大动态范围软X射线扫描变像管设计与测试

提出并设计了一种旨在获得大动态范围的软X射线扫描变像管.该管型在保证大的阴极有效使用面积的情况下,通过减小电子的渡越时间来减小空间电荷效应对扫描变像管性能的影响,从而改善扫描变像管的动态范围.借助于YAG皮秒激光器对其性能进行了实验评价,获得了时间分辨率优于31 ps和动态范围大于922的结果.     

大动态范围软X射线飞秒变像管

为获得能够实际应用的飞秒时间分辨软X射线变像管,提出并完成了一种新的扫描变像管管型的理论设计。新管型采用五电极平面对称静电柱透镜,它易于对电子束进行强聚焦,且没有轴对称透镜的电子束聚焦交叉点,由此可以缩短变像管长度,减小渡越时间弥散和抑制空间电荷效应,从而提高动态范围和时间分辨率。通过模拟计算得到：在光电子初能量色散半高宽为1.6 eV、狭缝面积为10 mm×20 μm、时间分辨能力为500 fs时,软X射线变像管有用的动态范围约100倍。     

附加电极对扫描变像管性能的优化

通过分析影响变像管性能的主要因素,以提高其时间分辨率、空间分辨率和动态范围为优化思路,确定了在扫描变像管中荧光屏邻近区域引入等径螺旋电极以产生纵向均匀加速场的优化方案。分析得知,该优化结构可以在几方面改善变像管的性能:增加粒子到达荧光屏的纵向速度、减小粒子通过偏转板与荧光屏之间区域的渡越时间和渡越时间弥散、提高荧光屏的亮度。在横向约束带电粒子束的发散,通过减小空间电荷像差而改善电子光学系统的空间分辨率。另外,附加电极的引入也为降低加速阳极电位和偏转电极电位从而提高偏转系统的灵敏度提供了一定的空间。     

附加电极对扫描变像管性能的优化

 通过分析影响变像管性能的主要因素,以提高其时间分辨率、空间分辨率和动态范围为优化思路,确定了在扫描变像管中荧光屏邻近区域引入等径螺旋电极以产生纵向均匀加速场的优化方案。分析得知,该优化结构可以在几方面改善变像管的性能:增加粒子到达荧光屏的纵向速度、减小粒子通过偏转板与荧光屏之间区域的渡越时间和渡越时间弥散、提高荧光屏的亮度。在横向约束带电粒子束的发散,通过减小空间电荷像差而改善电子光学系统的空间分辨率。另外,附加电极的引入也为降低加速阳极电位和偏转电极电位从而提高偏转系统的灵敏度提供了一定的空间。     

变像管皮秒分幅和飞秒扫描相机的实验研究

本文将描述两种变像管皮秒分幅相机和一种飞秒扫描相机的设计特点、动态测试方法和实验结果。第一种变像管皮秒分幅相机采用了交叉点扫描多光栏分幅的方法,其变像管具有长加速电极和短阳极的静电弱聚焦系统与偏转灵敏度高、偏转像质好的偏转群体结构;其超快速控制电路只需一个光电开关斜坡电压脉冲发生器和一个特殊设计的脉冲成形网络即可送出具有合适时间关联的4对正负极性三角波和一对正负极性的单台阶液电压脉冲。实验表明,该相机在提供6幅分幅图像的情况下,每幅图像全曝光时间为80ps,除 3～4幅图像间的时间间隔为680ps外,其余均为160ps,动态空间分辨率达到5.51p/mm。第二种变像管皮秒分幅相机采用快门式分幅方法;其变像管采用行波偏转系统,内增强MCP做成带状线结构,并具有输入输出阻抗变换器,其三台阶波和快门脉冲序列均由光电开关电路和脉冲成形网络产生。该相机在提供三幅分幅图像的情况下,每幅图像全曝光时间为660ps,画幅之间的时间间隔均为4ns,动态空间分辨率为5.5lp/mm。飞秒扫描相机采用MCP内增强飞秒扫描变像管、具有负时间畸变的中继透镜和无触发晃动的光电开关扫描电路。实验证明,该相机在时间分辨率为500fs时,其动态范围为30;当时间分辨率为1.2ps时,其动态范围可达500;无扫描图像弯曲现象,触发晃动为±2ps.     

宽量程高时间分辨扫描变像管

 为改善大偏转角度的偏转像质,设计了一种高时间分辨、大扫描长度的扫描变像管电子光学和行波偏转系统。对变像管后加速技术进行了实验研究,结合图像外增强技术,解决了大面积扫描图像的探测灵敏度问题,达到了同时扩展扫描变像管的时间量程和提高时间分辨力的目的,研制出了宽时间量程、高时间分辨力的扫描变像管。初步实验表明,在量程为5 ns时,时间分辨力达到5 ps,也就是时间分辨力与时间量程之比达到1/1 000。     

宽量程高时间分辨扫描变像管

为改善大偏转角度的偏转像质,设计了一种高时间分辨、大扫描长度的扫描变像管电子光学和行波偏转系统。对变像管后加速技术进行了实验研究,结合图像外增强技术,解决了大面积扫描图像的探测灵敏度问题,达到了同时扩展扫描变像管的时间量程和提高时间分辨力的目的,研制出了宽时间量程、高时间分辨力的扫描变像管。初步实验表明,在量程为5 ns时,时间分辨力达到5 ps,也就是时间分辨力与时间量程之比达到1/1 000。     

大动态范围飞秒扫描变象管理论设计与实验评价

设计了一种具有大动态范围的多用途飞秒扫描变象管,其理论时间分辨率可达50fs.分别借助掺钛蓝宝石飞秒激光器和YAG皮秒激光器对其性能进行了实验评价.获得了同步工作状态下时间分辨率1.8ps以及单次扫描工作状态下动态范围优于128:1的结果.     

皮秒同步扫描相机系统的研究

皮秒同步扫描相机系统主要包括皮秒同步扫描变像管、同步扫描线路和CPM激光器。皮秒同步扫描变像管在保证时间分辨率和空间分辨率的同时,着重对偏转系统进行了改进。不仅要使其偏转灵敏度大幅度提高,而且要设法减小其极间电容、引线电感和趋虑效应,从而提高了其品质因数,使其对扫描线路的功率要求大幅度减小。所研制的     

变像管扫描相机超分辨诊断技术研究

 时间分辨力是变像管扫描相机的重要技术参数,提出了将超分辨率图像复原理论应用于超快诊断研究,首先阐述了图像超分辨率复原在超快诊断中应用的可能性,给出了变像管扫描相机图像点扩散函数的分析和计算方法。最后,基于Poisson MMAP（MPMAP）超分辨力复原算法,获得了Au阴极X射线变像管扫描相机的图像复原结果,实验结果证明了方法的有效性,为变像管扫描相机时间分辨力的提高提供了一种新的途径。     

大动态范围长狭缝条纹相机系统

 为了满足ICF实验等离子体诊断需要,研制了一种大动态范围长狭缝软X射线条纹相机系统。该系统在保证30 mm的长狭缝的情况下,通过设计一种短聚焦区高压电子光学系统大大缩短电子的渡越时间、提高阳极工作电压至16.5 kV、弃用MCP内增强器、采用光纤面板耦合和使用制冷CCD等一系列措施,达到改善扫描变像管条纹相机动态范围的目的,同时保证具有较高的时间分辨力。动态测试表明,该系统动态空间分辨力为15 lp/mm,时间分辨力优于31 ps,动态范围大于922。     

新型光示波管的研究

本文描还了我们研制的一种新型光示波管的设计特点及测试结果.这种光示波管配以适当的控制电路和读出系统所组成的光示波器,能直接测量光脉冲,并能测量电脉冲;既可测量单次脉冲,又可测量重复脉冲;测量重复脉冲时,测量范围可达0～数GHz(10⁹Hz)的任意频率的重复脉冲.这种新型光示波管的光谱响应范围宽,实测时间分辨率达5ps,工作于椭圆扫描方式.它抛弃了以往光示波管所采用的取样狭缝,而是采用脉冲提取电极,通过调节控制电路使其工作于特殊的同步方式,从而克服了取样光示波器测量时间长、重复性不好等缺点.最后给出了静态椭圆扫描图象和动态时间分辨率的测试结果.     

大动态双聚焦条纹变像管设计

为满足ICF实验中对X射线条纹相机大动态能力的需求,设计了一款大动态双聚焦X射线条纹变像管。其偏转灵敏度为39 mm/kV,静态空间分辨率在阴极中心处优于30 lp/mm,边缘优于10 lp/mm,时间分辨率在10 ps左右,阴极有效长度为30 mm,放大率为1.3,管子总长为425 mm。此款变像管主要通过提高电子飞行速度而缩短电子相互作用时间,从而达到降低空间电荷效应、提高动态范围的目的。最终设计的变像管轴上电势最高16.5 kV,最低5 kV,电子从阴极到达荧光屏的时间仅为6.62 ns。基于设计的变像管参数,对管子进行了加工制造,并进行了初步调试和测试,变像管具有最佳成像效果时各电极实际电压与设计电压几乎一样,放大率为1.35,偏转灵敏度为40 mm/kV,与设计值十分吻合。     

B. 变像管诊断技术

本文评述了变像管诊断技术的国内外最新发展,详细地分析介绍了本届会议上出现的几种新管型,并涉及到某些应用。     

微通道板选通X射线纳秒分幅相机的研制

设计并研制了一种新的微通道板选通X射线纳秒分幅相机,相机系统由带有行波选通微带光电阴极的近贴聚焦分幅变像管、电控单元、针孔安装和调节系统及真空系统组成.电控单元提供相机上作需要的直流电压和脉冲开关电雎.输出图像山采用光纤面板耦合到荧光屏的CCD相机读出.采用厚50 mm的Au作为变像管光电阴极,相机谱响应范围0.1～10 keV.可获得八幅分幅图像,每幅曝光时间1 ns,2 ns和5.0 ns三档可调,像幅时间间隔分2 ns、5 ns和10 ns 三档可调.相机动态空间分辨力优于18 lp/mm,触发晃动小于100 ps,时间抖动小于5%.并可实现远距离监视、控制和数据采集.对相机静态特性和动态特性的实验标定及应用现场所获得的实验结果均表明,相机上作性能稳定,具有几何畸变小、动态范围大等特点,满足 Z-箍缩实验研究的需要.     

动态范围2000的皮秒时间分辨软X射线扫描相机

优化设计和研制了一种旨在获得大的动态范围的皮秒时间分辨软X射线扫描相机系统.该相机阴极有效面积Φ30 mm,聚焦电压8 kV,有效防止了打火对动态范围的影响|摒弃了微通道板内增强器,引入了后加速系统,以保证足够高的荧光屏量子效率|采用了大动态范围的像增强器进行图像外增强.借助于皮秒激光器动态测试和标定系统对其性能进行了实验评价,获得了动态范围大于2 000的结果.     

螺旋线行波管慢波结构设计及注波互作用模拟

通过模拟计算,分析螺旋线内径和螺距变化对色散和耦合阻抗的影响,优化慢波结构,初步设计了Ku波段螺旋线行波管慢波结构。模拟行波管输入输出结构,得到输入端反射系数小于-19 dB,电压驻波比小于1.24。电子聚焦系统采用周期永磁聚焦,磁场周期为8.5 mm,计算得到磁场峰值为0.17 T。为提高注波互作用效率,采用具有动态速度渐变特性的慢波结构,使得电子注与高频场有足够的互作用时间,从而保证电子不断地将能量交给高频场。运用三维PIC粒子模拟软件分析行波管的注波互作用,得到在12.5~16 GHz频率范围内输出功率大于88.7 W,电子效率大于14.8%,增益大于34.6 dB。     

螺旋线行波管慢波结构设计及注波互作用模拟

通过模拟计算,分析螺旋线内径和螺距变化对色散和耦合阻抗的影响,优化慢波结构,初步设计了Ku波段螺旋线行波管慢波结构。模拟行波管输入输出结构,得到输入端反射系数小于-19 dB,电压驻波比小于1.24。电子聚焦系统采用周期永磁聚焦,磁场周期为8.5 mm,计算得到磁场峰值为0.17 T。为提高注波互作用效率,采用具有动态速度渐变特性的慢波结构,使得电子注与高频场有足够的互作用时间,从而保证电子不断地将能量交给高频场。运用三维PIC粒子模拟软件分析行波管的注波互作用,得到在12.5~16 GHz频率范围内输出功率大于88.7 W,电子效率大于14.8%,增益大于34.6 dB。     

一种新型真空型紫外成像探测器

针对紫外告警的关键元器件——紫外探测器，简述了紫外告警的特点及发展，紫外辐射的大气传输特性和紫外探测器的发展。详细介绍了一种新型响应波段为105nm～300nm的真空型紫外成像探测器，其光电阴极具有“日盲性”，管型采用近贴聚焦结构，从而使得弥散和像差得以减小。探测器读出系统有光耦合读出和电耦合读出2种读出方法：光耦合读出系统能实时响应；电耦合读出灵敏度高，分辨力强，探测距离远。采用自动门控BSP电源，可实现大动态范围探测，并对光电阴极和微通道板起到保护作用。     

Optimal tube potential and tube current for radiation dose reduction in routine adult head computed tomography scanning

ABSTRACT

We proposed a new, optimised scanning parameter that can reduce the patient’s radiation dose while maintaining image quality in a head computed tomography (CT) scan. We evaluated the clinical CT scan parameters (tube voltage, tube current, slice thickness pitch, scan range, rotation time, and CT dose index) for brain CT examination in a total of 52 multi-detector row spiral CTs (SOMATOM Definition AS+, Siemens Healthcare, Germany). The data were analysed, and the range of valid scan parameters was determined clinically using quartile distribution within the 95% confidence interval. The American Association of Physicists in Medicine performance evaluation phantom was used to acquire images using these scan parameters, and new, optimised CT scan parameters were proposed by analysing CT number accuracy, noise, uniformity, spatial resolution, and contrast resolution. The new CT scan parameters proposed were determined as tube voltage 100?kVp and tube current 300?mAs. Compared with conventional clinical scan parameters, tube voltage was reduced by 16.7% and tube current was decreased by 33.3%. Loss in imaging accuracy and uniformity of CT number was less than 20%, loss in noise was less than 40%, and no change in resolution was observed. Conversely, the CT dose index and effective dose was 20%–50%. A new systematic method for clinically assessing the optimised CT scan parameters were proposed, and the effective dose was decreased, with changing exposure conditions.