РЕНТГЕНОВСКИЙ ВИЗУАЛИЗАТОР
X-RAY VISUALIZER

Изобретение относится к преобразователям невидимых электромагнитных излучений в видимое. Может быть использовано в устройствах визуализации, работающих на аналоговых и цифровых принципах.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Преобразование рентгеновского излучения в видимое является важной областью науки и техники [1, 2]. Приборы визуализации называют визуализаторами. Визуализаторы бывают двух видов - «пассивные», без усиления, и «активные», с усилением.
Визуализаторы без усиления действуют как прямые преобразователи излучений. Известен, например, рентгеновский люминесцентный экран [3], в котором рентгеновское излучение напрямую преобразовывается в видимое люминесцентное слоем рентгеночувствительного люминофора.
Преимуществом этих визуализаторов является простота их конструкций и способов изготовления. Их существенный недостаток - плохая чувствительность преобразования.
Визуализаторы с внутренним усилением действуют как преобразователи излучений, в которых преобразование происходит в несколько этапов. Сначала под воздействием рентгеновского излучения происходит люминесценция, вызывающая эмиссию электронов в фотокатоде, а затем энергия электронов преобразуется в видимое излучение. Такие преобразователи называют рентгеновскими электронно-оптическими (РЭОП). Важнейшей частью РЭОП является электронно-оптический преобразователь (ЭОП).
Известно большое число вариантов ЭОП и визуализаторов на их основе [4]. Принципиальная схема их действия заключена в том, что слабое внешнее излучение создает эмиссию электронов в слое окна прибора, поток которых усиливается полем и направляется на анод. На аноде электроны бомбордируют слой люминофора, который излучает свет.
ЭОПы высоких классов сложности и эффективности имеют в качестве усилителя потока электронов микроканальную пластину (МКП). Это позволяет резко уменьшить габариты устройства, снизить энергопотребление, повысить эффективность преобразования.
МКП представляет собой в сечении сотовую структуру, образованную большим числом микроканалов - микрокапилляров с внутренней полупроводящей поверхностью [5]. Ось капилляров несколько наклонена к плоскости пластины. Когда налетающая частица-корпускула попадает в канал, из его стенки она выбивает электроны, которые ускоряются электрическим полем, созданным напряжением, приложенным к концам канала. Электроны летят по своим траекториям, пока не попадут на стенку, в свою очередь, выбивая еще большее число электронов. Этот процесс по мере пролета вдоль канала повторяется много раз, формируя электронную лавину и увеличивая поток.
Описание и критика аналогов и прототипа.
В современных ЭОП обычно используется фотокатод на основе арсенида галия (GaAs), активированного на поверхности окисью цезия (Cs:O). Фотокатод очень требователен к величине остаточного давления и легко подвержен отравлению, что приводит к падению его чувствительности и сокращению срока службы ЭОП. Поэтому используется защита фотокатода в виде ионно-барьерной пленки, нанесенной на входную поверхность МКП. Ионно-барьерная пленка предотвращает выход из каналов МКП положительных ионов и нейтральных газов и, тем самым, сохраняет фотокатод, что увеличивает срок службы прибора. Однако использование ионно-барьерной пленки ухудшает такие характеристики ЭОП, как отношение сигнал - шум, разрешение, уровень темнового фона.
Известен ЭОП [6], не содержащий ионно-барьерной пленки, с заявленной долговечностью 7500 ч. Он содержит фотокатод, микроканальную пластину, приемник, например, люминесцентный экран, титано-танталовый проволочный газопоглотитель, которые помещены в корпус ЭОП, заполненный до определенного давления цезием. Недостатком данного технического решения является плохая долговечность прибора, так как цезий не образует устойчивых соединений с внутрикорпусными элементами прибора и не обладает достаточной сорбционной способностью для обеспечения длительного срока службы порядка 15-20 тыс. час.
Известен ЭОП [7], который содержит МКП, каждый канал которой обеспечен индивидуальным газопоглотителем в виде покрытия из вещества или соединения веществ, имеющих высокую сорбционную способность и коэффициент вторичной эмиссии больше единицы, например, из соединения цезия с сурьмой или теллуром. Анод-экран имеет слой люминофора, покрытый сверху для его защиты и улучшения газопоглощения пленкой алюминия и газопоглотителя. Вторичные электроны выходят из МКП и под действием высокого потенциала ускоряющего поля (5000-6000 В) пробивают покрытие газопоглотителя, пленку окиси алюминия, пленку алюминия и ударяются в люминофорное покрытие, возбуждая люминесцентное излучение.
Этот вариант имеет относительно сложную конструкцию корпуса с размещенными в нем несколькими элементами, 4 электродных вывода через боковую стенку корпуса, необходимость трех источников питания, в том числе высоковольтного до 6000 В. Анодное окно должно быть прозрачным для света (например, стеклянным). Катодное - из материала, хорошо пропускающего возбуждающее излучение и не пропускающего свет. Оба разнородных окна являются элементами корпуса. За счет большой разности КТР их материалов, с учетом необходимости высокотемпературного нагрева при вакуумной герметизации и обезгаживании элементов прибора, сохранение его герметичности будет проблематичным и потребует каких-то специальных непростых конструктивно - технологических мер. В областях вблизи анода и катода имеется протяженное пространство с большими уровнями напряженности поля, где возникает ионизация атомов газа, а ионы имеют возможность бомбордировать и разрушать катод и анод. Покрытие слоя люминофора защитной пленкой металла (алюминия) резко (более 10 раз) уменьшает энергию и количества электронов, возбуждающих люминофор. Это приводит к большим энергетическим потерям устройства и проблемам формирования четкого яркого изображения
Указанные недостатки преодолеваются в варианте [8], выбранном в качестве прототипа заявляемому, тем, что анод, катод и МКП механически и электрически присоединены друг к другу, материалы люминофора и газопоглотителя в виде нанопорошков размещены на поверхности микроканалов, корпус прибора имеет максимально простую структуру и минимальное число элементов, согласованных термомеханически между собой.
Эти нововведения устраняют влияние взаимного расположения элементов конструкции (пустых промежутков между электродами и МКП) на свойства выходного люминесцентного излучения и деградации катода. Каждый микроканал при этом работает как отдельный независимый элемент. Кроме того, уменьшается влияние нежелательной утечки тока по покрытию поверхности микроканалов и улучшается управляемость параметрами при изменениях напряжения.
Прототип имеет существенный недостаток.
В каналах МКП порошок люминофора будет испытывать воздействие электронами с очень малыми энергиями - единицы вольт. Сегодня не известны люминофоры, имеющие заметную светоотдачу при таких низких энергиях возбуждения. В существующих визуализаторах на основе ЭОП эти значения достигают 1000 и более вольт. В этой связи, осуществление варианта по патенту прототипа не реально. При этом возможно использовать главную идею прототипа - совмещение активных элементов структуры на поверхности микроканалов.
Описание конструкции визуализатора.
Схема конструкции заявленного варианта представлена на фиг. 1. На ней отображены:
1 - МКП;
2 - стеклянный цилиндр;
3 - стеклянная анодная пластинка с прозрачным пленочным электродом, выводом от него 5 и слоем люминофора на нем 4;
6 - пленочный электрод на торце МКП и вывод от него;
7 - алюминиевая фольга - окно для пропускания рентгеновского излучения.
МКП 1 выполняет функции рентгенолюминесценции, фотоэмиссии первичных и генерации вторичных электронов, усиления потока электронов, молекулярной сорбции остаточных газов на нанопорошковых покрытиях поверхности микроканалов.
На поверхность микроканалов вместе и в дополнение к вторичноэмиссионному и сорбирующему нанопорошкам (как в прототипе) наносятся рентгенлюминофорный и фотоэмиссионный.
Благодаря огромной поверхности микроканалов МКП (тысячи квадратных сантиметров на объем МКП, равный обычно нескольким кубическим сантиметрам), в целях выполнения стабильности проводящих свойств поверхности, покрытием занимается лишь некоторая часть поверхности путем подбора составов и отработки техпроцесса нанесения во взаимосвязи с требуемыми приборными параметрами.
Стеклянный цилиндр 2 является корпусом-каркасом всей конструкции. К нему по его торцам вакуумплотно присоединяются анодная и катодная пластинки, а по боковой внутренней стенке - МКП. На фиг. 1 зоны спая в межсоединениях отмечены жирными линиями.
Стеклянная анодная пластинка 3 с прозрачным пленочным электродом, выводом от него 5 и слоем люминофора на нем 4 создают люминесцентное отображение пространственного распределения воздействующего рентгеновского излучения.
Пленочный электрод 6 на торце МКП и вывод от него используются для подачи напряжения на МКП.
Алюминиевая фольга 7 - окно для пропускания рентгеновского излучения и, одновременно, электрод МКП. Нанесенное на нее оловянно-свинцовое пленочное покрытие необходимо для припайки пластинки к торцам МКП и цилиндра. Кроме того, на этом покрытии происходит частичное поглощение рентгеновского излучения с эмиссией электронов в микроканалы.
Все проводящие элементы имеют внешние металлические выводы в виде проволоки или плющенки, приваренных, припаянных или приклеенная токопроводящим клеем к поверхности пленочных электродов.
Описание способа изготовления заявленного варианта.
Весь маршрут изготовления включает следующие технологические операции.
1. Подготовка деталей-заготовок - анодной пластинки, МКП, стеклотрубки-цилиндра, алюминиевой фольги, нанопорошков и их суспензии.
2. Нанесение на стеклянные детали материала спая (пасты с порошком низкоплавкого стекла) методом сеткотрафаретной печати с последующим отжигом.
3. Изготовление анодной пластинки с пленочными покрытиями прозрачного электрода и люминофорного порошка - стандартными методами напыления и катофореза.
4. Покрытие катодной пластинки - алюминиевой фольги - слоем оловянно-свинцового припоя стандартным методом напыления в вакууме.
5. Нанесение на торец МКП и цилиндра слоя оловянно-свинцового припоя.
6. Подготовка МКП.
7. Сборка пакетов из пластинок и МКП, в том числе - присоединение электродных выводов методами контактной сварки или приклейки токопроводящим клеем. Установка пакетов в специальные кассеты для спекания, сплавления и вакуумирования.
8. Вакуумирование, отжиг и герметизация пакетов. В этом процессе проводится активация нанопорошков на поверхности микроканалов.
Из всей этой последовательности операций оригинальными являются «нанесение на торец МКП и цилиндра слоя оловянно-свинцового припоя» и «подготовка МКП».
Нанесение на торец МКП и цилиндра слоя оловянно-свинцового припоя проводится методом косого напыления в стандартной вакуумной установке - деталь-подложка располагается к под некоторым углом к оси молекулярного пучка. Сложность процесса заключена в том, чтобы нанести покрытие на торец цилиндра так, чтобы на нем и в некоторой прилежащей к нему зоне пленка имела определенное распределение по толщине и составу. Для этого экспериментально подбираются параметры процесса - угол косины, составы веществ, формы и материалы испарителей, расстояния, режимы испарения, режимы химических обработок материалов и оснастки и др. В целом процесс получается сложным и представляет собой ноу-хау разработчиков и изготовителей.
Подготовка МКП состоит из нескольких операций.
1. Синтез суспензий нанопорошков с высоким уровнем параметров - люминесценции, полевой и вторичной эмиссии, газопоглощения. Продуктом такого метода является суспензия нанопорошка, взвешенного в хорошо летучем растворе.
2. Нанесение нанопорошков на поверхность микрокапилляров МКП из суспензии. Предлагается метод медленного испарения летучего компонента из микрокапилляров свободно расположенной МКП. Тонкость и оригинальность метода заключена в подборе составов, общего количества наносимого материала, способов и режимов «пропитки» микроканалов.
3. Термообработка в вакууме для стабилизации свойств нанопокрытия.
Описание принципа действия визуализатора.
Заявленный вариант прибора работает следующим образом.
При воздействии анализируемым рентгеновским излучением на алюминиевую фольгу 7 за счет того, что она тонкая и легкая, излучение хорошо проходит через нее и воздействует на атомы ее свинцово-оловянного покрытия, создавая эмиссию из них электронов по принципу фотоэффекта. Далее, часть излучения, попадая в микроканалы МКП 1, создает рентгенолюминесценцию в наночастицах рентгенолюминофора, которая, в свою очередь, благодаря фотоэмиссии в наночастицах фотоэмиттера создает первичные электроны.
При подаче напряжения между электродами 6 и 7 в микроканалах МКП 1 создается поток электронов, усиливаемый за счет вторичной эмиссии на наночастицах вторичного эмиттера. Электронный поток направлен к аноду 5.
При приложении напряжения между электродами 6 и 5 электроны разгоняются электрическим полем и попадают на люминофор 4, возбуждая в нем катодолюминесцентное излучение, проникающее через прозрачный электрод и анодную пластинку 3.
Нанопорошковое газопоглощающее покрытие обеспечивает необходимый вакуум внутри прибора во время его изготовления и работы. Вакуумная герметичность и прочность корпуса прибора обеспечиваются вакуумплотными спаями межсоединений стеклодеталей.
В работе прибора важным является получение необходимого уровня ряда параметров, к основным из которых относятся яркость и контрастная четкость изображения, получаемого на выходе прибора - анодной пластинке.
Яркость можно оценить, вычислив величины электронного потока на выходе МКП и зная значения светоотдачи люминофора.
Контрастная четкость изображения, получаемого на выходе прибора, ухудшается, в основном, нежелательной взаимной внутренней подсветкой элементов прибора излучением люминофора. Поэтому во всех вариантах визуализаторов принимаются меры по устранению этого влияния. В основном, это - глухая блокировка излучения за счет покрытия пленки люминофора пленкой металла, например, алюминия. Это, однако, приводит к большой проблеме, связанной с преодолением пленки металла электронами и необходимостью резкого повышения напряжения на аноде (до 10000 В).
В заявленном варианте эта проблема решается благодаря использованию фотоэмиттера, нечувствительного к катодолюминесцентному, но чувствительного к рентгенолюминесцентному излучению. Это возможно, например, если катодолюминофор излучает свет в оранжево-желтой области спектра, а рентгенолюминофор - в сине-фиолетовой.
ПРИМЕРЫ ИСПОЛНЕНИЯ, ПРЕИМУЩЕСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ
Примеры исполнения целесообразно начинать с учета свойств МКП. Необходимо выбрать желаемый параметр усиления. Пусть это будет - 1000. Тогда выбирается вариант МКП с диаметром микрокапилляров 25 мкм и калибром 40, т.е. толщина пластины - 1 мм. С учетом размера диаметра МКП фирмы-изготовителя, скажем, 25 мм, формируются все стеклодетали.
3
2
2
3
5
На поверхность микроканалов наносится покрытие нанопорошков: газопоглотителя, например, CsSb; ренгенолюминофора, например, YOS:Tb; вторичного эмиттера, например, наночастиц полупроводника АВ (GaAs, InAs, InSb). На анодную пластинку наносится люминофор, пусть, зеленого цвета свечения, например, ZnO.
Далее собирается прибор плоской конструкции по технологии, описанной выше. Габаритные размеры такого прибора, примерно - диаметр -50, толщина ~5 мм. Для удобства пользования такой плоский прибор может быть помещен в оправу с ручкой. Потребляемая мощность - не более 1 Вт.
Преимущества прибора над вариантами-аналогами:
- относительно высокая чувствительность визуализации за счет тонкого окна и большой удельной площади рентгенолюминофорного покрытия;
- большая долговечность за счет отсутствия сверхвысоких напряжений (10000 В), малости прианодного промежутка (отсутствие генерации ионов и бомбордировок ими);
- экономичность за счет отсутствия источника высоковольтного потребления;
- относительная простота конструкции и технологии за счет уменьшения количества элементов, использования относительно не прецизионной МКП и активных материалов в виде порошков;
- удобства использования за счет миниатюрности прибора и использования сравнительно низковольтного источника.
Принципиальными отличительными моментами заявляемого технического решения, определяющими указанные выше преимущества, являются:
- совмещенное использование всех нанопорошков на большой поверхности микроканалов МКП с простой технологией нанесения;
- применение максимально тонкого окна из легкого дешевого материала с технологией их оптимального сопряжения;
- непосредственное контактирование катодного окна с МКП с простой технологией соединения.
Прибор может применяться как визуализатор рентгеновского и гамма-излучений при контроле локальных мест дефектности материалов и живых систем, охране окружающей среды. Прибор может применяться в портативной аппаратуре с полуавтоматическим и ручным управлением. Новые применения связаны с экспресс-контролем в медицине, быту, местах скопления людей.
Источники информации
1. Визуализация. http://megabook.ru/article/ВИЗУАЛИЗАЦИЯ.
2. Физика визуализации изображений в медицине. Том 1, 2. Под ред. С. Уэбба. М.: Мир. 1991 г.
3. Рентгеновский люминесцентный экран (патент РФ №2476943).
4. Электронно-оптические преобразователи.
http://femto.com.ua/articles/part_2/4695.html
5. Микроканальные пластины, http://profbeckman.narod.ru/radiometr. files/L10_10.pdf
6. Патент США №6,437,491 от 20.08.2002 г.
7. Патент (RU) 2331948. Приоритеты: подача заявки - 09.01.2007; начало действия патента - 09.01.2007; публикация патента - 20.08.2008. Автор Аксенов В.А. Патентообладатель: ЗАО "Экран ФЭП" (RU).
8. Патент РФ 2558387 «ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ВИЗУАЛИЗАТОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ» Приоритет - 21 марта 2014 г. Автор и патентообладатель - Жуков Н.Д.