РЕНТГЕНОВСКИЙ ВИЗУАЛИЗАТОР

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.

На поверхность микроканалов наносится покрытие нанопорошков: газопоглотителя, например, Cs₃Sb; ренгенолюминофора, например, Y₂O₂S:Tb; вторичного эмиттера, например, наночастиц полупроводника А₃В₅ (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.