生高能初光电子及次级电子。因而使进入同一通道的电子数进一步增加，有利于进一步降低微通道板的闪烁噪声，同时进一步提高X射线光阴极灵敏度。

本发明中，复合X射线光阴极亦可以制备于微通道板输入端通道内壁上，形成有密度从内壁到外表面逐渐降低的次级电子发射层。这样可以进一步提高X射线像增强器的灵敏度。

本发明的平板型X射线像增强器其制造工艺基本上与传统工艺相近，但在X射线光阴极或微通道板等处形成的是复合X射线光阴极，因而该工艺同样较简便，可保证较高的成品率。

本发明这些和其它目的、特征及效果通过以下参照附图对实施例的说明将更为清楚。

图1是本发明平板型X射线像增强器第一实施例的结构示意图。

图2是本发明平板型X射线像增强器第二实施例的结构示意图。

图3是本发明第三实施例中复合X射线光阴极的结构示意图。

图4是现有平板型X射线像增强器的结构示意图。

参见图1，图中未出本发明第一实施例的结构。图中，101是由薄金属箔，如铝、钛、可伐合金箔，或平面玻璃所组成的输入窗。102是X射线光阴极的阴极基底，由轻金属如铝箔组成。其厚度应使铝箔既能承受近贴聚焦时强静电相互作用，又不至于明显衰减入射X射线。对于能量为50-80Kev的X射线，30-50微米厚度的铝箔或钛箔比较合适。103是由重金属如钽、钨、铋、金或铂薄层所组成的重金属层。其最佳厚度取决于入射的X光子能量，材料的L或K系临界激发电压以及材料密度。104是一个高效透射次级电子发射体，由高次级电子发射系数材料构成，如碘化铯、溴化铯、氯化钾、氯化铯、溴化铊或氧化镁等。以碘化铯和溴化铯为例，既可在高真空下蒸发呈高密度状态，也可在一定的惰性气体如氩气压下蒸发，形成低密度层。碘化铯或溴化铯层的最佳厚度取决于重金属层103中产生的光电子能量，因而取决于入射的X光子能量和重金属材料。正常密度的碘化铯层在表面吸附有碱金属铯时，其透射次级电子发射系数可达25，可以满足吸收一个X光子后产生的同时到达同一通道的光电子数＞20的要求。而对疏松碘化铯层来说，其次级电子电导增益更超过100，在双近贴平板型X射线像增强器中，其静电场强可以超过测量次级电子电导增益时的静电场强，因此也可能达到如此高的电子增益。除重金属层103外，碘化铯层也可作为入射X射线的有效吸收体，并可作为初光电子和次级电子源。在约2乇氩气压强下缓慢蒸发碘化铯或溴化铯，可获得相对密度为2%的低密度层。

图2是本发明提出的另一种复合X射线光阴极的示意图。206是一个金属细网构成的栅网，可以采用电视摄像管中通用的10线/mm，20线/mm，33/mm的栅网组成。在细栅网的一侧形成一有机膜层，在有机膜层上真空淀积一轻金属膜205，例如约10纳米厚的铝膜，此铝膜205既作为支撑层也作为电极。然后在大气中加热至400℃，使有机膜汽化。铝膜205也可以采用浮铝法形成：在平面光学玻璃上蒸发形成氯化钠层，在其上真空淀积一定厚度的铝膜，然后置于去离子水中，氯化钠层溶化，使铝膜浮于水面，然后粘在栅网上晾干。支撑层205也可以是薄的三氧化二铝膜，用阳极氧化方法制备一定厚度（约5纳米）的三氧化二铝膜并将其粘贴在微通道板108上。在支撑层205上栅网206的一侧真空淀积一薄层透射次级电子发射层207，此薄层与前述实施例所述的透射次级电子发射体104类似，材料可以是碘化铯、溴化铯、氯化钾、氯化铯、溴化铊或氧化镁等。此薄层207的厚度与透射次级电子发射体104发射的电子能量有关，在1-2Kev的入射电子能量范围内，此薄层207的密度与大块密度相近时，以5-15纳米为宜。与透射次级电子发射体104类似，此薄层207也可制备成低密度层，在相对密度为2%左右时，层厚控制为0.25～0.75微米。栅网206与复合X射线光阴极的透射次级电子发射体104相距小于0.4mm，二者间加电压1.0-1.5KV，使透射次级电子发射体104发射的光电子及次级倍增电子近贴聚焦于栅网206。穿透支撑层205后，从透射次级电子发射体104发射的光电子及次级倍增电子在透射次级电子发射层207中进一步倍增，进一步增大入射于微通道板的次级电子数。透射次级电子发射层207也可吸收少量入射X射线，在其中产生初光电子及次级发射电子。

透射次级电子发射体104（图1）或透射次级电子发射层207（图2）发射及倍增的初光电子和次级倍增电子进入微通道板108的输入端。在微通道板108两端加约1000伏电压，使入射于微通道板108的电子在通道内多次碰撞通道内壁，每次碰撞的平均次级电子发射系数大于1，因而从微通道板输出端发射的电子数约比输入端大10000倍。从微通道板108输出的电子近贴聚焦在荧光屏109上，再现亮度增大了的可见光图像。

图1和图2中，110为输出窗，荧光屏109即制备于其上。111为像增强器管壳，由玻璃或陶瓷构成，封装后整管真空度优于0.00001Pa。

参阅图3，312是微通道板的通道内壁，一般由二次电子发射体组成。输入端通道内壁上真空淀积次级电子发射层314，此电子发射层在靠近通道内壁处其密度与大块密度相近，而在外表面呈现低密度状态以有利于次级电子逸出。微通道板内壁淀积的次级电子发射层对入射X射线也产生有效吸收并发射初光电子和次级电子，次级电子发射层在通道内壁处的密度为正常密度的50%-100%，厚为2-3微米，然后往表面方向密度逐渐降低，最表面处的密度为正常密度的5-10%。

本发明较佳实施例的复合X射线光阴极包括103与104、205-207以及图3中的314等三部分。入射X射线经上述这三部分复合X射线光阴极吸收，与现有的X射线光阴极相比，对X射线的有效吸收明显增加，在高能X光子部分尤为明显。由于增加了两个透射次级电子倍增层104和207作为复合X射线阴极的组成部分。将使吸收一个X光子后同时入射于同一通道的电子数明显增加，从而有效地抑止通道内电子增益呈指数式脉冲分布引致的闪烁噪声。由于这三部分复合X射线光阴极吸收入射X光子后产生的光电子及透射次级电子均在同一通道内倍增，因此图像分辨率仍然很高。

参阅图2，101是输入窗，为0.1-0.2mm的钛箔。薄钛箔降低入射X射线的散射，X射线透过率甚高，特别是对低能X射线。运用时，铝箔2的电压为-2500～-2000V，栅网206与微通道板108输入端等电位为-950～-1200V，微通道板108的输出端接地（V＝0）。显示荧光屏电压为+8000～+10，000V之间。控制透射次级电子发射体104的外表面与轻金属膜电极205的间距＜0.4毫米，微通道板输出端与显示荧光屏的间距为2-3毫米，输出图像亮度可大于40烛光/平方米（尼特）。X射线像增强器的有效视场可达50mm到200mm，输入图像与输出图像直径比为1∶1。输出图像大，可以直接观察。

为简化工艺，可将复合X射线光阴极的102-104部分与微通道板108输入端粘贴在一起，仅包括两部分复合X射线光阴极。或者，透射次级电子发射体104和微通道板108也可分离，中间加压电实现近贴聚焦。或者采用现有的X射线光阴极，再加上第二实施例中复合X射线光阴极的205-207部分来构成。

以上叙述的仅是本发明示范性实施例，但本发明中的基本方法和思想可以有多种变化，均可以实施，它们应由所附的权利要求书加以限定。

Claims (22)

1、一种平板型X射线像增强器，在具有输入窗的真空管壳中设有X射线光阴极、起电子倍增作用的微通道板、以及输出荧光屏，微通道板与输出荧光屏之间及X射线光阴极与微通道板之间均近贴聚焦，其特征在于所述X射线光阴极为藉多种转换途径将X射线转换成电子的复合X射线光阴极。

2、如权利要求1所述的平板型X射线像增强器，其特征在于所述复合X射线光阴极包括形成于阴极基底上作为X射线吸收体和光电子发射体的重金属层，以及透射次级电子发射体。

3、如权利要求1或2所述的平板型X射线像增强器，其特征在于所述复合X射线光阴极包括形成于微通道板输入端面的轻金属膜电极、细金属丝栅网和透射次级电子发射层。

4、如权利要求1或2所述的平板型X射线像增强器，其特征在于所述复合X射线光阴极包括形成于微通道板输入端侧通道内壁上，其密度自内壁向外表面逐渐降低的次级电子发射层。

5、如权利要求1或2所述的平板型X射线像增强器，其特征在于所述输入窗为钛箔、铝箔、可伐合金箔、以及平面玻璃中的一种。

6、如权利要求2所述的平板型X射线像增强器，其特征在于所述重金属层其材料可以选为钽、钨、铅、铋、金、以及箔中的一种。

7、如权利要求6所述的平板型X射线像增强器，其特征在于所述重金属层的厚度取决于其材料和X射线的能量。

8、如权利要求1或2所述的平板型X射线像增强器，其特征在于所述阴极基底为铝层。

9、如权利要求3所述的平板型X射线像增强器，其特征在于所述轻金属膜电极为5-20mm厚度的铝薄膜或3-10mm厚度的三氧化二铝薄膜。

10、如权利要求2所述的平板型X射线像增强器，其特征在于所述透射次级电子发射体可选下列材料中的一种：碘化铯、溴化铯、氯化钾、氯化铯、溴化铊、溴化钾、碘化钠、溴化钠、碘化钾、氯化铷以及氧化镁。

11、如权利要求10所述的平板型X射线像增强器，其特征在于所述透射次级电子发射体材料为碘化铯，其密度接近正常的大块密度。

12、如权利要求10所述的平板型X射线像增强器，其特征在于所述透射次级电子发射体的材料是低密度碘化铯，其密度为大块密度的2%。

13、如权利要求10所述的平板型X射线像增强器，其特征在于所述透射次级电子发射体材料是密度连续变化的磺化铯，靠近重金属层一侧的密度接近正常大块密度，最外表面一侧的密度为大块密度的2-5%。

14、如权利要求3所述的平板型X射线像增强器，其特征在于所述透射次级电子发射层可选下列材料中的一种：碘化铯、溴化铯、氯化钾、氯化铯、溴化铊、溴化钾、碘化钾、碘化钠、溴化钠、氯化铷以及氧化镁。

15、如权利要求14所述的平板型X射线像增强器，其特征在于所述透射次级电子发射层为5-15nm厚度的碘化铯薄膜，其密度接近正常大块碘化铯密度。

16、如权利要求14所述的平板型X射线像增强器，其特征在于所述透射次级电子发射层为0.25-0.75μm厚度的低密度磺化铯薄膜，其密度约为大块密度的2%。

17、如权利要求1或2所述的平板型X射线像增强器，其特征在于所述输入窗为以下情形之一：其厚度范围为0.3-0.7mm的铝箔输入窗;其厚度为0.1mm的可伐合金箔输入窗;其厚度范围为0.1-0.2mm的钛箔输入窗;其厚度范围为2-10mm的平面玻璃输入窗。

18、一种平板型X射线像增强器制造方法包括：制造包含输入窗、输出窗以及荧光屏的真空管壳的第一制造工序;制造包含许多通道的微通道板的第二制造工序;制造X射线光阴极的第三制造工序;在所述真空管壳内配置X射线光阴极、微通道板，再抽真空进行封装的第四制造工序;其特征在于在第二和/或第三制造工序中至少包括一复合X射线光阴极形成步骤，在X射线光阴极的阴极基底、微通道板输入端面、以及输入端侧通道内壁其中之一的表面上形成藉多种转换途径使X射线转换成电子的复合X射线光阴极。

19、如权利要求18所述的平板型X射线像增强器制造方法，其特征在于所述复合光阴极形成步骤是在第三制造工序中在X射线光阴极的阴极基底上形成由重金属层和透射次级电子发射体组成的复合X射线光阴极。

20、如权利要求18所述的平板型X射线像增强器制造方法，其特征在于所述复合光阴极形成步骤是在第二制造工序中在微通道板输入端面上形成由轻金属膜电极、细金属丝栅网和透射次级电子发射层组成的复合X射线光阴极。

21、如权利要求18所述的平板型X射线像增强器制造方法，其特征在于所述复合光阴极形成步骤是在第二制造工序中在微通道板输入端侧的通道内壁上形成密度自内壁向外表面逐渐降低的次级电子发射层所组成的复合X射线光阴极。

22、如权利要求19或21所述的平板型X射线像增强器制造方法，其特征在于在第二和第三制造工序均完成之后，还包括一将X射线光阴极粘贴在微通道板输入端面上的第五制造工序。

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