Рентгеновские телевизионные системы (РТС) можноразделить на две группы: РТС для рентгеноскопии и РТС для рентгенографии, хотяэто деление достаточно условно. Появление этих систем вызвано, прежде всего,обострившейся за последние годы проблемой рентгеновской пленки. По временираньше возникли РТС для рентгеноскопии (или просвечивания). В практикерентгенодиагностики они называются также усилителями рентгеновского излучения(УРИ) и включают в себя рентгеновский электронно-оптический преобразователь(РЭОП) и замкнутую телевизионную систему. УРИ позволили значительно уменьшитьинтенсивность рентгеновского излучения за счет снижения анодного напряжения и оченьзначительного уменьшения анодного тока. Так, например, съемка грудной клетки врежиме рентгенографии проводится при анодном токе 600 мА и напряжении 100 – 120кВ, а при рентгеноскопии с РТС анодный ток составляет 3 – 5 мА, а напряжение 80– 90 кВ. Таким образом, интенсивность излучения снижается в сотни раз, чтопозволяет соответственно увеличить время обследования. Как отмечалось выше,главной задачей РТС является не уменьшение дозы облучения (хотя и это тожеочень важно), а повышения достоверности диагностики, что достигаетсяувеличением продолжительности наблюдения. РТС пока еще не исключают полностьюприменения рентгеновской пленки, но зато практически гарантируют безошибочностьснимка, сделанного после предварительного обследования.
Первые РТС былианалоговыми, а для регистрации рентгеновских изображений в них использовалисьфото- и кинокамеры и видеомагнитофоны. Структурная схема такой РТС приведена нарис.1.
/> />
Рисунок 1. Структурная схемарентгено-телевизионной системы.В камере 1, защищающей отпроникновения света и бокового рентгеновского излучения, находятся РЭОП 2,оптические системы 3, полупрозрачное зеркало 4, передающая телевизионная камера5 и фотоаппарат 8. РЭОП преобразует рентгеновское излучение, прошедшее черезобъект, в оптическое изображение, которое оптическими системами иполупрозрачным зеркалом передается на телекамеру и фотоаппарат. Телекамеройуправляет блок видеоканала 6 и передает видеосигнал в видеоконтрольноеустройство (ВКУ) 6. Изображение может быть зарегистрировано также с помощьювидеомагнитофона 9. Блок 10 осуществляет питание и управление системой.Наиболее важными узлами РТС, определяющими качество ее работы, являются РЭОП ипередающая телекамера. Рассмотрим их более подробно. Так как аббревиатура«РЭОП» распространена в литературе по рентгеновской технике, будем обращаться сней, как со словом. Устройство и принцип действия РЭОПа поясняет рис.2.
/> />
Рисунок 2. Рентгеновскийэлектронно-оптический преобразователь.
РЭОП представляет собойкрупногабаритный электровакуумный прибор с остаточным давлением 1 – 5×10-7 мм рт. ст. Внутриколбы находятся фотокатодный узел, состоящий из входного флуоресцентного экрана1 и фотокатода 2, система электродов 3,4,5 и выходной люминесцентный экран 6.Флуоресцентный слой (CaWO4или CsI) и слой фотокатода (Cs) нанесены с двух сторон тонкой стекляннойпластины толщиной 200 мкм. Световые фотоны, излучаемые под действиемрентгеновского излучения, выбивают из фотокатода электроны, которые ускоряютсяи фокусируются системой электродов. Электрод 1 (подфокусирующий) представляетсобой слой аммония, напыляемый на внутреннюю поверхность колбы. Энергияэлектронного потока, выходящего из фотокатода, увеличивается за счетприлагаемых к электродам высоких напряжений. Одновременно увеличиваетсяплотность электронов за счет сжатия электростатическими линзами. Электроныбомбардируют выходной экран 6, представляющий собой мелкозернистый люминограф,напыленный на внутреннюю сторону окна колбы. Диаметр входного окна современныхРЭОПов составляет 220 – 350 мм. Начинается выпуск РЭОПов с диаметром входногоокна до 550 мм.
Наряду с РЭОПами врентгеновских телевизионных системах применяют и ЭОПы – электронно-оптическиепреобразователи. От РЭОПов они отличаются отсутствием у них рентгеновскоголюминесцентного экрана. Поэтому они служат для усиления яркости оптическогоизображения, получаемого на внешнем люминесцентном экране. Обычно габариты ЭПОвзначительно меньше, чем РЭОПОв.
Важнейшими параметрамиРЭОПа, определяющими его усилительно-преобразовательные свойства и влияющими накачество конечного изображения, являются коэффициент преобразования,коэффициент усиления, разрешающая способность, шумовые параметры,частотно-контрастная характеристика, динамический диапазон.
Коэффициентпреобразования есть отношение яркости выходного экрана к мощности дозы входногоизлучения
h = B/P [кд×м-2/мР×с-1].
Коэффициент преобразования h зависит от ряда параметров иопределяется формулой
h = hвх.экр ×g×G2×Ua×L, (1)
где hвх.экр – коэффициент преобразованиявходного экрана ( 2×10-2кд×м-2¤мР×с-1), g — чувствительность фотокатода (15мкА/млк), Г – коэффициент элетронно-оптического уменьшения (1), Ua– напряжение основного анода 5 (25кВ), L – светоотдача выходного экрана (12кд/Вт). В скобках указаны типичные значения параметров. Для них коэффициентпреобразования будет равен 110 кд×м-2¤мР×с-1.
Коэффициент усиленияпредставляет собой отношение интенсивности выходного оптического излучения кинтенсивности входного рентгеновского излучения. Даже с учетом потерь воптической системе он достигает нескольких тысяч.
Разрешающая способностьРЭОПа оценивается количеством различимых пар линий на 1 мм в центре выходного экрана.
Частотно-контрастнаяхарактеристика (ЧКХ) представляет собой зависимость контраста изображенияобъекта от пространственной частоты. Понятно, что передача контраста иразрешающая способность – взаимосвязанные величины.
Динамический диапазонесть отношение интенсивностей РИ, при которых устройство обеспечиваетразличение некоторого порогового (обычно 5%) контраста одновременно в верхнем инижнем интервалах рабочих мощностей доз. Динамический диапазон РЭОПов обычнозначительно превосходит динамический диапазон яркости ВКУ (около 30 дБ).Параметры некоторых типов РЭОП приведены в табл. 1.
Таблица 1. Параметрырентгеновских электронно-оптических преобразователей. Параметр
РЭОП
RBV 250/150
«Сименс» (ФРГ)
РЭОП
«ЗОКС-270»
РЭОП
фирмы CGR
Размер рабочего поля, мм
Коэффициент преобразования, кд/м2/мР/с
Разрешающая способность, пл/мм
Контрастная чувствительность, %
Коэффициент контраста (10% площади)
Анодное напряжение, кВ
250/150
170
3 – 4
2
25 — 30
230/150
140
3 – 4
3
25
400/300/220
120
3,6/4,2/4,8
15:1
Для считыванияоптического изображения с выходного экрана РЭОПа и передачи его в оптическийканал применяют различные фотоэлектрические преобразователи ФЭП – в основномэто передающие трубки типа видикон и ФЭП матричного типа на основе приборов сзарядовой связью (ПЗС). Трубки
типа видиконхарактеризуются высокой световой чувствительностью и высокой разрешающей способностью.Существует несколько разновидностей видиконов: плюмбикон (с окисло-свинцовоймишенью), кремникон (с полупроводниковой мишенью на основе кремния) и др.
/> />
На рис.3 показано устройствовидикона типа плюмбикон.
Рисунок 3. Устройствовидикона.
Видикон представляет собой стеклянныйвакуумный баллон 1, внутри которого на торцевой поверхности нанесенасветочувствительная мишень 2. Последняя состоит из прозрачной металлическойпленки, называемой сигнальной пластиной, и контактирующего с ней тонкогофотопроводящего слоя. Вид этого слоя и определяет тип видикона (плюмбикон, кремникон,кадмикон). Сигнальная пластина соединена с металлическим кольцом 3, которое выведенонаружу баллона.
Вторым функциональным узлом видиконаявляется электронный прожектор, включающий в себя подогревный катод 4,модулятор 5 и аноды 6. Он обеспечивает ускорение и формирование узкого пучкаэлектронов. Непосредственно у сигнальной пластины расположена мелкоструктурнаясетка 8, которая создает равномерное тормозящее поле перед мишенью. Благодаряэтому электроны падают перпендикулярно на фотослой по всей его площади.Фокусировку и отклонение электронного луча 7 обеспечивает магнитнаяфокусирующе-отклоняющая система. Для фокусировки электронного луча используетсясоленоид 9. Пролетающие сквозь него электроны группируются (закручиваются поспирали) вблизи его оси. Отклонение луча производится парами отклоняющихкатушек 10 – горизонтальной (строчной) и вертикальной (кадровой).
Изображение проецируется насветочувствительный слой мишени. В результате каждый ее элементарный участокприобретает электрический заряд. Образуется так называемый потенциальныйрельеф. Электронный луч, взаимодействуя с каждой точкой потенциального рельефа,как бы стирает (нейтрализует) ее потенциал. При этом через сопротивлениенагрузки Rн, протекает ток, который будет зависеть от освещенностиучастка мишени, куда попадает электронный луч. Таким образом, на нагрузкевыделяется видеосигнал. Его напряжение будет изменяться от уровня «черного»,соответствующего наиболее темным участкам передаваемого изображения, до уровня«белого», соответствующего наиболее светлым участкам.
В РТС используются передающие трубкитипа плюмбикон ЛИ-432, ЛИ-444, ЛИ-447, ЛИ-450.
Рассмотрим некоторыеособенности видеоканала рентгеновских телевизионных систем. РТС представляютсобой телевизионные системы замкнутого типа (ЗТС). Они не связаны с другимителевизионными системами и при их проектировании не обязательно соблюдениестандартов телевизионного вещания. Однако общие принципы формированиятелевизионных сигналов и растра телевизионного изображения сохраняются.
Как правило,видеоконтрольные устройства (ВКУ), предназначенные для РТС, работают состандартными телевизионными сигналами. Изображение на ВКУ формируется с помощьюкадровой и строчной развертки, причем один кадр состоит из двух полукадров, илиполей, с частотой 50 Гц. При этом строки в полукадрах чередуются –чересстрочнная развертка (рис.4).
/> />
Рисунок 4. Формированиетелевизионного растра.
В результате частота кадровполучается равной 25 Гц. Такой способ развертки позволяет вдвое уменьшитьполосу частот видеосигнала. Стандартные параметры растра вещательноготелевидения: число строк разложения – 625; частота полей – 50; число кадров всекунду – 25; частота строк – 15625 Гц.
Полоса частот, необходимая дляпередачи видеосигнала, определяется по формуле
/>,
где n – число кадров в секунду, N – число элементов разложения. Его можно определить поформуле N = к×z2, где к – формат изображения; z – число строк разложения. Для к = 4/3 и z = 625 N = 520000. Реально, за счет потерь на обратном ходе строчнойразвертки, величина N составляет500000, а полоса частот видеосигнала F = 6,25 МГц. Для РТС эта величина может быть снижена до 5 – 5,5 МГц.
Для правильной работы всей системынеобходима жесткая синхронизация передающего и приемного устройств. Онаосуществляется под управлением общего генератора со стабильной (опорной)частотой и делителей, которые вырабатывают импульсы для синхронизации строчнойи кадровой развертки передатчика и приемника. Необходимы также специальныеимпульсы для гашения луча при обратном ходе строчной и кадровой разверток.Длительности синхроимпульсов соответственно равны: ССИ – 4,7 мкс; КСИ – 166мкс; импульсов гашения: СГИ – 12 мкс; КГИ – 1612 мкс. Период одной строки равен1/15625 = 64 мкс, а длительность ее рабочего хода (за вычетом времени СГИ) – 52мкс.
Все эти импульсы вместе свидеосигналом объединяются в так называемый полный телевизионный сигнал (ПТС).Форма ПТС показана на рис.5. На нем изображены только строчные синхронизирующиеи гасящие импульсы. Соответствующие кадровые импульсы намного длиннее и, крометого, кадровый синхроимпульс представляет собой сигнал сложной формы. Полныйтелевизионный сигнал генерируется в видеоканале.
/>
Рисунок 5. Полный телевизионныйсигнал.
Типичная структурная схемавидеоканала, включая передающую камеру, представлена на рис.5. В передающейтелевизионной камере, механически и оптически сопрягаемой с РЭОПом, расположеныпередающая трубка 1 с фокусирующе-отклоняющей системой (ФОС) 2 и блоком режимовтрубки 3, а также видеоусилитель 4 и генератор строчной развертки 5. Оптическаяфокусировка обеспечивается с помощью перемещения ФОС вместе с трубкойотносительно объектива РЭОПа 6.
Генератор строчной развертки 5обеспечивает формирование в магнитной системе пилообразного тока строчногоотклонения амплитудой около 200 мА для получения номинального размера растра намишени передающей трубки.
Блок режимов трубки служит дляпитания напряжениями ее электродов и для усиления сигналов гашения обратногохода электронного луча передающей трубки.
Выходной сигнал предварительногоусилителя поступает в аппаратный блок на вход усилителя канала 7. Оносуществляет дополнительное усиление и замешивание в видеосигнал гасящих исинхронизирующих импульсов, формируя полный телевизионный сигнал. В него входиттакже g-корректор 8, который обеспечиваетразличные формы амплитудной характеристики. В аппаратном блоке имеются такжегенератор кадровой развертки 9, генератор компенсирующих сигналов специальнойформы 10 для компенсации специфических искажений, обусловленных особенностями трубки.
Синхронная и синфазная работа всехблоков осуществляется под управлением синхрогенератора 11, который вырабатываетследующие импульсы: сигнал синхронизации приемников; строчные и кадровыесинхронизирующие импульсы; гасящие импульсы передающей трубки и приемников;импульсы фиксации (об их назначении будет сказано ниже). Блок питания 12снабжает питающими напряжениями все узлы видеоканала.
Наиболее ответственным аналоговымузлом видеоканала является предварительный усилитель передающей камеры. От негов наибольшей степени зависит качество изображения. Поэтому к нему предъявляютсяповышенные требования в отношении собственных шумов, полосы пропускания,неравномерности АЧХ.
Следует иметь в виду, что выходнойток передающих трубок (и ПЗС матриц) чрезвычайно мал: у современных трубок онне превышает 1 мкА. Поэтому входное сопротивление усилителя должно быть весьмабольшим. Необходимо также учитывать, что в тракте усиления имеютсяразделительные конденсаторы, которые не пропускают постоянную составляющую видеосигнала,характеризующую средний уровень яркости изображения. Этот уровеньвосстанавливают посредством специальных цепей фиксации.
/> />
Рисунок 6. Структурная схемавидеоканала РТС.
Структурная схема предварительногоусилителя показана на рис.7. На ней для лучшего понимания его особенностейпоказаны схемные фрагменты некоторых узлов. Усилитель условно разбит на трикаскада. В свою очередь первый каскад состоит из двух каскадов, выполненных покаскодным схемам, что обеспечивает хорошую развязку между входом и выходом. Какуже отмечалось, выходной ток передающих трубок очень мал. Поэтому входнойкаскад видеоусилителя должен обладать малыми собственными шумами и большимвходным сопротивлением. Для этих целей подходят полевые транзисторы. Например,транзистор КП307Б имеет собственные шумы Еш= 2,5 />
Входной сигнал поступает с сигнальнойпластины передающей трубки через разделительную емкость С1, на которой теряетсясредняя величина видеосигнала. Для получения равномерной АЧХ в диапазоне 50 Гц– 6,25 МГц необходимо прежде всего уменьшать ее спад в области верхних частот,который происходит за счет влияния паразитных параметров. Это достигаетсяприменением глубоких отрицательных ОС и корректирующих RC-цепочек R2C2, R3C3. Например,цепочка R2C2, включенная в цепь отрицательной ОС, с ростом частотыуменьшает глубину ОС и тем самым препятствует спаду коэффициента усиления.Параллельная отрицательная ОС, охватывающая первый и второй каскады имеетбольшую глубину. Поэтому сигнал на выходе второго каскада будет равен Ic×R1. Например, при Ic =0,5 мкА и R1 = 300 кОм Uвых2= 0,15 В.
/>
Рисунок 7. Предварительный усилительвидеосигнала.
Восстановление среднего значениявидеосигнала (т.е. возвращение ему характера униполярности) происходит на входетретьего каскада. Это делается с помощью ключа Sф, управляемого строчными синхроимпульсами. Вначале каждойстроки он кратковременно замыкается и разряжает постоянную составляющуюнапряжения конденсатора С4. Благодаря этому видеоимпульсы на входе третьегокаскада начинаются с нуля. Это называется фиксацией уровня черного. Постояннаявремени в цепи конденсатора С4 выбирается намного больше длительности строки,чтобы за это время он не успел заметно зарядиться.