摘 要： 針對帶微通道板（MCP）的雙近貼聚焦X射線像增強器" title="像增強器">像增強器普遍存在動態范圍小、使用壽命短等缺點，對其電源系統進行研究并改進，從而使X射線像增強器能夠更好地滿足X射線檢測和醫學成像系統的應用要求。這種電源可以使像增強器始終產生對比度良好的高分辨率圖像; 同時還可以延長像增強器的使用壽命。
關鍵詞： X射線成像" title="X射線成像">X射線成像 像增強器 選通電源" title="選通電源">選通電源 FPGA" title="FPGA">FPGA PWM
X射線像增強器是帶微通道板（MCP）的雙近貼聚焦X 射線像增強器，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，使得它具有很多優良的性能：體積小、結構簡單、圖像空間分辨率高且畸變小、增益高、可結合性強、電磁干擾低和快門比高等。由于這些性能,使其在各個領域得到了廣泛應用。
目前的X射線像增強器普遍采用直流供電。為了增大動態范圍和防止過高的電流損壞像增強器件,在電路中設置了自動亮度控制(ABC)電路和亮源保護(BSP) 電路,但是這兩種電路功能的實現是以犧牲成像質量為代價的，得到的圖像模糊、對比度低，看不清亮光后面模糊背景中的物體。另外，自動增益控制電路對較強的點光源或線光源起不到自動保護的作用，微通道板內部細管會因長時間處于電子飽和狀態而灼傷，出現點狀或條狀黑斑，從而減短使用壽命[1]。本文針對帶微通道板（MCP）的雙近貼聚焦X射線像增強器普遍存在動態范圍小、抗疲勞能力差、不能在強光下工作等缺點，對其高壓電源系統進行改進。從而使X射線像增強器能夠更好地滿足X射線檢測和醫學成像系統的應用要求。
1 X射線選通增強實現途徑
如果在X射線像增強器選通電極上不加直流高壓，而代之以可以自動高速接通和切斷的連續矩形脈沖高壓，則僅在脈沖持續期間才有光電子通過而轟擊熒光屏，這樣就構成了一個選通快門。矩形脈沖的寬度就是曝光時間，其大小控制著像增強器的工作時間。經過這樣改進的自動脈沖門控電源的作用機理就是電源感知進入像增強器的光量，根據輸入光強度的變化自動高速接通和切斷，而且電源的接通和切斷控制是通過調節周期固定的脈沖的占空比實現的[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。當在弱光下工作時，像增強器工作在直流供電狀態；當在強光下工作時，像增強器工作在選通狀態。當熒光屏上輸出圖像亮度增大時，熒光屏反饋電流增大，通過調節門脈沖信號的占空比，使像增強器工作時間縮短，保持熒光屏上的輸出圖像亮度不變；反之亦然。由于像增強器處于接通狀態時，各個電極上都加上合適的電壓值，不會影響系統的分辨率[1]。
對于雙近貼像增強器來說，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載。如果電壓幅度不夠或脈沖上升沿和下降沿速度慢，就會產生離焦，影響像質。另一方面,因MCP對透過陰極的光有強吸收作用，所以快門比（定義為像管打開時從熒光屏來的光亮相對于像管關閉時透過的光亮的比值）可以很容易達到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)。雖然電壓與聚焦無關，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放大，從而產生“空心效應”，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入像增強器的光強變化而變化,在光照強時頻率較低、脈寬較窄;光照弱時正好相反,這樣就在不改變像增強器供電的情況下,實現了ABC和BSP控制,從而實現了不降低分辨率而提高動態范圍的目的,使像增強器在不同輸入光強度下都能有效工作,所以在像增強器熒光屏上總是輸出均勻一致的圖像。
采用這種自動脈沖門控電源給像增強器陰極供電可以減小強光下到達MCP 的電子流, 防止因電流飽和而生成的沖蝕圖像,從而有助于降低強光產生的光暈或圖像模糊效應，使像增強器在強光照射下仍能產生對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器的動態范圍，實現X射線的自適應增強。另外，由于是間歇式供電，還可以延長像增強器的使用壽命。
2 電源控制電路設計
和傳統的X射線像增強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低直流電壓產生振蕩再倍壓整流后產生的，如圖3上半部分所示。選通電源設計的關鍵在于如何產生脈寬隨輸入光強變化而變化的脈沖電壓信號加在陰極上，如圖3下半部分所示的陰極脈沖發生器。以下重點介紹此部分電路的設計。
由于加在陰極上的脈沖信號的脈寬變化范圍大（從μs～ms級），電壓幅值變化大（高低電平差240V），平頂波動范圍小(<0.5%),采用傳統的變壓器方法無法實現，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，使其與輸入光的強度保持良好的線性對應關系。
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。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反饋電流放大。放大電路實質上是進行電流-電壓轉化，輸出后由模數轉換器（A/D）將模擬信號轉化為數字量輸出給FPGA進行處理，FPGA按特定的算法把數字量生成相應的PWM" title="PWM">PWM脈沖，最后經由MOSFET組成的功率驅動模塊輸出陰極所需的脈沖信號。電路原理如圖4所示。
2.1 電流放大電路設計
熒光屏的取樣電流極其微弱，一般在102nA數量級[1]，為了提高電路靈敏度，必須將微弱的電流信號放大、去噪并轉換為電壓輸出。另外，由于需要放大的信號不但極其微弱而且變化極其緩慢，近似于直流信號，而一般集成運算放大器會把這種信號作為溫漂給抑制掉。因此，采用德州儀器公司的LinCMOS工藝生產的高精度斬波穩零運算放大器TLC2652。斬波穩零的工作方式使其具有優異的直流特性，并且失調電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對運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或緩慢變化信號的放大。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轉換電路
A/D轉換器的作用是把模擬電壓信號轉變為數字信號以便FPGA處理。為了實現對輸入光強的精確控制，采用德州儀器公司生產的2MSps采樣速率的16位逐次逼近的模數轉換器ADS8411B，這是一款48引腳TQFP封裝的高速、高精度A/D轉換器。具有16位無代碼丟失性能、內部時鐘和基準電壓源,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,零等待時間，高速并行接口,8位/16位總線傳輸,允許輸入的模擬信號電壓范圍為0～4.096V。
電流放大電路和A/D轉換電路構成一個一階線性系統，其數學模型為：
式中，y為系統輸出，x為系統輸入，N為計數值(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轉換器的內部參考電壓。
2.3 FPGA邏輯功能的實現
采用FPGA實現電路功能，不僅可以精確地控制脈寬大小，使其與輸入光的強度保持良好的線性對應關系，而且可以使系統體積減小、重量減輕且功耗降低；同時還可使系統的可靠性大大提高；由于采用可編程邏輯器件和硬件描述語言，VHDL同時利用其供應商提供的開發工具，可大大縮短數字系統的設計時間，節約新產品的開發成本。在本系統中，FPGA輸出控制信號控制A/D轉換，并輸出PWM信號，A/D轉換器輸出的值決定脈沖信號的脈寬。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轉換控制信號
取外部時鐘為5MHz作為系統時鐘，經分頻后產生
信號用以對ADS8411B進行控制。得到A/D采樣、轉換控制信號的頻率為152.6Hz。應用FPGA設計工具Xilinx ISE7.1i，調用ModelSim SE6.1c對其進行仿真，可得一個周期即13107 000ns的波形，如圖6所示。
(2)數值轉換及比較輸出
A/D轉換器輸入的模擬信號的電壓值范圍為2.50～2.86V，對應輸出的十六進制數為9C3D～B28D，十進制數為39 995～45 709。A/D轉換器輸出的數字信號的變化范圍還比較小，通過數值變換器按照特定的算法對其進行一定的數值轉換，使輸入的最小值對應0，最大值對應1016=65535，這樣輸出的脈沖的占空比可以在近似于0～100%范圍內變化。計數器從0計數到1016=65535，也就是一個周期。當取值比計數值大時，輸出為1;反之輸出為0。該部分的邏輯功能可用如下數學表達式描述：
脈沖輸出：
式中，temp為鎖存器，PWM為脈沖輸出。仿真結果如圖7（輸入為43 157）所示。
2.4 功率驅動
FPGA輸出的PWM信號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)，而且像增強器正常工作時陰極上所加電壓為負壓，因此還必須對PWM信號進行進一步的處理。本設計選用IR公司的MOSFET管IRF840作為開關器件對PWM信號電壓進行提升。IRF840功率MOSFET是一種多子導電的單極型電壓控制器件，是電力電子器件中開關頻率最高的器件，它不但具有自關斷能力，而且具有輸入阻抗高、驅動功率小、熱穩定性優良、驅動電路簡單、安全工作區寬、無二次擊穿問題等優點[4]。
使用MOSFET，最基本的是柵極驅動電路的設計。MOS管的驅動電路必須具備二個功能：一是實現控制電路與被驅動MOS管柵極的電隔離；二是提供合適的柵極驅動脈沖。選用日本東芝公司(Toshiba)生產的帶光電隔離的MOSFFT驅動芯片TLP250完成柵板驅動電路的設計。功率驅動電路原理圖如圖8所示。
3 電源的技術參數
(1)陰極脈沖信號:頻率76.3Hz，平頂波動范圍<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。
(3)熒光屏電壓VS:5000～6000V。
本文設計的X射線像增強器選通電源電路具有控制精度高、現場可編程、響應快、脈寬調節范圍大等優點，能夠根據輸入光的變化自動調整加在陰極上的脈沖信號的脈寬，從而使熒光屏上輸出亮度保持不變。與傳統的直流高壓電源相比，采用自動脈沖門控電源給像增強器陰極供電可以減小強光下到達MCP 的電子流, 防止因電流飽和生成的沖蝕圖像,從而有助于降低強光產生的光暈或圖像模糊效應，使像增強器在強光照射下仍能產生對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器的動態范圍，實現了X射線的自適應增強。另外，采用這種電源，由于是間歇式供電，還可以延長X射線像增強器的使用壽命。經計算機仿真調試，此電源可實現很好地選通控制，為提高X射線成像系統的性能以及X射線檢測和醫學成像技術的發展提供了重要依據。
參考文獻
[1] 黃林濤,趙寶升,張小秋.一種帶新型自動門控電源的像增強器[J]. 激光與光電子學進展,2005,42(4):29-32.
[2] 姜德龍. 基于BCG-MCP的四代微光像增強技術[J].紅外技術，2003,25(6):45-48.
[3] ASHENDEN P J. VHDL設計指南[M].葛紅譯.北京：機械工業出版社，2005.
[4] 陽范青,曹劍中,劉波,等.基于CPLD的自動門控電源的電路設計[J]. 微計算機信息,2005,21(9-2):142-144.
[5] 黃林濤.自動門控電源在二代像增強器上的應用研究[D].西安:中科院西安光學精密機械研究所,2005
[6] ESTRERA J P，SALDANA M R. Gated power supply technologies for advanced image intensifiers[J].SPIE, 2003,4796:60-70.
[7] HAMILTON S，MOTTOLA A. Investigation of the On/Off ratio of a gated image intensifier[J].PIE,2003,4796:
83-89.
[8] 吳奎.CsI/MCP X射線陰極及其在低強度X射線影像儀中的應用[J]. 發光學報，2005，(6):813-818.