摘 要： 针对带微通道板（MCP）的双近贴聚焦X射线像增强器" title="像增强器">像增强器普遍存在动态范围小、使用寿命短等缺点，对其电源系统进行研究并改进，从而使X射线像增强器能够更好地满足X射线检测和医学成像系统的应用要求。这种电源可以使像增强器始终产生对比度良好的高分辨率图像; 同时还可以延长像增强器的使用寿命。
关键词： X射线成像" title="X射线成像">X射线成像 像增强器 选通电源" title="选通电源">选通电源 FPGA" title="FPGA">FPGA PWM
X射线像增强器是带微通道板（MCP）的双近贴聚焦X 射线像增强器，一般由光电阴极、MCP和荧光屏三部分组成，如图1所示。由于MCP的引入，使得它具有很多优良的性能：体积小、结构简单、图像空间分辨率高且畸变小、增益高、可结合性强、电磁干扰低和快门比高等。由于这些性能,使其在各个领域得到了广泛应用。
目前的X射线像增强器普遍采用直流供电。为了增大动态范围和防止过高的电流损坏像增强器件,在电路中设置了自动亮度控制(ABC)电路和亮源保护(BSP) 电路,但是这两种电路功能的实现是以牺牲成像质量为代价的，得到的图像模糊、对比度低，看不清亮光后面模糊背景中的物体。另外，自动增益控制电路对较强的点光源或线光源起不到自动保护的作用，微通道板内部细管会因长时间处于电子饱和状态而灼伤，出现点状或条状黑斑，从而减短使用寿命[1]。本文针对带微通道板（MCP）的双近贴聚焦X射线像增强器普遍存在动态范围小、抗疲劳能力差、不能在强光下工作等缺点，对其高压电源系统进行改进。从而使X射线像增强器能够更好地满足X射线检测和医学成像系统的应用要求。
1 X射线选通增强实现途径
如果在X射线像增强器选通电极上不加直流高压，而代之以可以自动高速接通和切断的连续矩形脉冲高压，则仅在脉冲持续期间才有光电子通过而轰击荧光屏，这样就构成了一个选通快门。矩形脉冲的宽度就是曝光时间，其大小控制着像增强器的工作时间。经过这样改进的自动脉冲门控电源的作用机理就是电源感知进入像增强器的光量，根据输入光强度的变化自动高速接通和切断，而且电源的接通和切断控制是通过调节周期固定的脉冲的占空比实现的[2]。荧光屏上的微电流的变化反映了输出图像亮度的变化，一般取荧光屏上的微电流作为反馈信号。当在弱光下工作时，像增强器工作在直流供电状态；当在强光下工作时，像增强器工作在选通状态。当荧光屏上输出图像亮度增大时，荧光屏反馈电流增大，通过调节门脉冲信号的占空比，使像增强器工作时间缩短，保持荧光屏上的输出图像亮度不变；反之亦然。由于像增强器处于接通状态时，各个电极上都加上合适的电压值，不会影响系统的分辨率[1]。
对于双近贴像增强器来说，选通方式有如下几种[3]:
(1)阴极选通：快门脉冲加于阴极与MCP输入面之间。这种方案所需脉冲电压幅度低(100伏～300伏)，但要承受较大容性负载。如果电压幅度不够或脉冲上升沿和下降沿速度慢，就会产生离焦，影响像质。另一方面,因MCP对透过阴极的光有强吸收作用，所以快门比（定义为像管打开时从荧光屏来的光亮相对于像管关闭时透过的光亮的比值）可以很容易达到106。目前此方案属最常用的选通方案。
(2)MCP选通：快门电压直接加到MCP两面。这种方案要承受更大的容性负载(100pF),而且所需脉冲电压幅度要求较高(1 000V左右)。虽然电压与聚焦无关，但直接影响增益，且因增益随电压变化很灵敏，故脉冲由边沿向中心传播的过程中不均匀性也会放大，从而产生“空心效应”，使选通速度受到限制。所得到的快门比为104，此方案比方案(1)差得多。
(3)荧光屏选通：快门脉冲加到MCP输出极与荧光屏之间。极间电容较小，但电压幅度要几千伏，因所需脉冲能量很高，这种方式通常不采用。
这里采用加在光电阴极和MCP 间的电压是脉冲电压,如图2所示，它的频率和脉宽随进入像增强器的光强变化而变化,在光照强时频率较低、脉宽较窄;光照弱时正好相反,这样就在不改变像增强器供电的情况下,实现了ABC和BSP控制,从而实现了不降低分辨率而提高动态范围的目的,使像增强器在不同输入光强度下都能有效工作,所以在像增强器荧光屏上总是输出均匀一致的图像。
采用这种自动脉冲门控电源给像增强器阴极供电可以减小强光下到达MCP 的电子流, 防止因电流饱和而生成的冲蚀图像,从而有助于降低强光产生的光晕或图像模糊效应，使像增强器在强光照射下仍能产生对比度良好的高分辨率图像。因此该方法可以大幅度地提高像增强器的动态范围，实现X射线的自适应增强。另外，由于是间歇式供电，还可以延长像增强器的使用寿命。
2 电源控制电路设计
和传统的X射线像增强器使用的直流电源一样，MCP和荧光屏上所加的高电压都是通过对低直流电压产生振荡再倍压整流后产生的，如图3上半部分所示。选通电源设计的关键在于如何产生脉宽随输入光强变化而变化的脉冲电压信号加在阴极上，如图3下半部分所示的阴极脉冲发生器。以下重点介绍此部分电路的设计。
由于加在阴极上的脉冲信号的脉宽变化范围大（从μs～ms级），电压幅值变化大（高低电平差240V），平顶波动范围小(<0.5%),采用传统的变压器方法无法实现，而基于FPGA的电源电路不仅可以解决上述问题，而且还能精确地控制脉宽大小，使其与输入光的强度保持良好的线性对应关系。
荧光屏上微电流的变化反映了输出图像亮度的变化，取荧光屏电流作为反馈信号。由于弱光下荧光屏反馈电流变化很小，为了精确反映入射光的变化需要对反馈电流放大。放大电路实质上是进行电流-电压转化，输出后由模数转换器（A/D）将模拟信号转化为数字量输出给FPGA进行处理，FPGA按特定的算法把数字量生成相应的PWM" title="PWM">PWM脉冲，最后经由MOSFET组成的功率驱动模块输出阴极所需的脉冲信号。电路原理如图4所示。
2.1 电流放大电路设计
荧光屏的取样电流极其微弱，一般在102nA数量级[1]，为了提高电路灵敏度，必须将微弱的电流信号放大、去噪并转换为电压输出。另外，由于需要放大的信号不但极其微弱而且变化极其缓慢，近似于直流信号，而一般集成运算放大器会把这种信号作为温漂给抑制掉。因此，采用德州仪器公司的LinCMOS工艺生产的高精度斩波稳零运算放大器TLC2652。斩波稳零的工作方式使其具有优异的直流特性，并且失调电压及其漂移、共模电压、低频噪声、电源电压变化等对运算放大器的影响被降低到了最小，因此TLC2652非常适合用于微弱的直流信号或缓慢变化信号的放大。由于使用了LinCMOS工艺和低噪声的MOSFET，输入噪声大大减小。为了获得大的输入阻抗和小的输出阻抗，采用TLC2652的正相输入接法。放大电路的电压增益K为1.785 22，输入阻抗为241.238 55GΩ，输出阻抗为31.755 43mΩ，带宽为200Hz。
2.2 A/D转换电路
A/D转换器的作用是把模拟电压信号转变为数字信号以便FPGA处理。为了实现对输入光强的精确控制，采用德州仪器公司生产的2MSps采样速率的16位逐次逼近的模数转换器ADS8411B，这是一款48引脚TQFP封装的高速、高精度A/D转换器。具有16位无代码丢失性能、内部时钟和基准电压源,2MHz的功耗为175mW,SNR分别为86dB和90dB，单极单端输入,线性误差为±0.8LSB，有16位和8位可选择接口,零等待时间，高速并行接口,8位/16位总线传输,允许输入的模拟信号电压范围为0～4.096V。
电流放大电路和A/D转换电路构成一个一阶线性系统，其数学模型为：
式中，y为系统输出，x为系统输入，N为计数值(在此N=65535)，R为取样电阻，A为放大电路的电压增益，VREF为A/D转换器的内部参考电压。
2.3 FPGA逻辑功能的实现
采用FPGA实现电路功能，不仅可以精确地控制脉宽大小，使其与输入光的强度保持良好的线性对应关系，而且可以使系统体积减小、重量减轻且功耗降低；同时还可使系统的可靠性大大提高；由于采用可编程逻辑器件和硬件描述语言，VHDL同时利用其供应商提供的开发工具，可大大缩短数字系统的设计时间，节约新产品的开发成本。在本系统中，FPGA输出控制信号控制A/D转换，并输出PWM信号，A/D转换器输出的值决定脉冲信号的脉宽。FPGA采用Xilinx公司的Virtex系列的xcv400芯片。其逻辑功能及与外部接口如图5所示。
(1)A/D转换控制信号
取外部时钟为5MHz作为系统时钟，经分频后产生
信号用以对ADS8411B进行控制。得到A/D采样、转换控制信号的频率为152.6Hz。应用FPGA设计工具Xilinx ISE7.1i，调用ModelSim SE6.1c对其进行仿真，可得一个周期即13107 000ns的波形，如图6所示。
(2)数值转换及比较输出
A/D转换器输入的模拟信号的电压值范围为2.50～2.86V，对应输出的十六进制数为9C3D～B28D，十进制数为39 995～45 709。A/D转换器输出的数字信号的变化范围还比较小，通过数值变换器按照特定的算法对其进行一定的数值转换，使输入的最小值对应0，最大值对应1016=65535，这样输出的脉冲的占空比可以在近似于0～100%范围内变化。计数器从0计数到1016=65535，也就是一个周期。当取值比计数值大时，输出为1;反之输出为0。该部分的逻辑功能可用如下数学表达式描述：
脉冲输出：
式中，temp为锁存器，PWM为脉冲输出。仿真结果如图7（输入为43 157）所示。
2.4 功率驱动
FPGA输出的PWM信号的脉宽虽然随反馈电流大小的变化而变化，但是电压幅值太小(高电平3.3V)，而且像增强器正常工作时阴极上所加电压为负压，因此还必须对PWM信号进行进一步的处理。本设计选用IR公司的MOSFET管IRF840作为开关器件对PWM信号电压进行提升。IRF840功率MOSFET是一种多子导电的单极型电压控制器件，是电力电子器件中开关频率最高的器件，它不但具有自关断能力，而且具有输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良、驱动电路简单、安全工作区宽、无二次击穿问题等优点[4]。
使用MOSFET，最基本的是栅极驱动电路的设计。MOS管的驱动电路必须具备二个功能：一是实现控制电路与被驱动MOS管栅极的电隔离；二是提供合适的栅极驱动脉冲。选用日本东芝公司(Toshiba)生产的带光电隔离的MOSFFT驱动芯片TLP250完成栅板驱动电路的设计。功率驱动电路原理图如图8所示。
3 电源的技术参数
(1)阴极脉冲信号:频率76.3Hz，平顶波动范围<0.5%,输出脉宽范围为5μs～13.11ms。占空比变化范围为：0.038～100%。高电平电压值40V，低电平电压值-200V。
(2)MCP电压VMCP：输入端接地，0V;输出端800～1000V可调。
(3)荧光屏电压VS:5000～6000V。
本文设计的X射线像增强器选通电源电路具有控制精度高、现场可编程、响应快、脉宽调节范围大等优点，能够根据输入光的变化自动调整加在阴极上的脉冲信号的脉宽，从而使荧光屏上输出亮度保持不变。与传统的直流高压电源相比，采用自动脉冲门控电源给像增强器阴极供电可以减小强光下到达MCP 的电子流, 防止因电流饱和生成的冲蚀图像,从而有助于降低强光产生的光晕或图像模糊效应，使像增强器在强光照射下仍能产生对比度良好的高分辨率图像。采用这种电源大幅度提高了像增强器的动态范围，实现了X射线的自适应增强。另外，采用这种电源，由于是间歇式供电，还可以延长X射线像增强器的使用寿命。经计算机仿真调试，此电源可实现很好地选通控制，为提高X射线成像系统的性能以及X射线检测和医学成像技术的发展提供了重要依据。
参考文献
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