СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ И ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЕ ВАКУУМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК H01J31/49 H01J31/48 

Изобретение относится к электронной технике и технологии и может быть использовано при преобразовании рентгеновских (РГ) изображений в электрический и в том числе телевизионный (ТВ) сигнал.

Известен способ [1] преобразования изображений внешних энергетических воздействий в электрический сигнал, включающий запись изображений на усилительной микроканальной пластине (МКП), подключенной к источнику напряжения питания, при совпадении направления усиления в каналах пластины с направлением поступления изображения внешнего энергетического воздействия, считывание записанного изображения с пластины при сканировании электронным лучом, интенсивность которого соответствует режиму насыщения каналов, и регистрацию выходных сигналов при считывании с МКП на коллекторном электроде, расположенном со стороны пластины, противоположной записи, а энергия луча соответствует условию, при котором коэффициент вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ) больше единицы.

Также известно электронно-лучевое вакуумное устройство (ЭЛВУ) [1] для преобразования внешних изображений в электрический сигнал, содержащее корпус с входным окном, прозрачным для входного изображения, и контактами для подсоединения к внешним источникам питания, расположенных внутри корпуса МКП, коллекторного электрода, электронного прожектора, формирующего электронный луч, и системы отклонения луча для получения на поверхности пластины считывающего растра.

Известные способ и устройство [1] могут рассматриваться как прототип. К недостаткам известных способа и устройства следует отнести сложность конструкции ЭЛВУ, вызванную односторонним расположением и считывающего луча, и внешнего записывающего изображения по отношению к МКП и ограничение работы импульсным режимом при записи и считывании изображений.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.

Поставленная задача решается тем, что в способе преобразования РГ изображений в электрический сигнал, включающeм в себя запись входного изображения на усилительной МКП, подключенной к источнику напряжения питания, растровое считывание записанного изображения при сканировании пластины электронным считывающим лучом, энергия которого соответствует значению КВЭЭ больше единицы, а интенсивность обеспечивает вывод каналов в режим насыщения, при этом запись и считывание осуществляют импульсно в соответствии с соотношением произведения сопротивления и емкости пластины к длительности кадра считывающего растра, а уровень записи задают отношением выходного заряда при записи к заряду насыщения, и регистрацию выходных электрических сигналов на коллекторном электроде, согласно изобретению направление усиления в МПК устанавливают совпадающим с направлением поступления считывающего луча, а входное изображение записывают по всей длине канала пластины.

Другим вариантом способа запись осуществляют также на фотокатоде в пределах диаметра канала, который наносят на всю поверхность пластины со стороны считывающего луча.

Способ также реализуется тем, что запись осуществляют на поверхности второй МКП, находящейся в электрическом и механическом контакте с выходной поверхностью первой пластины и выполняющей функции фотокатода, при этом направление усиления во второй пластине совпадает с усилением в первой.

Предложенные способы реализуются ЭЛВУ для преобразования РГ изображений в электрический сигнал, содержащими корпус с входным окном, прозрачным для входного изображения, и контактами для подсоединения к внешним источникам питания, расположенных внутри корпуса усилительной МКП, коллекторного электрода, электродов электронного прожектора, формирующего электронный луч, и системы отклонения луча для получения растра на поверхности пластины, причем указанные элементы и входное окно установлены соосно, а геометрические размеры окна и пластины соответствуют размерам растра, согласно изобретению коллекторный электрод располагают перед МКП со стороны поступления РГ изображения.

Коллекторный электрод выполняют прозрачным для РГ изображения и располагают его между входным окном и МКП, а конструктивно он может быть выполнен или в виде алюминиевой фольги, или в виде металлического цилиндра-кольца, диаметр которого соизмерим с размерами МКП. Расстояние между коллекторным электродом и МКП минимально возможное.

Другим вариантом предложено ЭЛВУ, в котором коллекторный электрод одновременно является входным окном. В этом варианте входное окно выполняют в виде металлической тонкой мембраны, обеспечивающей целостность вакуумного корпуса и исключающий вредные выделения при термообработке ЭЛВУ.

Также предложено ЭЛВУ, в котором поверхность МКП, обращенная к считывающему лучу, содержит сплошную металлическую пленку-фольгу как фотокатод, простреливаемый считывающим лучом. В частности, таким фотокатодом может быть золотая фольга толщиной 5-10 мкм.

В другом варианте ЭЛВУ выполнено так, что коллекторный электрод выполнен в виде сплошной металлической пленки, прозрачной для РГ изображения, который нанесен непосредственно на входную поверхность пластины. В этом случае может быть использована алюминиевая пленка (например, толщиной 300-500 ) и при наличии на противоположной поверхности пластины упомянутого выше сплошного фотокатода МКП оказывается "закрытой" с двух сторон.

Еще одним вариантом ЭЛВУ предложено использование МКП с отношением длины канала к его диаметру не менее чем в 1,5 раза больше этого отношения для пластины, используемый как усилитель. Применение указанных пластин более предпочтительно для записи РГ изображений "газетным" методом, когда при записи каналы выводятся в режим насыщения.

Последним вариантом предложено ЭЛВУ, в котором в качестве фотокатода устанавливают вторую МКП, которая находится в механическом и электрическом контакте с выходной поверхностью первой МКП, причем угол наклона осей каналов второй пластины относительно нормали к контактным поверхностям лежит в диапазоне 10 - 20^o, а диаметр каналов первой пластины d₁ связан с диаметром каналов второй пластины d₂ неравенством d₁/d₂ >1,25.

На фиг. 1 изображено ЭЛВУ для реализации предложенного способа; на фиг. 2 - фрагмент устройства, в котором коллекторный электрод одновременно является входным окном; на фиг. 3 - то же, но коллекторный электрод выполнен в виде металлической пленки на входной поверхности МКП; на фиг. 4а - то же, где металлический фотокатод нанесен на выходную поверхность МКП, а коллекторный электрод расположен между входным окном и пластиной; на фиг. 4б - то же, что на фиг. 4а с коллекторным электродом, нанесенным непосредственно на входную поверхность МКП; на фиг. 5а - фрагмент, в котором фотокатодом является вторая МКП с независимым коллекторным электродом; на фиг. 5б - то же, что на фиг. 5а с коллекторным электродом, расположенным непосредственно на входной поверхности пластины.

ЭЛВУ для преобразования РГ изображений в электрический сигнал содержит вакуумный корпус 1 с входным окном 2, прозрачным для входного изображения, за которым внутри корпуса последовательно и соосно установлены коллекторный электрод 3, усилительная МКП 4 с проводящими покрытиями на входной и выходной поверхностях для подачи на пластину напряжения питания. Выходная поверхность МКП может содержать фотокатод для РГ изображения в виде металлической пленки 5 или в виде второй МКП 5. Далее располагают отклоняющие системы 6, создающие на выходной поверхности МКП 4 считывающий растр (например, прямоугольной формы) сканирующим электронным лучом. Электронный луч сформирован системой электродов электронного прожектора 7. Входное окно 2, коллекторный электрод 3 и МКП 4 размещены параллельно, их рабочие области соответствуют размеру считывающего растра.

На описанном устройстве предлагаемый способ преобразования РГ изображений в электрический сигнал реализуется следующим образом. РГ изображение при записи взаимодействует со стенками каналов МКП, рождая вторичные электроны [2]. МКП через вакуум-плотные контакты в корпусе ЭЛВУ подключают к источнику напряжения питания таким образом, чтобы направление усиления в каналах пластины было направлено навстречу РГ изображению и было совпадающим с направлением поступления считывающего луча. При записи РГ изображения рожденные вторичные электроны усиливаются в каналах в направлении усиления. Возникающий при этом на стенках каналов положительный заряд (потенциал) представляет собой потенциальный рельеф записи, расположенный внутри каждого канала. Величина потенциального рельефа при прочих равных условиях пропорциональна интенсивности РГ изображения, а его время жизни (время сохранения на стенках канала), как показано в [2], определяется произведением сопротивления R_н пластины на ее емкость C_m, то есть τ_м = R_мC_м.

Считывание потенциального рельефа записи осуществляют при сканировании МКП 4 со стороны, противоположной записи, электронным лучом. Энергия считывающего луча соответствует КВЭЭ больше единицы, что также обеспечивает рождение вторичных электронов в каналах пластины у ее выходной поверхности (входная поверхность МКП обращенa к РГ изображению). При наличии фотокатода на выходной поверхности МКП энергия считывающего луча должна обеспечивать прострел фотокатода и вызывать вторичную эмиссию на прострел. В случае когда в качестве фотокатода используется вторая МКП, энергия луча и его интенсивность могут быть уменьшены, что способствует улучшению линейного разрешения при считывании и уменьшению напряжений, формирующих растр на пластине.

Вторичные электроны, рожденные считывающим лучом, усиливаются в направлении к входной поверхности МКП, при этом коэффициент усиления в каждом отдельном канале в пределax апертуры луча будет различным и определяться величиной потенциального рельефа (положительного заряда), возникшего при записи. Коэффициент усиления будет минимальным в каналах с максимальной интенсивностью записи и максимальным в каналах с минимальной интенсивностью.

Таким образом, выходной электронный поток из МКП при считывании оказывается промодулированным потенциальным рельефом записанного РГ изображения, при этом каналы выводятся в режим насыщения.

В предложенном варианте способ может быть реализован при воздействии РГ изображения на фотокатод, который наносят на выходную поверхность МКП, в этом случае вторичные электроны рождаются как фотокатодом, так и стенками каналов, так как РГ изображение формируется не параллельным потоком излучения, а угловым.

Также в качестве фотокатода предложено использовать вторую МКП. В этом случае РГ изображение взаимодействует как с входной поверхностью второй пластины, так и со стенками каналов в первой пластине. Угол наклона каналов во второй пластине 10 - 20^o обеспечивает глубину воздействия в канал не больше двух диаметров канала.

Существенным при реализации предложенного способа является правильный выбор соотношения длительности считывающего кадра T_к (полного времени считывания) и параметров МКП R_м и C_м. При выполнении неравенства R_мC_м<T_к реализуется режим однократной записи и однократного растрового считывания, при R_мC_м ≤ T_к - реализуется режим непрерывной записи и считывания. При использовании линейного режима усиления МКП минимальный уровень интенсивности записи целесообразно устанавливать равным 0,08-0,1 от заряда насыщения, а максимальный уровень - равным 0,8-0,9 от заряда насыщения Q_н, где для пластины Q_н = U_мC_м.

Однократный режим работы МКП-преобразователя при "газетном" способе записи и считывании РГ изображений предполагает использование МКП с увеличенным калибром по сравнению с калибром, рекомендованным [2] для МКП как усилителя внешних воздействий. В предложенном способе рекомендуется использовать МКП при "газетном" способе записи с калибром 80-150, то есть в 1,5 раза больше калибра, используемого для усилительных пластин (калибр 80-100). В этом случае канал выходит в режим насыщения при воздействии на него всего одного РГ кванта, а контраст изображения будет определяться количеством каналов в пределах апертуры считывающего луча, выведенных в состояние насыщения. В частности, при диаметре луча на МКП 70 мкм и диаметре канала пластины 10 мкм с учетом коэффициента полезной площади пластины 0,65 возможно реализовать контраст, равный 32.

Выходной электрический сигнал формируется в цепи коллекторного электрода на нагрузочном сопротивлении R_н в процессе захвата вторичных выходных электродов с МКП при считывании.

При исходных данных: диаметр МКП 34 мм, диаметр канала 10 мкм, коэффициент полезной площади 0,65, емкость пластины 10•10^-12 Ф, номинальном напряжении питания 10³В, длительность считывающей строки 65•10^-6 с, сопротивление нагрузки в цепи коллекторного электрода 5•10³ Ом амплитуда выходного сигнала при "аналоговой" записи РГ изображения равна 10^-3 В для участков с максимальной интенсивностью записи и 8-10•10^-3 В для участков с минимальной интенсивностью.

Список литературы
1. Крутяков Ю.А. и др. "Способ масштабно-временного преобразования информации", авт. свид. СССР N 693482 от 28.06,79 г. (приоритет от 12.12.77 г. ).

2. Достижения в технике передачи и воспроизведения изображений/ Под ред. Б. Кейзана. - М.: Мир, 1 том, 1978 г.

Изобретение может быть использовано для регистрации и преобразования рентгеновских изображений в электрический сигнал, в том числе и телевизионный, с помощью электронно-лучевых приборов в различных областях науки, медицины и промышленности. Устройство содержит микроканальную пластину, которая выполняет одновременно функции усилительного и преобразовательного элемента, информация с которого считывается электронным лучом, развернутым по поверхности пластины в считывающий, например прямоугольный растр. Входное окно прозрачно для рентгеновского изображения, коллектор вторичных электронов расположен между входным окном и микроканальной пластиной. Электронный прожектор, формирующий электронный считывающий луч, расположен со стороны пластины, противоположной поступлению рентгеновского изображения. Способ включает в себя операции записи изображения и его считывания как в непрерывном режиме, так и в однократном импульсном режиме, при этом направление усиления в микроканальной пластине совпадает с направлением поступления на пластину считывающего луча. Технический результат - возможность осуществления преобразования в импульсном и непрерывном режимах и упрощение конструкции устройства. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ преобразования рентгеновских изображений в электрический сигнал, включающий в себя запись входного изображения на усилительной микроканальной пластине, подключенной к источнику напряжения питания, растровое считывание записанного изображения при сканировании пластины электронным считывающим лучом, энергия которого соответствует значению коэффициента вторичной электронной эмиссии больше единицы, а интенсивность обеспечивает вывод каналов в режим насыщения, при этом запись и считывание осуществляют импульсно в соответствии с соотношением произведения сопротивления и емкости пластины к длительности кадра считывающего раствора, а уровень записи задают отношением выходного заряда при записи к заряду насыщения каналов, и регистрацию выходных электрических сигналов на коллекторном электроде, отличающийся тем, что направление усиления в микроканальной пластине устанавливают совпадающим с направлением поступления считывающего луча, а входное изображение записывают по всей длине канала пластины. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что запись осуществляют также на фотокатоде в пределах диаметра канала, который наносят на всю поверхность пластины со стороны считывающего луча. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что запись осуществляют на входной поверхности второй микроканальной пластины, находящейся в электрическом и механическом контакте с выходной поверхностью первой пластины и выполняющей функции фотокатоды, при этом направление усиления во второй пластине совпадает с усилением в первой. 4. Электронно-лучевое вакуумное устройство для преобразования рентгеновских изображений в электрический сигнал, содержащее корпус с входным окном, прозрачным для входного изображения, и контактами для присоединения к внешним источникам питания, расположенных внутри корпуса, усилительной микроканальной пластины, коллекторного электрода, электродов электронного прожектора, формирующих электронный луч, и системы отклонения луча для получения растра на поверхности пластины, причем указанные элементы и входное окно установлены соосно, а геометрические размеры окна и пластины соответствуют размерам растра, отличающееся тем, что коллекторный электрод располагают перед микроканальной пластиной со стороны поступления рентгеновского изображения. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что коллекторный электрод одновременно является входным окном. 6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что поверхность микроканальной пластины, обращенная к считывающему лучу, содержит сплошную металлическую пленку-фольгу как фотокатод, простреливаемый считывающим лучом. 7. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что коллекторный электрод выполнен в виде сплошной металлической пленки, прозрачной для рентгеновского изображения, который наносят непосредственно на входную поверхность пластины. 8. Устройство по любому из пп.4 - 6, отличающееся тем, что микроканальная пластина имеет отношение длины канала к его диаметру не менее чем в 1,5 раза больше этого отношения для пластины, используемой как усилитель. 9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в качестве фотокатода устанавливают вторую микроканальную пластину, которая находится в механическом и электрическом контакте с выходной поверхностью первой пластины, причем угол наклона осей каналов второй пластины относительно нормали к контактным поверхностям лежит в диапазоне 10 - 20^o, а диаметр каналов первой пластины d₁ связан с диаметром каналов второй пластины d₂ неравенством d₁/ d₂ ≥ 1,25.