摘 要： 針對(duì)帶微通道板（MCP）的雙近貼聚焦X射線像增強(qiáng)器" title="像增強(qiáng)器">像增強(qiáng)器普遍存在動(dòng)態(tài)范圍小、使用壽命短等缺點(diǎn)，對(duì)其電源系統(tǒng)進(jìn)行研究并改進(jìn)，從而使X射線像增強(qiáng)器能夠更好地滿足X射線檢測(cè)和醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的應(yīng)用要求。這種電源可以使像增強(qiáng)器始終產(chǎn)生對(duì)比度良好的高分辨率圖像; 同時(shí)還可以延長(zhǎng)像增強(qiáng)器的使用壽命。
關(guān)鍵詞： X射線成像" title="X射線成像">X射線成像 像增強(qiáng)器 選通電源" title="選通電源">選通電源 FPGA" title="FPGA">FPGA PWM
X射線像增強(qiáng)器是帶微通道板（MCP）的雙近貼聚焦X 射線像增強(qiáng)器，一般由光電陰極、MCP和熒光屏三部分組成，如圖1所示。由于MCP的引入，使得它具有很多優(yōu)良的性能：體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、圖像空間分辨率高且畸變小、增益高、可結(jié)合性強(qiáng)、電磁干擾低和快門比高等。由于這些性能,使其在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
目前的X射線像增強(qiáng)器普遍采用直流供電。為了增大動(dòng)態(tài)范圍和防止過高的電流損壞像增強(qiáng)器件,在電路中設(shè)置了自動(dòng)亮度控制(ABC)電路和亮源保護(hù)(BSP) 電路,但是這兩種電路功能的實(shí)現(xiàn)是以犧牲成像質(zhì)量為代價(jià)的，得到的圖像模糊、對(duì)比度低，看不清亮光后面模糊背景中的物體。另外，自動(dòng)增益控制電路對(duì)較強(qiáng)的點(diǎn)光源或線光源起不到自動(dòng)保護(hù)的作用，微通道板內(nèi)部細(xì)管會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間處于電子飽和狀態(tài)而灼傷，出現(xiàn)點(diǎn)狀或條狀黑斑，從而減短使用壽命[1]。本文針對(duì)帶微通道板（MCP）的雙近貼聚焦X射線像增強(qiáng)器普遍存在動(dòng)態(tài)范圍小、抗疲勞能力差、不能在強(qiáng)光下工作等缺點(diǎn)，對(duì)其高壓電源系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。從而使X射線像增強(qiáng)器能夠更好地滿足X射線檢測(cè)和醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的應(yīng)用要求。
1 X射線選通增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)途徑
如果在X射線像增強(qiáng)器選通電極上不加直流高壓，而代之以可以自動(dòng)高速接通和切斷的連續(xù)矩形脈沖高壓，則僅在脈沖持續(xù)期間才有光電子通過而轟擊熒光屏，這樣就構(gòu)成了一個(gè)選通快門。矩形脈沖的寬度就是曝光時(shí)間，其大小控制著像增強(qiáng)器的工作時(shí)間。經(jīng)過這樣改進(jìn)的自動(dòng)脈沖門控電源的作用機(jī)理就是電源感知進(jìn)入像增強(qiáng)器的光量，根據(jù)輸入光強(qiáng)度的變化自動(dòng)高速接通和切斷，而且電源的接通和切斷控制是通過調(diào)節(jié)周期固定的脈沖的占空比實(shí)現(xiàn)的[2]。熒光屏上的微電流的變化反映了輸出圖像亮度的變化，一般取熒光屏上的微電流作為反饋信號(hào)。當(dāng)在弱光下工作時(shí)，像增強(qiáng)器工作在直流供電狀態(tài)；當(dāng)在強(qiáng)光下工作時(shí)，像增強(qiáng)器工作在選通狀態(tài)。當(dāng)熒光屏上輸出圖像亮度增大時(shí)，熒光屏反饋電流增大，通過調(diào)節(jié)門脈沖信號(hào)的占空比，使像增強(qiáng)器工作時(shí)間縮短，保持熒光屏上的輸出圖像亮度不變；反之亦然。由于像增強(qiáng)器處于接通狀態(tài)時(shí)，各個(gè)電極上都加上合適的電壓值，不會(huì)影響系統(tǒng)的分辨率[1]。
對(duì)于雙近貼像增強(qiáng)器來(lái)說(shuō)，選通方式有如下幾種[3]:
(1)陰極選通：快門脈沖加于陰極與MCP輸入面之間。這種方案所需脈沖電壓幅度低(100伏～300伏)，但要承受較大容性負(fù)載。如果電壓幅度不夠或脈沖上升沿和下降沿速度慢，就會(huì)產(chǎn)生離焦，影響像質(zhì)。另一方面,因MCP對(duì)透過陰極的光有強(qiáng)吸收作用，所以快門比（定義為像管打開時(shí)從熒光屏來(lái)的光亮相對(duì)于像管關(guān)閉時(shí)透過的光亮的比值）可以很容易達(dá)到106。目前此方案屬最常用的選通方案。
(2)MCP選通：快門電壓直接加到MCP兩面。這種方案要承受更大的容性負(fù)載(100pF),而且所需脈沖電壓幅度要求較高(1 000V左右)。雖然電壓與聚焦無(wú)關(guān)，但直接影響增益，且因增益隨電壓變化很靈敏，故脈沖由邊沿向中心傳播的過程中不均勻性也會(huì)放大，從而產(chǎn)生“空心效應(yīng)”，使選通速度受到限制。所得到的快門比為104，此方案比方案(1)差得多。
(3)熒光屏選通：快門脈沖加到MCP輸出極與熒光屏之間。極間電容較小，但電壓幅度要幾千伏，因所需脈沖能量很高，這種方式通常不采用。
這里采用加在光電陰極和MCP 間的電壓是脈沖電壓,如圖2所示，它的頻率和脈寬隨進(jìn)入像增強(qiáng)器的光強(qiáng)變化而變化,在光照強(qiáng)時(shí)頻率較低、脈寬較窄;光照弱時(shí)正好相反,這樣就在不改變像增強(qiáng)器供電的情況下,實(shí)現(xiàn)了ABC和BSP控制,從而實(shí)現(xiàn)了不降低分辨率而提高動(dòng)態(tài)范圍的目的,使像增強(qiáng)器在不同輸入光強(qiáng)度下都能有效工作,所以在像增強(qiáng)器熒光屏上總是輸出均勻一致的圖像。
采用這種自動(dòng)脈沖門控電源給像增強(qiáng)器陰極供電可以減小強(qiáng)光下到達(dá)MCP 的電子流, 防止因電流飽和而生成的沖蝕圖像,從而有助于降低強(qiáng)光產(chǎn)生的光暈或圖像模糊效應(yīng)，使像增強(qiáng)器在強(qiáng)光照射下仍能產(chǎn)生對(duì)比度良好的高分辨率圖像。因此該方法可以大幅度地提高像增強(qiáng)器的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)X射線的自適應(yīng)增強(qiáng)。另外，由于是間歇式供電，還可以延長(zhǎng)像增強(qiáng)器的使用壽命。
2 電源控制電路設(shè)計(jì)
和傳統(tǒng)的X射線像增強(qiáng)器使用的直流電源一樣，MCP和熒光屏上所加的高電壓都是通過對(duì)低直流電壓產(chǎn)生振蕩再倍壓整流后產(chǎn)生的，如圖3上半部分所示。選通電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何產(chǎn)生脈寬隨輸入光強(qiáng)變化而變化的脈沖電壓信號(hào)加在陰極上，如圖3下半部分所示的陰極脈沖發(fā)生器。以下重點(diǎn)介紹此部分電路的設(shè)計(jì)?！?/font>
由于加在陰極上的脈沖信號(hào)的脈寬變化范圍大（從μs～ms級(jí)），電壓幅值變化大（高低電平差240V），平頂波動(dòng)范圍小(<0.5%),采用傳統(tǒng)的變壓器方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而基于FPGA的電源電路不僅可以解決上述問題，而且還能精確地控制脈寬大小，使其與輸入光的強(qiáng)度保持良好的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。
熒光屏上微電流的變化反映了輸出圖像亮度的變化，取熒光屏電流作為反饋信號(hào)。由于弱光下熒光屏反饋電流變化很小，為了精確反映入射光的變化需要對(duì)反饋電流放大。放大電路實(shí)質(zhì)上是進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)化，輸出后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出給FPGA進(jìn)行處理，F(xiàn)PGA按特定的算法把數(shù)字量生成相應(yīng)的PWM" title="PWM">PWM脈沖，最后經(jīng)由MOSFET組成的功率驅(qū)動(dòng)模塊輸出陰極所需的脈沖信號(hào)。電路原理如圖4所示。
2.1 電流放大電路設(shè)計(jì)
熒光屏的取樣電流極其微弱，一般在102nA數(shù)量級(jí)[1]，為了提高電路靈敏度，必須將微弱的電流信號(hào)放大、去噪并轉(zhuǎn)換為電壓輸出。另外，由于需要放大的信號(hào)不但極其微弱而且變化極其緩慢，近似于直流信號(hào)，而一般集成運(yùn)算放大器會(huì)把這種信號(hào)作為溫漂給抑制掉。因此，采用德州儀器公司的LinCMOS工藝生產(chǎn)的高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器TLC2652。斬波穩(wěn)零的工作方式使其具有優(yōu)異的直流特性，并且失調(diào)電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對(duì)運(yùn)算放大器的影響被降低到了最小，因此TLC2652非常適合用于微弱的直流信號(hào)或緩慢變化信號(hào)的放大。由于使用了LinCMOS工藝和低噪聲的MOSFET，輸入噪聲大大減小。為了獲得大的輸入阻抗和小的輸出阻抗，采用TLC2652的正相輸入接法。放大電路的電壓增益K為1.785 22，輸入阻抗為241.238 55GΩ，輸出阻抗為31.755 43mΩ，帶寬為200Hz。
2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路
A/D轉(zhuǎn)換器的作用是把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)以便FPGA處理。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入光強(qiáng)的精確控制，采用德州儀器公司生產(chǎn)的2MSps采樣速率的16位逐次逼近的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8411B，這是一款48引腳TQFP封裝的高速、高精度A/D轉(zhuǎn)換器。具有16位無(wú)代碼丟失性能、內(nèi)部時(shí)鐘和基準(zhǔn)電壓源,2MHz的功耗為175mW,SNR分別為86dB和90dB，單極單端輸入,線性誤差為±0.8LSB，有16位和8位可選擇接口,零等待時(shí)間，高速并行接口,8位/16位總線傳輸,允許輸入的模擬信號(hào)電壓范圍為0～4.096V。
電流放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成一個(gè)一階線性系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型為：
式中，y為系統(tǒng)輸出，x為系統(tǒng)輸入，N為計(jì)數(shù)值(在此N=65535)，R為取樣電阻，A為放大電路的電壓增益，VREF為A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部參考電壓。
2.3 FPGA邏輯功能的實(shí)現(xiàn)
采用FPGA實(shí)現(xiàn)電路功能，不僅可以精確地控制脈寬大小，使其與輸入光的強(qiáng)度保持良好的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且可以使系統(tǒng)體積減小、重量減輕且功耗降低；同時(shí)還可使系統(tǒng)的可靠性大大提高；由于采用可編程邏輯器件和硬件描述語(yǔ)言，VHDL同時(shí)利用其供應(yīng)商提供的開發(fā)工具，可大大縮短數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間，節(jié)約新產(chǎn)品的開發(fā)成本。在本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA輸出控制信號(hào)控制A/D轉(zhuǎn)換，并輸出PWM信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器輸出的值決定脈沖信號(hào)的脈寬。FPGA采用Xilinx公司的Virtex系列的xcv400芯片。其邏輯功能及與外部接口如圖5所示。
(1)A/D轉(zhuǎn)換控制信號(hào)
取外部時(shí)鐘為5MHz作為系統(tǒng)時(shí)鐘，經(jīng)分頻后產(chǎn)生
信號(hào)用以對(duì)ADS8411B進(jìn)行控制。得到A/D采樣、轉(zhuǎn)換控制信號(hào)的頻率為152.6Hz。應(yīng)用FPGA設(shè)計(jì)工具Xilinx ISE7.1i，調(diào)用ModelSim SE6.1c對(duì)其進(jìn)行仿真，可得一個(gè)周期即13107 000ns的波形，如圖6所示。
(2)數(shù)值轉(zhuǎn)換及比較輸出
A/D轉(zhuǎn)換器輸入的模擬信號(hào)的電壓值范圍為2.50～2.86V，對(duì)應(yīng)輸出的十六進(jìn)制數(shù)為9C3D～B28D，十進(jìn)制數(shù)為39 995～45 709。A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)的變化范圍還比較小，通過數(shù)值變換器按照特定的算法對(duì)其進(jìn)行一定的數(shù)值轉(zhuǎn)換，使輸入的最小值對(duì)應(yīng)0，最大值對(duì)應(yīng)1016=65535，這樣輸出的脈沖的占空比可以在近似于0～100%范圍內(nèi)變化。計(jì)數(shù)器從0計(jì)數(shù)到1016=65535，也就是一個(gè)周期。當(dāng)取值比計(jì)數(shù)值大時(shí)，輸出為1;反之輸出為0。該部分的邏輯功能可用如下數(shù)學(xué)表達(dá)式描述：
脈沖輸出：
式中，temp為鎖存器，PWM為脈沖輸出。仿真結(jié)果如圖7（輸入為43 157）所示。
2.4 功率驅(qū)動(dòng)
FPGA輸出的PWM信號(hào)的脈寬雖然隨反饋電流大小的變化而變化，但是電壓幅值太小(高電平3.3V)，而且像增強(qiáng)器正常工作時(shí)陰極上所加電壓為負(fù)壓，因此還必須對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。本設(shè)計(jì)選用IR公司的MOSFET管IRF840作為開關(guān)器件對(duì)PWM信號(hào)電壓進(jìn)行提升。IRF840功率MOSFET是一種多子導(dǎo)電的單極型電壓控制器件，是電力電子器件中開關(guān)頻率最高的器件，它不但具有自關(guān)斷能力，而且具有輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、安全工作區(qū)寬、無(wú)二次擊穿問題等優(yōu)點(diǎn)[4]。
使用MOSFET，最基本的是柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。MOS管的驅(qū)動(dòng)電路必須具備二個(gè)功能：一是實(shí)現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動(dòng)MOS管柵極的電隔離；二是提供合適的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖。選用日本東芝公司(Toshiba)生產(chǎn)的帶光電隔離的MOSFFT驅(qū)動(dòng)芯片TLP250完成柵板驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。功率驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖8所示。
3 電源的技術(shù)參數(shù)
(1)陰極脈沖信號(hào):頻率76.3Hz，平頂波動(dòng)范圍<0.5%,輸出脈寬范圍為5μs～13.11ms。占空比變化范圍為：0.038～100%。高電平電壓值40V，低電平電壓值-200V。
(2)MCP電壓VMCP：輸入端接地，0V;輸出端800～1000V可調(diào)。
(3)熒光屏電壓VS:5000～6000V。
本文設(shè)計(jì)的X射線像增強(qiáng)器選通電源電路具有控制精度高、現(xiàn)場(chǎng)可編程、響應(yīng)快、脈寬調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，能夠根據(jù)輸入光的變化自動(dòng)調(diào)整加在陰極上的脈沖信號(hào)的脈寬，從而使熒光屏上輸出亮度保持不變。與傳統(tǒng)的直流高壓電源相比，采用自動(dòng)脈沖門控電源給像增強(qiáng)器陰極供電可以減小強(qiáng)光下到達(dá)MCP 的電子流, 防止因電流飽和生成的沖蝕圖像,從而有助于降低強(qiáng)光產(chǎn)生的光暈或圖像模糊效應(yīng)，使像增強(qiáng)器在強(qiáng)光照射下仍能產(chǎn)生對(duì)比度良好的高分辨率圖像。采用這種電源大幅度提高了像增強(qiáng)器的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)了X射線的自適應(yīng)增強(qiáng)。另外，采用這種電源，由于是間歇式供電，還可以延長(zhǎng)X射線像增強(qiáng)器的使用壽命。經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真調(diào)試，此電源可實(shí)現(xiàn)很好地選通控制，為提高X射線成像系統(tǒng)的性能以及X射線檢測(cè)和醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展提供了重要依據(jù)。
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