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1、第11章 X射线探测与成像器件伦琴在伦琴在1895年研究真空管高压放电时年研究真空管高压放电时发现了发现了X射线：它是由高速带电粒子与射线：它是由高速带电粒子与物质原子的内层电子相互作用而发出物质原子的内层电子相互作用而发出的，它的波长短，光子能量大，透过的，它的波长短，光子能量大，透过能力强。能力强。X射线的本质与可见光、红外光、紫外光以及宇宙射线的本质与可见光、红外光、紫外光以及宇宙射线完全相同，均属于电磁幅射，具有波粒二象射线完全相同，均属于电磁幅射，具有波粒二象性。性。它的波长范围在它的波长范围在10-3nm-10nm，短波方向与，短波方向与射射线相接，长波方向与紫外光相接线相接，长波
2、方向与紫外光相接.一般称波长在一般称波长在0.1-10nm的的X射线为软射线为软X射线，波射线，波长在长在0.001-0.1nm的的X射线为硬射线为硬X射线。射线。X射线在医学透视、无损探伤、射线在医学透视、无损探伤、X射线衍射、天文射线衍射、天文学、材料学等方面有着广泛的应用。学、材料学等方面有着广泛的应用。11.1X射线的特性射线的特性11.1.1X射线的产生射线的产生X射线源有天然和人造两种。射线源有天然和人造两种。星体、放射性同位素等辐射星体、放射性同位素等辐射X射线，属于天然射线，属于天然X射线源。射线源。人造人造X射线管如图射线管如图11-1，阴极灯丝发射的电子打在阳极靶，阴极灯丝
3、发射的电子打在阳极靶上，阳极靶与灯丝阴极之间加了高电压上，阳极靶与灯丝阴极之间加了高电压U，到达靶上的高，到达靶上的高能电子与靶原子原子核造成多次碰撞，逐步释放能量的同能电子与靶原子原子核造成多次碰撞，逐步释放能量的同时产生一系列能量为时产生一系列能量为h 的光子序列，形成连续的光子序列，形成连续X射线谱，射线谱，同时也会产生特征同时也会产生特征X射线。射线。用几万伏至几十万伏的高压用几万伏至几十万伏的高压U加速电子，高能电子轰击靶加速电子，高能电子轰击靶极时会产生高温，故靶极必须用水冷却，有时还将靶极设极时会产生高温，故靶极必须用水冷却，有时还将靶极设计成转动式的。计成转动式的。X射线频谱分
4、为连续X射线和特征X射线谱。用U表示加速电子的电压，电子能量为E，以表示产生的X射线光子的波长，则产生的X射线光子的短波限0为：hc/0=eU 如果电压U和波长0分别以kV和nm为单位，则：随着电子能量的增大，连续随着电子能量的增大，连续X射线光强最大值和短射线光强最大值和短波限波限0都向短波方向移动，如图为都向短波方向移动，如图为W靶产生的靶产生的X射射线的连续频谱的分布。随着应用要求不同，产生线的连续频谱的分布。随着应用要求不同，产生X射线的电子加速电压从几千伏到几百千伏的范围。射线的电子加速电压从几千伏到几百千伏的范围。特征特征X射线谱的波长只与靶的原子序数有关，与管电压无射线谱的波长只
5、与靶的原子序数有关，与管电压无关，它的强度峰对应的波长和能量反映了物质元素的原子关，它的强度峰对应的波长和能量反映了物质元素的原子序数特征，是不连续谱，是物质元素的序数特征，是不连续谱，是物质元素的“指纹指纹”特征，如特征，如图图.利用这个特点可以用来鉴定和分析样品所含元素成分和含利用这个特点可以用来鉴定和分析样品所含元素成分和含量，是一种重要的测试分析手段，在金属、矿产、宝石、量，是一种重要的测试分析手段，在金属、矿产、宝石、半导体、化学分析中获到了广泛的应用。半导体、化学分析中获到了广泛的应用。图11-3 特征X射线的能谱分布 11.1.2X射线透过和吸收特性射线透过和吸收特性X射线照射物
6、体时，一部分光子从物质原子间隙穿射线照射物体时，一部分光子从物质原子间隙穿过，不与物质发生任何反应，这就是过，不与物质发生任何反应，这就是X射线的穿透射线的穿透作用，作用，另一部分另一部分X射线与物质发生干涉、衍射、反射、折射线与物质发生干涉、衍射、反射、折射等作用，射等作用，X射线还会与物质发生各种相互作用，如光电效应、射线还会与物质发生各种相互作用，如光电效应、汤姆逊效应、康普顿效应和电子偶效应等多种效汤姆逊效应、康普顿效应和电子偶效应等多种效应。应。X射线与物质的作用是复杂的过程，本文不加论述。射线与物质的作用是复杂的过程，本文不加论述。实验证明，强度为实验证明，强度为I的的X射线在均匀
7、物质内部射线在均匀物质内部通过时，强度的衰减率与在物质内通过的通过时，强度的衰减率与在物质内通过的距离成正比，用公式可表示为：距离成正比，用公式可表示为：dII=dt式中比例系数式中比例系数称为物质的线性吸收系数，称为物质的线性吸收系数，它的物理意义是指在它的物理意义是指在X射线传播方向上单位射线传播方向上单位长度内长度内X射线强度的衰减程度。射线强度的衰减程度。与物质种与物质种类、密度、类、密度、X射线的波长等因素有关。射线的波长等因素有关。物质对物质对X射线的透射和吸收特性是射线的透射和吸收特性是X射线成像器件的重要射线成像器件的重要理论依据之一。物质对理论依据之一。物质对X射线的透射特性
8、服从指数衰减规射线的透射特性服从指数衰减规律。律。对对(11-3)两边进行积分有：两边进行积分有：I0X射线输入强度射线输入强度(keVcm2s或或X光子数光子数cm2s)；IX射线输出强度射线输出强度(keVcm2s或或X光子数光子数cm2s)；材料的质量密度材料的质量密度(gcm3)；t样品厚度样品厚度(cm)；线性吸收系数线性吸收系数(1cm)，与物质密度有关；，与物质密度有关；/材料质量吸收系数材料质量吸收系数(cm2g)，有时也用，有时也用m表示表示,。该物质对该物质对X射线的透射率射线的透射率为：为：该物质的该物质的X射线的吸收率射线的吸收率为：为：/的物理意义是该材料单位密度的吸
9、收系数。线性吸收系的物理意义是该材料单位密度的吸收系数。线性吸收系数数与与X射线波长射线波长(或能量或能量)、构成材料的原子序数和样品物、构成材料的原子序数和样品物理状态（气态、液态、疏松态、致密态、单晶态和多晶态）理状态（气态、液态、疏松态、致密态、单晶态和多晶态）有关，不同有关，不同X射线照射下的射线照射下的/值可由文献查出。值可由文献查出。对于由多种成份构成的物质，则有：对于由多种成份构成的物质，则有：wi第第i i个组分元素所占的质量权重因子；个组分元素所占的质量权重因子；/第第i个组分元素的质量吸收系数，有时也个组分元素的质量吸收系数，有时也用用m表示。表示。物质对物质对X射线吸收和
10、透过的规律可知：被透视的物体因其射线吸收和透过的规律可知：被透视的物体因其各处有不同的组分、或同一组分有不同的厚度，或有不各处有不同的组分、或同一组分有不同的厚度，或有不同的物理状态，这样，就会对输入的二维均匀分布的同的物理状态，这样，就会对输入的二维均匀分布的X射射线辐射强度进行相应的空间调制，进而经探测器，获得线辐射强度进行相应的空间调制，进而经探测器，获得一幅与被透视物体各点透过率呈特定关系的人眼可见二一幅与被透视物体各点透过率呈特定关系的人眼可见二维空间图像。维空间图像。这就是这就是X射线成像的基础。射线成像的基础。11.1.3X射线量的表征射线量的表征X射线由它的质和量来表征。射线由
11、它的质和量来表征。所谓所谓X射线的质就是指射线的穿透能力或其射线的质就是指射线的穿透能力或其强度，它以强度，它以X射线的能量表征，可通过增大射线的能量表征，可通过增大X射线管电压来增大。射线管电压来增大。X射线的量以它产生电离的能力度量。射线的量以它产生电离的能力度量。衡量衡量X射线最常用的几个单位如下。射线最常用的几个单位如下。1.X射线的波长射线的波长X射线是电磁波，射线是电磁波，波长波长是衡量电磁波的重要是衡量电磁波的重要特性。特性。X射线的波长范围在射线的波长范围在10-310nm，其光子能量其光子能量E可由相关公式获得，单位用电子可由相关公式获得，单位用电子伏特（伏特（eV）和焦耳（
12、）和焦耳（J）表示，）表示，1eV与与J的关系的关系是是1eV=1.60210-19J。2.X射线的辐照强度射线的辐照强度与可见光和红外线的辐射照度定义相似，与可见光和红外线的辐射照度定义相似，X射线的辐照强度射线的辐照强度I定义为单位时间内照射到定义为单位时间内照射到单位面积上的单位面积上的X射线的能量，单位是射线的能量，单位是KeV/cm2s。类似地，可用类似地，可用X射线的光子数表示，单位是：射线的光子数表示，单位是：个个/cm2s。3.X射线的剂量射线的剂量X射线的剂量用射线的剂量用X射线引起空气电离能力来表示。射线引起空气电离能力来表示。1C（库仑）对应（库仑）对应6.2421018
13、个离子个离子-电子对。电子对。1离子离子/电子对需要电子对需要33.7eV（对空气）的激发能量。剂量有以下一些（对空气）的激发能量。剂量有以下一些单位。单位。法定单位：法定单位：J/Kg常写为常写为GY（格雷，（格雷，戈瑞戈瑞）。）。剂量单位之一：剂量单位之一：C/cm3（空气）、（空气）、C/Kg（空气）。（空气）。剂量单位之二：剂量单位之二：eV/cm3、J/cm3、eV/Kg、J/Kg。剂量单位之三：伦琴。常用毫伦琴（剂量单位之三：伦琴。常用毫伦琴（mR）。）。剂量单位之四：拉德。常用毫拉德（剂量单位之四：拉德。常用毫拉德（mrad）。）。剂量单位的换算：剂量单位的换算：常用的单位是常用
14、的单位是mR，mrad。由于实际上使用的剂量都很小，常用微。由于实际上使用的剂量都很小，常用微GY。4.剂量率剂量率定义为：单位时间定义为：单位时间X射线穿过空气，被空射线穿过空气，被空气吸收的辐射能量。文献中常用的单位是气吸收的辐射能量。文献中常用的单位是mR/s(毫伦琴毫伦琴/秒秒)，国家标准用，国家标准用mrad/s(毫毫拉德拉德/秒秒)作单位。作单位。5.各量之间的关系各量之间的关系单色单色X射线剂量率射线剂量率P0(mR/s)、辐射强度、辐射强度I0（KeV/cm2s）、）、X光子能量光子能量E（KeV）和）和相应相应X光子数光子数N0（个（个/cm2s）间的关系分）间的关系分别为：
15、别为：而具有连续谱的而具有连续谱的X线管在线管在EminEp波谱范围波谱范围内的积分内的积分X光子总数为：光子总数为：Imax为额定电压下，为额定电压下，X线管能谱峰值辐照强线管能谱峰值辐照强度（度（KeV/cm2s）；）；W为为E处、处、E间隔内的间隔内的X光子能量在该光子能量在该X线管辐射总能量中所占的权重比。线管辐射总能量中所占的权重比。11.2X射线探测与成像器件的分类射线探测与成像器件的分类11.2.1X射线成像器件的分类射线成像器件的分类X射线探测与成像器件按射线探测与成像器件按X光的转换方式，主要有四种：光的转换方式，主要有四种：X射线胶片法、射线胶片法、X射线光致荧光屏、射线光
16、致荧光屏、像增强器成像、像增强器成像、直接数字化成像。直接数字化成像。从这些方法中产生了许多新的技术，从这些方法中产生了许多新的技术，X射线胶片信息数字化、射线胶片信息数字化、X射线计算机断层扫描技术射线计算机断层扫描技术、X射线射线TV影像、影像、X射线影像光电射线影像光电二极管阵列成像等二极管阵列成像等,X射线成像技术正在进行着一场重大的变射线成像技术正在进行着一场重大的变革。革。由于计算机处理技术的发展由于计算机处理技术的发展,医学图像信息数字化及计算机处医学图像信息数字化及计算机处理从根本上改变了医学影像采集、显示、存储、交换方式和理从根本上改变了医学影像采集、显示、存储、交换方式和手
17、段。手段。1X射线胶片成像法射线胶片成像法以以X射线胶片为影像载体。这类射线胶片为影像载体。这类X射线的胶片依据射线的胶片依据是是X射线致化学反应，通过曝光、显影、定影，形射线致化学反应，通过曝光、显影、定影，形成一负胶片。这是世界上最早的探测成一负胶片。这是世界上最早的探测X射线的方法。射线的方法。X光胶片具有很高的分辨率，可长期保存观察，因光胶片具有很高的分辨率，可长期保存观察，因而到目前一直被大量使用，至今仍普遍应用于医而到目前一直被大量使用，至今仍普遍应用于医疗检测中。疗检测中。然而，它有一缺点就是然而，它有一缺点就是X射线胶片光量子效率极低，射线胶片光量子效率极低，X射线剂量大，需要
18、单独的拍片室和冲洗室，不能射线剂量大，需要单独的拍片室和冲洗室，不能实时观察，不便于储存和处理，且属事后（非实实时观察，不便于储存和处理，且属事后（非实时）处理，故被后来发展起来的各种时）处理，故被后来发展起来的各种X射线荧光转射线荧光转换屏所部分替代。换屏所部分替代。2X线荧光转换屏线荧光转换屏X线荧光转换屏（增感屏）由输入窗基底线荧光转换屏（增感屏）由输入窗基底/反反光金属膜光金属膜/X线荧光粉线荧光粉/含铅的透光玻璃等层含铅的透光玻璃等层组成。其中的荧光粉原子受组成。其中的荧光粉原子受X射线光子激发，射线光子激发，产生人眼或照相版敏感的荧光，荧光的亮产生人眼或照相版敏感的荧光，荧光的亮度
19、正比于输入点度正比于输入点X线辐照强度。医院的大型线辐照强度。医院的大型透视仪就是这种转化屏。透视仪就是这种转化屏。这种方法的缺点是这种方法的缺点是X射线的转化效率太低，射线的转化效率太低，因而必须在暗室观察且因而必须在暗室观察且X射线剂量必须足够射线剂量必须足够强才能有一定的亮度，对人体有伤害且分强才能有一定的亮度，对人体有伤害且分辨率不高。辨率不高。荧光转换屏输出的光可以用以下方式进行荧光转换屏输出的光可以用以下方式进行处理：处理：（1）X射线荧光屏可以供人眼直接观察，射线荧光屏可以供人眼直接观察，实际中一般很少进行。实际中一般很少进行。（2）可供照相底板拍成照片，现在还在广）可供照相底板
20、拍成照片，现在还在广泛的应用。泛的应用。（3）可以利用摄像机将其图像转换成电视）可以利用摄像机将其图像转换成电视（TV）图像，供人看，或转化为数字图像，）图像，供人看，或转化为数字图像，进行保存和处理。进行保存和处理。（4）使用激发荧光（使用激发荧光（IP）板）板来代替增感屏来代替增感屏+胶片组合胶片组合,该荧该荧光板经光板经X照射后会有电子激发从而得到对应的照射后会有电子激发从而得到对应的X射线强弱影射线强弱影像信息像信息,经激光束扫描获得光信号经激光束扫描获得光信号,再由模再由模/数转换而成数字数转换而成数字信息，如图信息，如图11-4。CR（ComputedRadiography）成像）
21、成像技术。技术。（5）在荧光屏上集成光电二极管阵列，将在荧光屏上集成光电二极管阵列，将图像转换成数字图像，该技术属于间接数图像转换成数字图像，该技术属于间接数字字X线影像（线影像（IndirectDigitalRadiograph，IDR）技术，后面将详述。）技术，后面将详述。荧光转换屏的重要特性：荧光转换屏的重要特性：1）对于不同的荧光转换屏输出显示方式，应选择特定的）对于不同的荧光转换屏输出显示方式，应选择特定的不同的荧光粉，以使荧光屏发光光谱分布与其后续接收器不同的荧光粉，以使荧光屏发光光谱分布与其后续接收器之间达到最佳的光谱匹配，因此之间达到最佳的光谱匹配，因此荧光屏发光光谱分布荧光屏
22、发光光谱分布是荧是荧光转换屏的重要特性。光转换屏的重要特性。2）X射线荧光屏的荧光亮度转换效率射线荧光屏的荧光亮度转换效率.3)X射线荧光屏的鉴别率。射线荧光屏的鉴别率。亮度转换效率和鉴别率二者所需工艺途径往往是相互矛盾亮度转换效率和鉴别率二者所需工艺途径往往是相互矛盾的。为了提高转换效率，常采用增大粉粒粒度、加厚粉层的。为了提高转换效率，常采用增大粉粒粒度、加厚粉层厚度、选择多重元素的粉材料和加镀厚度、选择多重元素的粉材料和加镀Al膜等措施，但却因膜等措施，但却因此降低了屏的鉴别率。此降低了屏的鉴别率。实际上，需根据具体要求，做适当的折衷处理。新近出现实际上，需根据具体要求，做适当的折衷处理
23、。新近出现了多种材料和荧光屏制作专利，了多种材料和荧光屏制作专利，例如，用真空沉积方法生长的阵列单晶荧光屏，兼顾了高例如，用真空沉积方法生长的阵列单晶荧光屏，兼顾了高光效（因为是单晶，非辐射复合损失大大减少了）和高分光效（因为是单晶，非辐射复合损失大大减少了）和高分辨（因为是阵列，各像元之间串光干扰小、对比度明显提辨（因为是阵列，各像元之间串光干扰小、对比度明显提高了）的双重优点。高了）的双重优点。表表11-1列出了一些列出了一些X射线与射线与射线荧光粉的主要特征。射线荧光粉的主要特征。3X射线影像增强器成像法射线影像增强器成像法由于在许多应用中，往往需要减少由于在许多应用中，往往需要减少X射
24、线的剂量，射线的剂量，这就必须将这就必须将X射线图像增强。射线图像增强。X射线影像增强器成射线影像增强器成像技术有两种方式：像技术有两种方式：1）利用）利用X射线光电阴极，射线光电阴极，X射线激发光电子，然射线激发光电子，然后将光电子像增强转换成可见光图像后将光电子像增强转换成可见光图像,再通过光学再通过光学系统将光学图像耦合到电视摄像机上形成可实时系统将光学图像耦合到电视摄像机上形成可实时观看的视频信号。观看的视频信号。X射线光电阴极有反射式和透射射线光电阴极有反射式和透射式两种。式两种。2）利用）利用X射线转换屏，将转换荧光粉与可见光光射线转换屏，将转换荧光粉与可见光光电阴极做成一体，荧光
25、粉发出的光致使光电阴极电阴极做成一体，荧光粉发出的光致使光电阴极发射光电子，将光电子像增强成像在输出荧光屏发射光电子，将光电子像增强成像在输出荧光屏上，而后，通过光学系统将光学图像耦合到电视上，而后，通过光学系统将光学图像耦合到电视摄像机上形成可实时观看的视频信号。该技术虽摄像机上形成可实时观看的视频信号。该技术虽然利用了荧光转换屏的原理，但将其放在此类合然利用了荧光转换屏的原理，但将其放在此类合理一些。理一些。X射线像增强器本文将详述。射线像增强器本文将详述。4直接数字化成像法直接数字化成像法直接数字直接数字X线影像线影像(DirectRadiograph，DR或或DirectDigital
26、Radiograph，DDR)技术将技术将X射线光直接转换成电子信号，然后射线光直接转换成电子信号，然后再转换成图像。该法将详述。再转换成图像。该法将详述。根据将根据将X射线转换为图像的方式，可以将射线转换为图像的方式，可以将X射线射线影像方法分为直接法和间接法，如表影像方法分为直接法和间接法，如表11-2。图中三种形式分别为照相胶片法、像增强器法和直接影像法。11.3X射线成像器件系统的性能指标射线成像器件系统的性能指标可以用多项技术性能指标来评价可以用多项技术性能指标来评价X射线成像器件和射线成像器件和系统的质量特性，例如输出亮度、分辨率、调制系统的质量特性，例如输出亮度、分辨率、调制传递
27、函数、灵敏度、最高承受电压、系统的稳定传递函数、灵敏度、最高承受电压、系统的稳定性、系统的连续工作时间、图像的采集和图像处性、系统的连续工作时间、图像的采集和图像处理速度、检测效率、图像一次性检测范围（长度理速度、检测效率、图像一次性检测范围（长度宽度）、图像的动态范围、系统抗干扰性、系统宽度）、图像的动态范围、系统抗干扰性、系统的工作寿命、系统的价格性能比等多项指标。下的工作寿命、系统的价格性能比等多项指标。下面简述面简述X射线成像器件与系统的性能指标。射线成像器件与系统的性能指标。1亮度亮度B它表示物体的明亮程度。在其他条件相同的情况它表示物体的明亮程度。在其他条件相同的情况下，亮度越高表
28、示发出的光通量越多，单位为下，亮度越高表示发出的光通量越多，单位为cd/，可用亮度计进行测量。，可用亮度计进行测量。2分辨率分辨率分辨率定义为单位长度上的周期数，单位为线对分辨率定义为单位长度上的周期数，单位为线对/毫米（毫米（lp/mm）。鉴于）。鉴于X射线穿透力较强，分辨率射线穿透力较强，分辨率测试卡要用镀铅测试卡。测试卡要用镀铅测试卡。由于由于X射线成像系统的射线成像系统的分辨率低，还用线对分辨率低，还用线对/厘米（厘米（lp/cm）来表示。）来表示。分辨率是器件和系统的重要指标，系统中的每一分辨率是器件和系统的重要指标，系统中的每一个子系统发生变化，都会引起系统分辨率综合性个子系统发生
29、变化，都会引起系统分辨率综合性能的变化，所以，抓住了系统分辨率这个综合指能的变化，所以，抓住了系统分辨率这个综合指标，就等于抓住了标，就等于抓住了X射线实时成像系统的关键。射线实时成像系统的关键。系统分辨率指标是系统分辨率指标是X射线成像系统性能的综合反映，射线成像系统性能的综合反映，系统分辨率越高，表示系统的技术性能越好。系统分辨率越高，表示系统的技术性能越好。系统分辨率是系统设备客观性能的反映，仅与系系统分辨率是系统设备客观性能的反映，仅与系统的构成及其性能有关，与检测工艺方法无关，统的构成及其性能有关，与检测工艺方法无关，所以，系统分辨率也称为固有分辨率。所以，系统分辨率也称为固有分辨率
30、。随着系统设备的老化，系统分辨率也会衰退，因随着系统设备的老化，系统分辨率也会衰退，因此，对系统分辨率应定期进行测试。系统分辨率此，对系统分辨率应定期进行测试。系统分辨率可以用分辨率测试卡直接在系统中测试出来。可以用分辨率测试卡直接在系统中测试出来。3.调制传递函数调制传递函数与分辨率表示图像的分辨本领相比，调制与分辨率表示图像的分辨本领相比，调制传递函数（传递函数（MTF）作为系统质量或图像质）作为系统质量或图像质量（信息）的客观评价依据，更能全面反量（信息）的客观评价依据，更能全面反映成像系统的分辨本领，映成像系统的分辨本领，4.亮度转换因子亮度转换因子C定义为单位剂量的定义为单位剂量的X
31、射线照射下，成像器件射线照射下，成像器件所能输出的图像亮度。所能输出的图像亮度。C=L/P0式中：式中：P0-X射线输入剂量率射线输入剂量率（mrad/s）。L-X射线像增强器的输出亮度射线像增强器的输出亮度(cd/m2)。5.视场均匀性视场均匀性C即亮度均匀性，它表示两个目标之间的亮即亮度均匀性，它表示两个目标之间的亮度相对差异，通常用亮度起伏同平均亮度度相对差异，通常用亮度起伏同平均亮度之比表示，以百分数表示之比表示，以百分数表示:C=(Bmax-Bmin)/(Bmax+Bmin)11.4CsI/MCP反射式反射式X射线光电阴极射线光电阴极1.X射线光电子物理学射线光电子物理学由由X射线光
32、电子物理学可知，如果射线光电子物理学可知，如果X射线光子与材料的原射线光子与材料的原子相碰撞时会发生以下几种非弹性碰撞过程：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。一次电子发射。（2）二次电子发射。如射线光电阴极的电子发射。）二次电子发射。如射线光电阴极的电子发射。（3）俄歇电子发射。典型的应用是）俄歇电子发射。典型的应用是X射线激发俄歇电子能射线激发俄歇电子能谱。谱。(4)特征谱特征谱(线状线状)和连续谱和连续谱X射线发射。射线发射。(5)长波辐射长波辐射(紫外，可见光，红外紫外，可见光，红外)。（6）电子空穴对产生。电子空穴对产生。（7）晶格振动晶格振动(声子声子)发射
33、。发射。（8）电子振荡电子振荡(等离子体等离子体)辐射等。辐射等。图11-8 光电效应示意图 实验证明，实验证明，X射线激发二次电子发射是阴极射线激发二次电子发射是阴极电流的主要来源，占电流的主要来源，占99%以上。以上。作为光电阴极有很多特殊的要求，只有某作为光电阴极有很多特殊的要求，只有某些材料适合做，如些材料适合做，如CsI等。等。X射线像增强器的射线像增强器的X射线阴极一般分为射线阴极一般分为:透射式（入射窗阴极材料）透射式（入射窗阴极材料）反射式（阴极材料反射式（阴极材料MCP）两种。）两种。2.CsIMCP反射式反射式X光阴极的结构光阴极的结构采用真空蒸镀法将采用真空蒸镀法将CsI
34、蒸镀在蒸镀在MCP输入端面，就构成了典型的输入端面，就构成了典型的CsIMCP反射式反射式X光阴极。如图光阴极。如图11-9所示，所示，3.阴极原理阴极原理当一个能量为当一个能量为E(KeV)或波长为或波长为=1.24E(nm)X射线光子打在厚度射线光子打在厚度为为d的阴极材料某点上，将在该点产生一次光电子，直接构成一次的阴极材料某点上，将在该点产生一次光电子，直接构成一次光电流，其逸出几率很小，对发射的光电子贡献甚微。光电流，其逸出几率很小，对发射的光电子贡献甚微。一次光电子在行进过程中将产生多个二次电子，由于阴极材料是相一次光电子在行进过程中将产生多个二次电子，由于阴极材料是相对疏松的，因
35、而有助于这些二次电子在外加高电场作用下，不断倍对疏松的，因而有助于这些二次电子在外加高电场作用下，不断倍增，增，某些电子扩散长度大于出射深度，在中途没有被复合掉，并能克服某些电子扩散长度大于出射深度，在中途没有被复合掉，并能克服真空界面位垒，以一定几率逸出真空，变为光电子，从而构成了与真空界面位垒，以一定几率逸出真空，变为光电子，从而构成了与输入输入X光图像相应的二维光电子图像。光图像相应的二维光电子图像。4.二次电子的物理发射过程二次电子的物理发射过程二次电子的物理发射过程十分复杂。通常将其分为三步：二次电子的物理发射过程十分复杂。通常将其分为三步：(1)一次光电子在行进过程中发生能量损失并
36、激发产生二次一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，这时材料体内电子受一次光电子激发，由低能态跃电子，这时材料体内电子受一次光电子激发，由低能态跃迁至高能态。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。撞，与离子产生复合而损失能量。(3)达到表面的二次电子克服表面势垒而逸出。达到表面的二次电子克服表面势垒而逸出。图图11-9CsI/MCP反射式反射式X光电阴极结构光电阴极结构(a)和光电
37、子发射过程和光电子发射过程(b)5.反射式反射式X射线阴极像增强器的原理射线阴极像增强器的原理从阴极逸出的二次电子在从阴极逸出的二次电子在MCP两端电场的作用下，轰击对两端电场的作用下，轰击对面的阴极材料或通道壁，以大于面的阴极材料或通道壁，以大于1的二次发射系数，经多的二次发射系数，经多次电子倍增，在次电子倍增，在MCP输出端形成放大万倍的电子流。输出端形成放大万倍的电子流。这些倍增的电子被微通道板与荧光屏之间的高压加速打在这些倍增的电子被微通道板与荧光屏之间的高压加速打在荧光屏上，在荧光屏上显现出一幅被检物体荧光屏上，在荧光屏上显现出一幅被检物体X射线透射强射线透射强度二维可见光图像。度二
38、维可见光图像。这就是阴极材料这就是阴极材料MCP反射式反射式X射线阴极及反射式射线阴极及反射式X射线射线阴极像增强器的原理。阴极像增强器的原理。当当X光子打在光子打在CsI层层A点时，将发生三个物理过程：点时，将发生三个物理过程：(1)X射线反射，很小，可忽略；射线反射，很小，可忽略；(2)X射线折射入射线折射入CsI阴极层，产生一次电子和二次电子，阴极层，产生一次电子和二次电子，它是它是X射线光阴极电子信号的主要来源；射线光阴极电子信号的主要来源；(3)X射线透过射线透过CsI阴极层，进入相邻通道，降低对比度。阴极层，进入相邻通道，降低对比度。11.5窗材料窗材料/阴极透射式阴极透射式X光阴
39、极光阴极如果将阴极材料做在窗材料上，就构成了透射式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，其工作原理类似反射式阴极。射线阴极，其工作原理类似反射式阴极。图11-10 窗材料/阴极透射式X光阴极的结构其工作原理与反射式阴极类似，区别点在于：其工作原理与反射式阴极类似，区别点在于：（1）X射线照射透射式射线照射透射式X射线阴极时，一次电子所激发的二次电射线阴极时，一次电子所激发的二次电子从阴极后界面逸入真空。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。面逸出的能量。（3）透射式阴极通
40、常在靠近基底处是致密层，在致密层上有一）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。层疏松层，以提高二次电子的逸出深度和逸出概率。11.6X射线像增强器射线像增强器11.6.1X射线像增强器的基本结构射线像增强器的基本结构由于在许多应用中，往往需要减少由于在许多应用中，往往需要减少X射线的射线的剂量，这就必须将剂量，这就必须将X射线图像增强。鉴于目射线图像增强。鉴于目前的技术水平，还不能将前的技术水平，还不能将X射线直接放大或射线直接放大或成像，因此要采用变换增强的方法。成像，因此要采用变换增强的方法。第一代第一代X光像增强器出现于光像增强器
41、出现于20世纪世纪50年代，年代，它实际就是一个真空光电成像器件。它实际就是一个真空光电成像器件。它的原理是通过转化屏把它的原理是通过转化屏把X光图像转化成可见光图像，可见光图像转化成可见光图像，可见光照在光电阴极上，光电阴极把可见光图像转化成光电子光照在光电阴极上，光电阴极把可见光图像转化成光电子图像，最后通过加速电场加速电子轰击显示荧光屏，把光图像，最后通过加速电场加速电子轰击显示荧光屏，把光电子图像转化为高亮度可见光图像。因此该法是将荧光转电子图像转化为高亮度可见光图像。因此该法是将荧光转换屏发光的方法与光电发射方法结合起来。换屏发光的方法与光电发射方法结合起来。结构需要重点考虑两个问题
42、：结构需要重点考虑两个问题：一是荧光粉与光电阴极的光谱匹配；一是荧光粉与光电阴极的光谱匹配；二是为防止光电阴极与荧光粉之间的相互作用而选择的隔二是为防止光电阴极与荧光粉之间的相互作用而选择的隔离膜材料。离膜材料。荧光转换屏的任务是将荧光转换屏的任务是将X射线图像转换为可见光图像，并进而激发射线图像转换为可见光图像，并进而激发光电阴极发射电子，因此要求荧光材料对光电阴极发射电子，因此要求荧光材料对X射线具有较高的转换效射线具有较高的转换效率，同时在光谱特性上又与光电阴极有良好的匹配。最初的荧光率，同时在光谱特性上又与光电阴极有良好的匹配。最初的荧光粉是（粉是（ZnS）Cd，后来，后来，CsI荧光
43、粉材料代替了原来的荧光粉，它荧光粉材料代替了原来的荧光粉，它的的X光转换效率和空间分辨率都明显提高了。光转换效率和空间分辨率都明显提高了。X射线增强管的光电射线增强管的光电阴极多采用阴极多采用Cs3Sb的的S-11阴极。阴极。由于由于X射线不能成像，而实际被测物体又比较大，射线不能成像，而实际被测物体又比较大，这就要求输入面要大，由于输出亮度的需要，输这就要求输入面要大，由于输出亮度的需要，输出屏又不能太大，这种出屏又不能太大，这种X光像增强器输出口径和输光像增强器输出口径和输入口径有一定的压缩，一般压缩比入口径有一定的压缩，一般压缩比m0.1，所以，所以常俗称这种管型为常俗称这种管型为“大头
44、管大头管”。这种这种X光像增强器依然作为核心器件在光像增强器依然作为核心器件在X光电视成像系统光电视成像系统中使用，对大视场特别适用。由于其大视场，产生电子光中使用，对大视场特别适用。由于其大视场，产生电子光学系统设计方面的特殊要求：由于倍率很小，所以物距很学系统设计方面的特殊要求：由于倍率很小，所以物距很大。因为管内阴极面处场强很低，为此需要加聚焦束极大。因为管内阴极面处场强很低，为此需要加聚焦束极（栅极），聚束极的另一作用是调节焦距。由于物面太宽，（栅极），聚束极的另一作用是调节焦距。由于物面太宽，要设法减少边缘像差，为此采取中心和边缘像质折衷的设要设法减少边缘像差，为此采取中心和边缘像质
45、折衷的设计方法。物距的变化对像面位置影响不大。计方法。物距的变化对像面位置影响不大。11.6.2近贴型近贴型X射线像增强器射线像增强器X射线像增强器是带射线像增强器是带MCP的平板式近贴的平板式近贴X光像增强器。因光像增强器。因为为MCP引入，使得增益很大，体积和重量都很小，所需引入，使得增益很大，体积和重量都很小，所需X射线剂量很小，具有结构简单，造价低廉等优点。它一般射线剂量很小，具有结构简单，造价低廉等优点。它一般有两种结构，其区别主要在阴极。有两种结构，其区别主要在阴极。一种是单阴极、单近贴一种是单阴极、单近贴X光像增强器，采用了光像增强器，采用了CsI/MCP反反射式光电阴极；射式光
46、电阴极；图图1112单阴极、单近贴单阴极、单近贴X光像增强器原理示意图光像增强器原理示意图另一种是双阴极、双近贴另一种是双阴极、双近贴X光像增强器，采用了透射式光像增强器，采用了透射式X光光电阴极和反射式电阴极和反射式X光阴极。光阴极。双阴极、双近贴双阴极、双近贴X光像增强器光像增强器比单阴极、单近贴比单阴极、单近贴X光像增强器仅仅是量子效率高，而分辨光像增强器仅仅是量子效率高，而分辨率会降低，结构和制作都复杂，率会降低，结构和制作都复杂，双阴极、双近贴双阴极、双近贴X光像增强器还需在输入窗镀光像增强器还需在输入窗镀Al电极和电极和CsI阴极，以及输入窗和阴极，以及输入窗和MCP输入之间加上阴
47、极电压。输入之间加上阴极电压。图图1113双阴极、双近贴双阴极、双近贴X光像增强器原理示意图光像增强器原理示意图基于基于MCP的的X光像增强器使用于亮室中对患者的光像增强器使用于亮室中对患者的四肢骨折、骨刺、异物进行实时透视检查，尤其四肢骨折、骨刺、异物进行实时透视检查，尤其是对手、腕、肘、前臂和脚趾、足、小腿等部位是对手、腕、肘、前臂和脚趾、足、小腿等部位更适合更适合,适合于小型动物的内外科检查和骨科检查适合于小型动物的内外科检查和骨科检查,适合于集成电路板、电子元件等检查，适合于集成电路板、电子元件等检查，适合于公安部门和边防海关等部门的安全检查适合于公安部门和边防海关等部门的安全检查,适
48、用于战地医院、山区、运动场所的室外应急检适用于战地医院、山区、运动场所的室外应急检查等。查等。11.7X射线影像光电二极管阵列成射线影像光电二极管阵列成像器件像器件X射线影像光电二极管阵列成像器件组成：射线影像光电二极管阵列成像器件组成：X射线接收器，包含有闪烁晶体屏、射线接收器，包含有闪烁晶体屏、大面积非晶硅传感器阵列及读出电路等。大面积非晶硅传感器阵列及读出电路等。信号处理器信号处理器电源等。电源等。X射线接收器中包含有闪烁晶体屏（射线接收器中包含有闪烁晶体屏（或或等）、等）、大面积非晶硅传感器阵列及读出电路等。大面积非晶硅传感器阵列及读出电路等。它利用碘化铯（它利用碘化铯（CsI）的特性
49、，将入射）的特性，将入射X光子光子转换成可见光，再由具有光电二极管作用的转换成可见光，再由具有光电二极管作用的非晶硅阵列变为电信号，通过外围电路检出非晶硅阵列变为电信号，通过外围电路检出及及A/D转换，获得数字化图像。转换，获得数字化图像。每个探测单元包括一个非晶硅光电二极管和起开关作用的场每个探测单元包括一个非晶硅光电二极管和起开关作用的场效应管。效应管。光电积累时，场效应管关闭，给光电二极管一个外部反向偏光电积累时，场效应管关闭，给光电二极管一个外部反向偏置电压，通过闪烁的可见光产生的电荷聚集在二极管上。置电压，通过闪烁的可见光产生的电荷聚集在二极管上。读取时，给场效应管一个电压使其打开，
50、电荷就会由二极管读取时，给场效应管一个电压使其打开，电荷就会由二极管沿数据线流出，以电信号的形式读到信号处理单元。沿数据线流出，以电信号的形式读到信号处理单元。这种器件属于间接数字化这种器件属于间接数字化X线影像（线影像（IDR）器件。）器件。图11-14 转换屏屏+PD+TFT探探测器的原理器的原理图(a)和和读出出电路路图(b)根据探测单元的排列方式不同根据探测单元的排列方式不同,该成像器件该成像器件可以细分为线阵和面阵两种可以细分为线阵和面阵两种,分别简称为线分别简称为线性探测器和成像面板。性探测器和成像面板。由于排列不同由于排列不同,虽然二者的基本功能和电气虽然二者的基本功能和电气特性