автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Исследование и разработка бипланарных рентгеновских электронно-оптических преобразователей для медицинской рентгеноскопии

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДНРАШ1И

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ медицинской ТЕХНИКИ р^ фд (ВНИИИМ!)

На правах рукописи

£ - : УДК 621-385.83.615 471:616-073.75

КУКЛЕВ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА БИПЛАНАРНЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ МЕДИЦИНСКОЙ РЕНТГЕНОСКОПИИ

Специальность: 05.11.10 — Приборы для измерения ионизирующее излучений

и рентгеновские приборы .

АВТОР £ Ф ЕРА Т

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ' Электронных приборов (НИИЗПр)

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Леонов Б. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук \ ■../."' Владимиров Л.В.

кандидат технических наук - Козловский 3.Б.

Ведущая организация: АОЗТ Московское научно-производственное Объединение "Спектр"

Защита состоится _"__ 1997г.

на заседании диссертационного совета ___

во Всероссийском Научно-исследовательском и испытательной институте медицинской техники (529301, г. Москва, ул. Касаткина, д.З ВНИИИМТ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИИМТ

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Медицинские рентгенологические: исследования создают большую часть нал фоновой антропогенной составляю-, щей облучения населения: 280Х дополнительно к естественному фоновому облучении.

В России находится около 20 тысяч рентгенодиагностических комплексов (РДК). из которых около половины не оснащены усилителями яркости рентгеновского изображения (УРИ). В последних для визуализации рентгеновского изображения по-прежнему используются традиционные флюоросколические экраны с присущими им высокими радиационными нагрузками на пациента и врача и низкой диагностической информативностью изображения,

В большинстве развитых стран законодательно запрещена рентге- . носкопия без УРИ. В соответствии с принятым в декабре 1995г. Федеральным законом "О радиационной безопасности населения" аналогичное запрещение будет введено в России с 2000г., а по Приказу Департамента здравоохранения №180 от 26.03.96г. это запрещение по Москве введено уже сейчас.

В связи со веем этим важнейшей задачей развития технических средств медицинской рентгенодиагностики является разработка, производство и внедрение в медицинскую практику во всех медучреждениях России усилителей яркости рентгеновского изобрахения и исключение тем самым морально устаревшего низкоэффективного флюороскопи-ческого экрана.

Применение телевизионных усилителей яркости рентгеновского изобрахения (ТВ-УРИ), производимых кан фирмами зарубежных стран, так и отечественными фирмами, позволяют решить указанную проблему.

Однако, сложность конструкции, высокая стоимость этих УРИ. сдерживает в настоящее время широкое применение их во всех медицинских учреждениях России.

- г -

Диссертационная раСодта посвящена исследованиям и разработке технологии изготовления бииланзрного плоского рентгеновского электронно-оптического преобразователя и плоского УРИ на его осно-.ве, позволявшего увеличить яркость рснтгеноиского изображения и 100-200 раз и вывести тек самый зрительный анализатор рентгенолога из условий темнового зрения при стоимости плоского УРИ в 2-3 раза более низкой, чем ТВ-УРИ.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью работы являлось обоснование и разработка технологии создания бипланарного рентгеновского электронно-оптического преобразователя и УРИ на его основе применительно к условиям медицинской рентгеноскопии, т.е. при ограниченной дозе на пациента и подвижных малоконтрастных объектах наблюдения.

Для достижения цели работы основными задачами исследований являлись:

- анализ физических процессов, произходящих в звеньях бипла-нарного РЗОП при многоступенчатой преобразовании рентгеновского изображения □ видимое;

- анализ влияния параметров звеньев бипланарного РЗОП на параметры качества выходного изображения (коэффициент преобразования. частотно-контрастная характеристика, коэффициент сохранения контраста и др.) ;

- разработка основных требований к звеньям крупноформатных бипланарных РЗОП и выбор конкретных технических решений с учетом технологических и экономических возможностей изготовления этих звеньев;

- создание передовых технологий, в том числе вакуумной для изготовления важнейших элементов и РЗОП в целом и внедрение в серийное производство.

Методы исследований включают в себя достаточно широкий арсенал применяемых средств: метод математического моделирования, и той числе на основе Фурье-преобразования, теории электронной оптики, спектральных характеристик излучения и др.

Экспериментальные исследования проводились по общетехническим методикам, применяемым в кристаллографии и микроструктурном анализе, электронной микроскопии, оптике, измерении качества УРИ по ГОСТ 26141-84 и др.

Научная новизна и основные научные положения, выносимые на защиту:

- Создан уточненный метод расчета ослабления и поглощения рентгеновского излучения во входных окнах и в рентгенолюминесцент-ном экране РЗОП, отличающийся от известных методов учетом зависимости спектрального распределения энергии тормозного рентгеновского излучения от напряжений на рентгеновской трубке.

- Оптимизированы требования к основным функциональным элементам РЗОП (входному окну, рентгенолюминесцентному экрану, фотокатоду, электронной оптике, катодолюминесцентному экрану) с целью получения наилучшего качества выходного изображения, определяемого многими взаимосвязанными параметрами: коэффициентом преобразования. ЧКХ, коэффициентом сохранения контраста и др.

- Получены соотношения, позволяющие рассчитать коэффициент преобразования и сквоэнуо ЧКХ РЗОП а зависимости от характеристик входного окна, экранов, фотокатода и электронно-оптической система .

- На основе проведенных исследований усовершенствована технология изготовления высокоэффективных рентгенолюминесцентных экранов из квазиволоконного поликристаллического слоя иодистого цезия, активированного натрием, за счет механической и химической обработки подложки, строгого геометрического соотношения между подложкой и испарителем иодистого цезия и их температурных режимов, что обеспечивает высокую энергоотдачу и высокую разрешающую способность экранов.

- На основе проведенных исследований показано, что технология получения высокоэффективного фотокатода на слое иодистого цезия должна содержать операцию восстановления окисленного слоя сурьмы

прогревом в среде водорода, давление которого существенно выше давления паров воды, при одновременной облучении восстанавлииаеио-го слоя ультрафиолетовым излучением.

- Доказана высокая эффективность технологии "вакуумной сборки" РЗОП в вакуумной катере с герметичным соединением узлов через легкоплавкий металл-уплотнитель с использованием вязкостного трения между уплотняемыми деталями и расплавленным металлом-уплотнителем.

Практическая ценность. На основе разработанных в диссертационной работе методов расчета основных звеньев РЭОП и технологии их изготовления обеспечено:

- Создание на "МЗЛЗ" технологических линий для изготовления бипланарных РЭОП типа РЗП-2 в количестве до 100 шт. в год с возможностью наращивания объема выпуска:

- Совместно С НПО "Экран" и СКТБ завода "Мосрснтгон" разработаны два типа плоских УРИ на базе бипланарных РЗОП РЭП-2 (УРИ "Круиз" и "Зскоп");

- Получена рекомендация Минздрава РФ на серийный выпуск этих УРИ и применение их в медицинской практике;

- Доказана эффективность применения УРИ на основе бипланарных РЗОП типа РЗП-2 в медицинской практике;

- Внедрены усовершенствования в технологию изготовления се-рийно-выпускаемых на "МЗЛЗ" РЭОП с электронной линзой и сжатием изображения типа РЗП-1, обеспечившие увеличение коэффициента сохранения контраста с 0,9 до 0.96. что соответствует лучшим зарубежным образцам РЭОП.

Научное и практическое решение поставленной в диссертации цели позволяет реиить серьезную социально-значимую задачу снижения радиационной нагрузки на население при медицинской рентгенодиагностике и увеличение ее диагностической информативности за счет оснащения определенной части рентгенодиагностических комплексов

бестелези.-иокными плоскими УРИ, обладающими рядим существенных преимуществ по сравнению с 78-УРИ, а также создание основ для улучшения серийно выпускаемых РЭОП с .электронной линзой и сжатием изображения длч ТВ-УРИ.

Следует отметить, что несмотря на то. что разработку и выпуск УРИ для медицинской рентгенодиагностики осуществляют десятки фирм з Европе и Америке, разработку и выпуск РЭОП для УРИ осуществляют только три фирмы в Европе - Томсон, Филипс и Сименс, обладающие секретами тонкой технологии и большим опытом в этой области. При этой технология изготовления ключевых узлов РЭОП (рентгеновский экран, выходной экран, входное окно) тщательно оберегаются. Более того, фирмы Сименс и Филипс практически не продают РЗОЛ, поставляя их только в узлах УРИ или в аппаратуре в целом.

В СЕА разработку РЭОП проводила фирма Вариан. однако з последнее время резуль-тгы работ по РЗОП переданы фирме Томсон (Фрзн-ция), которая осуществляет выпуск РЗОП.

В Японии в последние годы начат выпуск РЗОП и УРИ фирмой То-

шиба.

Отечественные разработки РЗОП были начаты еще в начале 60-х годов, однако промышленный выпуск РЗСП для медицинской рентгенодиагностики типа РЗП-1 был начат только к 80-му году на заводе "МЗЛЗ" поело окончания разработки РЭОП с цезий-иодиым экраном в металлостеклянной оболочке силами коллективов НИИЭПр (в то время НИИПФ) совместно с ОКБ "КЗЛЗ".

Разработка и освоение в производстве бипланарного РЗОП является по существу только вторым шагом после разработки и освоения РЗП-1.

Апробация работы. Основные положения работы и отдельные ее результаты были доложены и обсуждены на :

- Совещании экспертов стран-членов СЭВ "Рентгенодиагностичез-кая техника", сентябрь 1990г., г. Смоленск.

- G- Бессоюзной .конференции по электронно-лучевым и фотоэлектронным приборах, октябрь 1 ЭЕБг., г. Ленинград.

- V Всесоюзной конференции "Физика и техника внеокгго и сверхвысокого вакуума". 1935г. г. Ленинград.

- Ш Всесоюзном научно-техническом совещании по уплотннтель-ной технике. 1982г.. г. Супы.

- 14 Российской конференции "Неразрушащий контроль и диаг- - . ностика", июнь 1996г.. Москва.

Публикация результатов исследований. По материалам выполненной работы автором опубликовано 15 печатных работ и получено 5 авторских свидетельства на изобретения (см.перечень ц конце автореферата). -

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунков, У таблиц и-состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 107 наименований и Приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В I главе дан анализ состояния технических средств для усиления рентгеновского изображения и сформулированы задачи исследований.

Медицинские рентгенологические исследования создают наиболее существенную часть антропогенной составляющей облучения населения России. Анализ показывает, что ббльшая часть этого нежелательного облучения может быть снята применением усилителей рентгеновского изображения вместо применения флюороскопических экранов во всех рентгенодиагностичсских комплексах, т. к. половина РДК в России не оснащена УРИ.

Задачи исследований направлены на создание бипланарного рентгеновского электронно-оптического преобразователя, позволяющего существенно упростить и удешевить УРИ для рентгеноскопии при :ма-

читальном снихснии дозы облучения и повышения информативности изображения по сравнению с рентгеноскопией, использующей флюорос-копический экран.

Кроме того, наряду с созданием технологии изготовления бипла-нарного РЭОП ставилась задача адаптации разработанных методов изготовления отдельных зоемьео для улучшения параметров качества серийно выпускаемых РЗОП со сжатием изображения типа РЭП-1. Это относится прежде всего ко входному окну, рентгеновскому экрану и фотокатоду.

В 1-ой главе даны результаты исследования процесса преобразования изображения в рентгеновском электронно-оптическом преобразователе.

До описания результатов этих исследований в 1-ой главе приводится на основе анализа литературных данных сравнительный анализ трех направлений рентгеноскопии:. рентгеноскопии с флюороскопичес-ким экраном,рентгеноскопии с телевизионным УРИ на базе РЭОП с электронной линзой и {шюороскопии с бестслсвизионным УРИ на базе бипланарного РЭОП.

В рентгеноскопии с визуализацией рентгеновского изображения на флвороскопическом экране понижение мощности рентгеновского излучения ограничено низкой яркостью изображения на этом экране, составлявшей 10"2 кд/м2 при рабочей мощности экспозиционной дозы 1 мР/с (что соответствует мощности поглощенной дозы в воздухе 8,8 мкГр/с).

При такой малой яркости глаз наблюдателя (рентгенолога) работает в крайне невыгодном режиме - режиме сумеречного зрения, так что качество изображения обладает крайне низкой диагностической ценность».

Б рентгеноскопии с Т8-УРИ. -о котором используется РЭОП с электронной линзой, ограничение в понижении мощности рентгеновского излучения накладывает не низкая чувствительность глаза наблюда-

теля, а хаотический шум ронтгснсшских квантов во входном ронтге-. новском изображении. Лот в том. что в РЭОП с электронной линзой не только происходит преобразование рентгеновского изображения и видимое, но существенно повышается яркость последнего благодаря ускорению электронов в сильном электрическом поле и сжатию изображения.

В результате яркость изображения на ТВ-мониторе УРИ превышает 50 кд/мг при рабочей мощности дозы рентгеновского излучения на входе 50 мкР/с (0.44 мкГр/с). т.е. при мощности дозы в 20 раз меньшей, чем при рентгеноскопии с Флюороскопическим экраном.

Кванты в рентгеновской излучении, используемом в медицинской рентгеноскопии, обладают настолько большой энергией, что каждый поглощенный в рентгенолюнинесцонтном экране рентгеновский квант вызывает отклик на ьиходчом экране РЗОП в виде точечной вспышки -сцинтилляции. Изображение на экране такого РЭОП состоит из хаотически флюктуирующих во времени, т.е. возникающих и исчезающих в• пределах разрешаемой площади, таких "одноквантовых" сцинтилляций. Наряду с этими флоктуацияки имеет место и флюктуации их по яркости, связанные с процессом усиления. Эти процессы в комплексе определяют отношение сигнал/шум. Однако, главными процессами являются процессы поглощения квантов как во входном окне, так и во входном ронтгенолшинесцентном экране.

При понижении мощности рентгеновского излучения изображение на ТВ-мониторе в ТВ-УРИ складывается из единичных "одноквантовых" сцинтилляций и разрешаемая глазом площадь элемента изображения увеличиваемся до тех пор, пока не достигается достаточный контраст между этим элементом и соседними частями изображения.

Рентгеноскопия с бестелевизионным УРИ на базе бкпланарного РЭОП должна занимать промежуточное место между рентгеноскопией с флюороскопическим экраном и рентгеноскопией с ТВ-УРИ на базе РЭОП с электронной линзой. При одинаковой мощности дозы рентгеновского

излучения яркость выходного экрана бестелевизионного УРИ в 200 раз больше, чем яркость Флюороскопичсского экрана, и при мощности дозы 1 мР/с (8,8 мкГр/с) составляет 2 кд/мг. Такой яркости вполне достаточно, чтобы отказаться от темновой адаптации глаза рентгенолога и обеспечить работу в режиме "дневного зрения". При этом, естественно, возрастает диагностическая ценность изображения.

Однако, для рентгеноскопии, в которой простой Флюороскопичес-кий экран заменяется на сложный УРИ с РЭОП, этого преимущества недостаточно. Необходимо снизить мощность дозы рентгеновского излучения хотя бы на порядок величины, т.е. до 100 мкР/с (0,88 мкГр/с)

При такой мощности дозы яркость выходного экрана бестелевизионного плоского УРИ составляет 0,2 кд/мг. Эта яркость не столь мала, чтобы потребовалась предварительная адаптация глаза рентгенолога в темноте, и чтобы глаз его перестроился в режим сумеречного зрения. Однако, как показывают конкретные измерения, минимальная мощность дозы рентгеновского излучения ограничивается все же не флюктуациями рентгеновских квантов, а недостаточно высокой чувствительностью глаза. Это доказывается тем, что при использовании лупы с увеличением хотя бы в 5 раз, повышающей количество фотонов на сетчатке глаза, на экране бипланарного РЭОП становятся четко видны одноквантовые сцинтилляции, невидимые при наблюдении изображения без лупы. Бипланарный Р30П позволяет но только понизить мощность дозы излучения по сравнению с флюороскопическим экраном, но и повысить при этом диагностическую ценность изображения за счет улучшения характеристик глаза при повышении яркости изображения.

В медицинской рентгеноскопической аппаратуре используется тормозное излучение с непрерывным спектром. Можно считать, что доля характеристического излучения в ней невелика и ею можно пренебречь.

Анализ литературы по физике рентгеновских лучей показывает, что спектральная плотность потока энергии тормозного рентгеновского излучения рм линейно зависит от энергии квантов я. из которых состоит это излучение, т. е. что

Фи о Л*/мг-с • си |(«0-»»)(1«1 « - (»о-»имн)г • • • №

J о

£)Ф„ Дж

р„М - - - С„ (*<,-») -р--... (1)

<1и м -с-Дж

Здесь: Ф„ - поток энергии тормозного рентгеновского излучения

в [Дж/мг•с];

Си . постоянная, зависящая от материала анода рентгеновской трубки, напряжения иа и мощности экспозиционной дозы рентгеновского излучения И; »о - наибольшая энергия рентгеновского кванта в тормозном рентгеновском излучении рентгеновской трубки при напряжении на аноде иа. Отсюда, поток энергии излучения рентгеновской трубки «о

^ __________ - _ ! _ ш ^

"ми и

Ногда моноэнергетическое излучение мощностью ри0 пронизывает однородную среду рентгеновского фильтра (входное окно РЗОП, рент-генолюминесцентный экран РЭОП, и т.п.), то мощность этого излучения на выходе из фильтра р„_, монет быть представлена как

-мМ-й

Р-,1 - Р«,о'С • • .- (3)

где цЫ - линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения той яе энергии, а 5 - толщина фильтра.

После прохождения через рентгеновскнй фильтр спектральная характеристика рентгеновского излучения искажается и резко отличается от линейной, а поток энергии Фи<1 становится равным *о

0„г, - С„ <«„-«)-е йи ... (4)

®ин»

Уравнения Ш*(4) позволяют провести расчеты ослабления (прозрачности) ц-Ф„. 1 или поглощения (1-п) потока энергии рентгеновского излучения во входных окнах и во- входном экране РЭОП. представленные в главе 2.

- и -

Вторая глава посиящсна исследованиям и разрабитке бимланарни-го РЗОП.

Входное окно РЗОП играет важную роль в тракте последовательных преобразований рентгеновского изображения. Это окно должно быть достаточно прозрачным для рентгеновского излучения во всем его спектре и устойчивым к механическим нагрузкам, вызываемым атмосферным давлением.

Исследовались различные материалы для входных окон РЗОП: стекло, сталь, алюминий,. бериллий и стеклоуглерод.

В РЗОП с электронной линзой и рабочим диаметром 230 мм, который выпускается промышленностью, применяется входное окно из стекла С-52-1 куполообразной формы толщиной 4 мм. В состав этого стекла входят SiOz - 68,7%,- Вг03 - 19%. Мг03 - 3,5%, NajO - 4,1%. КгО - 4,42.

В состав стали входят тяжелые металлы Fe - 89,2%, Ni - 10%. Cr - 0, 8% сильно поглощающие рентгеновское излучение. Толщина окон ид стали, естественно, должна быть очень малой. Как показали эксперименты. толщина плоского окна из стали диаметром более 200 мм. должна быть не менее 0.12 мм, а при толщине 0,2 мм прозрачность его для рентгеновского излучения существенно снижается уже при напряжении на рентгеновской трубке 70 + 80 кВ.

Плоские окна из бериллия и стешюуглерода диаметром более 200 мм надежно выдерживают атмосферное давление при толщине не менее 3 мм. однако и при этой толщине они остается достаточно прозрачными для рентгеновского излучения.

Толщина окна из алюминия может быть около 1 мм, но чтобы обеспечить прочность такого окна.диаметром около 200 мм оно должно иметь куполообразную Форму.

В таблице 1 приведены зависимости прозрачности окон из алюминия толщиной 1 мм. стали толщиной 0,14 мм, стекла толщиной 4 мм, бериллия и стеклоуглерода толщиной 3 мм от анодного напряжения на рентгеновской-трубке.

Чтобы провести расчет прозрачности окон была состаилсна программа для ЭВМ с учетом зависимости линейного коэффициента ослабления от энергии рентгеновских квантов ц(и) и зависимости спектральной плотности потока энергии тормозного рентгеновского излучения от анодного напряжения на рентгеновской трубке.

Таблица 1

1 1 кв А1 (1 мм) Сталь (0.14 мм) Стекло (4 мм) Во (3 мм) Стеклоуглерод (3 мм)

Г75 65Х 46Х 43% 85% 77% |

1 100 74% 56% 50% 90% 82% |

1125 78% 667- 52% 92% 85% 1

Экспериментальная проверка прозрачности окон для тормозного рентгеновского излучения провалилась с помощью приемника рентгеновского излучения, состоящего из сцинтидлятора - кристалла йодистого цезия, толщиной несколько мм, сочлененного оптическим контактом с фотоэлектронным умножителем. Считалось, что в сцинтилляторе поглощается вся энергия рентгеновского излучения и что интенсивность свечения кристалла пропорциональна этой энергии. Поток энергии тормозного рентгеновского излучения при каждом значении 11я поддерживался таким, чтобы мощность экспозиционной дозы была одинаковой, для чего регулировался ток рентгеновской трубки.

Расхождение между расчетными и измеренными величинами прозрачности фильтров для тормозного рентгеновского излучения лежало в пределах 12-20Х.

Результаты расчетов и измерений показывают, что прозрачность окон из бериллия и стеклоуглерода наибольшая, несмотря на большую толщину этих окон - Змм. Затем по прозрачности идут окна из алюминия толщиной 1мм, стали - толщиной 0,14мм и на последнем месте -из стекла толщиной 4мм.

При анализе возможности применения окон РЭОП из этих материалов принимались во внимание не только их прозрачность для рентгеновского излучения, но и экономические затраты как на разработку технологии изготовления, так и на постановку производства. В связи с этим принято решение о применении в бипланарном РЗОП входных окон из стали толщиной 0,14мм, не останавливая работы по применение окон из алюминия толщиной 1мм и других материалов (бериллия и стеклоуглерода).

Входной рентгенолюминесцентный экран РЗОП должен обладать не только высоким поглощением рентгеновского излучения, но и высокой пространственной разрешающей способностью и высокой светоотдачей. Крайне важно, чтобы на этот экран можно было бы нанести фоточувствительный слой, не испортив люминесцентные свойства экрана.

Всеми этими свойствами обладает слой иодистого цезия, активированного натрием.

Были проведены экспериментальные исследования и на их основе разработана технология изготовления рентгенолюминесцентного экрана для бипланарного РЭОП. позволяющая получить квазиволоконный слой иодистого цезия активированного натрием толщиной 0,2*0,3 мм и состоящий из плотноупакованных кристаллов, выращенных перпендикулярно подложке.

Изучение этих слоев с помощью растрового электронного микроскопа показывает, что выращенные кристаллы имеют толщину 7+10 мкм и что они находятся в плотном оптическом контакте друг с другом. Однако. кристаллы группируются в блоки толщиной 80+100 мкм и между этими блоками кристаллов оптический контакт отсутствует. Очевидно, что разрешающая способность таких экранов определяется не толщиной волоконноподобных кристаллов, а толщиной блоков из них. При толщине блоков 80+100 мкм ЧКХ экранов может быть представлена следующими величинами: для v-О ЧКХ*100%; для v-1.8 п. л./мм ЧКХ-=80%; для v*6 п.л./мм ЧКХ'5% (разрешающая способность экранов).

Линейный коэффициент ослабления рентгенооского излучения слоем иодистого цезия определяется из уравнения

Ысго » 4.51-103 Ю.бЮц,)^ + (МЭС^Ь • • • (5).

где 1.51-Ю'1 - плотность иодистого цезия в кг/м3, 0.51 и 0.49 - доли атомного веса цезия и атомного веса иода в элективном атомном весе иодистого цезия, а )ся и ^Ь ~ массовые коэффициенты ослабления цезия и иода соответственно.

Потенциалы возбуждения электронов К-уровня для цезия составляет 35.9 кэВ, а для иода 33.2 кэВ.

На этих значениях энергий рентгеновских квантов происходит существенный скачок поглощения.

В таблице 2 приведены зависимости относительного поглощения потока мощности тормозного рентгеновского излучения слоем иодистого цезия (без учета поглощения в подложке) от величины напряжения на аноде рентгеновской трубки Ц, (при одинаковой мощности дозы при всех ия) для толщин слоя 0,2 мм и 0, 4 мм. В этой же таблице приведены величины прозрачности алюминиевой подложки экрана толщиной 0,5 мм для этого рентгеновского излучения.

Таблица 2

I П. 1 кв Поглощение в слое Пропускание подложки из А1 1

0,2 мм 0,4 мм 0. 5 мм

70% 85% 84% |

I 100 64% 76% 88%

125 58% 68% 92%

Тщательным контролем за концентрацией натрия в шихте, загружаемой в испаритель при нанесении слоя иодистого цезия, и за температурными режимами был достигнут энергетический выход рентгено-лвминссценции 8+10%.

Выходной экран бипланарного РЗОП должен обладать не только высокой светоотдачей и высокой пространственной разрешающей спо-

собностью, но и минимальным отражением света, высокой механической прочностью и устойчивостью к поражению парами цезия.

Исследования показали, что экраны из крупнозернистого порошкового катодолюминоФора КТЦ-540 (гпБ-С<35:Си, Ар), имеющего желто-зеленый цвет свечения, инерционность около 10'3 с и гранулометрический состав 6 ' И икм (более 60% зерен), наилучшим образом соответствуют поставленным требованиям.

Так. при удельной нагрузке люминофора 3, 54.0 мг/смг в таком экране достигается максимальная светоотдача 30 кд/Вт при анодном напряжении на РЗОП 30 кВ. ЧКХ этих экранов может быть представлена следующими величинами: для у=0 ЧКХ-100%, для у>10 п. л. /мм ЧКХ-8СИ, для 7=40 п. л./мм ЧКХ=5% (разрешающая способность экрана).

Так как в плоском РЗОП сильное электростатическое поле сосредоточено в узком промежутке между входным и выходным экранами, то на последний воздействует механическая сила притяжения пропорциональная квадрату напряженности поля.

Разработкой режимов нанесения слоя катодолюминофора и тонкой рефлектирующей алюминиевой пленки удалось получить выходные экраны, зыдерживающие без разрушения силы, вызываемые даже удвоенной напряженностью электростатического поля. Кроме того, разработанные технологические режимы позволили создать алюминиевую рефлектирующую пленку без разрывов, что не только сократило в тысячи раз прозрачность этой пленки для света люминесценции, направленного в "тыловую" сторону, что ухудшает контраст изображения, но и устранило гасящее люминесценцию поражение отдельных участков люминофор-ного покрытия парами цезия. •

В результате был достигнут коэффициент сохранения контраста С„-0.9 и существенно уменьшилось число "черных точек" в изображении на выходном экране.

Электронно-оптическая система в бипданарном РЗОП образует плоско-параллельное электростатическое поле, в котором фактически

нет фокусировки электронов. В таком поле электроны движутся по параболическим траекториям и точка на фотокатоде, из которой вылетели эти электроны, изображается на экране в виде кружка (пятна) рассеяния.

Полагая, что угловое распределение начальной скорости электронов соответствует распределению Ламберта и что наибольшее значение начальной энергии вылета электронов из фотокатода составляет е-Ць радиус кружка рассеяния будет равен

г- гьУиь/ирэпп , - • • (6).

. где I - расстояние между электродами, а Црэпп ~ разность потенциалов между ними.

Подробный анализ показывает, что при маноэнергетическом потоке электронов с Ламбертовским угловым распределением функция размытия точки изображается как кружок с равномерной плотностью электронов. Немоноэнергетический пучок электронов соответствующим образом размывает края этого кружка.

' Была составлена программа для ЭВМ. основанная на применении метода Монте-Карло. В результате решения получалась функция размытия точки, а Фурье-анализ дал возможность вычислить ЧКХ ускоряющего электроны плоско-параллельного промежутка фотокатод - выходной экран.

При расстоянии между входным и выходным экранами плоского РЭОП Ь-15 мм и напряжением между ними 30 кВ ЧКХ электронно-оптической системы может быть представлена величинами: для у-0 ЧКХ-100%; для у-1,1 п. л./мм ЧКХ-80Х; для у-4 п. л./мм ЧКХ-5%. (разрешающая способность электронной оптики бипланарного РЭОП).

В процессе разработки бипланарного РЭОП прорабатывались две принципиально различные технологии: "штенгельный" вариант и вариант "вакуумной сборки".

В "штенгельном" варианте сборка РЭОП велась в обычных условиях, а для вакуумной обработки и изготовления фотокатода собранный

РЗОП герметично присоединялся через медную трубку - "штенгель" к вакуумной системе. Слои сурьмы, нанесенные до сборки РЗОП, попадая на воздух, окисляются. Чтобы восстановить окисленную сурьму была разработана технология ее прогрева в водороде при давлении о 10 раз большем, чем давление паров воды, при одновременном облучении поверхности восстанавливаемого слоя ультрафиолетовым излучением.

После восстановления слоя сурьмы и удаления водорода из объема обрабатываемого РЗОП в него вводились пары цезия , которые взаимодействуя со слоем'сурьмы образовывали сурьмяно-цезиевый Фотокатод.

Нанесение слоя хрома, как промежуточного слоя между иодистым цезием и сурьмяно-цезиевым фотокатодом, объясняется необходимостью обеспечить эквипотенциальность фотокатода диаметром более 200 мм в процессе работы РЗОП.

Полученные по этой технологии сурьмяно-цезиевые фотокатоды, формируемые непосредственно на слое иодистого цезия, обладали спектральной чувствительностью на длине волны 410 ни около 30 мА/Вт.

Существо другого метода, названного методом "вакуумной сборки" заключается в том, что изготовление РЗОП на финишном этапе производится в вакуумном объеме, в котором на разных позициях укрепляются две раздельно собранные части РЗОП: катодная часть со входным рентгенолшинесцентным экраном и анодная часть с выходным катодолюминесцентным экраном.

При таком методе сборки открывается ряд возможностей повышения параметров РЗОП за счет: . изготовления фотокатода на "свежем" слое сурьмы; устранения нежелательных очагов автоэлсктронной эмиссии; устранение поражения катодолюминесцентного экрана парами цезия: проведения электронно-термической обработки всех внутренних деталей, включая выходной экран РЗОП и др.

В процессе исследования были решены важнейшие задачи для оптимальной технологии "вакуумной сборки", в частности принцип гэр-

метизации. Анализируя различные методы герметизации был выбран метод герметизации с использованием легкоплавкого металла-уплотнителя. В качестве такого металла была выбрана эвтектика индий-олово с температурой плавления 117*С и очень низким давлением насыщенных паров (около 10",а ми. рт. ст. при 400*С).

Важным фактором, ограничивающим получение высокогерметичных узлов является появление окисных пленок на поверхностях уплотняемых деталей. Наилучшим путем устранения этих пленок, как показали исследования, является способ герметизации с использованием вязкостного трения» что достигается разностью температур уплотняемых элементов.

Были изготовлены как "штснгсльным методом", так и методом "вакуумной сборки* экспериментальные и опытные образцы бипланарно-го РЗОП. Как первые, так и вторые образцы соответствовали требова-_ ниям ГОСТ 26141-84 и требованиям, согласованным с ВНИИМедицинской техники Минздравмсдпрома РФ. Однако, в лучших образцах, изготовленных методом "вакуумной сборки" некоторые важнейшие параметры (коэффициент преобразования, предельное анодное напряжение, чистота изображения) оказались на 20-303 выше, чем в образцах, изготовленных "штенгельным истодом".

К сожалению, из-за существенных недостатков экспериментальной установки для "вакуумной сборки" работы по изготовлению плоских РЗОП этим методом отложены. За основной производственный вариант принят "штенгельный метод".

Разработанная технология позволила получить высокие параметры элементов РЗОП, определяющие как величину коэффициента преобразования С, так и коэффициент сохранения контраста С, и частотно-контрастную характеристику (ЧКХ) РЗОП о целом. 2

кд/м

Коэффициент преобразования РЗОП. определяемый о —-— (или , 7 мР/с

кд/м .

икГр/с мохет ^ьггь пРсДставлен как произведение коэффициентов, определяющих характеристики отдельных элементов:

G - «lw/H-nr'V(bn.1)4fH-Sv-Kr-)fI-T,u,-Up:)nn-(l/r)5: ... (7)

~ поток энергии тормозного рентгеновского излучения на входе РЭОП при напряжении на аноде рентгеновской трубки 70 кВ (что соответствует половинному ослаблений в 7-мм слое алюминия) при мощности экспозиционной дозы 1 мР/с (8.8 мкГр/с). равный 0, 66-Ю"2 Дж/мг-с / мР/с: л, - прозрачность входного окна (сталь 0,14 мм) для рентгеновского потока, равная 45%; Иг - прозрачность подложки входного экрана (алюминий 0,5

мм) для рентгеновского потока, равная 82%; 1-Пз - поглощение рентгеновского потока в слое иодистого цезия толщиной 0,2 мм, равное 65%; - энергетический выход рентгенолюминесценции иодистого цезия, активированного натрием, равный 8%; Sx. - спектральная чувствительность фотокатода на длине волны 410 нм, равная 30-10"3 А/Вт; К,. - спектральное соответствие рентгенолюминесценции иодистого цезия, активированного натрием и сурьмяно-цезие-вого фотокатода, равное 80%; f, - светоотдача выходного экрана, равная 30 кд/Вт; Тцы* ~ прозрачность выходного окна РЭОП для света - 80%; Г - электронно-оптическое увеличение, равное 1; и()3пп - напряжение между электродами РЭОП, равное 30- 10п В. Подставиз эти величины параметров элементов РЭОП, полученные расчетным и экспериментальным путем, в уравнение (7) получаем, что коэффициент преобразования бипланарного РЭОП должен быть равным

В бипланарных. РЭОП из опытной партии величина коэффициента преобразования составила (1,5+2,5) кд/мг / мР/с.

Здесь:

2,2

Что касается частотно-контрастной характеристики, то для такой сложной системы, как РЗОП, ЧКХ представляет собой произведение ЧКХ последовательных звеньев преобразования, умноженных на коэффициент сохранения контраста РЗОП в целом С«, т.е.

1-п

ЧКХМ - С,- П ЧКХ, (v) . (7)

1-1

где V - пространственная частота.

Достаточно рассмотреть ЧКХ 3-х звеньев: ЧКХ рентгенолюминес-центного экрана, ЧКХ электронно-оптической системы и ЧКХ выходного экрана.

Расчеты и непосредственные измерения показали, что общая ЧКХ биапанарного РЗОП с учетом того, что Ск »0.9, может быть представлена значениями, приведенными в таблице 3.

Таблица 3

V п. л. /им! 0 о.ь 1.0 1.5 2,0 2,25

ЧКХ X | 90 50 30 15 5 3

Анализ методов создания бипланарных РЭОП с дополнительным каскадом усиления яркости показал, что из-за трудностей, сопровождаемых большими экономическими затратами, создать плоский РЭОП с рабочим диаметром более 200 мм, в котором в качестве такого каскада использовалась бы микроканальная пластина или волоконно-оптическая пластина, в настоящее время нереально.

По этой причине были проведены исследования и конструкторс-ко-технологические работы по созданию двухкамерного РЭОП с каскадным усилением за счет оптического контакта дополнительного катодо-лвминесцентного экрана с дополнительным фотокатодом через тонкую слюдяную перегородку.

Были получены и испытаны опытные образцы двухкамерных бипланарных РЗОП. коэффициент преобразования которых повысился в 7+10 раз. К сожалению существенное удорожание таких РЭОП не оправдывается достижением этого эффекта.

При исследовании характеристик бипланарного РЭОП, чем/ посвящена третья глава были процгдены испытания опытных образцов РЭОП, для чего был созлан испытательный стенд для измерения параметров бипланарных РЭОП и разработка методика их измерений применительно к этому стенду. Кроме измерений параметров были проведены технические и медицинские испытания УРИ на базе бипланарных РЭОП.

В результате проведенных измерений и испытаний показано, что:

- параметры и характеристики бипланарного РЭОП удовлетворяют всем требованиям ГОСТ 26141-84 и находятся на уровне параметров и характеристик зарубежных бипланарных РЭОП;

- применение бипланарного РЭОП о УРИ для рентгеноскопии позволяет в несколько раз снизить лучевую нагрузку на пациента по сравнению с нагрузкой при рентгеноскопии с флюороскопическим экраном.

- существенно возрастает при использовании плоских УРИ комфортность работы врача-рентгенолога, так как не требуется предварительная темновая адаптация и не требуется глубокое затемнение помещения;

- применение плоских УРИ при рентгеноскопии увеличивает пропускную способность рентгеновских кабинетов;

- по диагностической информативности плоский УРИ находится между флюороскопическим экраном и рентгенотелевизионным УРИ, причем ближе к последним.

ВЫВОДЫ

1. Анализ состояния технических средств усиления рентгеновского изображения при медицинской рентгеноскопии показал, что эффективным средством решения социально-значимой задачи исключения из процесса рентгенодиагностики морально устаревшего флюороскопи-ческого экрана является разработка и серийное производство плоского УРИ на основе бипланарного РЭОП.

2. Проведен анализ физических процессов, происходящих и звеньях бипланарного РЗОП. на основе которого получены теоретические соотношения, показывающие влияние характеристик отдельных звеньев и конструкции РЗОП в целом на его усиление и параметры качества выходного изображения: ЧКХ, пространственная разрешающая способность, коэффициент сохранения контраста и др.

3. Обоснован выбор оптимальных по физическим и технико-экономическим показателям материалов для изготовления основных звеньев бипланарных РЗОП.

4. Разработана технология, необходимый инструмент, оснастка, специальные установки микроплаэменной сварки, высоковакуумные установки выращивания слоя иодистого цезия, высоковакуумные установки обработки РЗОП и изготовления Фотокатода, специальные установки тренировки и измерения параметров РЗОП.

При разработке технологии предложены и реализованы оригинальные технические решения, важнейшими из которых являются:

- способ выращивания квазиволоконного слоя иодистого цезия на плоской алюминиевой подложке за счет использования специальной обработки подложки, выбранной температуры подложки и испарителя, строго фиксированного геометрического распределения между вращающейся подложкой и испарителем и специального отжига сформированного слоя иодистого цезия, что обеспечило оптимальное расположение центров кристаллизации и размер блоков монокристаллов с низкой степенью оптического контакта между собой;

- способ восстановления окисленного слоя сурьмы в среде водорода с давлением много выше давления ларов воды и ультрафиолетовым облучением, что обеспечило изготовление высокоэффективного фотокатода на слое иодистого цезия;

- использование вязкостного трения между уплотняемыми деталями и расплавленным металлом-уплотнителем при герметизации в процессе "вакуумной сборки" бипланарного РЗОП.

5. Paspi&jTOHa и изготовлена тохчавдгическая оснастка для серийного производства биплднарного РЭОП типа РЗП-2.

6. В серийное произподство РЗОП с электронной линзой типа РЗП-1 на "МЭЛЗ" вводятся разработанные для бипланэрного РЭОП типа РЗГ.-2 техно логические 'м:соды, позволяющие ловисигь важнейшие параметры изображения: ко:.?^ициент преобразования и коэффициент сохраняя контраста.

7. Совместно' с НПО "Экран" и с заводом "Мосрентген" разработаны плоские УРИ типа "Круиз" и "Эскои". рекомендованные Минздравом РФ к применение, которые выпускается в настоящее время по заявкам ггтребятелей.

. 8. Испытания плоских УРН. созданных на базе разработанных бипланарнкх РЭОП, проведенные в процессе исследований, показали, что при замене этими УРИ флшроскспического экрана:

- в несколько ра. снижается лучевая нагрузка ha пациента:

- существенно возрастает комфортность работы врача-рентгенолога, так как не требуется темновая адаптация и глубокое затемнение помещения, а такке увеличивается пропускная способность рентгеновских кабинетов;

- по диагностической информативности плоский УРИ находится между флюороскопическим экраном и рентгенотелевизионным УРИ, причем ближе к последним. ' .

Основные результаты диссертации отраязны в следующих работах:

1. Зайдель И. Н.. Леонова И. И., Гуроич В. А., Куклсв С. В. "Успехи о разработке и исследовании медицинских рентгеновских электроннсся-тических преобразователей", "Люминесцентные приемники и преобразователи ионизирующего излучения", "Наука", Новосибирск. 1985.

2. Куклев С.В;, Виноградов В.М.» Зайдель И.Н.. Макаренков А.И. "Рентгеновский электронно-оптический преобразователь непосредственного наблюдения для массовой рентгенодиагностики". Злект-! ронная техника, сер. вып. 3 [114}. 1986..

3. Макаренкоа А. И.. Куклев С. В., Зайдель И.Н.. Виноградов В.М. "Расист качества изображения крупноформатного плоского Г'ЭСП" "Электронная техника", сер. 4, вып. 6(111).. 1985г.

4. КуклеоС. В.. Виноградов В. М.. Зайдель И.Н. 'Усилитель яркости с прямым переносом изображения". "Электронная промышленность ЦНИИ "Электроника", 1987, вып. 193 (55). с. 47-49.

5. Куклео С.В.. Чаркый М.А. "О результатах работ по создание плоского рентгеновского усилителя непосредственного наблюдения". Сообщение на Совещании экспертов стран-члснов СЭВ "Рентгенодк-агностическая техника", Смоленск. 1990г.

6. Куклев С.В., Чарный И. к. "Новый рентгеновский электронно-оптический преобразователь". Доклад на Всесоюзной конференции по электронно-лучевым и фотоэлектронным приборам. Ленинград.

.19ВВг.

7. Куклев С.В., Зайдель И.Н.. Павлов Н.С.. Шувалов Л.Ф. "Новый усилитель рентгеновского изображения для медицинской рентгено-диагностической аппаратуры". Доклад на 14 Российской конференции "Неразрушающий контроль и диагностика". М., 1996г.

8. Зайдель И. Н., Куклев С. В. "Исследование путей создания плоского рентгеновского электронно-оптического преобразователя для медицинской рентгенодиагностики.". Научно-технический отчет ОКБ МЭЛЗ. 1982 Г.

9. Куклев С.В. "Разработка и исследование образцов бипланарного РЭОП с непосредственным наблюдением изображения на экране. Научно-технический отчет, ОКБ МЭЛЗ. 19В7г.

10. Куклев С. В. "Разработка крупноформатного однокамерного плоского электронно-оптического преобразователя для массовых медицинских рентгеновских аппаратов.*. Научно-технический отчет НИИ Электронных приборов, 1988 г.

11. Куклев С. В. "Поиск путей создания крупноформатного двухкамерного плоского рентгеновского электронно-оптического преобразо-

вателя для медицинской рентгенодиагностики.", Научно-технический отчет НИИ Электронных приборов, 1989 г.

12. Назаров Л.Н., Куклев C.B. "Применение сверхвысоковакуумных узлов уплотнения на основе адгезионного взаимодействия для герметизации электровакуумных приборов". - В кн.: Тезисы докладов III Всесоюзного научно-технического совещания по уплотнитель-ной технике. Сумы, 1982, с. 140.141.

13. Александрова А.Т.. Дривинг Н.Я., Куклев С. В.. Назаров Л.Н. "Исследование, разработка и применение сверхвысоковакуумных узлов уплотнений с использованием Принципа адгезионного взаимодействия". - В кн. : Тезисы докладов V Всесоюзной конференции "Физика и техника высокого и сверхвысокого вакуума", Ленинград, 1985. с. 25-26.

14. Назаров Л.Н., KymieD C.B.. Виноградов В.Н. "Применение способа вакуумного уплотнения на основе адгезионного взаимодействия для герметизации крупногабаритных ЭВП" - Электронная техника, сер. 4. Вып. 1 (112), 1986.

15. Куклев С.В.. Назаров Л.Н.. Савинский К.А. "Разработка и исследование макета технологической камеры для изготовления крупногабаритных плоских РЭОП. " Научно-технический отчет НИИ им. Ве-кшинского С. А.. 1987г.

Авторские свидетельства на изобретения.

1. А.с. 993358 (СССР). "Способ герметизации электровакуумных приборов" /Назаров Л.Н., Куклев C.B.: - Заявл. 31.03.81 (83269176/ 18-21; Опубл. В Б. И., 1983. №4. МКИ H 01 9/26.

2. А. с. 983813 (СССР). "Узед герметизации электровакуумного прибора* /Назаров Л. Н., Дривинт Н. Я., Куклев С. В. : -Заявл. 15.01.81 №3238341/18-21; Опубл. в Б. И.. 1982, ¡647. МКИ H 0 9/26.

3. Патент СССР SV 1817154 А1 18.09.89г. "Входное окно рентгеновского электронно-оптического преобразователя". Куклев C.B., Ко-рнеев А. В.. Луферов Л. С., Дунаев А. А., Якушин А. Ф..

4. Патент СССР SV 1621772 14.06.89г. "Способ изготовления рентге-нолюминесцентного экрана". Куклев C.B., Цыганов В.П., Болдырев М.А.. Воротникова Е.В., Батрацкая О.И..

\ 5. Патент РФ RV 201S882 21.03. 9 J г. "Рентгеновский электронно-оптический преобразователь". КуклевС. В.. Мечстин А. М.. Куликов Ю. В., Зайдель И. Н., Чарный И. А., Виноградов В. М.. Гродс-кий Э. К.. Игнатьев А.Н.. Варламов В. А.

Заказ 610. Подписано в печать 15.05.97 г. Тираж 50 экз.

В H И И И M Т