рентгеновский электронно-оптический преобразователь

Формула изобретения

РЕНТГЕНОВСКИЙ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, состоящий из оболочки с входным окном и последовательно расположенных внутри нее входного рентгенолюминесцентного экрана с фотокатодом, сформированным на его внутренней поверхности, электродов электростатической фокусировки, анода и выходного катодолюминесцентного экрана, отличающийся тем, что, с целью улучшения контраста изображения и уменьшения осевого размера, в отверстии анода установлена проводящая сетка, выполненная в форме сферического сегмента с радиусом кривизны R_с, определяемым из равенства

R_с= R_к K₁ ,

где R_к - радиус кривизны фотокатода, м;

M - увеличение изображения;

K₁ - эмпирический коэффициент для квазисферического поля 1 K₁ 1,2 ,

установленного соосно с фотокатодом на расстоянии L_ка от его центра, определяемом из равенства

L_ка= R_к K₂ ,

где K₂ - эмпирический коэффициент для квазисферического поля, 1 K₂ 1,1 ,

а в плоскости минимального сечения электронного пучка, между сеткой и выходным экраном, установлена апертурная диафрагма, расстояние которой от центра фотокатода L_кр выбрано из равенства

L_кр = R_к K₃,

где K₃ - эмпирический коэффициент для квазисферического поля, 1 K₃ 1,1 .

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронному приборостроению, в частности к рентгеновским электронно-оптическим преобразователям (РЭОП).

Известна конструкция РЭОП с металлостеклянной вакуумной оболочкой, стеклянным входным окном, содержащая входной рентгенолюминесцентный экран и сформированный на нем фотокатод, электроды электростатической фокусирующей системы, анод с отверстием для пропускания электронов и выходной экран, на котором электронное изображение преобразуется в видимое [1].

Недостатком данного РЭОП являются большие продольные габариты и потери в стекле входного окна, связанные с поглощением и рассеянием в нем рентгеновского излучения, несущего информацию об исследуемом объекте, что приводит к ухудшению качества получаемого изображения, в том числе к снижению контраста изображения. Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является РЭОП с металлостеклянной вакуумной оболочкой, в котором входное окно выполнено из тонколистового металла, на входном рентгенолюминесцентном экране сформирован фотокатод, а также содержатся вспомогательные электроды, анод и выходной катодолюминесцентный экран. В данном РЭОП используется фокусирующая система с отверстием в аноде, состоящая из двух линз - собирающей, которая образуется перед анодом, и рассеивающей, которая образуется в области отверстия в аноде и связана целиком с наличием этого отверстия. Оптическая сила рассеивающей линзы зависит от радиуса отверстия и убывает с уменьшением этого радиуса. Таким образом, наличие анодного отверстия уменьшает в целом оптическую силу фокусирующей системы, из-за чего увеличивается расстояниe между фотокатодом и выходным экраном и снижается напряженность поля на фотокатоде. Кроме того, в таком РЭОП снижен контраст изображения из-за использования естественной апертуры недиафрагмированного пучка, которая для прототипа достигает 90^о [2].

К недостаткам такого РЭОП относятся низкий контраст изображения, обусловленный фокусирующими свойствами электронно-оптической системы и относительно большие осевые размеры.

Цель изобретения - улучшение контраста изображения и уменьшение осевого размера РЭОП.

Указанная цель достигается тем, что в РЭОП, состоящем из вакуумной оболочки, содержащей входное металлическое окно, рентгенолюминесцентного входного экрана сферической формы и сформированного на его внутренней поверхности фотокатода, вспомогательных электродов, анода и выходного катодолюминесцентного экрана, в отверстии анода установлена проводящая сетка, выполненная в виде сферического сегмента, соосного с фотокатодом, имеющего радиус R_c кривизны определяемый из зависимости

R_с= R_к K₁, где R_к - радиус кривизны фотокатода;

М - увеличение изображения, M = ,

где d и D - размеры изображения на выходном и входном экранах;

К₁ - эмпирический коэффициент для квазисферического поля 1 K₁ 1,2,

расположенного на расстоянии L_ка от фотокатода, определяемом из формулы

L_ка= R_к K₂,

К₂ - эмпирический коэффициент для квазисферического поля 1 K₂ 1,1, а в плоскости минимального сечения электронного пучка установлена апертурная диафрагма на расстоянии

L_кр = R_к К_з

где L_кр - расстояние между центром фотокатода и центром апертурной диафрагмы;

К_з - эмпирический коэффициент 1 K₃ 1,1.

Совокупность отличительных признаков, а именно: установление в отверстии анода проводящей сетки, выполненной в виде сферического сегмента, имеющего радиус кривизны R_с, соосного с фотокатодом, и расположенной на расстоянии L_ка от фотокатода, а также установление апертурной диафрагмы в плоскости минимального сечения электронного пучка позволяет устранить провисание электрического поля и сократить расстояние между фотокатодом и выходным экраном, что позволяет сократить длину РЭОП.

На фиг.1 и 2 представлен предлагаемый РЭОП с квазисферическим полем.

Преобразователь содержит оболочку 1, входное окно 2, входной рентгенолюминесцентный экран 3, фотокатод 4, электроды 5 электростатической фокусировки, анод 6, выходной катодолюминесцентный экран 7, проводящую сетку 8 и апертурную диафрагму 9.

Преобразователь работает следующим образом.

Рентгеновское излучение, прошедшее через исследуемый объект и несущее информацию о его внутреннем строении, проходит через входное окно вакуумной оболочки 1, через алюминиевую подложку на экран 3 и возбуждает его свечение, при этом рентгеновское излучение преобразуется в световой поток. Возникающее в рентгенолюминесцентном слое световое изображение, в свою очередь, вызывает фототок с поверхности фотокатода 4 в вакуумный объем РЭОП, и электронно-оптическая фокусировка системы РЭОП, состоящая из фотокатода 4, вспомогательных электродов 5, анода 6, отверстие которого затянуто мелкоструктурной проводящей сеткой 8, с электронно-оптическим уменьшением проецирует электронное изображение в плоскость выходного катодолюминесцентного экрана 7, где оно вновь преобразуется в световое изображение, но уже значительно большей яркости. Усиление яркости осуществляется как за счет увеличения энергии электронов в поле электронно-оптической системы (анодное напряжение равно 25 кВ), так и за счет повышения плотности энергии в результате сжатия изображения на выходном катодолюминесцентном экране.

Электронно-оптическая фокусирующая система позволяет получить на всем поле выходного катодолюминесцентного экрана изображение всего фотокатода.

В предлагаемой конструкции РЭОП апертура пучка ограничена с помощью апертурной диафрагмы, устанавливаемой в плоскости минимального сечения электронного пучка (кроссовера). При попытке введения апертурной диафрагмы в плоскость кроссовера в случае использования анода с отверстием нарушается распределение электростатического потенциала. В связи с этим изменяется оптическая сила рассеивания линзы, что приводит к несовпадению плоскости кроссовера с плоскостью апертурной диафрагмы и далее к виньетированию изображения. Виньетирование изображения зависит также от дисторсии пучка в кроссовере. Эта дисторсия тем меньше, чем ближе главные траектории пучка к радиальным прямым с центром в плоскости диафрагмы. Существенного исправления кривизны главных траекторий пучка можно добиться, используя идеальное сферическое поле, образуемое между обкладками сферического конденсатора, т. е. между сферическими концентрическими заряженными поверхностями.

Использование на практике идеального сферического поля невозможно по двум причинам: во-первых, сквозь наружную обкладку сферического конденсатора невозможно без нарушения сферической симметрии подать ускоряющее напряжение на внутреннюю обкладку, во-вторых, невозможно без нарушения сферической симметрии поля между наружной и внутренней обкладками сферического конденсатора расположить люминесцентный экран, находящийся под потенциалом внутренней обкладки. В связи с этим предлагается использовать конструкцию электронно-оптической системы РЭОП с квазисферическим полем, использующую поля, близкие к сферически симметричному РЭОП. Предлагается использовать осесимметричные сегменты сферического конденсатора, из которых на наружный наносят фотокатод, а внутренний входит в состав конструкции анода.

В предлагаемой конструкции РЭОП квазисферическое поле создается между осесимметричными сферическими сегментами и расположенными между ними вспомогательными электродами с непрерывным или дискретным распределением потенциала.

Вспомогательные электроды располагаются вне образующей пучка для исключения виньетирования изображения. Степень приближения квазисферичекого поля к сферическому определяется числом этих электродов при дискретном распределении потенциалов, причем эти потенциалы или закон распределения потенциалов могут быть найдены методом математического моделирования или натурного макетирования. Замена сферического поля квазисферическим приводит к необходимости введения поправочных коэффициентов в формулы расчета параметров электронно-оптических систем со сферической симметрией.

Как известно из [3] при фиксированном увеличении изображения М отношение радиуса R_c кривизны сетки к радиусу R_к кривизны фотокатода определяется по формуле

= , отношение расстояния между центром фотокатода и плоскостью наименьшего сечения пучка L_кр к радиусу кривизны фотокатода определяется из соотношения

= 1 и отношение расстояния между фотокатодом и мелкоструктурной сеткой вдоль оси симметрии к радиусу кривизны фотокатода определяется по формуле

=

В электронно-оптической системе с квазисферическим полем введение между фотокатодом и анодом вспомогательных электродов приводит к нарушению сферической симметрии поля, в связи с чем перечисленные соотношения перестают выполняться точно.

В результате численных экспериментов найдены эмпирические соотношения

= K₁

= K₂

= K₃

При условии отсутствия виньетирования рабочего поля РЭОП значения К₁К₂К₃ определяются степенью дискретизации граничных условий в промежутке между фотокатодом и анодом, т.е. числом вспомогательных электродов n. При небольшом числе вспомогательных электродов (n = 2) и увеличении М = 0,147 К₁ = 1,2; К₂ = 1,1; К₃ = 1,1, причем отношение длины такой электронно-оптической системы к диаметру фиксирующей системы не превышает 0,9.

При большем числе электродов (n 2) распределение потенциала между фотокатодом и анодом может быть приближено к полю идеального сферического конденсатора, для которого К₁ = 1,0 К₂ = 1,0 и К₃ = 1, а отношение длины электронно-оптической системы к диаметру фокусирующей системы становится равным 0,57. В типичных РЭОП с отверстием в аноде это отношение 1,3 и более.

Пример конкретного выполнения был реализован при создании образца РЭОП для медицинского передвижного хирургического аппарата.

Радиус кривизны фотокатода РЭОП равен 196 мм, электронно-оптическое увеличение 0,147, отверстие в аноде диаметром 38 мм затянуто мелкоструктурной металлической сеткой с радиусом кривизны 28 мм, шаг сетки 0,1 мм, толщина прутка сетки 0,02 мм, расстояние между фотокатодом и анодом 186 мм, расстояние между фотокатодом и люминесцентным экраном 240 мм. Общая длина РЭОП 255 мм, диаметр фокусирующей системы 267 мм, число вспомогательных электродов 2. Разрешение в центре 4,5, на краю 4,0, дисторсия на краю рабочего поля 3%.

В разработанном образце свинцовая штриховая мира с частотой 4,0 пл/мм, облученная равномерно рентгеновским пучком изображается на выходном экране с контрастом 10-12% . При этом расчетный контраст электронно-оптической системы на этой частоте равен 98%.

В серийно выпускаемом РЭОП типа РЭП-1 аналогичного прототипу) диаметр отверстия в аноде 16 мм, расстояние между фотокатодом а анодом 300 мм, общая длина РЭП-1-370 мм, диаметр фокусирующей системы 267 мм, число вспомогательных электродов 3. При этом свинцовая штриховая мира с частотой 4,0 пл/мм видна с контрастом 4-5%, расчетный контраст электронно-оптической системы на этой частоте равен 30%.

Технико-экономические преимущества заключаются в том, что в отличие от прототипа отверстие в аноде затянуто мелкоструктурной сеткой, прозрачной для электронов, что, повышая напряженность на фотокатоде, улучшает контраст изображения в 2-3 раза и увеличивая оптическую силу линзы, сокращает продольные габариты прибора в 1,6 раза.

Кроме того, расположение в плоскости минимального сечения электронного пучка между сеткой и катодолюминесцентным экраном апертурной диафрагмы повышаeт контраст изображения как за счет диафрагмирования электронных пучков, эмитируемых рабочей областью фотокатода, так и за счет экранировки катодолюминесцентного экрана от облучения электронами эмитируемыми со вспомогательных электродов.