X射线图像增强器的应用和优势

X射线荧光检查法主要的缺点是图像亮度比较小。未获得令人满意透视检查图像，屏亮度必须增加到10²～10³cd/m²，才能有图像足够沉度。X射线透视屏记录效率才能达到约30%。亮度可借助于图像亮度增强器增强。

1.图像增强器原理

图像增强器是一种成像器，使用它的目的是用电子光学技术同时传递图像。目前所用的图像增强器输入窗上，都是利用对X射线敏感荧光屏，将不可见的X射线光子图像转换成可见图像。然后，通过光电阴极作用将可见光光子图像转换为相应电子，该电子通过高压加速并聚焦于荧光输出屏，图像传递和增强是由真空中电子束完成。输出屏上图像尺寸虽然改变小，但大大提高可见图像的亮度，再通过电视摄像机系统，最终在电视屏上显示出被检工件的图像。

2.图像增强器结构

图像增强器的结构是由外壳和内胆组成，外壳是圆柱形（真空胆）；胆内有输入屏、输入闪烁体、光电阴极、真空管和聚焦电极、输出闪烁体、输出屏。图像增强器结构原理图如图2-7所示。

3.图像增强器工作框图

当X射线照射到输入屏时，促使输入闪烁体发出可见光，输入闪烁晶体和该可见光的作用下，激发光电阴极发射电子，这些电子被高压电场加速并聚焦至输出屏的闪烁体，使其重新发出可见光。该可见光图像亮度得到大大提高。其工作流程如图2-8所示（X射线→可见光→电子→可见光）。

4.图像增强器内部各部件

（1）输入屏

1）老式输入屏由玻璃材料制成，对X射线有较大散射和吸收，使图像增强器性能下降。

图2-7 图像增强器结构原理图

图2-8 图像增强器工作程序图

2）现代输入屏由较薄（厚度为0.25～0.5mm）的铝或钛金属制成，除有较小的射线散射和衰减外，还有足够强度制成的真空器件。

（2）输入闪烁体

输入闪烁体由沉积于铝基层上的涂有钠（Na）材料的碘化铯（CsI）制成。因为铯和碘均对X射线吸收能力高，临界值分别为36keV和33keV。

CsI∶Na是以单晶针结构生长，单晶体直径约为0.005mm，长达0.5mm之多，铝基层厚度约为0.5mm。当CsI∶Na结构闪烁体受到X射线照射时，发出绿色的光，并主要沿晶体的长度方向传导至光电阴极，很少有侧向扩散。输入闪烁体结构如图2-9所示。

图2-9 输入闪烁体结构图

（3）光电阴极

该厚度不足0.001mm的过渡层渗入闪烁体CsI∶Na的表面，然后约2mm厚光电阴极层再沉积在过渡层上。过渡层（氧化铟）透光率很高，能将闪烁体和光电阴极材料化学地分隔开。对于常用典型过渡层由锑和铯的合金材料（SbCs）组成。当受到X射线照射时闪烁体激发出可见光光子，然后光电阴极在光电效应作用下释放出光电子。

（4）真空管和聚焦电极

1）真空管：在X射线增强器中，真空管的作用是将光电子被加速（加速电压为25～35keV）并无障碍通过。在管内加速电子通过的路径是交叉的，使输出屏图像相对输入屏图像是反转倒像。为保证电子通过的路径是等值，减少图像变形，输入闪烁体和光电阴极实际上是呈现曲面形。

2）聚焦电极：聚焦电极作用是将被加速电子聚焦至输出闪烁体表面，大约10^-8～10^-7的加速和聚焦电流，使图像的信号得到增强。可通过改变聚焦电极电压将图像放大缩小，如38cm图像增强器具有26cm和17cm两种图像视野。

图像放大、缩小就是改变图像视野尺寸，一般有三种视野尺寸，都是连续可调节视野。在相同的射线剂量条件下，若图像视野尺寸变小，则图像亮度有所降低。

（5）输出闪烁体

输出闪烁体是由ZnCdS∶Ag（即p20闪烁体）材料制成，并沉积于输出屏表面，如图2-10所示。

图2-10 输出闪烁体结构

输出闪烁体内表面有一层很薄的铝箔，既用来当做电极，又用来反射输出屏的回光，从而有利提高图像输出亮度，又可避免输出光线影响光电阴极正常工作。工作过程为输出闪烁体在受到加速电子的作用下发出绿色可见光，其典型厚度约为0.005mm，直径25～35mm。

（6）输出屏

输出屏设计的主要目的是将光线的散射和反射最小化。设计也是多种多样的，其中包括涂有外部防反射层的玻璃窗（厚度15mm）、彩色玻璃窗、光纤窗等。

输出屏的输出结果可以通过如下光学系统来观察：电影摄像机、摄影摄像机、视频摄像机或其他组合摄像机等。基于胶片的摄像机需要正色胶片。

（7）图像增强器工作流程的效果

假如按上述情况，有50keV的X射线光子被输入屏完全接收时：

1）在输入闪烁体将产生2000个可见光光子，其中有一半的光子能达到光电阴极。

2）如光电阴极的效率是15%，则光电阴极将释放出大约150个电子（2000×50%×15%=150）。

3）若加速电压25keV，聚焦效率为90%，则每25keV的电子可使输出闪烁体释放2000个可见光子，然后约有270000个可见光子的结果输出（150个电子×2000个可见光光子×90%聚焦效率=270000个可见光光子）。

4）最后若有70%光子穿过输出屏，270000可见光光子×70%=187000≈200000个光子光脉冲输出。所以，对一个50keV的X射线被输入屏完全吸收时，将产生2000个可见光光子，穿过输出屏将产生200000个光子的光脉冲。

（8）图像增强管

1）图像增强管通常由玻璃或非磁性的不锈钢材料制成；

2）输入屏焊接到图像增强管一端；

3）图像增强管装配在金属的包容器内，该容器含有用于辐射屏蔽的材料铅和用于电磁屏蔽的金属钼；

4）输入屏通常由一很薄铝板（厚度0.5mm）来保护，同时也防止其内部的爆裂；

5）在输入面板前还装有防散射线的光栅。对一个完整图像增强管来讲，前部为输入板部分，后半部分为电视摄像系统。如图2-11所示。

图2-11 15cm图像增强器外形图

5.图像增强器系统性能参数

图像增强器系统的性能指标：亮度、转换因数、对比度、空间分辨率、空间不均匀性、空间失真。

（1）亮度(www.xing528.com)

亮度的含义为发光体或反光体使人眼感到明亮程度。亮度是由图像缩小倍数和电子的加速通量的综合效果决定。

1）缩小倍数：由电子从相对较大的光电阴极出发被聚焦到相对较小的输出闪烁体区域，从而造成每平方毫米电子数的增加，进而影响图像亮度。

缩小倍数值由输入闪烁体直径与输出闪烁体直径的比值的二次方值来表达。

如输入闪烁体直径在15～40cm之间，输出闪烁体直径为2.5cm，则缩小倍数值为36～256。

2）通量：其值取决于输入闪烁体到输出闪烁体之间的电子加速度。该值由施加电压大小决定，一般情况通量值在50～100之间。总亮度值由缩小倍数和通量大小确定即

亮度=（缩小倍数）×（通量） （2-6）

若缩小倍数=100，通量=50～100，则亮度=5000～10000。缩小倍数增大，亮度最高可达10000以上。

（2）转换因数

因为亮度难以测量，从而不能有效地衡量对图像增强器的性能。相对较容易测量参数为转换因数，它对图像增强器的性能比较和判断图像增强器是否超期都非常有用。

转换因数与图像增强器的照度输出和射线曝光输入有关，图像增强器照度输出由光度计测量，射线的曝光量由射线的电离室电离效应来测量，转换因数可表示为

转换因子=输出闪烁体照度/输入的空气克马率 （2-7）

转换因数的典型值为7.5～15cd·m^-2/μGy·S^-1或更高。因图像增强器的图像相对较暗，如家用灯泡的照度大约仅为106cd/m²。因此，该绿色光的输出需要黑暗的环境直接观察或用敏感的摄像机来远距离观察测量。

（3）对比度

对比度实质是指缺陷影像与其附近的背景之间光度差。在此主要表述图像增强器在较大区域中图像反差性能。因几种散射效果存在，使射线本来穿不透的物体，在图像中不是完全未穿透。对比度可通过一铅质盘图像的照度值与无铅盘图像的照度值的相关性来测量。为了标准化目的，铅盘尺寸应为视野尺寸10%，并沿着视野中心放置，其表达式为

对比度典型值为20∶1～30∶1或更高。影响对比度的因素主要有以下几种情况：

1）输入屏的X射线散射；

2）输入闪烁体的X射线散射：

3）输入闪烁体的可见光散射：

4）电子聚焦中的电子散射；

5）输出闪烁体的可见光散射；

6）输出屏的可见光散射。

综合这些散射的效果称为眩光（veiling glare）。

一般认为输出闪烁体的散射是眩光产生的主要原因，最近研究表明，输入部分的影响也很明显

（4）空间分辨率

工业实时射线成像检验系统性能主要指标之一，就是空间分辨率（简称分辨率、分辨力）。分辨率是表示成像系统所得的图像识别细节的能力，它限定了所能揭示的处于与射线束垂直平面内缺陷的最小尺寸。用铅质条形测试卡来测量，通常用线对值（Lp/mm、Lp/cm）或不清晰度值表示，分辩率与系统不清晰度之间关系互为倒数1/2。线对值是在1mm宽度内可识别的条空（占空比例1∶1）对数。线对测试卡如图2-12和图2-13所示，若条宽为d（mm），则对应的线对值P（Lp/mm）为

图2-12 扇形排列型线对测试卡样式

图2-13 平行排列型线对测试卡样式

当用双丝像质计测定时，可用不清晰度U表示空间分辨力，此时不清晰度等于不可识别为一对丝中的最粗丝直径d的2倍，U=2d。

线对值P（Lp/mm）与不清晰度值U（mm）的关系如下：

系统中的每个子系统发生变化，都会引起系统分辨率综合性能变化，所以它是成像系统性能的综合反映。分辨率是系统设备客观性能反映，仅与系统构成及性能有关，与检测工艺方法无关。所以，系统分辨率也称固有分辨率。随设备的老化系统分辨率也会衰退，应定期测定。

系统分辨率作用，对确定设备配置后，分辨率就是确定的已知参数，以此参数确定图像最佳放大倍数M_opt和系统不清晰度等。

对于分辨率具体指标，按标准中规定X射线实时成像系统级别，所规定的线对值为准。

（5）空间不均匀性

因图像增强器在视野内不同区域具有不同的亮度增益，均匀物体的图像中心区域的亮度通常较周边区域高，这种效果称为晖影。晖影除了核医学应用领域中之外，在其他领域中的图像增强器系统中并不作为主要的性能评价参数。

图2-14 规则网格图像增强器图像

（6）空间失真

在所有图像增强器中，在视野中的不同区域的图像放大倍数不可能相同，所以，图像增强器不可能完全真实地再现工件的空间关系。在图2-14所示的是针对同一种规则的线阵网路格子的图像增强器的图像。从图中看出，在图像中央部分线条的图像是笔直，越向周边变形越厉害，网格的面积在中央部分比周边小一些。对变形程度可用变形量计算公式近似计算：

式中 D₁——网格图像中央区域方块的对角线长度；

D₂——网格图像中最大方块的对角线长度；

n——实物网格中方块相关尺寸的矫正系数。

可以计算出图2-14中左边图像变形量为8.5%，右边为3.5%。

矫正系数n：设变形量为X时，当n=1，X=0无变形量；n=1.1，X=0.1，10%变形量；n=1.2，X=0.2，20%变形量。D₂/D₁比值n增大，当X=1，D₂/D₁=2n，所以n是大于1的数。