Система рентгеновского телевидения на основе РЭОПа

Рентгеновские электроннооптические преобразователи используются для получения рентгеновских изображений уже более 50 лет. В настоящее время РЭОПы вследствие достаточно высоких эксплуатационных характеристик и приемлемой цены используются в большинстве рентгенотелевизионных систем, выпускаемых для промышленных целей.

Функциональная схема типовой рентгенотелевизионной системы, построенной с использованием РЭОПа, приведена на рис. 1.

РЭОП преобразует рентгеновское изображение на своем входе в изображение в видимом свете на выходном окне. Конденсор формирует параллельный пучок света, который после поворота на 90º на поворотном зеркале попадает на объектив, сфокусированный на бесконечность, который в свою очередь формирует изображение в своей фокальной плоскости. Поворот светового пучка на 90º вызван необходимостью вывода телевизионной камеры из зоны прямого воздействия рентгеновского излучения, которое приводит к выходу ее из строя (как уже говорилось ранее, ПЗС-матрицы радиационно неустойчивы). ПЗС- матрица телевизионной камеры преобразует свет в электрические сигналы, и с выхода камеры стандартный телевизионный сигнал поступает в компьютерную систему для улучшения, обработки и архивирования изображения, на компьютерном мониторе которой можно наблюдать как прямое, так и обработанное изображение тестируемого объекта. Типовая рентгенотелевизионная система жестко настроена таким образом, чтобы рентгеновское изображение максимального размера, определяемого диаметром входного окна РЭОПа, трансформировалось на весь экран телевизионного монитора. Важнейшим параметром рентгентелевизионной системы является пространственное разрешение выходного изображения.

Рассмотрим устройство и работу основных элементов рентгенотелевизионной системы.

Рентгеновский электроннооптический преобразователь

Рентгеновский электроннооптический преобразователь представляет собой вакуумную колбу, содержащую ряд элементов. На рис.2 представлено сечение этой колбы. Рентгеновское излучение, прошедшее сквозь контролируемое изделие, через входное окно РЭОПа попадает на входной люминесцентный слой. Под воздействием рентгеновского излучения этот слой сцинтиллирует с излучением фотонов видимого света, которые, в свою очередь, воздействуют на фотокатод, эммитирующий в результате этого воздействия фотоэлектроны. Эти электроны ускоряются и фокусируются электронной оптикой на выходной люминесцентный слой и формируют на нем видимое изображение просвечиваемого объекта.

Обобщенная схема процесса получения изображения с помощью РЭОПа показана на рис.3.

Основные элементы РЭОПа

·         Входное окно

В РЭОПах старой конструкции входное окно изготавливалось из стекла, в результате чего характеристики прибора ухудшались из-за эффектов рассеяния и поглощения в этом материале. В современных приборах с металлокерамическими колбами эти недостатки устранены применением входных окон из Al или Ti толщиной 0,25 – 0,5мм, в которых минимальное затухание рентгеновского излучения сочетается с хорошими вакуумными свойствами.

·         Входной сцинтиллятор

Входной сцинтилляционный слой изготавливают из CsI, легированного Na, Tl или другими элементами, который напыляется на алюминиевую подложку. CsI:Na растет на подложке в виде структуры монокристаллических острий, каждое диаметром около 0.005 мм и высотой около 0,5мм. Алюминиевая подложка имеет толщину 0,5мм. Обычно для промышленных РЭОПов сцинтиллятор имеет диаметр от 15см (6”) до 33см (13”) в зависимости от назначения РЭОПа.

CsI хорошо поглощает рентгеновское излучение, причем в области энергий рентгеновских фотонов, обычно используемых в промышленной дефектоскопии (40 – 300кэВ) поглощение происходит в основном за счет фотоэффекта (вклад в поглощение за счет эффекта Комптона становится существенным при энергиях рентгеновских квантов выше 300 кэВ). Слой CsI:Na генерирует при поглощении рентгеновских лучей голубой свет, который распространяется вдоль монокристаллических острий как по оптоволокну (т.е. без рассеяния) по направлению к фотокатоду.

·         Фотокатод

Промежуточный слой (толщиной менее 0,001мм) напыляется на внутреннюю поверхность слоя CsI:Na, а фотокатод (толщиной около 2 нм) наносится уже на этот слой (рис. 4).

Промежуточный слой (например, окись индия) имеет высокую оптическую прозрачность и используется для химической изоляции сцинтилляционного слоя от фотокатода. В качестве фотокатода обычно используются сурьмяно-цезиевые соединения.

Световые фотоны, эмитированные входным слоем сцинтиллятора, поглощаются фотокатодом в результате фотоэлектрического эффекта с генерацией фотоэлектронов.

·         Вакуум и электронная оптика

Вакуум в колбе необходим для беспрепятственной транспортировки электронов от фотокатода до выходного сцинтилляционного слоя. Для ускорения этих электронов обычно используется напряжение 25 – 35кВ, а электронная оптика служит для фокусировки этих электронов на выходном сцинтилляционном слое. Величина электронного тока при этом может составлять от 10-8 до 10-7 А. Результатом ускорения электронов и их фокусировки является значительное увеличение интенсивности картины.

Заметим, что в пролетном пространстве трубки вследствие работы электронной оптики имеется точка пересечения электронных траекторий, что приводит к инвертированию изображения на выходном окне РЭОПа по отношению к изображению на входном окне. Заметим также, что, как видно из рис.6, входное окно со сцинтиллятором и фотокатодом несколько искривлено для выравнивания длин электронных траекторий и минимизации дисторсии изображения.

В РЭОПе возможно изменение увеличения изображения путем изменения напряжений на электродах электронной оптики. Так, например, РЭОП с входным окном 9” (реальное входное окно диаметром 215мм) может быть использован также для получения изображений диаметром 170мм и 130мм. Наличие 3-х дискретных увеличений характерно для большинства производимых РЭОПов, хотя существуют и системы с возможностью непрерывного изменения увеличения. С уменьшением поля просмотра на входном окне яркость картины на выходном окне также уменьшается (конечно, при сохранении мощности дозы облучения).

Большинство промышленных РЭОПов имеют встроенные устройства поддержания вакуума типа ионного насоса Пеннинга. Более подробное рассмотрение этого вопроса выходит за рамки настоящей статьи.

·         Выходной люминофор

Выходной люминофор обычно изготавливают из ZnCdS:Ag, нанесенного на выходное окно (рис. 5). Этот слой эмитирует зеленый свет при поглощении быстрых электронов. Обычно его толщина составляет примерно 0,005 мм и от 25 до 35 мм в диаметре.

Некоторые компании начали использовать в качестве люминофора более современные материалы на основе гадолиния (Gd2O2S(Tb)), что позволяет получить более качественное изображение на выходном окне. Этот люминофор имеет меньшее время послесвечения, что важно при изучении быстро движущихся объектов.

На внутренней поверхности выходного люминофорного слоя нанесена тонкая пленка алюминия, которая, с одной стороны, является анодом для ускорения электронов, а с другой – отражает свет по направлению к выходному окну и защищает фотокатод от паразитной засветки.

·         Выходное окно

Существует ряд конструкций выходных окон, включая стеклянные окна (с толщиной стекла до нескольких десятков миллиметров) с внутренними антиотражающими слоями, окна из свинцового стекла и оптоволоконные окна – задачей этих конструкций является минимизация рассеяния света и различных отражений.

Изображение, сформированное на выходном окне, поступает с помощью оптической системы на входную ПЗС-матрицу видеокамеры.

Оценим, для примера, сколько фотонов света образуется на выходном окне РЭОПа при воздействии на входное окно одного рентгеновского кванта. Сцинтиллятор CsI наиболее эффективно поглощает рентген с энергиями в районе 50 кэВ. Пусть один такой квант попадает на входное окно. В результате его поглощения возникает примерно 2000 голубых фотонов, и примерно половина из них может достичь фотокатода. Если эффективность фотокатода 15%, то будет сгенерировано 150 фотоэлектронов. При ускоряющем напряжении 25 кВ, эффективности электронной оптики 90% и при условии, что каждый электрон с энергией 25 кэВ образует 2000 фотонов на выходном сцинтилляторе, общее количество фотонов будет 270000. Если из этого количества через выходное окно пройдет 70% фотонов, то общее количество фотонов в световом импульсе, созданном воздействием одного рентгеновского кванта, будет 200000.

Колба РЭОПа изготавливается из стекла, или из металлокерамики, и входное и выходное окна впаиваются в эту колбу. Конструкция помещается в металлический корпус, в котором также размещаются свинцовый экран для радиационной защиты и экран из мю-металла для защиты электронной оптики от внешних магнитных полей. Входное окно обычно защищено плоской алюминиевой крышкой, которая является также защитой при маловероятном, но возможном взрыве вакуумной колбы.